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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellen-Baugruppe. Insbesondere richtet sich
die vorliegende Erfindung auf eine modulare Nockenwellen-Baugrupppe,
welche es gestattet, die Nockenwelle und die Nocken aus verschiedenen
Materialien zu formen und die Nocken zu verstellen, um die Ventilzeitgebung
zu variieren.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Der
Aufbau der Nockenwelle besteht im Allgemeinen aus einem zylindrischen
Hauptkörper
und einer Vielzahl einzelner Nocken für den oben genannten Zweck.
Eine Nockenwelle, wie sie in Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt wird,
wurde in der Regel verarbeitet und an ihrem Umfang geformt (um eine Nockenoberfläche zu bilden),
indem ein spezielles Maschinenwerkzeug eingesetzt wird, das als
Nockenwellenform- oder Nockenwellenfräsmaschine bzw. Nockenwellerformer
oder Nockenwellenfräse bekannt
ist, um diesen Zweck zu erreichen. Alternativ kann die Nockenwelle
gegossen werden, so dass die Nocken und andere Funktionselemente
integral in einem Stück
mit der Welle gegossen werden. In beiden Fällen kann die Herstellung kompliziert
sein. Außerdem
stellt der einstückige
Aufbau einer Nockenwelle einen Kompromiss hinsichtlich der physischen
Eigenschaften dar. Es ist wünschenswert,
dass die Nocken widerstandsfähig
gegen Abrieb infolge der Wechselwirkung mit anderen Kraftmaschinenkomponenten
sind, während
es für
die Welle wünschenswert
ist, dass sie hohe Festigkeits- und Steifheitseigenschaften aufweist.
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Ein
Ansatz zur Verbesserung der physischen Eigenschaften der Nockenwellen-Baugruppe
ist die Herstellung der Nocken und der Welle aus unterschiedlichen
Materialien. Eine Nockenwelle wird „aufgebaut" genannt, wenn der Wellenkörper und
die Nocken separat hergestellt worden sind und wobei die im Wesentlichen
fertigen Nocken an dem Wellenkörper
befestigt werden. Aufgebaute Nockenwellen, beispielsweise mit einem
Stahlrohr als dem Wellenkörper,
können
verschiedene installierte oder angebrachte Teile aufweisen, nämlich Nocken,
Zahnbefestigungen, Zähne,
Axiallager, Axiallagerabsätze und
Signalsender und dergleichen.
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Aus
der US-Patentschrift Nr. 2,791,916 mit dem Titel „Multi-Cam
Assembly With Replaceable Cam Units" an Kintzing ist eine Mehrfachnocken-Baugruppen
mit ersetzbaren Nockeneinheiten bekannt. Jede Nockeneinheit umfasst
ein Paar zusammenpassender Teile.
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Aus
der US-Patentschrift Nr. 5,417,186 mit dem Titel „Dual-Acting Apparatus
For Variable Valve Timing and the Like" an Elrod et al. ist eine Nockenwelle
mit sich entlang der Welle erstreckenden länglichen Rippen bekannt. Eine
Vielzahl von Nockenelementen ist entlang der Welle positioniert.
Jedes Nockenelement enthält
eine Öffnung,
durch die sich die Welle erstreckt. Die Öffnung enthält komplementäre Rippen,
die die Rippen auf der Welle in Eingriff nehmen, um die Position
der Nockenelemente bezüglich der
Welle zu befestigen.
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Aus
der US-Patentschrift Nr. 5,537,971 mit dem Titel „Modular
Crankshaft and Connecting Rod Bearing Assembly" an Pong ist eine modulare Nockenwellen-Baugruppe
mit Nocken bekannt, die aus Blech gestanzt oder aus Pulvermetallpressungen
gebildet sind. Die Nocken werden dann auf eine Welle gepresst. Die
Nocken nehmen die Nockenwelle reibend in Eingriff.
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Aus
der US-Patentschrift Nr. 5,887,557 mit dem Titel „Camshaft
With Drive, Bearing and Cam Elements" an Battlogg ist eine Nockenwelle bekannt, die
aus zwei oder mehreren parallelen zentralen Stangen gebildet ist.
Die Nocken wellenelemente sind an den Stangen angebracht. Ein Antriebselement
ist an den parallelen Stangen befestigt, um die Nockenwelle zu drehen.
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Aus
der US-Patentschrift Nr. 5,307,708 mit dem Titel „Camshaft
for Controlling Valves in Internal Combustion Engines" an Matt, der US-Patentschrift Nr.
5,738,052 mit dem Titel „Composite
Camshaft for Internal Combustion Engine" an Meurer et al., US-Patentschrift
Nr. 5,992,265 mit dem Titel „Built-Up
Camshaft" an Laar,
den deutschen Patentveröffentlichungen
DE 41 21 951 C1 ,
DE 37 17 190 C2 und
DE 195 20 306 A1 sind
aufgebaute Nockenwellen bekannt, in denen Nockenscheiben auf einen rohrförmigen Wellenkörper gepresst
und zusätzlich auf
formschlüssige
Weise in Drehrichtung, beispielsweise durch Reibung, befestigt werden.
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Diese
Nockenwellen-Baugruppen ermöglichen
jedoch kein einfaches Zusammensetzen, so dass die Nockenwellen-Baugruppe für unterschiedliche
Kraftmaschinenkonfigurationen variiert werden kann. Außerdem ermöglichen
diese Nockenwellen-Baugruppen kein einfache Reparatur zum Ersetzen
eines abgenutzten oder beschädigten
Nockens.
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AUFGABEN DER
ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare
Nockenwellen-Baugruppe mit optimierten metallurgischen Eigenschaften
bereitzustellen, bei der unterschiedliche Materialien für unterschiedlichte
Teile der Nockenwellen-Baugruppe verwendet werden, um die Leistung
zu verbessern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer modularen Nockenwellen-Baugruppe, die die Reparatur oder den
Ersatz eines abgenutzten oder beschädigten Teils ohne Ersatz der
gesamten Nockenwellenbaugruppe gestattet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer modularen Nockenwellen-Baugruppe, die das Verstellen einzelner
Nocken gestattet, um die Ausrichtung einzelner Nocken zu variieren
und/oder zu verstellen, um die Zeitgebung einzelner Einlass- und
Auslassventile zu variieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer modularen Nockenwellen-Baugruppe, die untereinander austauschbare Nocken
zum Variieren der Nockenwellen-Baugruppe für verschiedene Kraftmaschinenkonfigurationen
bereitstellt.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden
Beschreibung dargelegt und zum Teil für einen Durchschnittsfachmann
aus der Beschreibung und/oder der Ausübung der Erfindung ersichtlich.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Aus
WO 99/95373 (Battlogg) ist eine modulare Nockenwellen-Baugruppe zur Verwendung
in einer Kraftmaschine bekannt, wobei die modulare Nockenwellen-Baugruppe
Folgendes umfasst: eine lange Welle; mindestens eine Nocken-Baugruppe, wobei
jede der mindestens einen Nocken-Baugruppe an der langen Welle befestigt
ist, um eine Axial- oder Drehbewegung der Nocken-Baugruppe bezüglich der
langen Welle zu verhindern; mindestens eine Abstandhalter-Baugruppe,
wobei jede der mindestens einen Abstandhalter-Baugruppe selektiv benachbart zu der
mindestens einen Nocken-Baugruppe positioniert ist; und eine Nockenadapter-Baugruppe, die adaptiert
ist, um die modulare Nockenwellen-Baugruppe mit einer Antriebs-Baugruppe
zu verbinden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist eine derartige modulare Nockenwellen-Baugruppe
dadurch gekennzeichnet, dass jede der mindestens einen Nocken-Baugruppe fest an
der langen Welle in einer Vielzahl von Betriebsstellungen befestigt
ist und dass die modulare Nockenwelle eine verstellbare Nocken-Halterungs-Baugruppe
für jede der
mindestens einen Nocken-Baugruppe umfasst, um jede der mindestens
einen Nocken-Baugruppe an der langen Welle in einer der vorbestimmten
Betriebsstellung zu befestigen, um die Drehung jeder der mindestens
einen Nocken-Baugruppe
bezüglich der
langen Welle zu verhindern, wobei die verstellbare Nocken-Halterungs-Baugruppe
eine Nockenhalterung zum Befestigen jeder der mindestens einen Nocken-Baugruppe an der
langen Welle in einer der vorbestimmten Stellungen umfasst; und
ein Verstellmittel zum Verstellen der Stellung der Nockenhalterung bezüglich der
langen Welle.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann die modulare Nockenwelle ferner
mindestens eine Lager-Baugruppe enthalten. Die mindestens eine Lager-Baugruppe
kann aus einem keramischen Material gebildet sein. Jede Lager-Baugruppe ist auf
der langen Welle positioniert. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung kann die modulare Nockenwellen-Baugruppe ferner eine verstellbare
Nocken-Halterungs-Baugruppe enthalten. Die Nocken-Halterungs-Baugruppe
befestigt jede Nocken-Baugruppe an der langen Welle, um die Drehung
jeder Nocken-Baugruppe bezüglich
der langen Welle zu verhindern. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung kann die verstellbare Nocken-Halterungs-Baugruppe eine Nockenhalterung zum
Befestigen jeder Nocken-Baugruppe an der langen Welle und eine Verstellbaugruppe
zum Verstellen der Stellung der Nockenhalterung bezüglich der langen
Welle enthalten. Die Nocken-Halterungs-Baugruppe
kann einen Befestigungsstift enthalten, der eine Ausnehmung in der
Nocken-Baugruppe in Eingriff nimmt. Die Verstell-Baugruppe kann
eine Vielzahl von Ausnehmungen an der langen Welle enthalten. Jede
Ausnehmung ist dazu adaptiert, einen Befestigungsstift aufzu nehmen.
Es wird in Betracht gezogen, dass die mehreren Ausnehmungen für jede Nocken-Baugruppe
so bereitgestellt werden kann, dass die Zeitgebung der Ventilöffnung durch
Positionieren des Stiftes in einer anderen Ausnehmung verstellt
werden kann.
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Die
modulare Nockenwellen-Baugruppe in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung kann ferner eine Halterungs-Baugruppe enthalten, die an sich gegenüberliegenden
Enden der langen Welle befestigt ist, um die Entfernung jeder Nocken-Baugruppe,
jeder Abstandhalter-Baugruppe und der Nockenadapter-Baugruppe von
der langen Welle zu verhindern.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass die modulare Nockenwellen-Baugruppe
mehrere entlang der langen Nockenwelle beabstandete Nocken-Baugruppen
enthalten kann. Eine Nocken-Baugruppe wird für jedes Einlassventil und für jedes
Auslassventil bereitgestellt. Mindestens ein Abstandhalter wird
verwendet werden, um die korrekte Beabstandung der Nocken-Baugruppen
entlang der langen Welle zu ermöglichen.
Außerdem
werden mehrere Lager bereitgestellt, um die Drehung der langen Welle
zu gestatten, wenn sie mit der Kraftmaschine verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
der Erfindung werden in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen
beschrieben, in denen ähnliche
Bezugszahlen ähnliche Elemente
bezeichnen und in denen:
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1 eine
auseinandergezogene Ansicht einer auseinander genommenen modularen
Nockenwellen-Baugruppe in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht einer ersten Halterungs-Baugruppe der modularen Nockenwellen-Baugruppe
aus 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht einer Nockenadapter-Baugruppe der modularen Nockenwellen-Baugruppe
aus 1 ist;
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4 eine
schematische Ansicht einer Nocken-Baugruppe der modularen Nockenwellen-Baugruppe
aus 1 ist;
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5 eine
schematische Ansicht einer zweiten Halterungs-Baugruppe der modularen Nockenwellen-Baugruppe
aus 1 ist;
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6 eine
schematische Ansicht einer Lager-Baugruppe der modularen Nockenwellen-Baugruppe
aus 1 ist;
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7 eine
schematische Ansicht einer Nockenabstandhalter-Baugruppe der modularen Nockwellen-Baugruppe
aus 1 ist; und
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8 eine
Teilseitenansicht der zusammengesetzten modularen Nockenwellen-Baugruppe
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
besonderer Bezugnahme nun auf die Figuren wird in 1 und 8 eine
modularen Nockenwellen-Baugruppe 1 gezeigt, die die vorliegende Erfindung
verkörpert.
Die modulare Nockenwelle 1 enthält eine lange Welle 10,
eine Vielzahl von Nocken-Baugruppen 20, eine Vielzahl von
Nockenabstandhalter-Baugruppen 30 und eine Vielzahl von
Lager-Baugruppen 40. Die modulare Nockenwelle 1 enthält ferner
eine Adapter-Baugruppe oder Verteilerrad 50 zum Verbinden
der Nockenwellen-Baugruppe 1 mit einer Antriebs- Baugruppe, wie einem Riemen-
oder Kettenantrieb (nicht gezeigt). Mit Gewinde versehene Halterungen 61 und 62 verhindern das
Entfernen der Nocken-Baugruppen 20, der Nockenabstandhalter-Baugruppen 30 und
der Lager-Baugruppen 40.
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Mit
der die vorliegende Erfindung verkörpernden modularen Nockenwellen-Baugruppe
kann die Gesamtmetallverarbeitung der Welle und der Nocken optimiert
und nicht wie bei einstückigen
Nockwellen beeinträchtigt
werden. Für
die Formung der Nocken 20 und der Welle 10 werden
unterschiedliche Materialien verwendet. Die Metallverarbeitung für jeden
Nocken 20 wird hinsichtlich Abrieb und Schnittstellenbildung
mit einem (nicht gezeigten) Mitnehmer einer Betätigungs-Baugruppe zum Übertragen
der Bewegung des Nockens optimiert, um ein Ventil zu betreiben (d.h.
zu öffnen).
Es wird in Betracht gezogen, dass fest zugeordnete Nocken-Baugruppen 20 bereitgestellt
sein können,
um jedem Zylinder der Kraftmaschine zugeordnete und entlang der
Welle 10 beabstandete Einlass- und Auslassventile zu betreiben.
Außerdem
ist die Metallverarbeitung der Welle 10 hinsichtlich ihrer
Festigkeit und Steifheit optimiert. Mit der die vorliegende Erfindung
verkörpernden
modularen Nockenwellen-Baugruppe wird auch die Wärmebehandlung für die Einzelkomponenten
optimiert, anstatt sie für
getrennte Merkmale einer einstückigen
Einheit zu beeinträchtigen.
Dadurch kann die Wärmebehandlung
der Nocken optimiert und genau angepasst werden, um einen Nocken
mit hervorragender Abriebbeständigkeit
herzustellen. Die Wärmebehandlung
der Nockenwelle kann für
die Herstellung einer Nockenwelle mit hoher Festigkeit optimiert und
genau angepasst werden.
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Die
Nocken-Baugruppen 20 sind so entlang der Welle 10 angeordnet,
dass sie der Stelle der Betätiger-Baugruppen
der den Zylindern der Kraftmaschine zugeordneten Einlass- und Auslassventilen entsprechen.
Die Lager-Baugruppen 40 sind entlang der Welle 10 zwischen
den Nocken-Baugruppen 20, wie beispielsweise in 1 und 8 gezeigt,
beabstandet.
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Bei
den Lager-Baugruppen 40 handelt es sich vorzugsweise um
keramische Lager mit einem schmalen Aufbau. die Verwendung mehrerer
Lager 40 entlang der Welle 10 erhöht die Gesamtsteifigkeit der
Nocken aufgrund der verhältnismäßig kurzen nicht-unterstützten Abstände zwischen
den Lagern. Der schmale Aufbau der Lager-Baugruppen 40 ermöglicht in
einigen Situationen die Platzierung zusätzlicher Lager-Baugruppen 40,
was die Belastungsfähigkeit
der Nockenwellen-Baugruppe 1 erhöht. Es wird in Betracht gezogen,
dass andere Lager-Baugruppen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
verwendet werden könne.
Die Verwendung eines Nadeltraglagers in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
den Aufbau in einem Bereich positiver und negativer Abstände. Dies führt zu einer
Vereinfachung der Herstellung der Stirndeckel-Baugruppe oder anderer
Nockenlagerrückhaltesysteme,
indem die Herstellungstoleranzen dieser Systeme vergrößert werden.
Der vorliegende Lageraufbau ist weniger anfällig für Ausfälle infolge von Fehlern oder
Ausfällen
im Ölsystem.
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Die
Nockenabstandhalter-Baugruppen 30 sind entlang der Welle 10 zwischen
den Nocken-Baugruppen 20 und den Lager-Baugruppen 40 beabstandet,
um die richtige Positionierung dieser Baugruppen entlang der Welle 10 sicherzustellen,
so dass die Nocken-Baugruppen 20 mit ihren jeweiligen Ventilbetätigungs-Baugrupen
ausgerichtet sind. Die Axialausrichtung der Komponenten an der Welle 10 wird
durch die Halterungen 61 und 62 aufrechterhalten.
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Die
Nocken-Baugruppe 20 enthält, wie in 4 gezeigt,
einen einzelnen Nocken 21, der einem Ventilöffnungsereignis
entspricht. Es wird in Betracht gezogen, dass die Nocken-Baugruppe 20 mehr
als einen Nocken enthalten kann, so dass die Nocken-Baugruppe 20 mehr
als ein Ventilöffnungsereignis durchführen kann.
Beispielsweise kann die Nocken-Baugruppe 20 mit einem Nocken
zum Ausführen
eines Hauptöffnungsereignisses
des Auslassventils und Sekundärnocken
zum Ausführen
einer Abbremsung der Kraftmaschine und/oder Rezirkulierung des Abgases
versehen sein.
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Die
Nocken-Baugruppe 20 enthält eine Ausnehmung 22,
die in der zentralen Öffnung 23 gebildet ist,
durch die sich die Welle 10 erstreckt. Die Ausnehmung 22 ist
adaptiert, um einen Stift oder in Eingriff nehmende Baugruppe 70 aufzunehmen.
Der Stift 70 ist adaptiert, um in einer komplementären Ausnehmung 11 in
der Welle 10 aufgenommen zu werden. Eine Vielzahl von Ausnehmungen 11 kann
für jedes Ventil
bereitgestellt werden. Die Stellung des Nockens 21 und
somit die Zeitgebung der Ventilöffnungen/-schließungen kann
somit durch Einführen
des Stiftes 70 in eine andere Ausnehmung 11 verstellt werden.
Die Ausnehmungen 11 und der Stift 70 bilden zusammen
ein Nockenindizierungssystem. Das Nockenindizierungssystem ermöglicht die Änderung der
Nockenzeitgebung zwischen dem Einlass und dem Auslass, ohne einen
gesamten Nocken zu verwerfen und/oder eine vollkommen neue Einheit
herzustellen. Das Nockenindizierungssystem ermöglicht auch die auf spezielle
Zylinder genau angepasste Zeitgebung, ohne einen gesamten Nocken
zu verwerfen und/oder eine vollkommen neue Einheit herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt zahlreiche Vorteile bezüglich der
Nocken-Baugruppen bereit. Da die Nocken einzeln statt auf einer
langen Welle geschliffen werden, wird der Grundkreisseitenschlag minimiert.
Die Anbringung der Lager an der Welle 10 ermöglicht die
Verwendung eines größeren Grundkreises 24,
da die Nocken keine Lagerläufe
in dem Motorblock oder Zylinderkopf freihalten müssen, um die Welle zu installieren.
Dies führt
zu geringeren Druckwinkeln und größerer Steifheit der Welle,
was eine bessere Steuerung der Ventile bei höheren Drehzahlen ermöglicht.
Die Verwendung größerer Nocken
in Verbindung mit größeren Grundkreisen
ermöglicht
die Verwendung von Kipphebeln niedrigerer Rate bei gleich bleibender
Nettoventilerhebung. Dies verringert die Belastung auf Nockenwelle,
Nocken, Anheber, Schiebestange, Kipphebel, wodurch eine größere Haltbarkeit
und größere Drehzahlgrenzen bereitgestellt
werden, die zu größeren PS-Stärken beitragen.
Dies verringert auch die Reibungsverluste an diesen Komponenten.
Der Abrieb an Nocken und Anheber wird aufgrund der Verringerung
der Hertz-(Kontakt)-Belastung infolge des größeren Momentkrümmungsradius
des Nockens verringert. Aus denselben Gründen verringert sich das Abplatzen und
andere Lager-bezogene Ausfälle.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen vom Herstellungsstandpunkt her
zahlreiche Vorteile und verbesserte physische Eigenschaften her.
Die Wärmebehandlung
wird vereinfacht und kann mittels modernerer und kontinuierlicherer
Verfahren erfolgen. Die Wärmebehandlung
wird außerdem
für die
Einzelkomponenten optimiert, und nicht für einzelne Merkmale einer einstückigen Einheit
beeinträchtigt.
Außerdem
werden die modularen Verteilerräder
nicht durch aufgrund von Wärmebehandlung
an einstückigen
Einheiten entstehenden Verkrümmungen
beeinträchtigt.
Die Verteilerräder
können
mit moderner Ausrüstung
einfacher hergestellt werden, das sie nicht als Teil einer langen
Welle befestigt werden müssen.
Die Verteilerräder 50 können außerdem innerhalb
engerer Toleranzen hergestellt werden. Dadurch müssen ganz neue Nockenwellen nicht
aufgrund von einer außerhalb
der Toleranzen liegenden Geradheit weggeworfen werden und stattdessen
kann die lange Welle ausgetauscht werden. Diese engeren Toleranzen
gestatten erhebliche Verbesserungen der Zündungszeit. Die Verteilerräder können in
geringeren inkrementellen Durchmessern zugeführt werden, wodurch die Feinabstimmung
der Abstände
zwischen den Rädern
ermöglicht
wird. Dies kann erfolgen, ohne dass eine gesamte Nockenwelle weggeworfen
werden muss, um dieses eine Merkmal einzustellen.
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Verschlissene
Teile können
ersetzt werden, ohne dass die gesamte Nockenwellen-Baugruppe ersetzt
werden muss. Außerdem
kann ein Nocken zwischen zwei verschiedenen Kraftmaschinenkonfigurationen
austauschbar sein, indem nur die Welle gekauft wird und bestehende
Nocken verwendet werden. Dies führt
zu einer erfindungsgemäßen Verringerung
für Hersteller
von Kraftmaschinen, Rennteams und Reparaturwerkstätten.
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Die
Herstellung kann mit größerer Genauigkeit
mittels weniger exotischer (teurer) Maschinen erfolgen. Der Zusammenbau
der Kraftmaschine ist schneller und weniger kompliziert.
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Dem
Durchschnittsfachmann dürfte
klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen
werden können,
ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Somit soll die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen
der Erfindung abdecken, vorausgesetzt, dass sie in den Schutzumfang
der beigefügten
Ansprüche
und ihrer Äquivalente
fallen.