DE19853635A1 - Stirnrad-Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Stirnrad-Nockenwellenantrieb für eine BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stirnrad-Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse (10), einem Kurbelwellenrad (12) und einem Nockenwellenrad. Hierbei ist zwischen Kurbelwellenrad (12) und Nockenwellenrad wenigstens ein Ausgleich-Zwischenrad (18) angeordnet, dessen Drehachse (36) bezüglich des Kurbelgehäuses (10) frei beweglich ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stirnrad-Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine mit
einem Kurbelgehäuse, einem Kurbelwellenrad und einem Nockenwellenrad, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Brennkraftmaschinen mit einem Nockenwellenantrieb, welcher durch mehrere Zahnräder
zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle realisiert ist, ergeben sich durch mehrere
Einflüsse Schwingungsbelastungen des Nockenwellenantriebs. So erfolgt insbesondere bei
einer Diesel-Brennkraftmaschine bei einem Arbeitstakt in einem Zylinder eine relativ kräftige,
jedoch kurzzeitige Anregung der Kurbelwelle, während in Zeiten zwischen jeweiligen
Arbeitstakten nahezu kein Drehmoment auf die Kurbelwelle wirkt. Dies ergibt eine relativ
ungleichmäßige, ungleichförmige Bewegung der Kurbelwelle mit mehr oder weniger ruckartig
schwingenden Bewegung. Toleranzen bei Bauteilen des Nockenwellenantriebs führen zu
entsprechendem Spiel zwischen miteinander kämmenden Zahnflanken der Zahnräder,
wodurch sich Schwingungen im Nockenwellenantrieb entsprechend fortsetzten können. Ein
derartiges Spiel wird zusätzlich noch dadurch verstärkt, daß häufig Stahlzahnräder bzw. für
den Nockenwellenantrieb Bauteile aus Stahl Verwendung finden, wogegen das
Kurbelgehäuse aus Aluminium gefertigt ist. Durch entsprechend unterschiedliche
Temperaturausdehnungskoeffizienten ist somit ein Achsabstand zwischen jeweiligen
Zahnrädern des Nockenwellenantriebs während des Betriebes der Brennkraftmaschine nicht
mehr konstant, was zu zusätzlichem Spiel führt.
Dieses erhöhte Spiel im Nockenwellenantrieb hat dreierlei unerwünschte Nebeneffekte.
Erstens ist eine Synchronisation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle sozusagen
verwischt, da Relativbewegungen zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle möglich sind.
Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit einem integrierten Pumpe-Düse-System, bei dem
die Nockenwelle auch die Einspritzzeiten unmittelbar bestimmt, kommt es zu
Verschiebungen der Einspritzzeiten und somit zu einem nicht optimalen Betrieb der
Brennkraftmaschine. Zweitens pflanzt sich die ungleichförmige Bewegung der Kurbelwelle
als Schwingung durch den Nockenwellenantrieb bis in die Nockenwelle fort und führt dort
zusätzlich zu nicht genau vorbestimmten Einspritz- und Ventilbetätigungszeiten. Drittens
kommt es durch das Spiel zu erhöhter Geräuschentwicklung, was in Personenkraftwagen
von den Insassen als störend empfunden werden kann.
Ein besonders großes Spiel zwischen einem Nockenwellenzahnrad und einem letzten, mit
dem Kurbelwellenzahnrad kämmenden Zahnrad des Nockenwellenantriebs ergibt sich ferner
mit zunehmender Zahl der Zahnräder zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle, da sich
Toleranzen und Achsabstandsungenauigkeiten entsprechend aufsummieren.
Weiter verstärkt werden oben erwähnte Schwingungen durch gegen eine Drehrichtung der
Nockenwelle auf diese wirkende Kräfte, beispielsweise bei der Betätigung einer
Kraftstoffpumpe eines Pumpe-Düse-Elementes, wobei ein Nocken der Nockenwelle einen
großen Widerstand zu überwinden hat. Dies führt bei entsprechendem Spiel im
Nockenwellenantrieb zu einer Rückwirkung auf diesen und entsprechenden
Relativbewegungen zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle mit entsprechend verschobenen
Steuerzeiten für die Pumpe-Düse-Elemente und Ventile.
Aufgrund aller o. g. Nachteile kommt ein Nockenwellenantrieb mittels Zahnrädern bzw.
Stirnrädern in Personenkraftwagen praktisch nicht zum Einsatz. Ein Nockenwellenantrieb
durch Stirnräder kommt beispielsweise nur bei kleinem Abstand zwischen Kurbelwelle und
Nockenwelle, also bei untenliegender Nockenwelle, zur Anwendung. Dabei ist es zur
Verringerung des Spieles bereits vorgesehen, schrägverzahnte Zahnräder vorzusehen,
damit ein möglichst geräuscharmer Lauf erzielt wird. Trotzdem erzielen derartige Stirnrad-
bzw. Zahnrad-Nockenwellenantriebe bisher nicht den Komfort, die Laufruhe und Genauigkeit
eines Nockenwellenantriebs mit Zahnriemenrädern oder Kettenrädern mit Rollenkette.
Aus dem Selbststudienprogramm Nr. 197 "Der 2,8 l Dieselmotor im LT '97", herausgegeben
von der Volkswagen AG, Wolfsburg, Stand 08/97 ist ein gattungsgemäßer Stirnrad-
Nockenweilenantrieb bekannt, wobei zwischen einem Zwischenzahnrad der Nockenwelle
und einem Zwischenrad des Antriebs für die Nockenwelle eine Abstandsgabel derart
vorgesehen ist, daß ein vorgeschriebenes Zahnflankenspiel erreicht wird. Das
Zwischenzahnrad der Nockenwelle ist dabei auf einem Einstellager-Hebel angeordnet,
welcher zur Montage um eine Drehachse des Nockenwellenrades schwenkbar ist. An dem
anderen Zwischenrad ist die Abstandsgabel zur Montage schwenkbar angelenkt. Nach der
Montage wird die Abstandsgabel festgezogen, so daß die Drehachse des
Zwischenzahnrades der Nockenwelle festgelegt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Stirnrad-
Nockenwellenantrieb der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die
obengenannten Nachteile überwunden werden und dessen Einsatzmöglichkeiten ohne
unerwünschte Nebeneffekte in unterschiedlichsten Kraftfahrzeugen, insbesondere in
Personenkraftwagen, erweitert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zahnrad-Nockenwellenantrieb der o. g. Art
mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen Kurbelwellenrad und
Nockenwellenrad wenigstens ein Ausgleich-Zwischenrad angeordnet ist, dessen Drehachse
bezüglich des Kurbelgehäuses frei beweglich ist.
Dies hat den Vorteil, daß das bewegliche Ausgleich-Zwischenrad einen sich ändernden
Abstand von Drehachsen zwischen zwei benachbarten Zahnrädern durch eine
entsprechende Relativbewegung der Drehachse des Ausgleich-Zwischenrades kompensiert,
so daß auch bei sich änderndem Abstand der Drehachsen der benachbarten Zahnräder kein
Spiel auftritt. Hierdurch werden Steuerzeiten durch die Nockenwelle genauer eingehalten und
es ergibt sich ein geräuscharmer Lauf des Stirnrad-Nockenwellenantriebs.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehachse des Ausgleich-Zwischenrades von
wenigstens zwei Bügeln schwenkbar gehaltert, welche sich an der Drehachse des Ausgleich-
Zwischenrades gegenüberliegenden Enden jeweils an festen Drehachsen von zum
Ausgleich-Zwischenrad benachbarten Zahnrädern schwenkbar abstützten.
Einen Spielausgleich unmittelbar an der Nockenwelle erzielt man dadurch, daß das
Ausgleich-Zwischenrad zwischen dem Nockenwellenrad und einem letzten Zwischenrad des
Stirnrad-Nockenwellenantrieb angeordnet ist. Da sich an dieser Stelle das gesamte Spiel des
Stimrad-Nockenwellenantrieb aufsummiert, ergibt sich somit ein maximaler Spielausgleich.
Zweckmäßigerweise erzielt man ein Übersetzungsverhältnis von der Kurbelwelle zur
Nockenwelle von 2 : 1 dadurch, daß ein Verhältnis der Zähnezahl zwischen dem Ausgleich-
Zwischenrad und einem benachbarten Zwischenrad entsprechend gewählt ist. Hierbei ist das
benachbarte Zwischenrad beispielsweise ein kurbelwellenseitiges Zwischenrad.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stirnrad-
Nockenwellenantriebs in Aufsicht,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang Linie I-I von Fig. 1 und
Fig. 3 und 4 Explosionsdarstellungen.
Die in Fig. 1 bis 4 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Stirnrad-Nockenwellenantriebs an einem Kurbelgehäuse 10 einer ansonsten nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine umfaßt ein Kurbelwellenrad 12, ein erstes Zwischenrad 14,
ein zweites Zwischenrad 16, ein Ausgleich-Zwischenrad 18 und ein Nockenwellenrad 20.
Das zweite Zwischenrad 16 kämmt mit einem Antriebszahnrad 22 für eine nicht dargestellte
Wasserpumpe. Das Kurbelwellenrad 12 kämmt ferner mit einem Antriebszahnrad 24 für eine
nicht dargestellte Ölpumpe sowie mit einem dritten Zwischenrad 26. Das dritte Zwischenrad
26 kämmt wiederum mit einem vierten Zwischenrad 28, welches seinerseits ein
Antriebszahnrad 30 eines nicht dargestellten Generators und ein Antriebszahnrad 32 einer
nicht dargestellten Hydropumpe kämmend antreibt. Das zweite Zwischenrad 16 ist mit einem
weiteren Zahnkranz 34 drehfest verbunden, wobei das zweite Zwischenrad 16 selbst mit dem
ersten Zwischenrad 14 und der weitere Zahnkranz 34 mit dem Ausgleich-Zwischenrad 18
kämmt. Eine Zähnezahl des weiteren Zahnkranzes 34 und eine Zähnezahl des Ausgleich-
Zwischenrades 18 ist dabei derart gewählt, daß sich vom Kurbelwellenrad 12 zum
Nockenwellenrad 20 eine Übersetzung von 2 : 1 ergibt.
Eine Drehachse 36 des Ausgleich-Zwischenrades 18 ist bezüglich des Kurbelgehäuses 10
und eines Zylinderkopfes frei beweglich und wird lediglich bezüglich der Drehachsen 42, 44
von zweitem Zwischenrad 16 und Nockenwellenrad 20 durch zwei paar Bügel 38 und 40
vorbestimmt. Die Bügel 38 halten mit einer Seite die Drehachse 36 des Ausgleich-
Zwischenrades 18 drehbar, während sich eine gegenüberliegende Seite der Bügel 38 an der
Drehachse 42 des zweiten Zwischenrads 16 abstützt. Die Bügel 40 halten ebenfalls mit einer
Seite die Drehachse 36 des Ausgleich-Zwischenrades 18 drehbar, während sich eine
gegenüberliegende Seite der Bügel 38 im Zylinderkopfgehäuse über die Drehachse 44 des
Nockenwellenrades 20 abstützt.
Auf dieses Weise ist einerseits ein jeweiliger Abstand der Drehachse 36 zu den Drehachsen
42 und 44 festgelegt. Andererseits können die Bügel 38 und 40 bei sich veränderndem
Abstand zwischen den Drehachsen 42 und 44 einen variierenden Winkel zueinander
einschließen, so daß das Ausgleich-Zwischenrad 18 immer eng und im wesentlichen spielfrei
sowohl mit dem Zahnkranz 34 als auch mit dem Nockenwellenrad 20 kämmt. Die Bügel 38
und 40 bilden somit ein Gelenk mit der Gelenkachse auf der Drehachse 36 des Ausgleich-
Zwischenrades 18, welches sich entsprechend ändernden Abständen zwischen den
Drehachsen 42 und 44 aufgrund von Wärmeausdehnung mehr oder weniger weit spreizt.
Mittels Tellerfedern 46 wird dabei ein Taumeln des Ausgleich-Zwischenrades 18 verhindert.
Fig. 4 zeigt einen in Fig. 1 verdeckten Bereich des Stirnrad-Nockenwellenantriebs im Bereich
des Nockenwellenrades 20. Das Bügelpaar 40 stützt sich im Zylinderkopfgehäuse über die
Drehachse 44 des Nockenwellenrades 20 ab, wogegen jeweilige dem Nockenwellenrad 20
gegenüberliegende Enden 49 der Bügel 40 die Drehachse 36 des in Fig. 4 nicht dargestellten
Ausgleich-Zwischenrades 18 halten. Mittels einer Schraube 48 und einer Hülse 50 wird die
Nockenwellenanordnung verschraubt, welche ferner u. a. ein Geberrad 52 und eine Nabe 54
umfaßt.
Claims (4)
1. Stirnrad-Nockenwellenantrieb für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse
(10), einem Kurbelwellenrad (12) und einem Nockenwellenrad (20),
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kurbelwellenrad (10) und Nockenwellenrad (20) wenigstens ein
Ausgleich-Zwischenrad (18) angeordnet ist, dessen Drehachse (36) bezüglich des
Kurbelgehäuses (10) frei beweglich ist.
2. Stirnrad-Nockenwellenantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehachse (36) des Ausgleich-Zwischenrades (18) von wenigstens zwei Bügeln
(38, 40) schwenkbar gehaltert ist, welche sich an der Drehachse (36) des Ausgleich-
Zwischenrades (18) gegenüberliegenden Enden jeweils an festen Drehachsen (42, 44)
von zum Ausgleich-Zwischenrad (18) benachbarten Zahnrädern (20,34) schwenkbar
abstützen.
3. Stirnrad-Nockenwellenantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgleich-Zwischenrad (18) zwischen dem Nockenwellenrad (20) und einem
letzten Zwischenrad (16) des Stirnrad-Nockenwellenantriebes angeordnet ist.
4. Stirnrad-Nockenwellenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verhältnis der Zähnezahl zwischen dem Ausgleich-Zwischenrad (18) und einem
benachbarten Zwischenrad (34) derart gewählt ist, daß sich ein Übersetzungsverhältnis
von Kurbelwelle zu Nockenwelle von 2 : 1 ergibt.
Priority Applications (4)
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