DE102014104995A1 - Modul mit vororientierter Nockenwelle - Google Patents

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Abstract

Modul aufweisend ein Aufnahmeelement 1, insbesondere in Form eines Lagerrahmens oder einer Abdeckhaube, zur Anordnung auf einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine und aufweisend mindestens eine in dem Aufnahmeelement 1 drehbar gelagerte Nockenwelle, die zur Halterung eines Nockenwellenrades 3 aus einer Stirnseite des Aufnahmeelementes 1 heraus ragt und wobei das Modul für die unmittelbare Montage auf dem Zylinderkopf vorkonfektioniert ist, wobei für die Vorkonfektionierung die Nockenwelle in einer für die Beaufschlagung der Ventile korrekten Winkelstellung durch ein von außen zugängliches Sicherungsteil 5 gegen Drehung verriegelt ist, wobei das Sicherungsteil 5 eine erste Ausnehmung 7 im Nockenwellenrad 3 durchgreift und im Formschluss gegen Verdrehung mit einer im Aufnahmeelement 1 vorgesehenen Aufnahme 9 angeordnet ist, wobei das Sicherungsteil 5 nach der Montage des Moduls auf dem Zylinderkopf aus der verriegelnden Position entfernbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Modul aufweisend ein Aufnahmeelement, insbesondere in Form eines Lagerrahmens oder einer Abdeckhaube, zur Anordnung auf einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Das Modul weist zudem mindestens eine in dem Aufnahmeelement drehbar gelagerte Nockenwelle auf, die zur Halterung eines Nockenwellenrades aus einer Stirnseite des Aufnahmeelementes heraus ragt. Das Modul ist für die unmittelbare Montage auf dem Zylinderkopf vorkonfektioniert.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die zunehmende Technologievielfalt im Antriebsstrang eines Fahrzeuges erfordert von den Motorenherstellern eine hohe Flexibilität in der Prozesskette und eine damit verbundene Senkung der Produktionskosten. Daher geht die Entwicklung hin zu einer Modularisierung der Komponenten und zu einer Integration zusätzlicher Funktionen in den Bauteilen. Im Zuge dieser Entwicklung wurden beispielsweise Nockenwellenmodule konzipiert, bei denen eine oder zwei Nockenwellen in einem Lagerrahmen als Teil des Zylinderkopfes oder in einer Abdeckhaube als kompletter Zylinderkopf vormontiert sind. Solche vorgefertigten Nockenwellenmodule brauchen bei der Montage des Verbrennungsmotors lediglich auf den Zylinderblock aufgesetzt werden. Der einzig verbleibende Fertigungsschritt ist die Montage von Zugmittels, insbesondere des Zahnriemens oder der Steuerkette, auf dem Nockenwellenrad.
  • Damit das durch die Winkelstellung gegebene Steuerverhältnis zwischen Nockenwellen und Kurbelwellen dem vorgegebenen Maß entspricht, ist bei der Montage des Zugmittels auf dem Nockenwellenrad auf die exakte Winkelstellung der die Ventile beaufschlagenden Nocken im Verhältnis der beiden Nockenwellen zu den Ventilen einerseits und gegenüber der Kurbelwelle andererseits zu achten. Die Einstellung des korrekten Winkels zwischen den beteiligten rotierenden Komponenten ist zeitaufwendig und beeinflusst die Fertigungskosten in negativer Weise.
  • Um bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren die Winkelstellung der Nockenwellen für die Montage fixieren zu können, ist es aus der WO 2004/106716 A1 bekannt, eine Nockenwelle mit einem von oben durch den Zylinderkopf hindurch geführten Bolzen festzusetzen, der eine Bohrung oder eine Kerbe in der Nockenwelle durchgreift und im Zylinderblock fixiert ist. Der Bolzen kann auch die Funktion einer Montagehilfe beim Zusammenbau des Motors einnehmen. Allerdings sind die konstruktiven Maßnahmen an der Nockenwelle groß und wirken sich negativ auf die Stabilität der Nockenwelle aus. Zudem ist die Handhabung des Bolzens insofern unkomfortabel, als die Bohrung oder Kerbe in der Nockenwelle von Außen nicht ersichtlich ist.
  • Aus der DE 10 2007 056 608 A1 ist ein Werkzeug bekannt, das lediglich bei Reparaturen Verwendung findet, um die vor der Demontage von Keilriemen oder Steuerkette bestehende Stellung der Nockenwellen kurzfristig zu fixieren. Dieses Werkzeug greift in die Zähne des Zahnrades ein und wird mittels einer Schraube gegen den Motorblock verspannt. Mit diesem Werkzeug lässt sich allerdings nur eine provisorische und kurzfristige Fixierung der Nockenwellen erreichen. Auch kann der Eingriff des Werkzeuges in die Zahnradfunktionsfläche zu einer Beschädigung oder zu verbleibendem Abrieb am Nockenwellenrad führen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfach aufgebautes und kostengünstiges Modul umfassend das Aufnahmeelement und eine oder mehrere Nockenwellen zu schaffen, das im Rahmen der Montage von Brennkraftmaschinen in wenigen Schritten zu montieren ist, das die Fixierung der Nockenwelle(n) in vorgegebener Winkelstellung bis zur Montage eines Zugmittels auf dem Nockenwellenrad zuverlässig gewährleistet und das eine einfache Aufhebung der Fixierung nach der Montage ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Modul nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Moduls sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Entsprechend der Ansprüche liegt ein wesentlicher Aspekt der Erfindung zunächst darin, mit dem in das Nockenwellenrad eingreifende Sicherungsteil eine besonders einfache und schnelle Montage für das vorgefertigte Modul aus Aufnahmeelement und Nockenwelle(n) zu gewährleisten. Dabei liegt die Besonderheit darin, dass das Sicherungsteil in das von außen zugängliche Nockenwellenrad unter Schonung seines Zahnkranzes eingreift und dieses trotz einfacher mechanischer Ausgestaltung besonders zuverlässig gegenüber dem Aufnahmeelement fixiert. Damit ist die für den Einbau des Moduls vorgegebene Winkelstellung der Nockenwellen zuverlässig fixiert.
  • Dabei ist das Modul für die unmittelbare Montage auf dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors anspruchsgemäß dadurch vorkonfektioniert, dass sich die Nocken der Nockenwelle zunächst in der durch das korrekte Steuerverhältnis vorgegebenen Winkelstellung für die Beaufschlagung der Ventile befinden. In dieser Winkelstellung wird die Nockenwelle durch das für eine Handhabung von außen zugängliche Sicherungsteil gegen Drehung verriegelt, wobei das Sicherungsteil eine Ausnehmung im Nockenwellenrad durchgreift und im Formschluss gegen ein Verdrehen mit einer dafür vorgesehenen Aufnahme des Aufnahmeelementes ist, wodurch das Nockenwellenrad gegenüber dem Aufnahmeelement blockiert wird. Nach der Montage des Moduls an der Brennkraftmaschine wird das Sicherungsteil mit einem einfachen Handgriff aus der verriegelnden Position entfernt.
  • Mit dem solchermaßen konzipierten Sicherungsteil lassen sich jegliche vorgefertigte Module umfassend ein Aufnahmeelement und vormontierte Nockenwellen ausrüsten. Ein ganz besonders geeignetes Einsatzgebiet sind jedoch diejenigen Module, bei denen die Nockenwellen unter Nutzung thermischer Schrumpfungs- und Ausdehnungsprozesse in entsprechend koaxial angeordnete Durchgangsbohrungen im Aufnahmeelement eingefügt wurden. Bei diesem Fügeprozess wird der Körper der Nockenwelle zunächst so weit gekühlt und damit geschrumpft, dass er unter Vermittlung von Lagern in die Durchgangsbohrungen eingeschoben werden kann. Beim Einschieben werden gleichzeitig die Nocken „aufgefädelt”. Mit dem Aufwärmen und der entsprechenden Ausdehnung wird der Körper der Nockenwelle an den vorgesehenen Stellen in Lagern und in den Nocken verpresst.
  • Der wesentliche Vorteil eines solchermaßen vorgefertigten und vorpositionierten Moduls ist, dass es in der Motorenmontage unmittelbar eingebaut werden kann und dass wegen der zuverlässigen Fixierung der Nockenwellen ein aufwendiger Fertigungsschritt eingespart wird. Dabei sorgt der Einsatz des erfindungsgemäßen Sicherungsteils für eine besonders schonende, da den Zahnkranz nicht beaufschlagende, und dennoch robuste und präzise Fixierung der Nockenwellen im Aufnahmeelement. Zudem ist das erfindungsgemäße Sicherungsteil beim Einbau und beim Entfernen besonders einfach zu handhaben.
  • Vorteilhafterweise ist das Nockenwellenrad, das insbesondere ein Zahn- oder Riemenrad ist, von vornherein speziell für den Einsatz eines besonders einfach zu handhabenden Sicherungsteils konzipiert. Dazu ist die Scheibenfläche des Rades zumindest an einer Stelle passend zu einem durchgreifenden Element des Sicherungsteils von einer ersten Ausnehmung durchbrochen, wobei es konstruktiv besonders einfach ist, wenn diese erste Ausnehmung als eine zylindrische Bohrung ausgebildet ist, die von einem komplementär ausgebildeten zylindrischen Zapfen des Sicherungsteils durchdrungen wird. Der Zapfen reicht dann in eine weitere im Aufnahmeelement vorgesehene Aufnahme in Form einer Bohrung hinein, die bei korrekter Winkelstellung mit der Bohrung im Nockenwellenrad fluchtet. Dabei ist jeweils auf eine entsprechende Passung zu achten, die das Gleiten des Zapfens trotz eines möglichst großen radialen Formschlusses ermöglicht.
  • Zudem ist es vorteilhaft, in der Scheibenfläche mindestens eine zweite Ausnehmung zur Halterung des Sicherungsteils vorzusehen, wobei das Sicherungsteil mit einem entsprechenden Haftemittel ausgestattet ist, das mit der zweiten Ausnehmung zusammenwirkt. Das Haltemittel fixiert somit das im Nockenwellenrad montierte Sicherungsteil und verhindert dabei die axiale Verschiebung des Zapfens.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Haltemittel zumindest mit einem biegsamen Klammerschenkel ausgestattet, an dessen Ende sich eine Rastnase befindet. Der Klammerschenkel greift in die zweite Ausnehmung ein, wobei die Rastnase den Rand der Ausnehmung hintergreift, wenn das Haltemittel andererseits mit der Außenfläche des Nockenwellenrades in Anlage ist.
  • Idealerweise hat das Haltemittel zwei Klammerschenkel, die über ein Kippgelenk verbunden sind und in entsprechend zwei Ausnehmungen rastend eingreifen. Dabei ist – wie bei einer Wäscheklammer – eine Federwirkung vorzusehen, welche die beiden Klammerschenkel schließt. Die beiden mit den Rastnasen ausgestatteten Enden der Klammerschenkel bilden somit einen Klammerkopf und die anderen Enden der Klammerschenkel von Außen zugängliche Griffe aus. Wegen des Kippgelenkes bewirkt ein Zusammendrücken der Griffe ein Öffnen und damit ein Entriegeln des Klammerkopfes.
  • Besonders vorteilhaft ist es, das Sicherungsteil, das insbesondere mit dem Zapfen und den beiden über das Kippgelenk federnd verbundenen Klammerschenkeln ausgestattet ist, als einstückiges Spritzteil aus Kunststoff zu fertigen. Ein solches Sicherungsteil ist zum einen einfach und kostengünstig herzustellen und kann als Wegwerfartikel behandelt werden. Darüber hinaus ist es bei geringem Gewicht von hoher Stabilität. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass der Zapfen mit hoher Passgenauigkeit gefertigt werden kann und es wegen des Materialunterschiedes leicht in die Bohrung eingeführt werden. Im Hinblick auf das einfache Gleiten in den Bohrungen bei dennoch hoher Passgenauigkeit und zum Ausgleich eventueller Fertigungstoleranzen ist es besonders vorteilhaft, die Wandungen des Zapfens mit axiale Schlitzen auszustatten, die eine begrenzte radiale Flexibilität erzeugen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Sicherungsteil mit einer Originalitätssicherung, beispielsweise einem Siegel, versehen, die beim erstmaligen Entfernen des Sicherungsteils aus der verriegelnden Position bricht und damit die Manipulation sichtbar macht. Mit einer solchen Originalitätssicherung kann beim Einbau des Moduls sichergestellt werden, dass es sich um ein Modul im Originalzustand, bei dem die korrekte Winkelstellung garantiert ist, handelt.
  • BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, hierin zeigt:
  • 1 eine Abdeckhaube zur Aufnahme zweier Nockenwellen,
  • 2 ein Nockenwellenrad mit Durchbrüchen,
  • 3 ein einstückig aus Kunststoff hergestelltes Sicherungsteil,
  • 4 ein in einem Nockenwellenrad montiertes Sicherungsteil und
  • 5 Modul aus Abdeckhaube und eingebauten Nockenwellen.
  • In 1 ist zunächst als Teil eines erfindungsgemäß ausgestatteten Moduls ein Aufnahmeelement in Form einer vorgefertigten Abdeckhaube 1 gezeigt, die zum Aufsetzen auf einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine geeignet ist. In der einen Stirnseite der Abdeckhaube 1 sind zwei Bohrungen 2 eingebracht, aus denen entsprechend zwei in der Abdeckhaube 1 drehbar zu montierende Nockenwellen 16 (siehe 5) herausragen. Oberhalb jeder Bohrung 2 ist in die Stirnseite der Abdeckhaube 1 jeweils eine Aufnahme 9 in Form einer Sicherungsbohrung eingebracht, die das Sicherungsteil aufnimmt.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäß ausgestattetes Nockenwellenrad 3 in Form eines Zahnrades, wie es vermittels einer zentralen Bohrung 4 auf stirnseitig aus den Bohrungen 2 der Abdeckhaube 1 herausragenden Enden der Nockenwellen 16 montiert wird. Das in 5 gezeigte Modul aus der Abdeckhaube 1, den zwei Nockenwellen 16 und den Nockenwellenrädern 3 ist für die unmittelbare Montage auf dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine vorkonfektioniert.
  • Für die Montage ist jede der Nockenwellen in der für die Beaufschlagung der Ventile korrekten Winkelstellung durch ein von außen zugängliches und in 3 dargestelltes Sicherungsteil 5 aus Kunststoff gegen ein unbeabsichtigtes Verdrehen vor oder während der Montage verriegelt. Zur Verriegelung durchdringt das am Nockenwellenrad 3 montierte Sicherungsteil 5 mit einem Zapfen 6 zunächst eine in der Innenscheibe des auf der Nockenwelle 16 aufsitzenden Nockenwellenrades 3 eingebrachte Ausnehmung 7 in Form einer Durchgangsbohrung. Dabei reicht der Zapfen 6 durch die Durchgangsbohrung hindurch und mit seiner Spitze 8 in die als Sicherungsbohrung ausgestaltete Aufnahme 9 (1) in der Abdeckhaube 1 hinein.
  • Die Spitze 8 des Sicherungsteiles 5 befindet sich im radialen Formschluss mit der Aufnahme 9 und fixiert die Nockenwelle 16 gegen ein Verdrehen. Dabei sind die Durchgangsbohrung 7 und die Aufnahme 9 in ihrem Durchmesser so bemessen, dass sie eine gleitfähige Passung für den Zapfen 6 ausbilden. Das Sicherungsteil 5 ist insgesamt so ausgebildet, dass es nach der Montage des Moduls auf dem Zylinderkopf mit einem einfachen Handgriff aus seiner vormals verriegelnden Position entfernbar ist. Im vorliegenden Fall wird das Sicherungsteil 5 komplett entfernt und kann weggeworfen oder wiederverwendet werden.
  • Zum Halt des Sicherungsteils 5 auf dem Nockenwellenrad 3 (siehe auch 4) sind in der Fläche des Nockenwellenrades 3 zwei symmetrisch um die Durchgangsbohrung 7 herum angeordnete zweite Ausnehmungen 10 vorgesehen. In jeden dieser zweiten Ausnehmungen 10 greift jeweils ein biegsamer Klammerschenkel 11 ein, mit denen das Sicherungsteil 5 ausgestattet ist. Jeder Klammerschenkel 11 weist eine Rastnase 12 auf, die einen Rand der jeweiligen Ausnehmung 10 hintergreift. Am vorderen Rand der Ausnehmung 10 und damit an der Fläche des Nockenwellenrades liegt das Sicherungsteil 5 mit einer Anlagefläche 13 an. Das Sicherungsteil 5 mit dem Zapfen 6 und den beiden Klammerschenkeln 11 ist einstückig aus Kunststoff gespritzt, wobei die zwei Klammerschenkel 11 derart an ein die Anlagefläche 13 ausbildendes Brückenteil 14 angeformt sind, dass die Verbindung ein federndes Kippgelenk ausbildet.
  • Die durch die Einstückigkeit hervorgerufene Federkraft schließt die Klammerschenkel 11, so dass die Rastnasen 12 bei montiertem Sicherungsteil 5 einrasten. Die mit den Rastnasen 12 ausgestatteten Enden der Klammerschenkel 11 bilden quasi einen Klammerkopf aus. Die anderen Enden der Klammerschenkel bilden hingegen zwei von außen zugängliche Griffe 15 aus, die beim Zusammendrücken in Pfeilrichtung A den Klammerkopf öffnen (Pfeil B).
  • 5 zeigt nunmehr das Modul mit der Abdeckhaube 1 und zwei darin gelagerten Nockenwellen 16, deren Enden aus einer Stirnseite 17 der Abdeckhaube 1 herausragen und die Nockenwellenräder 3 tragen. Das Modul ist insofern vorkonfektioniert, als die Nockenwellen 16 mittels der eingesetzten Sicherungsteile 5 in der vorbestimmten Winkelstellung gegen Verdrehen gesichert sind. Dieses Modul kann unmittelbar auf dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Aufnahmeelement in Form einer Abdeckhaube
    2
    Bohrungen in der Abdeckhaube
    3
    Nockenwellenrad
    4
    zentrale Bohrung
    5
    Sicherungsteil
    6
    Zapfen
    7
    erste Ausnehmung in Form einer Durchgangsbohrung
    8
    Spitze des Zapfens
    9
    Aufnahme in Form einer Sicherungsbohrung
    10
    zweite Ausnehmungen
    11
    Klammerschenkel
    12
    Rastnase
    13
    Anlagefläche
    14
    Brückenteil
    15
    Griffe
    16
    Nockenwelle
    17
    Stirnseite der Abdeckhaube
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2004/106716 A1 [0004]
    • DE 102007056608 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Modul aufweisend ein Aufnahmeelement (1), insbesondere in Form eines Lagerrahmens oder einer Abdeckhaube, zur Anordnung auf einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine und aufweisend mindestens eine in dem Aufnahmeelement (1) drehbar gelagerte Nockenwelle, die zur Halterung eines Nockenwellenrades (3) aus einer Stirnseite des Aufnahmeelementes (1) heraus ragt und wobei das Modul für die unmittelbare Montage auf dem Zylinderkopf vorkonfektioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorkonfektionierung die Nockenwelle in einer für die Beaufschlagung der Ventile korrekten Winkelstellung durch ein von außen zugängliches Sicherungsteil (5) gegen Drehung verriegelt ist, wobei das Sicherungsteil (5) eine erste Ausnehmung (7) im Nockenwellenrad (3) durchgreift und im Formschluss gegen Verdrehung mit einer im Aufnahmeelement (1) vorgesehenen Aufnahme (9) angeordnet ist, wobei das Sicherungsteil (5) nach der Montage des Moduls auf dem Zylinderkopf aus der verriegelnden Position entfernbar ist.
  2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellenrad (3) ein Zahn- oder Riemenrad ist, in dessen Fläche die erste Ausnehmung (7) in Form einer Bohrung zum Durchgriff eines am Sicherungsteil (5) vorgesehenen Zapfes (6) ist, wobei zwischen Zapfen (6) und Bohrung eine gleitfähige Passung vorgesehen ist und wobei der Zapfen (6) durch die Bohrung hindurch in die als Sicherungsbohrung ausgebildete Aufnahme (9) im Aufnahmeelement (1) hinein reicht.
  3. Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Ausnehmung (10) zur Halterung des Sicherungsteils (5) vorgesehen ist, wobei das Sicherungsteil (5) mit einem entsprechenden Haltemittel (11, 12) ausgestattet ist, das mit der zweiten Ausnehmung (10) in Eingriff steht und den Zapfen (6) axial sichert.
  4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltemittel (11, 12) zumindest einen biegsamen Klammerschenkel (11) mit einer Rastnase (12) aufweist, der in die zweit Ausnehmung (10) im Nockenwellenrad (3) eingreift, wobei die Rastnase (12) den Rand der Ausnehmung (10) hintergreift.
  5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltemittel zwei Klammerschenkel (11) aufweist, die über ein Kippgelenk verbunden sind, wobei eine Federkraft die Klammerschenkel schließt, wobei die mit den Rastnasen (12) ausgestatteten Enden der Klammerschenkel (11) einen Klammerkopf ausbilden und wobei die anderen Enden der Klammerschenkel von außen zugängliche Griffe (15) ausbilden, die beim Zusammendrücken den Klammerkopf öffnen.
  6. Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsteil (5) mit dem Zapfen (6) und dem Haltemittel (11, 12) als einstückiges Spritzteil aus Kunststoff gefertigt ist.
  7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (6) zur Erzeugung einer begrenzten radialen Flexibilität eine axial geschlitzte Wandung hat.
  8. Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsteil (5) eine Originalitätssicherung aufweist, die ein erstmaliges Entfernen des Sicherungsteils (5) aus der verriegelnden Position sichtbar macht.
  9. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (1) Bohrungen zur Aufnahme der Nockenwelle aufweist, wobei der Körper der Nockenwelle mittels eines eine thermische Ausdehnung nutzenden Fügeprozesses unter Vermittlung von Drehlagern in die Bohrungen eingefügt ist.
  10. Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aufnahmeelement (1) zwei Nockenwellen drehbar gelagert sind, deren Nocken sich jeweils in korrekter Winkelstellung für die Beaufschlagung zweier Reihen von Ventilen befinden, wobei die Nockenwellen in dieser Winkelstellung durch zwei von außen zugängliche Sicherungsteile (5) gegen Drehung verriegelt sind, die nach der Montage aus der verriegelnden Position entfernbar sind.
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