DE3943427C1

DE3943427C1 -

Info

Publication number: DE3943427C1
Application number: DE3943427A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 5204 Lohmar De Frielingsdorf; Peter Dipl.-Ing. 5000 Koeln De Urban
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: Mechadyne PLC
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-30
Publication date: 1991-04-04
Anticipated expiration: 2009-12-31

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für ventilge steuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinanderliegenden Wellenelementen, die gegeneinander verstellbar gleitend ineinander gelagert sind und wobei erste Nockenele mente mit dem innenliegenden Wellenelement und zweite Nockenelemente mit dem außenliegenden Wellenelement ver bunden sind. Hierbei können zum Beispiel die Nockenelemen te des einen Wellenelements die Betätigung der Einlaßven tile und die Nockenelemente des anderen Wellenelements die Betätigung der Auslaßventile der Zylinder bewirken. Hier mit ist die Ventilüberschneidung veränderlich, während die Ventilöffnungszeiten absolut nicht beeinflußbar sind. Es können aber auch die Nockenelemente des einen Wellenele ments und Nockenelemente des anderen Wellenelements je weils die Betätigung von Einlaßventilen gleicher Zylinder bewirken. Hierbei kann die Betätigung der Auslaßventile der Zylinder von weiteren Nockenelementen eines der beiden genannten Wellenelemente oder von denen einer zweiten Nockenwelle bewirkt werden. Hierdurch sind die Ventilüber schneidungszeiten bei gleichzeitiger Veränderung der Ven tilöffnungszeit der Einlaßventile veränderbar.

Es ist bekannt, daß bei Verbrennungsmotoren im Bereich der Teillast und niedriger Drehzahlen eine geringe Überschnei dung der Ventilöffnungsphasen von Auslaß- und Einlaßven tilen aufgrund dynamischer Gaswechseleinflüsse sinnvoll ist, während vor allem im Bereich höherer Lasten eine erhebliche Überschneidung vorteilhaft ist. Bei Ver brennungsmotoren, bei denen den Einlaßventilen und Aus laßventilen jeweils eine eigene Nockenwelle zugeordnet ist, kann dies mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen im Antrieb verwirklicht werden, beispielsweise indem ein Zugtrum eines Antriebsriemens mittels einer Verstellrolle verkürzt oder verlängert wird. Bei einfacheren Ver brennungsmotoren mit nur einer Nockenwelle zur Betätigung der Einlaß- und Auslaßventile ist diese Relativverstellung der Nocken zueinander, die nicht nur im Hinblick auf gün stiges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und hohe Lei stungen bei hohen Drehzahlen, sondern auch in bezug auf Emissionswerte nach heutigem Stand der Technik zu fordern ist, mit einer verstellbaren Nockenwelle der oben genann ten Art zu lösen.

Eine Nockenwelle dieser Art ist aus der DE 36 24 827 A1 bekannt. Hierbei gleiten die dem inneren Wellenelement zugeordneten Nockenelemente mit einer zylindrischen Bohrung auf dem außenliegenden Wellenelement, das einen der Nockenerhebung gegenüberliegenden Umfangsschlitz auf weist, durch den ein einzelner radialer Befestigungsbolzen hindurchtritt, der das Nockenelement mit dem zugeordneten innenliegenden Wellenelement verbindet. Es ist offensicht lich, daß diese Art der punktuellen Befestigung eine Ver formung des innenliegenden Wellenelementes im Bereich der Bolzenbefestigung bei Drehmomentbeaufschlagung des Nockens zur Folge haben kann. Hierdurch sind genaue Steuerzeiten nicht einzuhalten. Es ist mit Beschädigungen an der Be festigung zu rechnen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, eine Nockenwelle der eingangs genannten Art bereitzu stellen, bei der eine sichere und winkelgetreue Verbindung zwischen dem innenliegenden Wellenelement und den zugeord neten Nocken besteht.

Die Lösung hierfür besteht darin, daß das außenliegende Wellenelement aus einzelnen Längsab schnitten zusammengesetzt ist, die an den Verbindungs stellen jeweils an einem der Längsabschnitte am Ende von Längsschlitzen getrennte Rohrsegmente aufweisen, daß die dem innenliegenden Wellenelement zugeordneten Nockenele mente jeweils auf einen Winkelbereich beschränkte Axial schlitze aufweisen, und daß die Rohrsegmente der Längsab schnitte des außenliegenden Wellenelements durch die Axialschlitze der Nockenelemente des innenliegenden Wellenelements axial hindurchtreten. Die mit Axial schlitzen ausgeführten ersten Nockenelemente können hier bei das innenliegende Wellenelement unmittelbar und flächig umschließen, so daß eine sichere Verbindung, bei spielsweise eine kraftschlüssige Verbindung oder eine gelötete oder geschweißte Verbindung möglich ist. Bevor zugt ist hierbei ein durch Stege gehaltener geschlossener Ringkörper vorgesehen, der von Axialschlitzen gebildet ist, die radialen Abstand zur Kontaktfläche mit dem innen liegenen Wellenelement haben, so daß die ersten Nockenele mente das innenliegende Wellenelement ebenso wie die zwei ten Nockenelemente das außenliegende Wellenelement über dem ganzen Umfang umschließen. Die Axialschlitze können allerdings auch nach innen offen sein, so daß nur einzelne Stege zwischen diesen gebildet werden, wodurch sich die Kontaktflächen verkleinern, das außenliegende Wellenele ment jedoch gleichbleibenden Durchmesser auf der ganzen Länge haben kann.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist das innenlie gende Wellenelement einen durchgehenden Rohrkörper auf, auf dem die ersten Nockenelemente festgelegt sind. Ein geeignetes Verbindungsverfahren besteht in einem in Ab schnitten vollzogenen inneren Aufweiten des Rohrkörpers im Bereich der Nockenelemente, insbesondere mit hydraulischer Umformtechnik. Ebenso ist ein vom Rohrinneren durchge führtes Laserschweißen unter Zuhilfenahme eines Umlenk spiegels möglich, wie es als solches bekannt ist.

Nach einer zweiten möglichen Ausgestaltung kann das innen liegende Wellenelement aus einzelnen Längsabschnitten zusammengesetzt sein, die mit den zuvorbeschriebenen Tech niken im Bereich der Nocken miteinander verbunden werden. Hierbei kann jeweils ein Nockenelement einstückig mit einem der Längsabschnitte verbunden sein.

Das äußere Wellenelement, das zum Aufbau des innenliegen den Wellenelementes mit den daran befestigten Nocken aus einzelnen Längsabschnitten zusammengesetzt sein muß, ist in bevorzugter Ausgestaltung jeweils am Ende der Rohrseg mente eines der Längsabschnitte mit dem nächsten stoff schlüssig verbunden. Hierbei können die zweiten Nockenelemente, die mit dem außenliegenden Wellenelement fest verbunden sind, jeweils mit einem Längsabschnitt einstückig sein. Das gleiche gilt für gegebenenfalls vor gesehene, gegenüber dem Rohrdurchmesser vergrößerte Lager zapfen. Derartige Lagerzapfen können insbesondere durch symmetrisches Aufweiten aus dem Rohrmaterial geformt wer den. Zum Verbinden der Längsabschnitte ist das Laser schweißen von stumpf aneinandergesetzten oder ineinander geschobenen Rohrstücken am Ende der Rohrsegmente zu bevor zugen.

Die Wellenelemente sind zumindest an ihren Enden, bevorzugt jedoch jeweils im Bereich der Lagerstellen gleitend inein ander geführt und radial abgestützt. Hierbei kann eine Schmierölversorgung vorgesehen werden.

Das Herstellen der Nockenwelle erfolgt in der nachste henden Weise. Sofern die zweiten Nockenelemente des außenliegenen Wellenelementes nicht einstückig mit den jeweiligen Längsabschnitten hergestellt sind, sind diese Nockenelemente bereits vor dem Verbinden der einzelnen Längsabschnitte mit jeweils einem entsprechenden Längsab schnitt zu verbinden, z. B. durch partielles hydrau lisches Aufweiten der Längsabschnitte. Danach werden die einzelnen Längsabschnitte des außenliegenden Wellenele mentes in der erforderlichen Reihenfolge und dabei im Bereich der Rohrsegmente die mit Axialschlitzen versehenen ersten Nockenelemente zur Verbindung mit dem innen liegenden Wellenelement jeweils dazwischen aufgeschoben, wobei das innenliegende Wellenelement bereits verwendet werden kann. Die einzelnen Längsabschnitte des außen liegenden Wellenelementes sind nunmehr z. B. durch Schweißen miteinander zu verbinden. Nach dem Fertigstellen des außenliegenden Wellenelementes mit den bereits aufgeschobenen ersten Nockenelementen, die mit dem innenliegenden Wellenelement zu verbinden sind, ist dieses gegebenenfalls axial einzuschieben und mit den einzelnen ersten Nockenelementen nach entsprechender Ausrichtung zu verbinden, beispielsweise wiederum durch partielles hydraulisches Aufweiten des innenliegenden Wellenele mentes. Anstelle des kraftschlüssigen Verbindens kann auch eine stoffschlüssige Verbindung mittels Schweißtechnik erfolgen, wobei jeweils aus dem Rohrinneren heraus mittels durch Spiegel umgelenkter Laserstrahlen geschweißt werden kann. Dieser letztgenannte Verfahrensschritt kann auch vor dem Verbinden der Längsabschnitte des äußeren Wellenele mentes erfolgen, die aber zuvor mit den zweiten Nockenele menten bereits fest verbunden sein müssen.

In an sich bekannter Weise ist eine Verstellvorrichtung an einem Ende der Wellenelemente vorzusehen, die eine Lage änderung der beiden Wellenelemente gegeneinander mit dem Ziel der Veränderung der Steuerzeiten der beiden Gruppen von Nockenelementen zueinander bewirken soll.

Nach einer ersten Ausführung kann dies in Form einer re lativen Verdrehung der beiden Wellenelemente gegeneinander erfolgen, wobei als Voraussetzung die Axialschlitze der ersten Nockenelemente größere Umfangswinkel umfassen müssen, als die durch sie hindurchtretenden Rohrsegmente der Längsabschitte des äußeren Wellenelements.

Nach einer zweiten Ausführung, die gegebenenfalls auch mit der ersten kombiniert werden kann, soll eine relative Axialverschiebung der Wellenelemente gegeneinander zu bewirken sein, wobei die Nockenelemente des gegenüber den Ventilen verschiebbaren Wellenelementes eine Raumform mit axial veränderlicher Erhebungskurve aufweisen müssen und die Längsschlitze zwischen den Rohrsegmenten länger als die Dicke der Nocken mit den Axialschlitzen sein muß.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsge mäßen Nockenwelle,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Nockenwelle nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Nockenwelle in abgewandelter Form.

Im einzelnen ist ein innenliegendes Wellenelement 1 und ein außenliegendes Wellenelement 2 erkennbar, die über eine nicht dargestellte Verstellvorrichtung gegeneinan der verdrehbar und/oder verschiebbar sind. Das außenlie gende Wellenelement 2 besteht aus ersten Längsabschnitten 3, in denen Längsschlitze 9 vorgesehen ist, zweiten Längs abschnitten 4, die Längsschlitze 10 haben und zu den er sten symmetrisch sind, und einem mittleren dritten Längs abschnitt 5. Jeder der Längsabschnittte 3, 4, 5 ist in einer motorfesten Lagerstelle 6 gehalten. Die ersten und zweiten Längsabschnitte 3, 4 weisen Ausbauchungen 29, 30 auf, die den Grundkreis der ersten Nockenelemente 7 durchdringen, wobei diese Ausbauchungen 29, 30 sich in teilzylindrische Rohrsegmente 12, 13, 14, 15 fortsetzen, die seitlich zu den Längsschlitzen 9, 10 einen Teil des äußeren Wellenelementes 2 bilden. Die ersten Nockenelemente 7 sind unmittelbar auf dem innenliegenden Wellenelement 1 festgelegt und weisen Axialschlitze 16, 17, 18, 19 auf, durch die die Rohrsegmente 12, 13, 14, 15 umfangsverstellbar hindurchgreifen. Die teilzylindrischen Rohrsegmente und die dazwischenliegenden Längsschlitze 9, 10 weisen eine größere axiale Länge gegenüber der Dicke der ersten Nockenelemente 7 auf. Die ersten Nockenelemente 7 sind weiterhin als Raumnocken mit axial veränderlichen Erhebungskurven dargestellt, die gegenüber dem gelagerten äußeren Wellenelement 2 axial verschiebbar ausgebildet sind. Die zweiten Nockenelemente 8 sind unmittelbar auf den Längsabschnitten 3, 4 des außenliegenden Wellenelemen tes 2 festgelegt. Jeweils im Bereich der Lagerstellen 6, die nicht dargestellte Ölzuführungen haben, ist das äußere Wellenelement mit Ölbohrungen 11 versehen, die eine Schmie rung der im Bereich der Lagerstelle 6 gleitend gegenein ander abgestützten Wellenelemente 1, 2 sicherstellt.

In Fig. 2 sind die zwei Axialschlitze 16, 17 erkennbar, die in einem ersten Nockenelement 7 einen von Stegen gehaltenen geschlossenen Grundkreis mit unmittelbarem Kontakt zum innenliegenden Wellenelement 1 erzeugen und die von den Rohrsegmenten 12, 13 im Bereich der Ausbauchung 29 des außenliegenden Wellenelementes 2 axial durchsetzt werden.

In Fig. 3 sind vier Axialschlitze 24, 25, 26, 27 dargestellt, die in einem ersten Nockenelement 7 nach innen offen sind, so daß vier Rohrsegmente 20, 21, 22, 23 des außenliegenden Wellenelementes 2 - verglichen mit Fig. 2 - mit geringerem Durchmesser im Verhältnis zum innenliegenden Wellenelement 1 ausgebildet sein können.

Der Winkel α gibt in den Fig. 2 und 3 jeweils den Ver drehbereich der Wellenelemente gegeneinander an. Bei der gezeigten Axialverstellbarkeit kann dieser Winkel auch zu Null werden, wodurch sich die Verdrehsteifigkeit des äußeren Wellenelementes 2 erhöht, das sich dann an den Nockenelementen 7 des inneren Wellenelementes 1 abstützen kann.

Bezugszeichenliste

1 Wellenelement (innen)
2 Wellenelement (außen)
3 Längsabschnitt
4 Längsabschnitt
5 Längsabschnitt
6 Lager
7 Nockenelement (zu 1)
8 Nockenelement (zu 2)
9 Längsschlitz
10 Längsschlitz
11 Ölbohrung
12 Rohrsegment
13 Rohrsegment
14 Rohrsegment
15 Rohrsegment
16 Axialschlitze
17 Axialschlitze
18 Axialschlitze
19 Axialschlitze
20 Rohrsegment
21 Rohrsegment
22 Rohrsegment
23 Rohrsegment
24 Schlitz
25 Schlitz
26 Schlitz
27 Schlitz
28 Ölbohrung
29 Aufweitung
30 Aufweitung

Claims

1. Nockenwelle für ventilgesteuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinanderliegenden Wellenelementen (1, 2), die gegeneinander verstellbar gleitend ineinander gelagert sind, wobei erste Nockenelemente (7) mit dem innenliegenden Wellenelement (1) und zweite Nocken elemente (8) mit dem außenliegenden Wellenelement (2) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das außenliegende Wellenelement (2) aus einzelnen Längsabschnitten (3, 4, 5) zusammengesetzt ist, die an den Verbindungsstellen jeweils an einem der Längsab schnitte (3, 4) am Ende von Längsschlitzen (9, 10) getrennte Rohrsegmente (12, 13, 14, 15; 20, 21, 22, 23) aufweisen, daß die dem innenliegenden Wellenele ment (1) zugeordneten ersten Nockenelemente (7) je weils auf einen Winkelbereich beschränkte Axial schlitze (16, 17, 18, 19; 24, 25, 26, 27) aufweisen, und daß die Rohrsegmente (12, 13, 14, 15; 20, 21, 22, 23) der Längsabschnitte (3, 4) des außenliegenden Wellenelements (2) durch die Axialschlitze (16, 17, 18, 19; 24, 25, 26, 27) der Nockenelemente (7) des innenliegenden Wellenelements (1) axial hindurchtreten.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Rohrsegmente (12, 13, 14, 15; 20, 21, 22, 23) eines Längsabschnittes (3, 4) des außenliegen den Wellenelementes (2) auf den ungeteilten Rohrkörper des nächsten Längsabschnittes (3, 4, 5) aufgeschoben sind.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Längsabschnitt (3, 4) eines außenliegenden Wellenelementes (2) zwei Rohrsegmente (12, 13, 14, 15) aufweist, die durch zwei Axialschlitze (16, 17, 18, 19) der ersten Nockenelemente (7) des innenliegenden Wel lenelementes (1) axial hindurchgreifen.

4. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nockenelemente (7) auf dem innenliegen den Wellenelement (1) mit einem ringförmigen Grund kreis festliegen und die Axialschlitze (16, 17, 18, 19) radialen Abstand vom innenliegenden Wellenelement (1) haben (Fig. 2).

5. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nockenelemente (7) nach innen offene Axialschlitze (24, 25, 26, 27) haben und mit teilring förmigen Flächen auf dem innenliegenden Wellenelement (1) festliegen (Fig. 3).

6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Wellenelement (1) ein durch gehender Rohrkörper ist.

7. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Wellenelement (1) aus insbeson dere im Bereich der ersten Nockenelemente (7) ineinan dergesteckten Längsabschnitten besteht.

8. Nockenwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein erstes Nockenelement (7) mit einem Längsabschnitt des innenliegenden Wellenelementes (1) einstückig verbunden ist.

9. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nockenelemente (7) mit dem innenlie genden Wellenelement (1) und/oder die Längsabschnitte des innenliegenden Wellenelementes (1) miteinander form- und/oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sind.

10. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nockenelemente (8) mit dem außenliegen den Wellenelement (1) form- und/oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sind.

11. Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nockenelemente (8) jeweils einstückig mit einem Längsabschnitt (3, 4) des äußeren Wellen elementes (2) ausgebildet sind.

12. Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerzapfen jeweils einstückig mit einem Längsab schnitt (3, 4, 5) des äußeren Wellenelementes (2) ausge bildet sind.

13. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsabschnitte (3, 4, 5) des äußeren Wellen elementes (2) miteinander stoffschlüssig, form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.

14. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialschlitze (16, 17, 18, 19; 24, 25, 26, 27) der ersten Nockenelemente (7) größere Umfangswinkel umfassen als die zugeordneten Rohrsegmente (12, 13, 14, 15; 20, 21, 22, 23) der Längsabschnitte (3, 4) des äußeren Wellenelementes (2) und daß eine Verstellvor richtung an einem Ende der Wellenelemente (1, 2) vorgesehen ist, die mit den beiden Wellenelementen (1, 2) in gegeneinander drehverstellendem Eingriff ist.

15. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Nockenelemente (7) auf einem der Wellenelemente (1) als Raumnocken mit axial veränderlichen Erhebungs kurven ausgebildet sind, daß das andere der Wellen elemente (2) axial festgelegt ist und daß eine Ver stellvorrichtung an einem Ende der Wellenelemente (1, 2) vorgesehen ist, die mit den beiden Wellenelementen (1, 2) in gegeneinander axialverstellendem Eingriff ist.

16. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nockenelemente (8) auf den einzelnen Längsabschnitten (3, 4) des äußeren Wellenelementes (2) durch partielles hydraulisches Aufweiten der Längsabschnitte kraftschlüssig festgelegt werden.

17. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrabschnitte (3, 4, 5) des äußeren Wellenele mentes (2) mit bereits darauf festgelegten zweiten Nockenelementen (8) und erste Nockenelemente (7) jeweils abwechselnd auf dem inneren Wellenelement (1) vormontiert werden.

18. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nockenelemente (7) mit den Längsab schnitten des äußeren Wellenelementes (2) zusammenge steckt und auf das innere Wellenelement (1) aufge schoben werden und durch partielles hydraulisches Aufweiten des inneren Wellenelementes (1) kraft schlüssig festgelegt werden.

19. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nockenelemente (7) mit den Längsab schnitten des äußeren Wellenelementes (2) zusammen gesteckt und auf das innere Wellenelement (1) aufgeschoben und durch von innen erfolgendes Schweißen auf dem inneren Wellenelement (1) festgelegt werden.

20. Verfahren zur Herstellung einer Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte (3, 4, 5) des äußeren Wellen elementes (2) nach dem Durchstecken durch die Axial schlitze (16, 17, 18, 19) der ersten Nockenelemente (7) des inneren Wellenelementes (1) miteinander ver schweißt werden.