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Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Nockenwelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Nockenwelle.
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Es sind bereits Nockenwellen für Brennkraftmaschinen eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs allgemein bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, Kosten für die Brennkraftmaschine zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Nockenwelle entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, mit wenigstens einer Trägerwelle, mit zumindest einer verschiebbaren Nockengruppe, die axial verschiebbar auf der Trägerwelle angeordnet ist, und mit zumindest einer Funktionsgruppe, die fest mit der Trägerwelle verbunden ist, vorgeschlagen. Dadurch kann eine Hybridnockenwelle, die variabel und/oder an verschiedene Anwendungen leicht anpassbar ist, bereitgestellt werden. Es kann ein modularisierter Aufbau der Nockenwelle realisiert werden, wodurch die Nockenwelle als Gesamtsystem aus Einzelbauteilen, insbesondere aus standarisierten Einzelbauteilen, entlang definierter Stellen zusammengesetzt werden kann. Die Nockenwelle kann besonders flexibel mit axial verschiebbaren Nocken, beispielsweise zur Bereitstellung einer Ventilhubumschaltung, und mit festen Funktionsgruppen, insbesondere mit festen Nocken, beispielsweise zur Bereitstellung einer konstanten Ventilbetätigung, ausgestattet werden, wodurch die Nockenwelle besonders einfach, schnell und kostengünstig an verschiedene Anwendungen, an Brennkraftmaschinen verschiedener Zylinderanzahl, an Brennkraftmaschinen verschiedener Gaswechselventilanzahl und/oder der Gleichen angepasst werden kann. Insbesondere kann die Nockenwelle einfach, schnell und kostengünstig an verschiedene Baureihen und/oder Serienmodelle der Brennkraftmaschine angepasst werden, wodurch Kosten für die Brennkraftmaschinen reduziert werden können. Die zumindest eine Funktionsgruppe kann dabei verschiedenste Funktionen erfüllen und beispielsweise zur Lagerung der Nockenwelle, zur Erfassung zumindest eines Betriebsparameters der Nockenwelle, beispielsweise zur Erfassung eines Nockenwellenwinkels, zur Betätigung eines Gaswechselventils, zur Betätigung einer Pumpe, insbesondere einer Hochdruckpumpe, zur Anbindung eines Nockenwellenantriebsrads, zur Anbindung eines Nockenwellenverstellers, zur Verstellung eines Nockenwellenwinkels oder der Gleichen vorgesehen sein. Die Trägerwelle ist vorzugsweise standarisiert und/oder normiert ausgebildet, wodurch die Trägerwelle serienmodellübergreifend und/oder baureihenübergreifend verwendet werden kann. Vorzugsweise ist die zumindest eine verschiebbare Nockengruppe und/oder die zumindest eine feste Funktionsgruppe standarisiert und/oder normiert ausgebildet, wodurch kostengünstig verschiedenste Kombinationen dargestellt werden können. Die Nockenwelle kann durch eine Ausstattung der serienmodellübergreifenden und/oder baureihenübergreifende Trägerwelle mit der zumindest einen verschiebbaren Nockengruppe und der zumindest einen festen Funktionsgruppe kostengünstig mit verschiedensten Funktionen, insbesondere nach dem Baukastenprinzip ausgestattet werden. Die Nockenwelle kann ferner durch eine Ausstattung der serienmodellübergreifenden und/oder baureihenübergreifende Trägerwelle mit der zumindest einen verschiebbaren Nockengruppe und der zumindest einen festen Funktionsgruppe kostengünstig an Brennkraftmaschinen unterschiedlicher Zylinderanzahl, unterschiedlicher Gaswechselventilanzahl und/oder der Gleichen, insbesondere nach dem Baukastenprinzip angepasst werden.
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Unter einem „Nocken” soll insbesondere ein Betätigungsnocken verstanden werden, der vorzugsweise zur Betätigung von zumindest einem Gaswechselventil wenigstens eine Ventilbetätigungskurve aufweist. Ein Nocken einer axial verschiebbaren Nockengruppe weist zur Ventilhubumschaltung vorzugsweise zumindest zwei Ventilbetätigungskurven auf. Die zumindest eine axial verschiebbare Nockengruppe und die zumindest eine Funktionsgruppe sind vorzugsweise jeweils drehfest mit der Trägerwelle verbunden. Vorteilhaft rotieren die zumindest eine axial verschiebbare Nockengruppe, die zumindest eine Funktionsgruppe und die Trägerwelle um eine gemeinsame Hauptrotationsachse, wodurch vorzugsweise zumindest ein Nocken der zumindest einen axial verschiebbaren Nockengruppe entsprechend der Ventilbetätigungskurve vorzugsweise zumindest ein Gaswechselventil betätigt. Die zumindest eine Funktionsgruppe und die Trägerwelle können einstückig miteinander oder separat zueinander ausgebildet sein. Unter „einstückig” soll insbesondere in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder aus einem einzelnen Rohling. Der Begriff „axial” ist insbesondere auf eine Rotationsachse der Nockenwelle und damit auf die Hauptrotationsache bezogen, so dass der Ausdruck „axial” eine Richtung bezeichnet, die auf der Rotationsachse oder parallel zu dieser verläuft. Vorzugsweise weist die Trägerwelle eine Haupterstreckungsachse auf, die parallel zur Hauptrotationsachse verläuft oder die mit der Hauptrotationsachse zusammenfällt. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgebildet, ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
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Um Kosten weiter zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsgruppe sowohl verdrehfest als auch axial verschiebefest auf der Trägerwelle angeordnet ist. Dadurch kann auf eine einstückige Ausbildung der zumindest einen Funktionsgruppe durch die Trägerwelle verzichtet werden, wodurch die Trägerwelle für einen besonders großen Anwendungsbereich verwendet werden kann. Die Trägerwelle kann besonders kostengünstig ausgebildet werden und durch Anordnung der zumindest einen verschiebbaren Nockengruppe und der zumindest einen Funktionsgruppe flexibel zu der Nockenwelle zusammengesetzt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsgruppe an einem Endbereich der Trägerwelle angeordnet ist. Dadurch kann die zumindest eine Funktionsgruppe besonders einfach auf der Trägerwelle angeordnet werden, wodurch die Nockenwelle besonders einfach zusammengebaut werden kann.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Nockenwelle zumindest eine weitere Funktionsgruppe aufweist, die sowohl verdrehfest als auch axial verschiebefest mit der Trägerwelle verbunden ist, wobei die zumindest eine verschiebbare Nockengruppe axial zwischen den zumindest zwei Funktionsgruppen angeordnet ist, wodurch die Nockenwelle einfach und damit kostengünstig mit einer Vielzahl an Funktionen ausgestattet werden kann.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Nockenwelle zumindest ein fest mit der zumindest einen verschiebbaren Nockengruppe verbundenes Kulissenelement aufweist, das zur axialen Verschiebung der zumindest einen verschiebbaren Nockengruppe eine Schaltkulisse aufweist, wodurch die verschiebbare Nockengruppe vorteilhaft verschoben werden kann. Unter einer „Schaltkulisse” soll insbesondere eine Einheit zum axialen Verstellen der zumindest einen axial verschiebbaren Nockengruppe verstanden werden, die wenigstens eine Kulissenbahn aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung in eine axiale Verstellkraft umzusetzen. Unter einer „Kulissenbahn” soll insbesondere eine Bahn zur ein- oder beidseitigen Zwangsführung eines Kulisseneingriffselements verstanden werden. Die Kulissenbahn ist vorzugsweise in Form eines Stegs, in Form eines Schlitzes und/oder in Form einer Nut ausgebildet. Das Kulisseneingriffselement ist vorzugsweise in Form eines den Steg umgreifenden Schaltschuhs, in Form eines in den Schlitz eingreifenden Pins und/oder in Form eines in der Nut geführten Pins ausgebildet.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Funktionsgruppe mindestens einen Nocken aufweist. Dadurch kann eine Nockenwelle hergestellt werden, die dazu vorgesehen ist, zumindest ein Gaswechselventil mit einem umschaltbaren Hub und zumindest ein anderes Gaswechselventil mit einem konstanten Hub zu betätigen, wodurch besonders kostengünstig eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann, die zur Kraftstoffeinsparung einen Zylinderabschaltmodus aufweist. Die Nockenwelle weist vorzugsweise zumindest einen axial verschiebbaren Nocken und zumindest einen festen Nocken auf.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nocken auf der verschiebbaren Nockengruppe zur Zylinderabschaltung vorgesehen sind, wodurch eine kraftstoffsparende Brennkraftmaschine kostengünstig bereitgestellt werden kann. Die Nocken der verschiebbaren Nockengruppe weisen zur Bereitstellung der Zylinderabschaltung zumindest eine Ventilbetätigungskurve auf, durch die zumindest ein Gaswechselventil in einem Betrieb der Brennkraftmaschine betätigt wird, und eine Ventilbetätigungskurve, durch die das zumindest eine Gaswechselventil während dem Betrieb der Brennkraftmaschine unbetätigt bleibt. Vorzugsweise ist die Betätigung des zumindest einen Gaswechselventils mittels der einen oder anderen Ventilbetätigungskurve durch die axiale Verschiebung des zumindest einen verschiebbaren Nockens umschaltbar.
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Weiter wird eine Brennkraftmaschine für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer Ventiltriebvorrichtung, die zumindest eine Nockenwelle mit wenigstens einer Trägerwelle, zumindest einem verschiebbaren Nocken, der axial verschiebbar auf der Trägerwelle angeordnet ist, und mit zumindest einem Funktionselement, das fest mit der Trägerwelle verbunden ist, vorgesehen. Durch die Verwendung einer solchen Nockenwelle kann die Brennkraftmaschine kostengünstig hergestellt werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine ein Motorgehäuse aufweist, zu dem die Trägerwelle axial verschiebefestgelagert ist beziehungsweise ein geringes Axialspiel besitzt wodurch eine Lagerung der die Ventilhubumschaltfunktion aufweisenden Nockenwelle besonders einfach gestaltet werden kann.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine einen Umschaltmechanismus aufweist, der dazu vorgesehen ist, den zumindest einen verschiebbaren Nocken zur Zylinderabschaltung axial zu verschieben, wodurch die Brennkraftmaschine mit einem kraftstoffsparenden Zylinderabschaltmodus ausgestattet werden kann.
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Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Nockenwelle, vorgeschlagen, in dem zumindest ein Nocken axial verschiebbar und zumindest eine Funktionsgruppe fest auf einer Trägerwelle angeordnet werden. Dadurch kann die Nockenwelle nach einem Baukastenprinzip je nach Anwendung zusammengebaut werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine, die eine Ventiltriebvorrichtung aufweist und
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2 eine Nockenwelle der Ventiltriebvorrichtung.
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1 zeigt schematisch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang. Zum Antrieb von Antriebsrädern 28 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs weist der Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Brennkraftmaschine 11 auf. Zur Bereitstellung von mehreren Getriebegängen weist der Kraftfahrzeugantriebsstrang des Weiteren ein Getriebe 29 auf. Das Getriebe 29 ist in einem Kraftfluss zwischen der Brennkraftmaschine 11 und den Antriebsrädern 28 angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 11 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier Zylinder, die jeweils einen Brennraum aufweisen. Zur Einleitung einer Brennluft in die Brennräume und zur Ausleitung eines Abgases aus den Brennräumen weist die Brennkraftmaschine 11 mehrere Gaswechselventile auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind einem Zylinder jeweils vier Gaswechselventile zugeordnet. Dabei sind zwei der vier Gaswechselventile zur Einleitung der Brennluft und zwei der vier Gaswechselventile zur Ausleitung des Abgases vorgesehen. Jedem Zylinder sind somit zwei als Einlassventile ausgebildete Gaswechselventile und zwei als Auslassventile ausgebildete Gaswechselventile zugeordnet. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Brennkraftmaschine 11 eine andere Anzahl an Zylindern aufweist. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass einem Zylinder eine anderen Anzahl an Gaswechselventilen zugeordnet sind. Beispielsweise könnten einem Zylinder lediglich ein Einlassventil und lediglich ein Auslassventil zugeordnet sein.
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Zur Steuerung der Einleitung der Brennluft und der Ausleitung des Abgases weist die Brennkraftmaschine 11 eine Ventiltriebvorrichtung 25 auf. Die Ventiltriebvorrichtung 25 umfasst zur Betätigung der Gaswechselventile in diesem Ausführungsbeispiel zwei Nockenwellen 10, 10'. Genauso ist vorstellbar, dass die Brennkraftmaschine 11 und die Ventiltriebvorrichtung 25 nur eine Nockenwelle oder mehr als zwei Nockenwellen aufweist. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist eine der Nockenwellen 10, 10' zur Betätigung der Einlassventile und die andere Nockenwelle 10', 10 zur Betätigung der Auslassventile vorgesehen. Eine der Nockenwellen 10, 10' ist als eine Einlassnockenwelle und die andere Nockenwelle 10', 10 als eine Auslassnockenwelle ausgebildet. Die Nockenwellen 10, 10' sind antriebstechnisch mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 11 verbunden. Dazu weist die Brennkraftmaschine 11 einen Kettentrieb, einen Riementrieb oder einen Stirnradtrieb auf. Die Brennkraftmaschine 11 weist ferner ein Motorgehäuse 26 auf, innerhalb dessen die Gaswechselventile und die Ventiltriebvorrichtung 25 angeordnet sind. Die Nockenwellen 10, 10' können analog zueinander ausgebildet sein, exemplarisch wird lediglich die Nockenwelle 10 näher beschrieben.
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Die Nockenwelle 10 weist eine Trägerwelle 12, vier auf der Trägerwelle 12 angeordnete Nocken 13, 14, 15, 16 und vier als Nocken ausgebildete Funktionselemente 17, 18, 19, 20 auf. Jeweils ein Nocken 13, 14, 15, 16 und jeweils ein als Nocken ausgebildetes Funktionselement 17, 18, 19, 20 betätigt jeweils ein Gaswechselventil. Dabei sind jeweils zwei Nocken 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 einem Zylinder zugeordnet. Die als Nocken ausgebildeten Funktionselemente 17, 18, 19, 20 sind als feste Nocken ausgebildet. Die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 sind fest mit der Trägerwelle 12 verbunden. Sie sind sowohl drehfest als auch axial verschiebefest auf der Trägerwelle 12 angeordnet. Die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 sind vorteilhafter Weise separat zur Trägerwelle 12 ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 einstückig durch die Trägerwelle 12 gebildet sind.
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Die Nocken 13, 14, 15, 16 sind auf verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' angeordnet Die Nocken 13, 14, 15, 16 sind auf den verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' drehfest, aber axial verschiebbar auf der Trägerwelle 12 angeordnet. Die Nocken 13, 14, 15, 16 können jeweils aus einer oder insbesondere aus mehreren Nockenerhebungen bestehen. Die Trägerwelle 12 ist axial verschiebefest gegenüber dem Motorgehäuse 26 montiert oder weist ein geringes Axialspiel gegenüber dem Motorgehäuse 26 auf. Sie ist in axialer Richtung motorgehäusefest angeordnet. Die Trägerwelle 12 ist zu dem Motorgehäuse 26 drehbar, aber axial verschiebefest oder mit geringem Axialspiel gelagert. Zur axialen Verrastung der Nocken 13, 14, 15, 16 auf den verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' weist die Trägerwelle 12 beispielsweise eine nicht dargestellte Querbohrung auf, die dazu vorgesehen ist, die verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' axial zu fixieren. Die Trägerwelle 12 ist einstückig ausgebildet. Grundsätzlich kann die Trägerwelle 12 aber auch mehrteilig ausgebildet sein. Die Trägerwelle 12 ist massiv ausgebildet, wobei eine zumindest teilweise hohle Ausbildung der Trägerwelle 12 grundsätzlich denkbar ist. Alternativ ist auch vorstellbar, dass die Trägerwelle 12 durchgehend hohl ist. Des Weiteren ist auch vorstellbar, dass eine hohle Trägerwelle 12 mit mindestens einem innenliegenden Absperrelement verschlossen wird. An der Querbohrung der Trägerwelle 12 kann grundsätzlich ein Einlegebauteil montiert werden. Das Einlegebauteil kann in Form einer gehärteten Stahlhülse oder als komplettes Montageteil mit mindestens einer Feder und/oder mindestens einer Kugel ausgestaltet sein. Alternativ ist auch vorstellbar, ein anderes Konstruktionselement zur Gewährleistung der axialen Verrastung darzustellen.
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Die Trägerwelle 12 besteht vorzugsweise aus Stahl. Die Trägerwelle 12 oder mindestens eine Komponente der Trägerwelle 12 im Falle einer mehrteiligen Ausbildung besteht vorteilhaft aus einem Stahl mit höchstens 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, und besonders vorteilhaft aus einem Stahl mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,60 Gewichtsprozent. Die Trägerwelle 12 besteht beispielsweise aus einem Stahl auf Basis eines 16MnCr5 oder einem Stahl auf Basis eines C45. Alternativ ist zur Herstellung der Trägerwelle 12 auch vorstellbar einen anderen metallischen Konstruktionswerkstoff als Stahl zu verwenden oder einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Faserverbundwerkstoff. Die als Nocken ausgebildeten Funktionselemente 17, 18, 19, 20 weisen jeweils lediglich eine Ventilbetätigungskurve auf. Die Nocken 13, 14, 15, 16 der verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' weisen dagegen jeweils mindestens zwei Teilnocken mit unterschiedlichen Ventilbetätigungskurven auf. Die Teilnocken von jeweils einem der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 sind jeweils unmittelbar benachbart angeordnet. Durch ein axiales Verschieben der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 wird innerhalb des Nockens 13, 14, 15, 16 von dem einen Teilnocken auf einen anderen Teilnocken umgeschaltet und damit die Betätigung des entsprechenden Gaswechselventils von einer Ventilbetätigungskurve auf eine andere Ventilbetätigungskurve umgeschaltet. Die verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 weisen jeweils mindestens zwei diskrete Schaltstellungen auf, in denen für den oder die Zylinder, die dem entsprechenden verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 zugeordnet sind, ein unterschiedlicher Ventilhub geschaltet ist. Die Teilnocken können dabei beispielsweise einem Vollhub, einem Teilhub oder einem Nullhub zugeordnet sein. Durch eine axiale Verschiebebewegung der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 gegenüber den ihnen zugeordneten Gaswechselventilen kann ein nicht näher dargestellter Nockenfolger von einem oder dem mindestens einen weiteren Teilnocken betätigt werden. Entsprechend einem Ventilhub, für den der entsprechende Teilnocken vorgesehen ist, wird dann das entsprechende Gaswechselventil mit einem Vollhub, einem Teilhub oder einem Nullhub beaufschlagt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 zur Zylinderabschaltung vorgesehen. Einer der mindestens zwei Teilnocken jeweils eines verschiebbaren Nockens 13, 14, 15, 16 ist einem Vollhub und der andere Teilnocken jeweils des verschiebbaren Nockens 13, 14, 15, 16 einem Nullhub zugeordnet. Eine Betätigung der Gaswechselventile, die den Funktionselementen 17, 18, 19, 20 zugeordnet sind, ist konstant und damit nicht umschaltbar.
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Die Nocken 13, 14, 15, 16, die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 und die Trägerwelle 12 sind koaxial zueinander angeordnet. Die Nocken 13, 14, 15, 16, die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 und die Trägerwelle 12 weisen eine Hauptrotationsachse auf, um die sie in einem Betrieb der Brennkraftmaschine 11 rotieren. Wenngleich nicht dargestellt, sind noch weitere verschiebbare Nocken als die benannten Nocken 13, 14, 15, 16 und/oder noch weitere Funktionselemente als die benannten Funktionselemente 17, 18, 19, 20 vorstellbar.
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Die axial auf der Trägerwelle (12) verschiebbare Nockengruppe 30 besteht mindestens aus den Nocken, 13, 14. Die axial auf der Trägerwelle (12) verschiebbare Nockengruppe 30' besteht mindestens aus den Nocken 15, 16. Die Nocken 13, 14, 15, 16 können auch jeweils als Mehrfachnocken mit unterschiedlichen Erhebungen ausgebildet sein.
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Die auf der Trägerwelle 12 festsitzende Funktionsgruppe 31 besteht mindestens aus den als Nocken ausgebildeten Funktionselementen 17, 18, sowie einer Funktionsbuchse 38. Optional kann die Funktionsgruppe 31 auch ein Funktionselement 42 und/oder einen Flansch 44 und/oder einen in 2 auf der Funktionsgruppe 31 nicht abgebildeten Pumpennocken 45 aufweisen. Die Funktionsbuchse 38 kann beispielsweise ein Axiallager und/oder ein Radiallager darstellen. Das Funktionselement 42 kann beispielsweise ein Axiallager und/oder ein Radiallager darstellen.
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Die auf der Trägerwelle festsitzende Funktionsgruppe 32 besteht mindestens aus den als Nocken ausgebildeten Funktionselementen 19, 20, sowie einer Funktionsbuchse 39. Optional kann die Funktionsgruppe 32 auch ein Funktionselement 43 und/oder einen in 2 auf der Funktionsgruppe 32 nicht abgebildeten Flansch 44 und/oder einen Pumpennocken 45 aufweisen. Die Funktionsbuchse 39 kann beispielsweise ein Axiallager und/oder ein Radiallager darstellen. Das Funktionselement 43 kann beispielsweise ein Axiallager und/oder ein Radiallager darstellen.
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Grundsätzlich können die Nockengruppen 30, 30' sowie die Funktionsgruppen 31, 32 auch eine andere Zahl an Nocken als die in 2 dargestellten Nocken ausweisen. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 in eine andere Anzahl an Funktionsgruppen 31, 32 unterteilt sind. Ferner ist es grundsätzlich denkbar, dass die verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 in mehr als die zwei Nockengruppen 30, 30' unterteilt sind.
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Die erste Funktionsgruppe 31 und die zweite Funktionsgruppe 32 sind vorzugsweise an einem axialen Endbereich 21, 22 der Trägerwelle 12 angeordnet. Die Funktionsgruppen 31, 32 sind an die Trägerwelle 12 gefügt, insbesondere mit der Trägerwelle 12 verpresst. Die Funktionselemente 17, 18 der ersten Funktionsgruppe 31 sind fest miteinander verbunden. Die Nockenwelle 10 weist eine Funktionsbuchse 38 auf, die fest mit den Funktionselementen 17, 18 der ersten Funktionsgruppe 31 verbunden ist. Die Funktionselemente 17, 18 der ersten Funktionsgruppe 31 und die Funktionsbuchse 38 sind einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ ist auch vorstellbar, dass die einzelnen Komponenten zum Aufbau der Funktionsgruppe 31 zusammen gefügt werden, also eine sogenannte gebaute Einheit entsteht.
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Die Funktionsgruppe 31 ist an in axiales Ende der Trägerwelle 12 gefügt, insbesondere sind die Funktionsgruppe 31 und die Trägerwelle verpresst. Die Funktionsgruppe 31 bildet ein axiales Endstück der Nockenwelle 10. Sie bildet ein Endstück mit zwei festen Nocken. Grundsätzlich können die Funktionselemente 17, 18 und die Funktionsbuchse 38 separat zueinander ausgebildet sein, wobei die Funktionselemente 17, 18 fest auf der Funktionsbuchse 38 angeordnet sind.
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Die Funktionselemente 19, 20 der zweiten Funktionsgruppe 32 sind fest miteinander verbunden. Die Nockenwelle 10 weist eine Funktionsbuchse 39 auf, die fest mit den Funktionselementen 19, 20 der zweiten Funktionsgruppe 32 verbunden ist. Die Funktionselemente 19, 20 der zweiten Funktionsgruppe 32 und die Funktionsbuchse 39 sind einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ ist auch vorstellbar, dass die einzelnen Komponenten zum Aufbau der Funktionsgruppe 32 zusammen gefügt werden, also eine sogenannte gebaute Einheit entsteht.
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Die Funktionsgruppe 32 ist an ein axiales Ende der Trägerwelle 12 gefügt, insbesondere sind die Funktionsgruppe 32 und die Trägerwelle 12 verpresst. Die Funktionsgruppe 32 bildet ein axiales Endstück der Nockenwelle 10. Sie bildet ein Endstück mit zwei festen Nocken. Grundsätzlich können die Funktionselemente 19, 20 und die Funktionsbuchse 39 separat zueinander ausgebildet sein, wobei die Funktionselemente 19, 20 fest auf der Funktionsbuchse 39 angeordnet sind.
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Alternativ oder zusätzlich können die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 und/oder die Funktionsbuchsen 38, 39 mit der Trägerwelle 12 verklebt oder verschweißt sein. Zum Verschweißen ist ein Reibschweiß- oder ein Schmelzschweißverfahren und besonders ein Strahlschweißverfahren, wie beispielsweise durch Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschweißen, vorteilhaft. Grundsätzlich können die Funktionsbuchsen 38, 39 und/oder die Trägerwelle 12 eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, um die Anordnung der Funktionsbuchsen 38, 39 auf der Trägerwelle 12 zu verbessern.
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Die Funktionsbuchsen 38, 39 und/oder mindestens eine der Funktionselemente 17, 18, 19, 20 können aus einem gleichen oder aus verschiedenen Materialen bestehen. Die Funktionsbuchsen 38, 39 und die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 bestehen aus Stahl. Im Falle einer einstückigen Ausbildung der Funktionsbuchsen 38, 39 und der zugehörigen Funktionselemente 17, 18, 19, 20 bestehen die Funktionsbuchse 38, 39 und die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 vorteilhaft aus einem Stahl mit höchstens 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, und besonders vorteilhaft aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,30 Gewichtsprozent bis maximal 1,2 Gewichtsprozent. Im Falle einer separaten Ausbildung der Funktionsbuchsen 38, 39 und der zugehörigen Funktionselementen 17, 18, 19, 20 bestehen die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 vorteilhaft aus einem Stahl mit 0,3 Gewichtsprozent bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, und besonders vorteilhaft aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,50 Gewichtsprozent bis 1,2 Gewichtsprozent. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Nockenwelle 10 lediglich an einem der axialen Endbereiche 21, 22 Funktionselemente 17, 18, 19, 20 aufweist.
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Die Nocken 13, 14, 15, 16 auf den verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' sind axial zwischen den Funktionselementen 17, 18, 19, 20 angeordnet. Die verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 sind axial zwischen der ersten Funktionsgruppe 31 und der zweiten Funktionsgruppe 32 angeordnet. Die Nockengruppen 30, 30' sind axial zwischen der ersten Funktionsgruppe 31 und der zweiten Funktionsgruppe 32 angeordnet.
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Die Nocken 13, 14, der verschiebbaren Nockengruppe 30 sind fest miteinander verbunden und damit als Gruppe verschiebbar. Die verschiebbaren Nocken 15, 16 der Nockengruppe 30' sind fest miteinander verbunden und damit als Gruppe verschiebbar.
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Die Nockengruppe 30 mit den Nocken 13, 14 und die Nockengruppe 30' mit den Nocken 15, 16 sind jeweils auf die Trägerwelle 12 aufgeschoben. Sie sind im Wesentlichen drehfest, aber axial verschiebbar auf der Trägerwelle 12 angeordnet. Die Trägerwelle 12 ragt axial beidseitig aus den Nockengruppen 30 bzw. 30 heraus. Zur im Wesentlichen drehfesten, aber axial verschiebbaren Anordnung der Nockengruppen 30, 30' und damit der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 weisen die Trägerwelle 12 eine Außenverzahnung 41, 41' und die Nockengruppen 30, 30' im konkreten Ausführungsbeispiel eine in den Figuren nicht sichtbare Innenverzahnung auf. In einem auf der Trägerwelle 12 angeordneten Zustand der verschiebbaren Nockengruppen 30, 30' greifen die Außenverzahnung 41, 41' und die Innenverzahnung ineinander. Die Außenverzahnung 41, 41' kann spanend und/oder durch einen Umformschritt, insbesondere in einem sogenannten Grob-Verfahren, eingebracht werden. Die im Wesentlichen drehfeste, aber axial verschiebbare Anordnung der Nockengruppen 30, 30' und damit der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 kann alternativ durch zumindest eine Passfeder realisiert werden. Grundsätzlich können die Nocken 13, 14, 15, 16 und die Nockengruppen 30, 30' separat zueinander ausgebildet sein, wobei die Nocken 13, 14, fest auf der Nockengruppe 30 und die Nocken 15, 16 fest auf der Nockengruppe 30' angeordnet sind. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass die Nockenwelle 10 zur im Wesentlichen drehfesten, aber axial verschiebbaren Anordnung ein separates, dreh- und verschiebefest auf der Trägerwelle 12 angeordnetes Anbindungselement aufweist, das beispielsweise hülsenförmig ausgebildet ist und die Außenverzahnung 41, 41' aufweist. Alternativ zur Innen- bzw. Außenverzahnung sind auch andere Konstruktionselemente zur Realisierung der axialen Verschiebung der Nocken 13, 14, 15, 16 auf der Trägerwelle 12 vorstellbar.
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Die Nockenwelle 10 ist durch die Trägerwelle 12, durch die Nockengruppen 30, 30' und durch die zwei Funktionsgruppen 31, 32 gebildet. In 2 ist die Nockenwelle 10 in einem auseinandergebauten Zustand und damit in einem Zustand vor der Anordnung der Nocken 13, 14, 15, 16 und der Funktionselemente 17, 18, 19, 20 auf die Trägerwelle 12 dargestellt. Ausgehend von dem auseinandergebauten Zustand wird zuerst eine der Funktionsgruppen 31, 32 an einem Ende der Trägerwelle 12 fest angeordnet. Anschließend wird die Nockengruppe 30 durch das freie Ende auf die Trägerwelle 12 geschoben, bis die Nockengruppe 30 und die Trägerwelle 12 im Wesentlichen drehfest miteinander verbunden sind. Daraufhin wird die Nockengruppe 30' entsprechend montiert. Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass mehr als die beiden benannten Nockengruppen 30, 30' montiert werden. Es ist aber auch vorstellbar, dass nur eine Nockengruppe 30, 30' montiert wird. Daraufhin wird die andere Funktionsgruppe 31, 32 auf das freie Ende der Trägerwelle 12 fest angeordnet. Die Trägerwelle 12 ist standarisiert oder normiert. Durch die Nockengruppen 30, 30', die eine beliebige Anzahl an verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 aufwiesen können, und die Funktionsgruppen 31, 32, die jeweils unterschiedliche Arten und Anzahl an Funktionselementen 17, 18, 19, 20 aufweisen können, können die Trägerwelle 12, die Nockengruppen 30, 30' und die Funktionsgruppen 31, 32 insbesondere nach einem Baukastenprinzip flexibel zu verschiedenen Nockenwellen 10 zusammengebaut werden.
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Zur axialen Verschiebungen der Nocken, 13, 14, 15, 16 ist an jede Nockengruppe 30, 30' jeweils eine Schaltkulisse 24, 23 fest angebunden. Die Kulissenbahnen 33, 34 sind dazu vorgesehen, die Nocken 13, 14, 15, 16 axial in entgegengesetzte Richtungen zu verschieben.
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Die Schaltkulisse 23 und die Nockengruppe 30 sind einstückig miteinander ausgebildet, können grundsätzlich aber auch in gebauter Form vorliegen. Die Schaltkulisse 24 und die Nockengruppe 30' sind einstückig miteinander ausgebildet, können grundsätzlich aber auch in gebauter Form vorliegen.
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Die Nockengruppe 30 und wenigstens einer der Nocken 13, 14 können aus einem gleichen oder aus verschiedenen Materialen bestehen. Die Nockengruppe 30' und wenigstens einer der Nocken 15, 16 können aus einem gleichen oder aus verschiedenen Materialen bestehen. Ferner können die Funktionsgruppen 31, 32 und die Nockengruppen 30, 30' aus einem gleichen oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Nockengruppen 30, 30' und die Nocken 13, 14, 15, 16 bestehen aus Stahl. Im Falle einer einstückigen Ausbildung der Nockengruppe 30 und der Nocken 13, 14 wird vorteilhafter Weise ein Stahl mit höchstens 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff verwendet, besonders vorteilhafter Weise ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,30 Gewichtsprozent bis maximal 0,75 Gewichtsprozent. Im Falle einer einstückigen Ausbildung der Nockengruppe 30' und der Nocken 15, 16 wird vorteilhafter Weise ein Stahl mit höchstens 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff verwendet, besonders vorteilhafter Weise ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,30 Gewichtsprozent bis maximal 0,75 Gewichtsprozent.
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Im Falle einer gebauten Ausbildung der Nockengruppen 30, 30' und der Nocken 13, 14, 15, 16 bestehen die Nocken 13, 14, 15, 16 vorteilhaft aus einem Stahl mit 0,3 Gewichtsprozent bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, und besonders vorteilhaft aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gewichtsprozent bis 1,2 Gewichtsprozent. Die Nocken 13, 14, 15, 16 bestehen beispielsweise aus einem Stahl auf Basis eines C56E2 oder aus einem Stahl auf Basis eines 100Cr6.
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Zur Steuerung der Verschiebung der verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 weist die Brennkraftmaschine 11 einen Umschaltmechanismus 27 auf. Der Umschaltmechanismus 27 weist beispielsweise einen elektrisch ansteuerbaren Aktor 35 auf. Der Aktor 35 umfasst zwei Kulisseneingriffselemente auf, die jeweils zum Eingriff in eine der Kulissenbahn 33, 34 vorgesehen sind. Der Aktor 35 weist ferner ein Statorgehäuse 36 auf, das fest mit dem Motorgehäuse 26 verbunden ist. Die Kulisseneingriffselemente sind entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung verschiebbar in dem Statorgehäuse 36 angeordnet. Die Kulissenbahnen 33, 34 sind als Nuten ausgeführt, in denen die Kulisseneingriffselemente beidseitig zwangsgeführt werden können. Bei einem Schaltvorgang in eine erste Schaltrichtung wird einer der Kulisseneingriffselemente in Eingriff mit einer der Kulissenbahn 33, 34 gebracht. Bei einem Schaltvorgang in eine zweite Schaltrichtung wird das andere Kulisseneingriffselement in Eingriff mit der anderen Kulissenbahn 34, 33 gebracht.
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Zur Ansteuerung des Aktors 35 weist der Umschaltmechanismus 27 eine Steuer- und Regeleinheit 37 auf, die dazu vorgesehen ist, die Kulisseneingriffselemente entlang ihrer Haupterstreckung auszufahren. Der Umschaltmechanismus 27 ist dazu vorgesehen, die verschiebbaren Nocken 13, 14, 15, 16 im konkreten Beispiel zur Zylinderabschaltung axial zu verschieben. Die Steuer- und Regeleinheit 37 ist dazu vorgesehen, den Aktor 35 beispielsweise zur Aktivierung der Zylinderabschaltung und zur Deaktivierung der Zylinderabschaltung anzusteuern.
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Des Weiteren weist die Nockenwelle 10 zwei weitere Funktionselemente 42, 43 auf. Das Funktionselement 42 ist der ersten Funktionsgruppe 31 zugeordnet. Die Funktionselemente 17, 18, 42 sind fest miteinander verbunden. Das Funktionselement 42 ist fest mit der Funktionsbuchse 38 verbunden. Die Funktionsbuchse 38 und das Funktionselement 42 sind einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ ist auch vorstellbar, dass vor dem Fügen an die Welle 12 eine sogenannte gebaute Einheit bestehend aus den Funktionselementen 38 und 42 vorliegt. Das Funktionselement 43 ist der zweiten Funktionsgruppe 32 zugeordnet. Die Funktionselemente 19, 20, 43 sind fest miteinander verbunden. Das Funktionselement 43 ist fest mit der Funktionsbuchse 39 verbunden. Die Funktionsbuchse 39 und das Funktionselement 43 sind einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ ist auch vorstellbar, dass vor dem Fügen an die Welle 12 eine sogenannte gebaute Einheit bestehend aus den Funktionselementen 39 und 43 vorliegt.
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Grundsätzlich kann die Nockenwelle 10 weitere und/oder andere Funktionselemente 17, 18, 19, 20, 42, 43 aufweisen. Ein Funktionselement 17, 18, 19, 20, 42, 43 kann grundsätzlich als ein Nocken, ein Radiallager, ein Axialanschlag, ein Sechskant, ein Sensorrad, ein Pumpennocken, eine Anbindungsstelle für ein Nockenwellenantriebsrad, eine Anbindungsstelle für einen Nockenwellenversteller, ein Nockenwellenverstellerbauteil, wie beispielsweise ein Rotor, ein Verschlussstopfen oder der Gleichen ausgebildet sein.
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Die Nocken 13, 14, 15, 16, die Funktionselemente 17, 18, 19, 20, 42, 43, die Nockengruppen 30, 30', die Funktionsbuchsen 38, 39 und/oder die Trägerwelle 12 können vollständig oder örtlich wärmebehandelt sein. Eine Wärmebehandlung zur zumindest örtlichen Härtesteigerung und/oder zur örtlichen Steigerung eines Verschleißwiderstandes kann durch Vergüten, durch ein thermochemisches Verfahren, wie beispielsweise Einsatzhärten, Carbonitrieren, Nitrieren, Nitrocarburieren, durch ein Strahlhärteverfahren, wie beispielsweise Laserhärten, Elektronenstrahlhärten oder durch Induktivhärten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Funktionsoberflächen beschichtet sein.
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Die Nocken 13, 14, 15, 16, die Funktionselemente 17, 18, 19, 20, 42, 43, die Nockengruppen 30, 30', die Funktionsbuchsen 38, 39 und/oder die Trägerwelle 12 können durchgehärtet oder zumindest im Nockenlaufbahnbereich zumindest abschnittsweise randschichtgehärtet sein. Besonders bevorzugt werden die Nocken 13, 14, 15, 16 und die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 induktiv randschichtgehärtet oder durchgehärtet oder mit Hilfe eines Strahlhärteverfahrens, wie beispielsweise ein Laserstrahlhärten oder ein Elektronenstrahlhärten gehärtet. Anschließend können die Nocken 13, 14, 15, 16 und die Funktionselemente 17, 18, 19, 20 zum Zwecke der Materialentspannung angelassen werden. Die Trägerwelle 12 kann ungehärtet, gehärtet durch mindestens ein Wärmebehandlungsverfahren oder lokal im Bereich der Querbohrung, vorteilhaft durch Induktion oder einem Strahlhärteverfahren, gehärtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägerwelle 12 mit einem thermochemischen Verfahren gehärtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Nockenwelle
- 11
- Brennkraftmaschine
- 12
- Trägerwelle
- 13
- Nocken
- 14
- Nocken
- 15
- Nocken
- 16
- Nocken
- 17
- Funktionselement
- 18
- Funktionselement
- 19
- Funktionselement
- 20
- Funktionselement
- 21, 22
- Endbereich
- 23, 24
- Schaltkulisse
- 25
- Ventiltriebvorrichtung
- 26
- Motorgehäuse
- 27
- Umschaltmechanismus
- 28
- Antriebsrad
- 29
- Getriebe
- 30, 30'
- Nockengruppe
- 31, 32
- Funktionsgruppe
- 33, 34
- Kulissenbahn
- 35
- Aktor
- 36
- Statorgehäuse
- 37
- Steuer- und Regeleinheit
- 38, 39
- Funktionsbuchse
- 41, 41'
- Außenverzahnung
- 42, 43
- Funktionselement
- 44
- Flansch
- 45
- Pumpennocken
