EP2585687B1

EP2585687B1 - Verstellbare nockenwelle

Info

Publication number: EP2585687B1
Application number: EP11758091.0A
Authority: EP
Inventors: Roman Weinmeister
Original assignee: Neumayer Tekfor Holding GmbH
Current assignee: Neumayer Tekfor Holding GmbH
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-11
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2031-06-11
Also published as: EP2585687A1; WO2012006992A1; US8695547B2; DE102010025100A1; US20130104824A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verstellbare Nockenwelle, mit mindestens einer Welle, und mit mindestens einem Nockenpaket, welches mindestens zwei unterschiedliche Nocken und/oder Nockenkonturen aufweist. Dabei weisen die Nocken und/oder die Nockenkonturen des Nockenpakets unterschiedliche Breiten auf. Das Nockenpaket ist axial längs einer Längsachse der Nockenwelle verschiebbar ausgestaltet, indem mindestens ein Verstellelement vorgesehen ist, welches axial längs der Längsachse verschiebbar ausgestaltet ist, und indem das Verstellelement über mindestens ein Kontaktelement mit dem Nockenpaket mechanisch gekoppelt ist.
Eine Nockenwelle verfügt zumindest über ein Trägerelement, auch als Rohr oder Welle bezeichnet, und mindestens einen Nocken. Bei der Anwendung in Motoren dienen Nockenwellen als Teil des Ventiltriebes, wobei sich das Trägerelement um seine Längsachse dreht. Die Nocken wandeln die Drehbewegung in Längsbewegungen um, wodurch die Ein- und Auslassventile des Motors gesteuert werden. Um je nach Lastzustand den Motor optimal steuern zu können, gibt es im Stand der Technik Verstellmöglichkeiten von Nockenwellen, z.B. welche unterschiedliche Nocken in Wirkeingriff mit den Ventilen bringen oder die Einstellungen, z.B. die Winkel der Nocken zueinander ändern. In der Offenlegungsschrift WO 2010/040439 A1 wird eine Ventiltriebvorrichtung beschrieben, in welcher eine außerhalb der Nockenwelle angebrachte Vorrichtung das Verschieben von einzelnen Nockenpaaren oder Gruppen von Nockenpaaren erlaubt, so dass die unterschiedlichen Nockenkonturen der Nockenpaaren der Ventilsteuerung dienen. Der dort beschriebene Aufbau erfordert einen großen Bauraum um die eigentliche Nockenwelle herum. Weiterhin ist die Anzahl der verwendeten Bauteile relativ hoch, was auch mit einer hohen Komplexität einhergeht.
Bei der Verstellung der Nockenwelle ist im Stand der Technik zumeist darauf zu achten, dass die Nocken nur dann verstellt werden, wenn die zugehörigen Ventile auf dem Grundkreis der Nocken laufen, d.h. wenn die Nocken die Ventile nicht betätigen. Daher müssen die Nocken entweder einzeln verstellt werden oder es können nur Gruppen gebildet werden von zumindest während einer Phase nicht im Eingriff mit den Ventilen stehenden Nocken. Bei letzteren wird dann die Verstellung der Nocken vorgenommen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen bekannt, um Nockenwellen zu verstellen, die sich in zwei Gruppen unterteilen (siehe auch die Offenlegungsschrift DE 195 19 048 A1 ). In einer Variante werden mit Schaltkulissen einzelne Nockenpakete entlang der Nockenwelle verschoben. Dies ist beispielsweise beschrieben in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 055 852 A1 oder der Patentschrift US 4,794,893 . Alternativ wird die gesamte Nockenwelle axial verschoben (siehe z. B. die Patentschriften GB 186,369 und US 5,129,407 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare Nockenwelle vorzuschlagen, die eine gegenüber dem Stand der Technik größere Möglichkeit an Zeitpunkten zum Verstellen der Nockenwelle erlaubt und somit auch unterschiedliche Gruppierungen der Nocken von unterschiedlichen Ventilen bzw. Zylindern ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Welle axial längs der Längsachse der Nockenwelle verschiebbar ausgestaltet ist, und dass mindestens ein Nockenpaket vorgesehen ist, welches fest mit der Welle verbunden ist, so dass über das Verstellelement und die Welle zumindest zwei unterschiedliche Nockenpakete unabhängig voneinander verstellbar sind.
Ein entsprechend breiter Nocken bzw. eine ausreichend breite Nockenkontur kann dazu dienen, dass ein Nockenpaket auch außerhalb des Grundkreises eines Nockens verschoben werden kann. Somit lassen sich auch Nocken oder Nockenpakete gruppieren, die z.B. gleichzeitig axial verschoben werden, auch dann, wenn ein Nocken gerade ein Ventil betätigt.
Das Nockenpaket und das Verstellelement sind axial längs der Längsachse der Nockenwelle verschiebbar, so dass eine Verschiebung des Verstellelements ein Verschieben des Nockenpakets bewirkt, wodurch die unterschiedlichen Nocken oder Nockenkonturen des Nockenpakets oder ggf. der Nockenpakete in Kontakt mit den Ventilen gelangen.
Da sowohl die Welle axial längs der Längsachse verschiebbar als auch ein axial verschiebbares Verstellelement vorgesehen ist, lassen sich zumindest zwei unterschiedliche Gruppen von Nockenpaketen bilden, welche unabhängig voneinander verstellt werden können. Das Nockenpaket, das fest mit der Welle verbunden ist, kann dabei ebenfalls gleiche oder unterschiedliche Breiten aufweisen.
In einer Ausgestaltung ist das Verstellelement innerhalb der Welle angeordnet. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Nockenpakete vorgesehen und axial auf der Welle verschiebbar angeordnet sind, und dass mindestens zwei der Nockenpakete mechanisch mit dem Verstellelement gekoppelt sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Verstellelement radial um die Längsachse der Nockenwelle drehbar ausgestaltet ist. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich somit noch die Winkelstellung und damit die Phase der Nocken zueinander einstellen. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Axialverstelleinheit vorgesehen ist, welche mit dem Verstellelement verbunden ist, und welche das Verstellelement zumindest abschnittsweise axial verschiebt. Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mehrere Verstellelemente vorgesehen sind, welche axial längs der Längsachse der Nockenwelle verschiebbar ausgestaltet sind. Durch eine Vielzahl von Verstellelementen lassen sich auch entsprechend viele Nockenpakete einzeln oder in Gruppen ansteuern und verschieben. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verstellelement als Vollzylinder oder als Rohr oder als Segment eines Zylinders oder als Segment eines Rohres oder als Blechteil ausgestaltet ist.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine schematische Nockenwelle zu einem ersten Zeitpunkt,
Fig. 2: die Nockenwelle der Fig. 1 zu einem zweiten Zeitpunkt,
Fig. 3: die Nockenwelle der Fig. 1 zu einem dritten Zeitpunkt,
Fig. 4: die Nockenwelle der Fig. 1 zu einem vierten Zeitpunkt,
Fig. 5: eine räumliche Darstellung eines Nockens,
Fign. 6 a) bis c): Draufsichten auf drei Varianten einer Nut in der Welle,
Fig. 7: eine abgewickelte Laufbahn einer Axialverstelleinheit,
Fign. 8 a) und b): Schnitte durch zwei Varianten der Verbindung zwischen Verstellelement und Radialverdreheinheit,
Fign. 9 a), b) und c): drei Schnitte durch eine weitere Ausgestaltung der Nockenwelle,
Fig. 10: eine Draufsicht auf eine Welle mit zwei unterschiedlichen Nuten,
Fig. 11: einen Schnitt durch eine weitere Variante der Nockenwelle,
Fig. 12: einen Schnitt durch eine weitere Variante der Nockenwelle mit einer ersten Art der Verbindung zwischen Welle und Gehäuse,
Fig. 13: einen Schnitt durch eine zur Variante der Fig. 12 alternativen Ausgestaltung der Verbindung zwischen Welle und Gehäuse,
Fig. 14: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nockenwelle,
Fign. 15 a) bis c): zwei Schnitte durch eine Ausgestaltung der Nockenwelle, sowie Draufsichten auf Abschnitte der Verstellelemente der ergänzenden Ausgestaltung,
Fig. 16: schematische räumliche Darstellung einer weiteren Variante des Verstellelements, und
Fign. 17 a) und b): zwei Schnitte durch mögliche Zustände für das radiale Verdrehen des Verstellelements der Fig. 16.

In der Fig. 1 ist eine Nockenwelle 1 dargestellt, welche hier die Ventile von vier Zylindern steuern soll. Anwenden lässt sich die Erfindung auch bei Motoren mit einer anderen Anzahl an Zylindern. Jedem - hier nicht dargestellten - Zylinder sind dabei zwei Ventile zugeordnet: die Ventile des ersten Zylinders 101, des zweiten Zylinders 102, des dritten Zylinders 103 und des vierten Zylinders 104. Jeweils einem - hier jeweils links dargestellten - Ventil ist dabei ein Einzelnocken 8 auf der Nockenwelle 1 zugeordnet, welcher axial fest auf der Welle 3 aufgebracht ist. Für das jeweils andere Ventil - hier jeweils rechts dargestellt - ist ein Nockenpaket 2 vorgesehen, welches insbesondere eine Änderung des Ventilhubs ermöglicht. In einer weiteren - hier nicht dargestellten - Variante lassen sich jeweils beide Ventile eines Zylinders unterschiedlich durch eine Veränderung der Nocken ansteuern. Dargestellt ist hier beispielweise die Nockenwelle 1 für die Einlassventile der Zylinder. Entsprechend kann eine solche Nockenwelle 1 auch für die Auslassventile Anwendung finden. Die Nockenpakete 2 verfügen jeweils über einen Schlitten 20, welcher axial auf der Welle 3 entlang der - hier strichpunktiert eingezeichneten - Längsachse verschiebbar ist. Auf dem
Schlitten 20 befinden sich in dieser Ausgestaltung ein erster Nocken 21 und ein zweiter Nocken 22. Die Nocken 21, 22 unterscheiden sich hinsichtlich ihres Außenprofils, beispielsweise in der Höhe der den Nocken bildenden Erhebung oder Nase, welche den Ventilhub bestimmt (siehe in Fig. 5 das Beispiel für den ersten Nocken 21 mit Nase 21.1). Alternativ oder ergänzend haben die Nocken 21, 22 einen unterschiedlichen Verlauf. In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein Nocken ein einteiliger Bestandteil des Schlittens 20, d.h. der Schlitten 20 kann auch selbst eine solche Nockenkontur aufweisen. Damit die unterschiedlichen Nocken 21, 22 der Nockenpakete 2 bzw. die damit einhergehenden unterschiedlichen Ansteuerungsprofile in Eingriff mit den jeweiligen Ventilen gelangen, ist der axial verschiebbare Schlitten 20 über ein Kontaktelement 5, bei welchem es sich beispielsweise um einen Stift handelt, mit einem Verstellelement 4 in der hohl ausgestalteten Welle 3 verbunden. Für die Kontaktelemente 5 sind jeweils Aussparungen 30, z.B. Nuten in der Welle 3 vorgesehen. In diesem Fall reichen die Kontaktelemente 5 vollständig durch das Verstellelement 4 bzw. die Welle 3 hindurch. Da das Verstellelement 4 selbst axial verschiebbar ausgestaltet ist, können die Nockenpakete 2 axial verschoben werden, d.h. es kann eine Ventilansteuerung mit dem ersten Nocken 21 oder mit dem zweiten Nocken 22 verursacht werden. Das Verstellelement 4 ist beispielsweise eine Vollwelle, welche ggf. aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundmaterial besteht. Die Nockenwelle 1 wird z.B. von der- hier nicht dargestellten - Kurbelwelle angetrieben. Das Drehmoment wird dabei - in dem hier gezeigten Beispiel - aufgeteilt und zum einen über die außen liegende Welle 3 und den darauf fest angebrachten Einzelnocken 8 und zum anderen über das Verstellelement 4 und die Kontaktelemente 5 übertragen. Für eine koaxiale Anordnung des Verstellelements 4 in der Welle 3 ist beispielsweise eine entsprechende Lagerung des Verstellelements 4 in der Welle 3 vorgesehen oder es findet eine entsprechende Verstiftung statt. In der vorliegenden Abbildung Fig. 1 werden gleichzeitig die Nockenpakete 2 der Ventile des zweiten 102 und des vierten Zylinders 104 verschoben. In alternativen Ausgestaltungen lassen sich auch weniger oder mehr Nockenpakete 2 entsprechend gruppieren. Die Nocken 21, 22 der Nockenpakete 2 weisen unterschiedliche Breiten auf. Bei den Nockenpaketen 2 für den zweiten und vierten Zylinder ist jeweils der erste Nocken 21 schmäler als der zweite Nocken 22. Umgekehrt ist bei den Nockenpaketen 2 des ersten und dritten Zylinders der erste Nocken 21 breiter als der zweite Nocken 22. Durch die größere Breite des ersten Nockens 21 kann somit beispielsweise für das Ventil des ersten Zylinders 101 die Verstellung vorgenommen werden, auch wenn das Ventil des ersten Zylinders 101 gerade außerhalb des Grundkreises läuft, d.h. wenn der Nocken das Ventil z.B. über einen Schlepphebel gegen eine Feder drückt und somit die Öffnung des Ventils verursacht. Erst wenn das Verstellelement 4 weiter verschoben wird, d.h. über die Breite des Nockens hinaus, findet auch die Umstellung der Nocken für die Ventile des ersten 101 und dritten Zylinders 103 statt. Die Umstellung eines Nockenpakets vom einen zum anderen Nocken erfolgt jeweils auf dem Grundkreis, d.h. wenn die Nocken des zugeordneten Nockenpakets nicht das zugehörige Ventil betätigen, jedoch während der Zeit, in der ein Nocken eines anderen Nockenpakets ein Ventil betätigt, d.h. außerhalb des Grundkreises für diese andere Nocken-Ventil-Kombination. Die Anordnung der breiteren bzw. schmäleren Nocken bezieht sich hier nur auf den dargestellten Beispielfall und kann entsprechend für die Bedürfnisse des Motors bzw. der Art der Ansteuerung der Zylinder angepasst werden. Wird das Drehmoment beispielsweise - in einer hier nicht dargestellten Realisierung - nur von der außen liegenden Welle 3 übertragen, so kann über das Verstellelement 4 noch ein Verdrehen erfolgen, so dass auch eine Phasenänderung möglich ist. Zur radialen Änderung - relativ zu Kurbelwelle und/oder relativ der Nocken zueinander - ist eine Radialverdreheinheit 7 vorgesehen. Die axiale Verschiebung des Verstellelements 4 wird - in diesem Beispiel - durch die Axialverstelleinheit 6 bewerkstelligt, in welche zwei Aktoren 60 über passende Laufbahnen eingreifen, so dass eine lineare Bewegung der Aktoren 60 senkrecht zur Längsachse des Verstellelements 4 eine axiale Verschiebung des Verstellelements 4 in Richtung der Längsachse bewirkt. Der hier - zeichnerisch - linke Aktor 60 erzeugt durch die Laufbahn eine Bewegung nach links und der rechte Aktor 60 die Bewegung zurück. Durch die gestrichelte und vom Aktor 60 ausgehende Linie sei dabei in dieser und in den folgenden Abbildungen angedeutet, an welcher Stelle der Laufbahn der Aktor 60 gerade angreift. Alternativ ist es auch möglich, über die Radialverdreheinheit 7 eine radiale Verdrehung der Nockenpakete 2 zu den fest auf der Welle 3 angebrachten Einzelnocken 8 zu realisieren. Die Anordnung und Ausgestaltung des Verstellelements 4 ist dabei unabhängig von den unterschiedlich breiten Nocken 21, 22 der Nockenpakete 2. Entsprechend lassen sich auch die unterschiedlich breiten Nocken 21, 22 und die damit einhergehende Möglichkeit der Verschiebung außerhalb des Grundkreises mit anderen Realisierungen der Verstellung kombinieren. Dies gilt auch für die folgenden Beispiele. Gleichwohl stellt die Kombination der hier besonders ausgestalteten Nockenpakete mit der hier bereits gezeigten und den noch folgenden Varianten der Verstellung eine Optimierung der Verstellung dar. In der Fig. 1 ist der zeitliche Abschnitt dargestellt, wie - hier bei der einlassseitigen Nockenwelle (entsprechendes lässt sich auch für andere Nockenwellen realisieren) - eine Ventilabschaltung jeweils eines Ventils des zweiten und vierten Zylinders eingeleitet wird. Dabei wird das Verstellelement 4 soweit axial verschoben, dass jeweils ein Ventil 102, 104 nicht mehr mit dem ersten Nocken 21, sondern mit dem zweiten Nocken 22 in Kontakt kommt. Der - hier zeichnerisch - linke Aktor 60 befindet sich dabei im hier gezeigten Beispiel am Anfang der die axiale Verschiebung bewirkenden Bahn. Der zweite Nocken 22 ist für die dargestellte Variante derartig ausgestaltet, dass er eine Abschaltung des zugehörigen Ventils bewirkt, indem das Ventil nur noch auf dem Grundkreis des - nase- oder spitzelosen - Nockens 22 läuft und somit nicht betätigt wird. Die Abbildung Fig. 2 zeigt den Zustand, dass jeweils ein Ventil des zweiten 102 und der vierten Zylinders 104 abgeschaltet ist - sie stehen jeweils in Verbindung mit dem zweiten Nocken 22 - und dass ebenfalls je ein Ventil des ersten 101 und dritten Zylinders 103 abgeschaltet werden soll. Wie zu sehen, haben sich die Welle 3 und das Verstellelement 4 um 90° gedreht, so dass nun auch die Nuten 30 mit den Kontaktelementen 5 zu erkennen sind. Die Kontaktelemente 5 verfügen in den Nuten 30 über keinen radialen Freiraum, welcher ein Verdrehen um die Längsachse der Nockenwelle 3 erlauben würde. Andere Ausgestaltungen der Nuten 30 werden im folgenden besprochen. Alternativ sind weiterhin auch andere Winkel außer dem 90°-Winkel möglich. Dies ist abhängig von der Ansteuerung der Ventile bzw. der erforderlichen Variante der Verstellung der Nockenwelle 1. Wie angedeutet, befindet sich der Aktor 60 an einem anderen Bereich der Laufbahn in der Axialverstelleinheit 6. Von der Nockenwelle 1 werden in diesem Zustand die Ventile des dritten Zylinders 103 angesteuert, d.h. in diesem Moment findet noch keine Verstellung der Nocken für die Ventile des ersten 101 und dritten Zylinders 103 statt. Dies wird dadurch realisiert, dass nach dem Zustand der Fig. 1 das Verstellelement 4 während des hier dargestellten Moments nicht axial verschoben wird. In der Fig. 3 haben sich Welle 3 und Verstellelement 4 weiter um 90° gedreht. Das Verstellelement 4 ist dabei noch auf der gleichen axialen Position wie in der Fig. 2. Wie zu erkennen, werden jetzt die Ventile des vierten Zylinders 104 von der Nockenwelle 1 angesteuert, wobei ein Ventil nicht betätigt wird. Insbesondere betätigt der fest auf der Welle 3 angebrachte Einzelnocken 8 das - hier zeichnerisch - linke Ventil des vierten Zylinders 104, wobei das rechte Ventil des vierten Zylinders 104 über den zweiten Nocken 22 des Nockenpakets 2 auf dem Grundkreis läuft und somit quasi durch einen Null-Hub gesteuert wird. In der Fig. 4 gab es relativ zum in der Fig. 3 dargestellten Zustand eine weitere 90°-Drehung und das Verstellelement 4 ist axial soweit verschoben, dass die entsprechenden Ventile des ersten Zylinders 101 und des dritten Zylinders 103 in Kontakt mit dem schmäleren zweiten Nocken 22 des jeweilig zugeordneten Nockenpaketes 2 kommen. Dies bedeutet in diesem Beispiel, dass auch die Ventile des ersten 101 und dritten Zylinders 103 bedingt durch die Außenkontur des zweiten Nockens 22 der zugehörigen Nockenpakete 2 abgeschaltet sind, indem sie auf dem Grundkreis, sozusagen mit einem Hub von Null laufen. Der Aktor 60 ist nun auch am Ende der Laufbahn angekommen und ein weiteres axiales Verschieben des Verstellelements 4 findet nicht mehr statt.
In der Fig. 5 ist als Beispiel ein erster Nocken 21 dargestellt, wie er auf einen Schlitten eines Nockenpakets aufgebracht wird. In einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung handelt es sich um einen hohlen Nocken, welcher im Wesentlichen nur eine Außenkontur und eine Befestigungsfläche für den Schlitten aufweist. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Nocken ein Bestandteil des Schlittens selbst. Zu sehen sind der Grundkreis und die Nase oder Spitze 21.1.
In der Fig. 6 sind drei Varianten a) bis c) für die Ausgestaltung einer Nut 30 in der Welle 3 dargestellt. In der ersten Variante Fig. 6 a) kann das Drehmoment über die Nut 30 oder über die Innenwelle übertragen werden. In der Ausgestaltung der Fig. 6 b) ist die Nut 30 schräg und das Kontaktelement wird in den Endpositionen fixiert. Die S-förmige Ausgestaltung der Fig. 6 c) erlaubt ebenfalls eine Fixierung des Kontaktelements an den Endpunkten der axialen Bewegung.
Die Fig. 7 verdeutlicht eine mögliche Laufbahn, über welche ein Aktor das Verstellelement axial um eine Strecke X1 bzw. in umgekehrter Richtung um X2 verschiebt. Dargestellt ist hier die abgewickelte 360°-Außenfläche z.B. eines Rades als Teil der Axialverstelleinheit. Dabei finden im Wesentlichen zwei Verschiebungen statt, welche im obigen Beispiel der Figuren 1 bis 4 zunächst eine Abschaltung der Ventile des zweiten und vierten Zylinders und dann der Ventile des ersten und dritten Zylinders bewirken (Abschnitte a). Zwischen diesen beiden Abschaltungen ist ein Abschnitt (in der Figur Abschnitt b) vorgesehen, welcher keine axiale Verschiebung des Verstellelements bewirkt. Die beiden dargestellten Laufbahnen sind hier passend zu der Anordnung der Aktoren der Figuren Fig. 1 bis 4 spiegelsymmetrisch zueinander ausgestaltet, wobei eine Laufbahn das Verschieben in die eine und die andere Laufbahn die Verschiebung zurück bewirkt. Die spiegelsymmetrische Ausgestaltung resultiert hier daraus, dass die Aktoren nebeneinander angeordnet sind. Die Form der Laufbahnen ist somit auch davon abhängig, wie die Axialverstelleinheit ausgestaltet ist bzw. wie die Aktoren angeordnet sind und die Verschiebung einleiten. Die insgesamt vier Abschnitte a, b entsprechen hier jeweils einem Winkelmaß von 90°, entsprechend der Darstellung der Figuren 1 bis 4. Andere Winkel sind jedoch insbesondere bei anderen Zylinderzahlen auch möglich. In einer Ausgestaltung sind dabei die beiden Winkel für das Verschieben der Nocken - jeweils Abschnitte a - und die beiden Winkel, während dessen keine Verschiebung stattfindet - bezeichnet mit b -, jeweils gleich und unterschiedliche zueinander. Die Anzahl der Winkel und deren Größen hängt dabei auch von der Anzahl der Verschiebungen, d.h. von der Anzahl der betroffenen Nockenpakete ab.
In den Abbildungen Fig. 8 a) und b) sind zwei Varianten für die Ausgestaltung der Radialverdreheinheit 7 dargestellt. Die Radialverdreheinheit 7 ist dabei mit dem Verstellelement 4 verbunden und erlaubt dessen Verdrehen gegenüber der äußeren Welle 3 und dadurch die Änderung der Phase der Nocken. Die beiden Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Umsetzung eines Längenausgleiches, welches durch das axiale Verschieben des Verstellelements 4 notwendig ist. In der Variante der Fig. 8 a) ist ein spezielles Element für diesen Ausgleich vorgesehen, wohingegen in der Variante der Fig. 8 b) der Ausgleich über eine Innen- und eine Außenverzahnung von zwei Teilelementen des Verstellelements 4 erfolgt. Alternativ können auch Kugeln verwendet werden, welche in Rillen zwischen den ineinander befindlichen Abschnitten der Elemente laufen und entsprechend z.B. einem Längenausgleichselement bei Gelenkwellen funktionieren.
In der Fig. 9 a) ist ein Teil einer Nockenwelle mit zwei benachbarten Nockenpaketen 2 dargestellt, welche beide eine Hub- (unterschiedliche Nockenkontur des ersten 21 und des zweiten Nockens 22) und eine Phasenänderung (Verdrehung um die Längsachse der Welle 3) erlauben. In den Abbildungen Fig. 9 b) und Fig. 9 c) sind zwei Schnitte durch die Welle 3 auf unterschiedlichen Positionen dargestellt. Die Ausgestaltungen in der Welle 3 ermöglichen zum einen eine axiale Führung des Kontaktelements 5 und gleichzeitig noch eine radiale Beweglichkeit und zum anderen nur eine axiale Führung, d.h. radial fest. Die Fig. 10 zeigt einen Teil einer Nockenwelle, deren Welle 3 zwei unterschiedliche Nuten 30 für die Kontaktelemente 5 aufweist. Bei der links dargestellten Variante ist nur eine axiale Verschiebung möglich, und die - hier auf der Darstellung - rechts befindliche Nut erlaubt zusätzlich ein radiales Verdrehen, da das Kontaktelement 5 seitlich Platz in der Nut 30 hat.
Die Nockenwelle 1 der Fig. 11 erlaubt das Schalten von drei unterschiedlichen Konturen, indem jedes Nockenpaket 2 drei unterschiedliche Nocken aufweist: erster Nocken 21, zweiter Nocken 22 und dritter Nocken 23. Somit lassen sich drei unterschiedliche Profile für die Ansteuerung der Ventile anwenden. Die unterschiedlichen Ventilhübe sind hier an den unterschiedlichen Höhen der Nocken des Nockenpakets 2 für das Ventil des ersten Zylinders 101 zu erkennen. Um das Verschieben der drei unterschiedlichen Nocken 21, 22, 23 zu ermöglichen, weist die Axialverstelleinheit 6 hier auch schematisch jeweils zwei Laufbahnen auf, so dass eine Verschiebung von der ersten 21 zur zweiten 22 und von der zweiten 22 zur dritten Nocke 23 möglich ist. Für das Zurückschieben sind entsprechend auch zwei - hier spiegelsymmetrisch ausgestaltete - Laufbahnen vorgesehen. Pro Ventil können auch jeweils unterschiedliche Anzahlen von Nocken bzw. Nockenkonturen vorgesehen sein.
Bei der Nockenwelle 1 der Fig. 12 bilden die Welle 3 und das Verstellelement 4 eine Einheit, die axial verschiebbar ausgestaltet und angeordnet ist und welche auch der Übertragung des Drehmomentes dient. In dieser Ausgestaltung sind daher die Nockenpakete 2' fest auf der Welle 3 bzw. auf dem Verstellelement 4 aufgebracht. Die Nockenpakete 2' treten in dieser Darstellung jeweils in Kontakt mit einem Rollenstößel, wobei für jeden Zylinder zwei Rollenstößel für die jeweils zwei Ventile vorgesehen sind: die Rollenstößel des ersten Zylinders 111, die Rollenstößel des zweiten Zylinders 112, die Rollenstößel des dritten Zylinders 113 und die Rollenstößel des vierten Zylinders 114. Weiterhin sind die Lager 120 eingezeichnet, auf welchen die Nockenwelle 1 im eingebauten Zustand ruht. Die Welle 3 bzw. das Verstellelement 4 wird über die Axialverstelleinheit 6 und die Aktoren 60 axial verschoben (angedeutet durch den Doppelpfeil). Da die Nockenpakete 2' fest auf der Welle 3 aufgebracht sind, kommen somit auch die Rollenstößel 111, 112, 113 und 114 in Kontakt mit den unterschiedlichen Nocken 20, 21 bzw. Nockenkonturen der Pakete 2'. Die Nockenpakete 2' können dabei - wie hier dargestellt- aus einzelnen Nocken 20, 21 bestehen, es kann sich aber auch um eine Einheit mit entsprechend unterschiedlichen Nockenkonturen handeln. Zusätzlich ist eine Radialverdreheinheit 7 vorgesehen, um die Welle 3 radial um ihre Längsachse für die Einstellung der Phase der Nocken zu drehen. Für die Übertragung des Drehmomentes, welches beispielsweise im eingebauten Zustand von der Kurbelwelle kommt, ist hier ein Gehäuse 131 vorgesehen, in welchem z.B. über die Verzahnung axial beweglich ein Stopfen 130 angeordnet ist. Der Stopfen 130 selbst wiederum ist drehfest, z.B. über Übermaßpassung mit der Welle 3 verbunden. Alternativ erfolgt die Axialverstellung zwischen Stopfen 130 und Gehäuse 131 in Folge der axialen Verschiebung der Welle 3 durch eine entsprechende Innenverzahnung. Das Gehäuse 131 ist dabei axial gelagert. Die Nockenwelle 1 der Fig. 13 unterscheidet sich dadurch von der Variante der Fig. 12, dass die Welle 3 direkt mit dem Gehäuse 131 z.B. über eine entsprechende Verzahnung, welche die axiale Verschiebung erlaubt, gekoppelt ist. Eine Axialverstellung ist hier ebenfalls möglich durch Kugeln, welche sich in Laufbahnen zwischen der Welle 3 und dem Gehäuse 131 befinden.
Die Varianten der Nockenwelle 1 der Figuren Fig. 12 und Fig. 13 erlauben nur die Verschiebung alle Nockenpakete 2' gleichzeitig, da alle Nockenpakete 2' fest mit der Welle 3 bzw. mit dem mit der Welle 3 identischen Verstellelement 4 verbunden sind. Das Verschieben während ein Nocken ein Ventil betätigt, d.h. außerhalb des Grundkreises, ist dabei bedingt durch die unterschiedlich breiten Nocken 21, 22 möglich. Die Varianten der Fig. 1 bis 4 und Fig. 11 erlauben es weiterhin durch das Verstellelement 4 in Verbindung mit der Welle 3, dass nicht alle Nockenpakete verschoben werden, da die Nockenpakete mit dem in diesen Ausgestaltungen von der Welle 3 unterschiedlichen Verstellelement 4 fest verbunden sind. Diese Möglichkeit, dass einzelne Nocken nicht verschoben werden, erlaubt z.B. bei der Variante der Fig. 1 die Verwendung eines Einzelnockens 8, welcher nicht verändert wird. Die Variante der Fig. 14 ermöglicht es, beide Ventile jedes Zylinders mit unterschiedlichen Kombinationen von Nockenkonturen zu steuern. Hierfür ist jeweils ein Nockenpaket 2' für ein Ventil mit der Welle 3 und ein Nockenpaket 2 über das Kontaktelement 5 durch die Nut 30 mit dem Verstellelement 4 verbunden. Es werden somit zwei getrennte Systeme für das Verstellen der Nockenwelle 1 verwendet. Das Verstellelement 4 wird dabei von der Axialverstelleinheit 6 und den Aktoren 60 axial verschoben und das Rohr 3 von der Zusatzaxialverstelleinheit 9 mit den ihr zugeordneten Aktoren 90. Um weiterhin eine Radialverdreheinheit 7 am anderen Ende der Nockenwelle 1 und somit die radiale Verdrehung der Nocken zueinander zu ermöglichen, ist die Zusatzaxialverstelleinheit 9 hier in diesem dargestellten Beispiel seitlich angebracht. Auch in diesem Beispiel möge - die hier nicht dargestellte - Kurbelwelle z.B. über eine - hier ebenfalls nicht dargestellte - Kette die Nockenwelle 1 antreiben. Die Nockenpakete 2, welche mit dem Verstellelement 4 verschoben werden, sind in dieser Ausgestaltung jeweils eine Einheit, welche entsprechend zwei unterschiedliche Nockenkonturen aufweist. Das Verstellen eines Nockens während der Betätigung des zugehörigen Ventils durch den Nocken wird ebenfalls durch die passend breite Nockenkontur ermöglicht.
In der Fig. 15 a) ist ein Abschnitt einer weiteren Variante der Nockenwelle 1 dargestellt. Hierbei ist es möglich, vier beispielsweise unterschiedlich große Gruppen an Nockenpaketen 2 zu bilden, welche jeweils gleichzeitig verstellt werden. In der Welle 3 befinden sich für diesen Zweck vier Verstellelemente 4, welche jeweils über Kontaktelemente 5 mit den einzelnen Nockenpaketen 2 verbunden sind. Die einzelnen Verstellelemente 4 sind dabei z.B. in Form von übereinander angeordneten Trägerstreifen ausgestaltet, wie z.B. in der Fig. 15b) gezeigt. Die Welle 3 weist dafür beispielsweise einen rechteckigen freien Bereich in ihrem Inneren auf, an dessen Längsseiten sich jeweils mindestens ein Schlitz oder allgemein eine Aussparung für die Kontaktelemente 5, welche auch hier beispielsweise als Stifte ausgestaltet sind, anschließt. Alternativ befinden sich in einer vollständig hohlen Welle 3 unterschiedliche Fixierelemente, welche die beschriebene Innenkontur aufweisen oder sonst für eine Führung sorgen. Für das Verschieben der Nockenpakete 2, die hier auf der Welle 3 axial verschiebbar angeordnet sind, weisen die Verstellelemente 4 Nuten 40 auf. Für den Ausschnitt der Fig. 15 a) sind in der Fig. 15 c) die einzelnen Verstellelemente 4 nebeneinander angeordnet. Für die dargestellten zwei Nockenpakete 2 sind zwei Kontaktelemente 5 - hier auf dem obersten und dem untersten Verschiebeelement 4 - vorgesehen, welche an unterschiedlichen axialen Positionen liegen. Da die Kontaktelemente 5 vollständig durch die Welle 3 und somit durch alle Verstellelemente 4 hindurchragen, weisen die beiden anderen Verstellelemente 4 auf der Höhe der Kontaktelemente 5 jeweils Nuten 40 auf, welche das axiale Verschieben der anderen Elemente erlauben. Somit können die einzelnen Verstellelemente 4 einzeln axial versetzt werden. Alternativ lassen sich über die Nuten der Verstellelemente 40, d.h. über deren Ausgestaltung und Anordnung, auch die axialen Bewegungen der einzelnen Verstellelemente 4 miteinander koppeln. Da es in dieser Variante möglich ist, einzelne Nockenpakete 2 gezielt zu verschieben, ist es z.B. auch nicht erforderlich, dass die einzelnen Nocken unterschiedliche Breiten aufweisen, da die Verschiebung vorzugsweise auf dem Grundkreis vorgenommen werden kann. Eine Kombination ist jedoch auch möglich, um ggf. besondere Anforderungen für das Verstellen der Nockenwelle 1 zu erfüllen. Mit der hier gezeigten Variante lassen sich vier Gruppen an Nockenpaketen bilden oder es lassen sich auch nur einzelne Nockenpakete gesondert ansteuern. Eine andere Anzahl von Gruppen ist auch möglich, wobei ggf. die Anzahl der einzelnen hier flach ausgestalteten Verstellelemente 4 zu verringern oder zu erhöhen ist. Die Variante der Verstellelemente 4 der Fig. 15 lässt sich passend auch mit den obigen Varianten kombinieren, wenn z.B. ein Ventil gesondert, die anderen jedoch gruppenweise verschoben werden sollen. Alternativ oder ergänzend zu den blech- oder streifenartigen Verstellelementen 4 können auch Rohre z.B. teleskopartig ineinander angeordnet sein. Die Realisierung von mehreren Gruppen von gleichzeitig betätigten Nockenpaketen erlaubt auch das Verstellelement 4 der Fig. 16. Innerhalb der Welle 3 ist hier ein Verstellelement 4 vorgesehen, welches aus - in diesem Beispiel - vier Segmenten besteht, welche einzeln axial verschiebbar sind.
Ein mögliches radiales Verdrehen der einzelnen Segmente und damit der jeweils damit verbundenen Nockenpakete zeigen die Abbildungen Fig. 17 a) und b). Dabei lassen sich - in der dargestellten Konfiguration - jeweils zwei einander gegenüberliegende Segmente radial zueinander verstellen, indem zwischen den benachbarten Segmenten ein Freiraum besteht, in welchen - in dieser Ausgestaltung - ein Fixierelement 10 eingebracht wird. Die Anzahl der Segmente lässt sich entsprechend den Bedürfnissen bzw. der Anzahl der Zylinder anpassen.

Claims

Verstellbare Nockenwelle (1),
mit mindestens einer Welle (3),
und
mit mindestens einem Nockenpaket (2), welches mindestens zwei unterschiedliche Nocken (21, 22) und/oder Nockenkonturen aufweist,
wobei die Nocken (21, 22) und/oder die Nockenkonturen des Nockenpakets (2) unterschiedliche Breiten aufweisen,
wobei das Nockenpaket (2) axial längs einer Längsachse der Nockenwelle (1) verschiebbar ausgestaltet ist,
wobei mindestens ein Verstellelement (4) vorgesehen ist, welches axial längs der Längsachse verschiebbar ausgestaltet ist,
und
wobei das Verstellelement (4) über mindestens ein Kontaktelement (5) mit dem Nockenpaket (2) mechanisch gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Welle (3) axial längs der Längsachse der Nockenwelle (1) verschiebbar ausgestaltet ist,
und
dass mindestens ein Nockenpaket (2') vorgesehen ist, welches fest mit der Welle (3) verbunden ist,
so dass über das Verstellelement (4) und die Welle (3) zumindest zwei unterschiedliche Nockenpakete (2, 2') unabhängig voneinander verstellbar sind.
Nockenwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Nockenpakete (2) vorgesehen und axial auf der Welle (3) verschiebbar angeordnet sind,
und
dass mindestens zwei der Nockenpakete (2) mechanisch mit dem Verstellelement (4) gekoppelt sind.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verstellelement (4) radial um die Längsachse der Nockenwelle (1) drehbar ausgestaltet ist.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Axialverstelleinheit (6) vorgesehen ist, welche mit dem Verstellelement (4) verbunden ist und welche das Verstellelement (4) zumindest abschnittsweise axial verschiebt.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Verstellelemente (4) vorgesehen sind, welche axial längs der Längsachse der Nockenwelle (1) verschiebbar ausgestaltet sind.
Nockenwelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verstellelement (4) als Vollzylinder oder als Rohr oder als Segment eines Zylinders oder als Segment eines Rohres oder als Blechteil ausgestaltet ist.