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Die Erfindung betrifft eine Verstellnockenwelle mit einer Innenwelle und mit einer rohrförmigen Außenwelle, wobei die Innenwelle in der rohrförmigen Außenwelle drehbar aufgenommen ist und wobei auf der Außenwelle Verstellnockenelemente drehbar angeordnet sind, die mit der Innenwelle drehstarr verbunden sind, und wobei eine Phasenstelleinrichtung endseitig an der Innenwelle und an der Außenwelle angeordnet ist, mit der die Phasenlage der Innenwelle relativ zur Phasenlage der Außenwelle um eine Nockenwellenachse verstellbar ist.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielhaft zeigt die
DE 10 2012 212 250 A1 eine gattungsbildende Verstellnockenwelle mit einer Innenwelle und mit einer rohrförmigen Außenwelle, und die Innenwelle ist in der rohrförmigen Außenwelle drehbar aufgenommen. Über Stifte sind die Verstellnockenelemente mit der Innenwelle drehstarr verbunden, wobei die Stifte durch Aussparungen in der Außenwelle hindurchgeführt sind. Wird die Phasenstelleinrichtung aktiviert, verändert sich die Phasenlage der Innenwelle relativ zur Phasenlage der Außenwelle.
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Bei derartigen sogenannten konzentrischen Nockenwellen wird die Innenwelle zumeist als Vollwelle ausgeführt, und die Außenwelle ist rohrförmig ausgebildet, sodass die Innenwelle in die Außenwelle eingeführt werden kann. Die Verstellnockenwelle mit der Innenwelle, der Außenwelle und der Phasenstelleinrichtung kann einzeln oder im Verbund mit weiteren Verstellnockenwellen betrieben werden, wobei der Antrieb zumeist über ein Zugmittel durch die Kurbelwelle erfolgt. Die Anordnung der einen oder mehreren Verstellnockenwellen bildet dabei ein in sich schwingungsfähiges System, welches Biege- und Torsionseigenfrequenzen beinhaltet.
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Unter einer Frequenz wird ein periodischer Vorgang beschrieben, welcher sich mit einem Zeitintervall wiederholt. Die Eigenfrequenz beschreibt einen Zustand eines ungedämpften Systems ohne Energieverlust, nach einmaliger Anregung in seiner zugehörigen Eigenform periodisch zu schwingen. Durch den vorgegebenen Bauraum, die erforderlichen geometrischen Abmessungen der Verstellnockenelemente und durch die vorgegebenen Materialeigenschaften können im Betrieb der Verstellnockenwelle Biege- und Torsionsschwingungen auftreten, die grundsätzlich zu vermeiden sind. Die Innenwelle ist über Lagerstellen in der Außenwelle gelagert, wobei der vorgegebene Bauraum dazu führt, dass die Innenwelle über die komplette Lagerung in der Außenwelle einen kleinen Durchmesser aufweisen muss. Dies hat zur Folge, dass die Steifigkeit der Innenwelle im Vergleich zur Steifigkeit der Außenwelle eher gering ist. Des Weiteren ist durch die angebaute Phasenstelleinrichtung an der Innenwelle eine vergleichsweise große Masse angeordnet, die die Schwingungsfähigkeit des Systems weiter erhöht, da die Innenwelle die Funktion eines Drehstabes einnimmt, an dem Teile der Phasenstelleinrichtung endseitig angebracht sind und einen Drehmassenschwinger bilden.
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Eine Brennkraftmaschine wird sowohl durch die Nockenwellen, die Kurbelwelle als auch eingebundene weitere Aggregate mit ihren höheren harmonischen Erregerfrequenzen angeregt. Aufgrund des breiten Drehzahlbereiches erreichen die Erregerfrequenzen häufig ihre Eigenfrequenzen, und es resultieren Resonanzgebiete im System. Bei Resonanzen werden die Momente, Kräfte und Auslenkungen der jeweiligen Schwingung erhöht.
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Durch die schlanke Innenwelle und die vergleichsweise große Masse der Phasenstelleinrichtung wird durch die vierte Harmonische sowie die achte Harmonische der Erregerfrequenz die Biegeeigenfrequenz der Innenwellen-Resonanzstelle angeregt. Es kommt zu einer starken zyklischen Belastung der Innenwelle, welche gegebenenfalls zu Schäden führt.
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Durch Ermittlung der Eigenfrequenzen des Systems wird die Innenwelle vorteilhaferweise so modifiziert, dass zumindest die Steifigkeit der Innenwelle erhöht wird und damit vor allem die Biegeeigenfrequenz in einen höheren Drehzahlbereich verschoben wird, was jedoch aus baulichen Gründen nicht immer möglich ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Verstellnockenwelle mit einer erhöhten Standfestigkeit bei auftretenden Biege- und Torsionsschwingungen. Insbesondere soll eine Verstellnockenwelle mit einer modifizierten Innenwelle geschaffen werden, die auch bei größeren auftretenden Schwingungen keine Schädigung erfährt. Das Gewicht der Innenwelle soll dabei möglichst nicht oder nur gering vergrößert werden, zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, die geometrischen Abmessungen der Verstellnockenwelle in Bezug auf eine Einbauumgebung nicht zu verändern.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Verstellnockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Innenwelle im an die Phasenstelleinrichtung angrenzenden Bereich wenigstens einen Materialverstärkungsbereich zur mechanischen Verstärkung aufweist, durch die das Schwingungsverhalten der Verstellnockenwelle beeinflussbar ist.
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Durch einen einfachen Materialverstärkungsbereich an der Innenwelle im an die Phasenstelleinrichtung angrenzenden Bereich hat sich überraschend gezeigt, dass sowohl das Schwingungsverhalten als auch das Widerstandsmoment gegen auftretende Biege- und Torsionsschwingungen erheblich verbessert wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch eine Verstärkung der Innenwelle im an die Phasenstelleinrichtung angrenzenden Bereich die Schwingungsbelastbarkeit der Innenwelle in ihrer Gesamtheit deutlich verbessert ist.
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Insbesondere wird das Schwingungsverhalten der Innenwelle positiv beeinflusst, da neben einer Steifigkeitserhöhung durch den Materialverstärkungsbereich die aufgebrachte Masse auch die Funktion eines passiven Hilfsmassendämpfers erfüllen kann, durch den der Frequenzbereich der Eigenschwingungen in einen Bereich überführt wird, der nicht mehr im Haupt-Erregerbereich zur Schwingungsanregung der Innenwelle liegt.
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Der Materialverstärkungsbereich ist vorteilhafterweise aus dem Material der Innenwelle selbst ausgebildet, sodass die Innenwelle in ihrer ursprünglichen Form einstückig und materialeinheitlich in den Materialverstärkungsbereich übergeht. Insbesondere ist der Materialverstärkungsbereich an die Innenwelle angeformt und bildet eine geometrische Ausgestaltung der ansonsten materialeinheitlichen Innenwelle. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Materialverstärkungsbereich auf die ansonsten rohrförmige Innenwelle aufgepresst oder aufgeschweißt wird, wodurch die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen auftretende Schwingungsbelastungen der Innenwelle auf im Wesentlichen gleiche Weise erreicht wird.
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Mit Vorteil weist der Materialverstärkungsbereich wenigstens eine Materialaufdickung auf, die den zylindrischen Körper der weiteren Innenwelle radial überragt. Der Materialverstärkungsbereich muss nicht rotationssymmetrisch um die Nockenwellenachse ausgebildet sein, und Berechnungen zeigen, dass über Winkelsegmente verteilt Materialaufdickungen vorgesehen werden können, mittels der die Erhöhung der Festigkeit der Nockenwelle ebenfalls erreicht wird.
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Beispielsweise ist auf dem Umfang der Innenwelle verteilt eine Anzahl von Materialaufdickungen vorgesehen, die der Anzahl der Verstellnockenelemente entspricht, die drehbar auf der Außenwelle aufgenommen und mit der Innenwelle drehstarr verbunden sind. Die Materialaufdickungen sind beispielsweise mit Bezug auf die Nockenwellenachse in Winkellagen an der Innenwelle vorgesehen, die versetzt zu den Winkellagen von an den Verstellnockenelementen ausgebildeten Nockenkuppen angeordnet sind. Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Materialaufdickungen in den Winkelhalbierenden zwischen den Nockenkuppen der Materialaufdickungen ausgebildet.
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Die in der Innenwelle auftretenden Schwingungen können Längsschwingungen, Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen sein, und eine Überlagerung dieser Schwingungen bildet Schwingungsknotenpunkte, in denen besonders hohe Materialspannungen auftreten. Werden diese Schwingungsknotenpunkte analysiert, so können die Materialaufdickungen in den Bereichen erhöhter Materialspannungen vorgesehen werden, und durch die Erhöhung des Materialquerschnittes mittels der Materialaufdickungen werden auftretende Materialspannungen reduziert. Im Ergebnis erhöht sich die Widerstandsfähigkeit der Innenwelle gegen auftretende Schwingungsbelastungen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Verstellnockenwelle ist zwischen der Innenwelle und der Außenwelle wenigstens ein Radiallager ausgebildet. Eines der Radiallager liegt dabei der Phasenstelleinrichtung am nächsten, und es ist vorteilhafterweise wenigstens ein Materialverstärkungsbereich zwischen der Phasenstelleinrichtung und dem ersten Radiallager vorgesehen, wobei das erste Radiallager das Radiallager bildet, das der Phasenstelleinrichtung am nächsten liegt.
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Die Außenwelle weist mit weiterem Vorteil im Materialverstärkungsbereich an der Innenwelle einen wenigstens lokal vergrößerten Innendurchmesser auf. Dadurch wird ein Bauraum für den Materialverstärkungsbereich geschaffen, und die Außenseite der Außenwelle wird vorteilhafterweise trotz des vergrößerten Innendurchmessers mit einem gleichbleibenden Außendurchmesser versehen. Auch ist es denkbar, dass die Außenwelle einen Außendurchmesser aufweist, der im Abschnitt des Materialverstärkungsbereiches ebenfalls vergrößert ist, um auch in der Außenwelle ein vergrößertes Widerstandsmoment zu erreichen.
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Beispielsweise bildet die Materialaufdickung auf dem zylinderförmigen Körper der Innenwelle ein Dachkantprofil insbesondere mit einem Dachwinkel von 90°. Insbesondere dann, wenn auf der Verstellnockenwelle vier Verstellnockenelemente vorgesehen sind und wenn jedem der Verstellnockenelemente ein Materialverstärkungsbereich zugeordnet ist, dann befinden sich vier Materialverstärkungsbereiche im an die Phasenstelleinrichtung angrenzenden Bereich der Innenwelle. Weisen die Materialaufdickungen ein Dachkantprofil mit einem Winkel von 90° auf, so ergibt sich insgesamt ein gemeinsamer Materialverstärkungsbereich mit einem quadratischen Querschnitt. Die Kantenlänge des quadratischen Querschnittes entspricht dabei mit Vorteil dem Außendurchmesser der Innenwelle. Mit anderen Worten geht der Zylinderquerschnitt der Innenwelle über in einen quadratischen Querschnitt des Materialverstärkungsbereiches, wobei vorteilhalfterweise die Dachkantprofile außenseitige Radien aufweisen.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematisierte Ansicht einer Verstellnockenwelle mit einem an die Phasenstelleinrichtung angrenzenden Materialverstärkungsbereich und
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2 eine Seitenansicht der Verstellnockenwelle aus Richtung der Nockenwellenachse.
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1 zeigt in einer geschnittenen Ansicht eine Verstellnockenwelle 1 mit einer Innenwelle 10, mit einer Außenwelle 11 und mit einer Phasenstelleinrichtung 16, die endseitig an der Innenwelle 10 und an der Außenwelle 11 angeordnet ist. Die Innenwelle 10 ist massiv ausgeführt und erstreckt sich durch die rohrförmig ausgebildete Außenwelle 11. Mit der Phasenstelleinrichtung 16 besteht die Möglichkeit, die Phasenlage der Innenwelle 10 relativ zur Phasenlage der Außenwelle 11 um eine gemeinsame Nockenwellenachse 17 zu verstellen.
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Auf der Außenwelle 11 sind Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 aufgenommen, die mit jeweiligen Stiften 22 mit der Innenwelle 10 drehstarr verbunden sind. Auf nicht näher gezeigte Weise durchlaufen die Stifte 22 die Außenwelle 11 durch entsprechende Aussparungen, sodass über einen begrenzten Winkelbereich die Verdrehung der Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 relativ zur Außenwelle 11 ermöglicht wird. Festnocken, die auf der Außenwelle 11 angeordnet sind, sind vereinfachend nicht gezeigt.
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Die Innenwelle 10 ist mit mehreren Radiallagern 21 drehbar in der Außenwelle 11 gelagert, wobei vereinfacht nur ein Radiallager 21 gezeigt ist, welches das erste Radiallager 21 zwischen der Innenwelle 10 und der Außenwelle 11 bildet, das nach der Anordnung der Phasenstelleinrichtung 16 folgt.
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Zwischen der Phasenstelleinrichtung 16 und dem Radiallager 21 ist ein Materialverstärkungsbereich 18 angeordnet. Der Materialverstärkungsbereich 18 weist Materialaufdickungen 19 auf, die eine zumindest über einen begrenzten Winkelbereich gebildete radiale Aufdickung auf der ansonsten im Wesentlichen zylindrisch ausgeführten Innenwelle 10 bildet. Eine detailliertere Ansicht des Materialverstärkungsbereiches 18 zeigt 2, die eine Querschnittsansicht der Verstellnockenwelle 1 im Materialverstärkungsbereich 18 darstellt.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht der Verstellnockenwelle 1, und der Querschnitt ist gebildet im Materialverstärkungsbereich 18. Durch die Querschnittsansicht wird deutlich, dass der Materialverstärkungsbereich 18 an lokal begrenzten Bereichen Materialaufdickungen 19 aufweist. Durch die Querschnittsansicht sind die Nockenkuppen 20 der mehreren Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 gezeigt, und beispielhaft weisen die Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 zueinander einen Winkelversatz von 90° auf, wobei die gezeigten Winkellagen der Nockenkuppen 20 der Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 lediglich beispielhaft ausgeführt sind.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt den Materialverstärkungsbereich 18 mit den Materialaufdickungen 19 in Winkelbereichen, die jeweils einen Versatz aufweisen zu den Winkellagen der Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 mit den jeweiligen Nockenkuppen 20. Insbesondere sind die Materialaufdickungen 19 in der jeweiligen Winkelhalbierenden zwischen zwei Nockenkuppen 20 der Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 ausgebildet, wodurch eine besonders vorteilhafte Verstärkung der Innenwelle 10 im an die Phasenstelleinrichtung 16 angrenzenden Bereich erreicht wird. Berechnungen haben gezeigt, dass auftretende Biege- und Torsionsschwingungen zu erhöhten Materialspannungen führen, die insbesondere in den Zwischenbereichen zwischen den Nockenkuppen 20 der Verstellnockenelemente 12, 13, 14 und 15 liegen. Dabei werden die Torsionsmomente in die Innenwelle 10 über die Stifte 22 eingeleitet, wobei abhängig von den Betätigungskräften der Ventile über eine Volldrehung der Nockenwelle beispielsweise vier Drehmomentspitzen auf den Bereich der Innenwelle 10 zwischen den Verstellnockenelementen 12, 13, 14 und 15 und der Phasenstelleinrichtung 16 wirken. Abhängig von weiteren Schwingungseinflüssen auch von der Brennkraftmaschine selbst sowie weiteren Aggregaten an der Brennkraftmaschine können Lastspitzen auftreten, die die erfindungsgemäßen Materialaufdickungen 19 erforderlich machen. Dadurch wird ein Versagen der Innenwelle 10 wesentlich verzögert, insbesondere auch ein Ermüdungsverschleiß über einen Dauerbetrieb der Verstellnockenwelle 1 wird vermieden bzw. erheblich verzögert.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstellnockenwelle
- 10
- Innenwelle
- 11
- Außenwelle
- 12
- Verstellnockenelement
- 13
- Verstellnockenelement
- 14
- Verstellnockenelement
- 15
- Verstellnockenelement
- 16
- Phasenstelleinrichtung
- 17
- Nockenwellenachse
- 18
- Materialverstärkungsbereich
- 19
- Materialaufdickungen
- 20
- Nockenkuppe
- 21
- Radiallager
- 22
- Stift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212250 A1 [0002]
