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Unter
einer Nockenwelle ist allgemein eine Welle mit mindestens einem
Nocken zu verstehen, wobei der Nocken mit einem Nockenfolger in
Kontakt steht. Durch eine Verdrehung der Welle wird der Nockenfolger
nach dem in der Nockenkontur verankertem Ablauf bzw. „Programm" betätigt. So
sind also unter dem Begriff Nockenwelle auch Verstellwellen für mechanische
variable Ventiltriebe zu subsumieren. In diesem Fall sind die Nocken
als Kurvenscheiben (beispielsweise als Exzenterscheiben) ausgebildet
und entsprechend als Verstellscheiben auf der Welle angeordnet.
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Zur
Herstellung gebauter Nockenwellen werden Funktionselemente wie insbesondere
Nockenantriebsrad, Lager, Axiallagerscheibe, Sensorring, Pumpnocken,
Nockenwellenversteller und Wellen einzeln hergestellt. Anschließend werden
die Funktionselemente auf der Welle, die als Trag- und Antriebswelle
dient, positio niert und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens
auf der Welle befestigt. Im Stand der Technik sind eine Reihe von
Verfahren zur Herstellung gebauter Nockenwellen bekannt.
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In
der
DE19504636A1 wird
die Anordnung einer Nockenwelle in einem Zylinderkopf vorgestellt, bei
der der Zylinderkopf ein Nockenwellengehäuse zweiteilig ausgeführt ist.
Im Nockenwellengehäuse ist
für jede
einzelne Lagerung der Nockenwelle ein zweiteiliges Nockenwellenlager,
bestehend aus einem eigenen Lagerstuhl und einem darauf befestigten
Lagerdeckel angeordnet. Die Nockenwelle wird in dem Nockenwellengehäuse vormontiert
und auf den Zylinderkopf montiert (Spalte 1, Zeilen 60-68).
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Ein
wichtiger Nachteil der hier vorgestellten Lösung besteht darin, dass geteilte
Lagerschalen durchgehend – in
einer Aufspannung – bearbeitet werden
müssen.
Diese Bearbeitung ist aufwändig und
die geteilten Lagerschalen führen
zu Toleranz- und Festigkeitsproblemen. Außerdem müssen nach der durchgehenden
Bearbeitung die Lagerschalen geöffnet,
die Welle eingelegt und die Lagerschalen wieder geschlossen werden.
Dabei wird die Genauigkeit, die in der durchgehenden Bearbeitung
erzielt wurde wieder abgesenkt.
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In
der
EP1593880A1 wird
eine Exzenterwelle zur Steuerung eines variablen Ventiltriebes vorgestellt,
bei der zwischen den Exzenterscheiben Nadel- oder Gleitlager mit
ungeteiltem Außenring
angeordnet sind.
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Entsprechend
der in der
EP1593880A1 vorgeschlagenen
Lösung
ist zwar das Problem mit den geteilten Lagerschalen beseitigt. Die
Montage der Exzenterwelle mit den darauf angeordneten Lagern im
Zylinderkopf erfolgt jedoch entweder wiederum in geteilten Lageraufnahmen
oder bei Verwendung von Lagern mit sehr großen Lagerdurchmessern in entsprechend
großen
Lageraufnahmen, die im Zylinderkopf genau eingearbeitet sein müssen, bei
denen bei der Montage des Motors die Welle als ganzes durch alle
Lageraufnahmen hindurch geschoben wird. Im Falle der ge teilten Lager
liegen dieselben Toleranzprobleme wie für den vorgenannten Stand der
Technik erläutert
vor. Der Fall, sehr große
Lagerdurchmesser einzusetzen, ist motortechnisch oder aus Konstruktionsgründen oft
nicht gewünscht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine Nockenwellenbaugruppe mit darauf festgelegten
Lagerungen bereit zu stellen, die einfach in den Zylinderkopf eines
Verbrennungsmotores eingebaut werden kann.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch eine Nockenwellenbaugruppe mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die
Nockenwellenbaugruppe für
Verbrennungskraftmaschinen enthält
eine Welle mit daran angeordneten Funktionsbauteilen, wie Antriebsrad, Sensorring,
Pumpennocken oder Bauteile für
andere Funktionen, zumindest jedoch einen Nocken, und mindestens
zwei Lagerböcke
mit je einer Lageraufnahme, in welcher ein Wellenabschnitt drehbar
angeordnet ist, wobei an jedem Lagerbock eine plane Anlagefläche ausgebildet
ist zur Auflage und Befestigung des Lagerbockes an eine Auflagefläche eines Zylinderkopfes
und dass jeder Lagerbock Befestigungsmittel aufweist zur Montage
und Befestigung am Zylinderkopf, wobei die Nockenwellenbaugruppe eine
gebaute Anordnung ist, bei welcher die Welle als separates Einzelteil
hergestellt ist und der Nocken und im Bedarfsfall weitere Funktionsbauteile,
die als separate Einzelteile hergestellt sind, auf die Welle montiert
sind und mindestens ein Lagerbock zwischen zwei Funktionsbauteilen
auf der Welle angeordnet ist, wobei die Lagerböcke als ungeteilte Lagerböcke ausgebildet
sind, wobei die Anlageflächen
der Lagerböcke
eben und derart verdrehbar auf der Welle angeordnet sind, dass alle
Anlageflächen
parallel zu einer Ebene ausrichtbar sind. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Anlageflächen,
aller Lagerböcke
der Nockenwellenbaugruppe in ein und derselben (= in einer) Ebene
ausrichtbar. Das hat den Vorteil, dass die Bearbeitung der korrespondierenden Anlageflächen im
Zylinderkopf, an denen die Lagerböcke befestigt werden, weiter
vereinfacht werden kann. Es kann jedoch aufgrund des Bauraums und konstruktiver
Gegebenheiten erforderlich sein, die Anlageflächen im Zylinderkopf, die korrespondierend zu
den Anlageflächen
an den Lagerböcke
ausgebildet sind, parallel versetzt anzuordnen. In diesem Fall sind
die Anlageflächen
der Lagerböcke,
durch Verdrehung der Lagerböcke
auf der Welle, entsprechend in Ebenen ausrichtbar vorzusehen, die
parallel zueinander versetzt ausgerichtet sind.
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Unter
einem ungeteilten Lagerbock ist im Sinne der Erfindung ein Lagerbock
zu verstehen, dessen Lageraufnahme über ihren gesamten Umfang ungeteilt
ist. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz eines einteiligen Lagerbockes,
an den allenfalls für
weitere Funktionen zusätzliche
Bauteile montiert sind.
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Ein
wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Nockenwellenbaugruppe besteht
darin, dass die Baugruppe einfach auf vorbereitete Anlageflächen im Zylinderkopf
positioniert werden kann. Die Lagerung der Nockenwelle erfolgt in
ungeteilten Lagern, die mit hoher Genauigkeit einzeln hergestellt
werden können
und auf entsprechend genau gefertigte Befestigungsabschnitte der
Nockenwelle aufgeschoben werden können. Die Lager können entweder
direkt als Gleitlager, bei denen bevorzugt ein Wellenabschnitt der
Tragwelle der Nockenwelle als ein Gleitpartner ausgebildet ist,
oder auch als Wälzlager,
bevorzugt als Nadellager, ausgebildet sein. Die Außenschalen
der Lager sind in Lagerböcken
eingelassen oder einteilig mit den Lagerböcken ausgebildet. Die Lagerböcke weisen
ihrerseits Befestigungsabschnitte auf, mit denen die Lagerböcke und
damit die gesamte Nockenwellenbaugruppe im Zylinderkopf an die korrespondierenden
Befestigungsabschnitte befestigt wird. Die Befestigung erfolgt dabei
am einfachsten durch Schrauben, die durch Ausnehmungen in den Lagerböcken hindurchgeführt werden
und in entsprechende Gewindebohrungen im Zylinderkopf eingeschraubt
werden.
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Zur
Ausrichtung der Nockenwelle in der Ebene der Befestigungsebenen
werden zwei, bevorzugt die an den Enden der Nockenwelle angeordneten, Lagerböcke nach
den Erfordernissen genau positioniert. Durch Langlöcher bzw.
durch etwas vergrößerte Ausnehmungen
zur Aufnahme der Befestigungsschrauben in den Lagerböcken, beispielsweise
an beidseitig daran ausgebildeten Befestigungsflanschen, können die
entsprechenden Lagerböcke
in der Ebene so verschoben werden, dass die Lager alle genau auf
einer Achse liegen und es zu keinen Verspannungen der Nockenwellenachse
kommt. Dadurch kann die Reibleistung erheblich gesenkt werden. Die
Ausbildung der Baugruppe ermöglicht
sogar auf eine nachträgliche Überarbeitung
der Anlageflächen
der Lagerböcke,
wie planschleifen in die Montageebene, vollständig zu verzichten, ohne dass
unerwünschte
Verspannungen an der montierten Baugruppe auftreten. Diese Vorteile
treten besonders positiv auf wenn mehr als zwei Lagerböcke eingesetzt werden,
was meistens der Fall ist.
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Die
Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen
Figuren für
bevorzugte Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Eine
Nockenwellenbaugruppe mit Gleitlagerung in dreidimensionaler Darstellung
gemäß der Erfindung;
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2 ein
Längsschnitt
der Nockenwellenbaugruppe nach 1 mit der
Welle als Hohlwelle ausgebildet;
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3 ein
Lagerbock zur Lagerung der Nockenwelle in dreidimensionaler Darstellung
gemäß der Erfindung;
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4 ein
Querschnitt der erfindungsgemässen
Nockenwellenbaugruppe an der Längsposition eines
Lagerbockes entsprechend der 2 mit Gleitlager;
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5 eine
Nockenwellenbaugruppe mit Nadellagerung in dreidimensionaler Darstellung
gemäß der Erfindung;
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6 ein
Längsschnitt
der Nockenwellenbaugruppe nach 5 mit der
Welle als Massivwelle ausgebildet, mit nur schematisch dargestelltem
Antriebsrad;
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7 ein
Querschnitt eines Lagerbockes entsprechend der 3,
aber mit Nadellager und Darstellung der Nockenabmessungen;
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Lagerböcke 4 werden,
gemäß der vorliegenden
Erfindung, ungeteilt ausgebildet, wie dies in den 1 bis 6 dargestellt
ist. Ein Lagerbock 4 weist eine Lagerbockausnehmung 12 auf
in welcher die Welle 2 mit ihrer Achse 5 drehbeweglich,
auf einem Wellenabschnitt gelagert wird, wie dies in der 3 dargestellt
ist. Die Welle 2 kann als Hohlwellenrohr oder auch als
Massivwelle ausgebildet sein. Die Lagerbockausnehmung 12 kann
an ihrer Wandung direkt als Lagerlauffläche 9 ausgebildet
sein und zusammen mit dem Wellenabschnitt eine Gleitlageranordnung 8 bilden.
In diesem Fall ist mindestens der Wellenabschnitt geschliffen, um
einen geeigneten Finish der Lagerflächen zu erzielen. Das Gleitlager 8 auf
der Seite des Lagerbockes kann aber auch als separates Lagerteil 8,
wie eine Büchse
oder Schalenteile, ausgebildet sein und in die Lagerbockausnehmung 12 mit
deren Wandung als Lageraufnahme 9 eingesetzt sein. Wie
in 7 im Querschnitt dargestellt können als Lager auch rollende
Lager, wie vorzugsweise Nadellager 11 in die Lageraufnahme 9 eingesetzt
werden.
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Ein
derartiger Lagerbock 4 wird mit Befestigungsmitteln, beispielsweise
Schrauben am Zylinderkopf befestigt. Hierzu sind am Lagerbock 4 beidseitig
Befestigungsausnehmungen 6, 6' vorgesehen, wie dies in den 3, 4,
und 7 dargestellt ist. Diese Ausnehmungen können Bohrungen
sein direkt eingelassen in den Lagerbock 4 oder an seitlich
zum Lagerbock ausgebildeten Befestigungsflansche 7, 7'. Die Bohrungen
können
direkt als Passsitz ausgeführt werden
oder mit Vorteil genügend
groß mit
Spiel versehen sein oder als Langlöcher, derart dass zumindest
in eine Richtung, vorzugsweise lateral zur Wellenachse 5,
eine verschiebliche Positionierung möglich ist zur genauen lateralen
Ausrichtung der ganzen Nockenwellenbaugruppe 1 bei der
Montage am Zylinderkopf. Die Lagerböcke 4 weisen an ihrer
Unterseite eine plane Anlagefläche 10 auf
welche es ermöglicht
diese exakt an einer am Zylinderkopf dafür vorgesehenen Auflagefläche positioniert
zu montieren. Die Auflagefläche
oder mindestens Abschnitte der Auflagefläche am Zylinderkopf liegen
in einer Ebene und diese ist dafür
präzisionsgearbeitet,
um die Nockenwelle genau ausrichten zu können. Zusätzlich können für die laterale Positionierung
auch noch weitere Mittel vorgesehen werden wie Anschläge, Stufen,
Nuten oder Verzap fungen. Derartige einteilige Lagerböcke 4 mit
ihren Anlageflächen 10,
den Lagerbockausnehmungen 12 mit den Lageraufnahmen 9 oder
Lagerlaufflächen 9 und
den Befestigungsmitteln 6, 6', 7, 7' können nun
derart präzise vorgefertigt
werden, dass die Präzisionsanforderungen
auch in einer zusammengebauten Nockenwellenbaugruppe 1 ohne
Nacharbeit erfüllt
werden können.
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Eine
Nockenwellenbaugruppe 1 ist aus einzelnen, vorgefertigten
Teilen aufgebaut und zusammengefügt,
wie dies aus den 1, 2, 5 und 6 ersichtlich
ist. Die Nockenwellenbaugruppe 1 enthält eine Welle 2 mit
mindestens zwei Lagerböcken 4 und
einer an der Welle 2 angeordneten Nocken 3 und
weiteren Funktionsbauteilen, wie Antriebsrad 15, Sensorring 14,
Pumpennocken 16 oder Bauteile für weitere Funktionen. Beim
Zusammenbau der Baugruppe 1 werden die Bauteile entsprechend der
gewünschten
Reihenfolge und späteren
Position entsprechend auf die Welle geschoben und die zu fixierenden
Teile, wie Nocken 3, daran befestigt. Hierbei ist mindestens
ein Lagerbock 4 zwischen zwei Funktionsbauteilen 3, 14, 15, 16,
angeordnet welche mit der Welle 2 drehfest verbunden sind.
Beispielsweise ist an dem einen Wellenende ein Antriebsrad 15 drehfest
an der Welle 2 angeordnet und daran anschließend folgt
ein Lagerbock 4, der die Welle drehbeweglich aufnimmt und
nach dem Lagerbock 4 ein an der Welle 2 befestigter
Sensorring 14 oder ein Nocken 3 oder ein anderes
Funktionsbauteil wie dies in den 5 und 6 dargestellt
ist. In den Figuren ist auch gezeigt, wie ein Lagerbock 4 zwischen
je einem Nocken 3 angeordnet ist.
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Für eine derartige
Nockenwellenbaugruppe 1 müssen die Bauteile, wie erwähnt, nacheinander
in der richtigen Reihenfolge an der Welle 2 angeordnet werden
und so zu einer gebauten Nockenwellenbaugruppe zusammengefügt werden.
Die Hüllkurven 13 der
exzentrisch rotierenden Nocken 3 und/oder Funktionsbauteile
weisen einen größeren Durchmesser
D auf als der Innendurchmesser d der Ausnehmung 12 der
Lageraufnahme 9 am Lagerbock 4, wie dies in 7 dargestellt
ist. An der Welle 2 montierte Nocken 3 und/oder
Funktionsbauteile können
somit nicht durch die Lagerbockausnehmung 12 mit derartig
kleinen Innendurchmessern d hindurch geführt werden.
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Die
Befestigung der neben dem Lagerbock 4 angeordneten Funktionsbauteile 3, 14, 15, 16 werden
mit Vorteil auf aufgeweitete Wellenabschnitte aufgepresst und dadurch
kraftschlüssig
oder kraft- und formschlüssig
auf der Welle 2 fixiert. Die Aufweitung des Wellenabschnitts
kann durch Rändeln
oder Rollieren in Längs- und/oder Querrichtung
oder diagonaler Richtung zur Längsachse 5 der
Welle 2 erzeugt werden. Eine weitere geeignete Möglichkeit der
Befestigung der neben dem Lagerbock 4 angeordneten Funktionsbauteile 3, 14, 15, 16 kann
mittels Schweißen,
vorzugsweise mit Laserschweißen
auf die Welle 2 erstellt werden. Auch ist es möglich die neben
dem Lagerbock 4 angeordneten Funktionsbauteile 3, 14, 15, 16 mittels
Schrumpfsitz an der Welle 2 zu fixieren.
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Diese
Art der Ausbildung der Nockenwellenbaugruppe 1 zusammen
mit der ungeteilten Ausbildung der Lagerböcke 4 ermöglicht,
dass die einzelnen Teile besonders vorteilhaft in einer Massenfertigung
mit dafür üblichen
Präzisionen
hergestellt werden können
und anschließend
die Baugruppe 1 montiert werden kann, wobei deren Präzision für einen
direkten Einbau in den Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine
ausreicht. So werden die Wellenabschnitte vor der Montage, an den
für die
Lagerstellen vorgesehenen Axialpositionen, je nach ausgewähltem Lager
genau gefertigt, bevorzugt geschliffen. Die Ausnehmungen 12 der
Lagerböcke 4 werden ebenfalls
mit der erforderlichen Präzision
gefertigt. Dabei können
je nach Anwendungsfall die Lagerböcke 4 als einbaufertige
Sinterteile ausgebildet sein, als Sinterteile, die nachbearbeitet
wurden oder auch aus Stahl in einer mechanischen Bearbeitung hergestellt
sein. Es ist ebenso denkbar und möglich, die Lagerböcke 4 aus
Guss, beispielsweise aus Aluminiumguss, herzustellen und entsprechend
nachzubearbeiten.
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Durch
die separate Herstellung der Einzelteile ist eine beliebige auf
die jeweiligen Erfordernisse angepasste Werkstoff- und Herstellverfahrensauswahl
ermöglicht.
Die Reduktion der Länge
der Toleranzkette bis zum fertigen Einbau in den Zylinderkopf bietet
hier einen Spielraum, entweder die Präzision zu erhöhen oder
die Fertigungskosten zu senken.
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Auf
diese Weise kann auf eine mechanische Nachbearbeitung (Präzisionsfräsen, Schleifen
oder derartiges) der fertig montierten Nockenwellenbaugruppe 1,
insbesondere der Lagerböcke 4 verzichtet werden.
Das ist von besonderem Vorteil, da eine Einspannung der Nockenwellenbaugruppe 1 in
eine Bearbeitungsmaschine aufwändig
ist. Weiter müssen beim
Bearbeitungsschritt entstehende Späne entfernt werden und dürfen keinesfalls
in den Lagerungen der Welle verbleiben.
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Die
Lagerböcke 4 werden
für die
Montage der ganzen Baugruppe um die Welle 2 derart gedreht,
dass alle ihre Anlageflächen 10 parallel
zu einer oder in einer Ebene ausgerichtet sind. Im Falle, dass alle
Anlageflächen 10 in
einer Ebene liegen, so beträgt
die Abweichung von der Ebenheit der gesamten Fläche weniger als 0.1 mm, vorzugsweise
weniger als 0.05 min. Dadurch wird die Realisierung einer vollständigen Nockenwellenbaugruppe 1 ermöglicht bei
welcher ohne Nacharbeit und Einstellarbeit eine Befestigung und
präzise
Positionierung der Baugruppe am Zylinderkopf, ohne unzulässige Verspannungen
der Anordnung ermöglicht
wird. Das vorgestellte Baugruppenkonzept ist somit besonders geeignet
für die
Anordnung von mehr als zwei Lagerböcken 4.
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In
einer Weiterführung
der Erfindung sind in die Lagerböcke
Kanäle 17 integriert.
Die separate Herstellung des Lagerbocks 4 ermöglicht es,
auf einfache Weise in den Lagerbock 4 Kanäle 17 für eine Ölversorgung
der Lager einzubringen. Dies ist insbesondere im Falle der Verwendung
einer Gleitlagerung von Vorteil. Im einfachsten Fall wird eine Bohrung 17 senkrecht
zur Anlagefläche 10 des
Lagerbocks von der Seite der Anlagefläche 10 zur Öffnung 12,
wie es in den 3 und 4 veranschaulicht ist,
in den Lagerbock eingebracht. Denkbar und möglich sind jedoch auch Kanäle, die
anders angeordnet sind. So kann beispielsweise ein Ringkanal mit
entsprechenden Öffnungen
in Richtung der Lageraufnahme 9 und einer entsprechenden
Einspeisung vorgesehen sein. Hierzu kann in den ungeteilten Lagerbock 4 an
einer seiner axialen Seitenflächen
ein entsprechender Kanal eingebracht sein, der mit einem Deckel
verschlossen ist. Im Sinter- oder Gussverfahren können derartige
Kanäle
integral mit der Herstellung des Lagerbocks hergestellt werden.
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Entsprechend
der Erfindung ist neben der Positionierung der Lagerböcke auf
der Welle keine weitere Verbindung zwischen den Lagerböcken 4 an der
Nockenwellenbaugruppe 1 vorgesehen, das heißt, dass
die Nockenwellenbaugruppe 1 Lagerböcke umfasst, die vor dem Einbau
in die Verbrennungskraftmaschine nur über die Welle 2 miteinander verbunden
sind. Erst beim Einbau der Nockenwellenbaugruppe werden die Lagerböcke zusätzlich über den
Zylinderkopf verbunden. Dadurch ist eine Uberbestimmtheit der Lagerung
der Welle vermieden. Durch die entsprechende Gestaltung der Befestigungsmittel
wird die Welle spannungsfrei im Zylinderkopf montiert. Hierzu sind
insbesondere Langlöcher 6, 6' oder vergrößerte Löcher 6, 6' in den Befestigungsmitteln 7, 7' zumindest der
Lagerböcke 4 vorgesehen,
die zwischen den äußerten Lagerböcken 4 der
Nockenwellenbaugruppe 1 angeordneten sind.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann einer der Lagerböcke 4 zusätzlich zur
Drehlagerung der Welle 2 mit einer axialen Lagerung der
Welle in eine oder beide axiale Richtungen ausgebildet sein. Dazu
kann beispielsweise eine oder beide axiale Seitenflächen des
Lagerbocks 4 mit einer entsprechenden Lauffläche ausgebildet
sein, an der eine entsprechende Lauffläche eine anderen Funktionsbauteils 3, 14, 15, 16 der
Nockenwellenbaugruppe 1 axial gelagert ist. Bevorzugt werden
hierzu randseitige Lagerböcke 4 der
Nockenwellenbaugruppe 1 ausgewählt.
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Es
ist alternativ auch möglich,
dass die Nockenwellenbaugruppe 1 nicht alle Lagerungen,
in denen die Nockenwelle in der Verbrennungskraftmaschine gelagert
ist umfasst. So kann das Gegenstück für die axiale
Lagerung im Zylinderkopf angeordnet sein. Weiter können in
den Zylinderkopf einzelne Lager oder Lagerschalen eingearbeitet
werden, in die vorbereitete Abschnitte der Welle der Nockenwellenbaugruppe 1 eingeschoben
werden. Dieser Fall ist jedoch als Sonderfall zu betrachten.
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Es
ist offensichtlich, dass die in den Beispielen, den Figuren und
der Beschreibung genannten Ausführungsvarianten
beliebig miteinander kombinierbar sind. Die folgenden Beispiele
geben nicht abschließende
Anhaltspunkte für
weitere Kombinati onsmöglichkeiten.
Die Nockenwellenbaugruppe 1 kann in unterschiedlichen Lagerarten
(wie Gleit-, Nadel-, Wälzlager)
gleichzeitig gelagert sein. Die Welle kann teilweise hohl ausgebildet
sein.