WO2011032632A1 - Nockenwelle mit variierbarer ventilöffnungsdauer - Google Patents

Nockenwelle mit variierbarer ventilöffnungsdauer Download PDF

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camshaft
max
cams
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Uwe Dietel
Uwe Grossgebauer
Jürgen MEUSEL
Bernd Mann
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Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag
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Definitions

  • the invention relates to a camshaft for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a camshaft with a hollow outer shaft and a concentric within the outer shaft rotatably arranged inner shaft is already known, wherein a first part cam of a cam member rotatably on the outer shaft and a second part cam of the cam member rotatably connected to the inner shaft and rotatable on the outer shaft is stored.
  • a camshaft is already known from EP 1 500 797 A1, in which adjacent part cams are likewise rotatable relative to one another via inner and outer shafts rotatably mounted relative to each other (for varying the valve opening duration).
  • the two mutually rotatable partial cams of a cam element are flattened plateau-shaped in their cam contour forming the cam contour, so that thereby a comparatively further spreading of the two partial cams against each other is possible.
  • the associated reduced valve lift to safely exclude a piston valve touch is to provide a generic camshaft for an internal combustion engine in which the largest possible displacement of the part cam is ensured while maintaining the largest possible cam lift.
  • the invention is intended to reduce or avoid as far as possible kinematic and dynamic discontinuities in the valve lift, valve speed and valve acceleration course.
  • the camshaft according to the invention is characterized in that the two mutually rotatable part cam of a cam member have a different maximum lifting height, wherein the cam tip portion (corresponding to the base circle of the (sub-) cam extending cam contour) of the partial cam with the lower maximum lifting height Having a circular arc section formed cam contour section maximum lifting height.
  • embodiments are also encompassed in which the circular arc section is slightly reduced or enlarged over the course of the cam contour section of maximum lift height (ie contour sections deviating from the circular shape with a constant diameter within a predetermined tolerance range - in particular deviating up to + / - 5% of the base circle diameter of the circular arc section).
  • the circular arc section is part of a circle arranged concentrically to the axis of rotation of the camshaft.
  • the cam tip section of the partial cam with a larger maximum lifting height in its effective flank area (corresponding to the flank area of maximum lifting height cooperating with a cam follower) is designed such that a transfer of the effective cam contour from one partial cam to the other partial cam takes place in the transfer point , a continuous transition (or a transition by which a steady kinematics is guaranteed) is formed.
  • the effective cam contour section opens into the transfer point essentially in a straight line, in particular in such a way that an extension of this straight section forms a tangent at the circular arc section of the part cam with the lower maximum lift height.
  • Kinematic discontinuities can be safely avoided in this way.
  • the cam element may comprise at least three individual partial cams, wherein two of the three partial cams have an identical cam contour.
  • the variation of the valve opening time by the displacement of a portion of at least one flank (opening and / or closing edge) of the cam contour of a cam element consisting of two or more partial cams can be realized by the design of a camshaft according to the invention, wherein the partial cams have different cam contours and only one of the partial cams forms the global maximum of the cam element.
  • 1a is a detail of the camshaft according to the invention with two gegenei one another rotatable part cam in a plan view,
  • 1 b, 1 c shows the detail of the illustrated camshaft according to FIG. 1 a in different perspective illustrations
  • FIGS. 2a, 2c show the detail of the illustrated camshaft according to FIG. 2a in different perspective views, analogous to FIGS. 1b and 1c,
  • Fig. 6 shows the part cam with the larger maximum lifting height in a side view
  • Fig. 7 shows the partial cam with the lower maximum lifting height in a side view.
  • the camshaft according to the invention for an internal combustion engine is partially shown in different representations.
  • the camshaft is shown in a plan view transversely to the axis of rotation X of the camshaft.
  • the camshaft according to the invention comprises a hollow outer shaft 2 and an inner shaft 4 (FIG. 1b, FIG. 1c) mounted concentrically within the outer shaft 2 so as to be rotatable about an angle of rotation ⁇ .
  • the camshaft carries one of two mutually rotatable part cam 61, 62 existing cam element 6.
  • the first part cam 61 is arranged rotationally and non-displaceably on the outer shaft 2, while the second part cam 62 rotatably connected to the inner shaft 4 and rotatable on the Outer shaft 2 is arranged.
  • the rotation and displacement-resistant arrangement of the first sub-cam 61 can be realized by conventional methods by means of a non-positive or non-positive connection.
  • the second part cam 62 is in the illustrated embodiment via a pin connection by means of a connecting pin 8, which is guided by a slot-shaped, transverse to the camshaft axis X recess in the hollow outer shaft 2 and non-rotatably or kraftformschlüssig rotatably connected to the inner shaft 4.
  • the first part cam 61 has, in its cam tip section 61a, a cam contour different from the cam contour of the cam tip section 62a of the second part cam 62, wherein the first part cam 61 has a larger maximum lifting height H max _ 6 than the second part cam 62 (see also FIG , Fig.7).
  • the second partial cam 62 has a cam tip section 62a which has a circular arc-shaped cam contour section K (also referred to as circular arc section K) with a substantially constant radius (Rü) to the camshaft rotational axis X over a predetermined angular range.
  • the cam contour section is embodied here as a circular arc section K of a circle concentric with the axis of rotation X of the camshaft.
  • the camshaft is in shown in perspective view, wherein the front part cam is designed as the partial cam 62 with lower maximum lifting height H max _ 62 and the underlying part cam 61 is formed by the larger maximum lifting height H max _ 6 i.
  • the camshaft according to the invention according to FIG. 1a and FIG. 1b is shown in a further perspective view in FIG. 1c.
  • the adjustable with respect to a cam spread camshaft with its hollow outer shaft 2 and the concentric within the outer shaft 2 rotatably arranged inner shaft 4 is in the illustrated embodiment due to the inventive design over a twist angle of 30 ° degrees and more adjustable (or spreadable), without kinematic discontinuities occur during operation.
  • the two partial cams 61, 62 arranged axially adjacent to the camshaft and form the required for actuating a valve with a corresponding cam follower (not shown) cooperating cam contour (resulting cam contour of the cam member 6).
  • the (resulting) cam contour has an edge for opening and a flank for closing the valve.
  • the two partial cams 61, 62 are to be kept as narrow as possible for reasons of space or weight, and this may entail problems with attachment to the camshaft, the two partial cams 61, 62 each have an annular-cylindrical collar B extended in the axial direction.
  • the position and width of the cam follower (cam follower, rocker arm, etc.), which is not shown cooperating with the cam element 6 or with the part cams 61, 62, must be selected such that it can scan the profile of the part cams 61, 62.
  • corresponding tilting moments act on the cam follower due to the asymmetrical configuration of the cam element 6.
  • the cam element 6 may also comprise a total of three or more individual partial cams. Such an embodiment with a total of three partial cams 61, 62, 62 'is shown in Figures 2a - 2c.
  • FIG. 3 the camshaft according to the invention is shown in a cross section along the section line AA of Fig. 1.
  • the two partial cams 61 and 62 are shown individually in a single view in FIGS. 6 and 7, respectively.
  • Each partial cam 61, 62 consists of a cam base circle section 61b, 62b, which is designed in the form of an annular circle in cross-section, and in each case has a cam tip section 61a or 62a which radially expands on this base circle section.
  • the first part cam 61 in the first half (up to its maximum stroke) of its cam tip section 61a (opening flank) has a substantially conventional cam profile (a non-expandable standard cam) while FIG the cam profile in the rear cam tip section is preferably embodied such that at least in regions there is a cam contour, in particular iW rectilinear (shallow sloping) whose imaginary rectilinear extension in the transfer point Ü, in which a change of the effective cam contour from one part cam 61 to the other part cam 62 takes place, a tangent to an imaginary circle with the radius Rü of the maximum lifting height H max 62 forming arc portion K of the second part cam 62 forms.
  • the two cam tip sections 61a, 62a of the two partial cams 61, 62 are designed such that they overlap (in the assembled state on the camshaft) in their cam tip sections 61a, 62a in a transfer area or overlap, such that the cooperating with the cam member 6 cam follower cooperates in this transition region with the cam contours of both partial cams 61, 62 before a transition to the second part cam 62 takes place.
  • this transition region for the first part cam 61 is designed analogously to the circular arc section K of the second part cam 62.
  • the two partial cams 61, 62 can be jointly processed (eg, ground) to produce the circular arc section K in the fully (maximally) spread state.
  • the cam contour section of the cam tip section 62a formed by the circular arc section K engages with the cam follower.
  • the partial cams 61 and 62 are designed in their cam contour in such a way that both in the unrotated operating position and in any possible rotated operating position (0 ° ⁇ ⁇ a max ) in the transfer point Ü a steady transition (or an overrun) Gang is formed without essential kinematic discontinuities of the first part cam 61 on the second part cam 62 in the cam contour of the cam member 6, as shown in Figure 4 can be seen.
  • FIG. 5 illustrates the mode of operation of the camshaft designed according to the invention on the basis of a diagram, the valve lift of a valve to be opened being plotted in a coordinate system above the phase position of the rotating camshaft.
  • the cam contour (cam tip section 61a, 62a) of the cam element 6 (partial cams 61 and 62) which is effective for the opening of the valve comprises an opening stroke range Hub_l, which is caused by an opening flank of the cam element 6, the point of the maximum opening stroke Hub_max, and one through the closing edge of the cam Cam element 6 caused ⁇ kannshub Symposium Hub_2, Hub_2 '.
  • the cam follower scans the part cams 61 and 62, which is described below with reference to Figures 3 and 4, for the rotation of the camshaft clockwise.
  • the angle of rotation a 0 °, so that the partial cam 61, 62 are not rotated against each other.
  • the cam follower not shown, is in engagement with both partial cams 61, 62 on the base circle G of the partial cams 61, 62.
  • the first half of the cam tip section 61a (opening flank) following the base circle G is shown only on the partial cam 61, and only the partial cam 61 is scanned by the cam follower. Even with the maximum lifting height stroke, ie the cam tip, as well as the subsequent cam tip section adjoining this, the cam follower is engaged only with the partial cam 61.
  • the cam follower passes from the part cam 61 on the part cam 62.
  • the cam follower is preferably in engagement with both partial cams 61, 62. After the cam follower has moved over to the partial cam 62, it only scans the partial cam 62 and the closing flank formed thereon. In the following base circle G, the cam follower is again in engagement with the partial cams 61 and 62.
  • the partial cams 61, 62, 62 'according to FIGS. 2a-2c may also be designed in the base circle G such that the cam follower only scans the partial cam 61 or the partial cams 62 and 62'.
  • FIG. 4 shows by way of example a camshaft according to the invention with a set twist angle 0 ⁇ _a ⁇ a max .
  • the cam follower is at the base circle G.
  • the first half of the cam tip section 61a (opening flank) following the base circle G is imaged solely on the partial cam 61 and only the partial cam 61 is scanned by the cam follower.
  • the cam follower is in engagement only with the partial cam 61.
  • the rear cam tip section has the transfer point Ü, in which the cam follower passes from the part cam 61 to the part cam 62.
  • the cam follower is preferably in engagement with both partial cams 61, 62.
  • the cam follower is again in engagement with the partial cam 62.
  • the partial cams 61 and 62 are maximally rotated relative to each other,
  • the cam follower here scans the maximum lifting height Hub_ max62 of the partial cam 62 which remains constant over the circular arc section K iW.
  • this area is highlighted in Figure 4 by hatching. Even with the following on the arc section K closing edge of the cam follower is only with the part cam 62 in engagement. In the following base circle G then both partial cam 61, 62 are scanned by the cam follower.
  • the base circle G is regularly imaged only over a small partial area by both partial cams 61, 62 (both partial cams in engagement with the cam follower).

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine, mit einer hohlen Außenwelle (2) und einer konzentrisch innerhalb der Außenwelle (2) um einen Winkel (α) verdrehbar angeordneten Innenwelle (4) und einem mehrteilig ausgebildeten Nockenelement (6) mit einem drehfest auf der Außenwelle (2) angeordneten ersten Teilnocken (61) und mit einem drehfest mit der Innenwelle (4) verbundenen und verdrehbar auf der Außenwelle (2) angeordneten zweiten Teilnocken (62). Die beiden Teilnocken (61, 62) weisen unterschiedliche Nockenkonturen auf, wobei durch Relativverdrehung der Teilnocken (61, 62) gegeneinander die mit einem Nockenfolger zusammenwirkende resultierende Nockenkontur des Nockenelements (6) zur Einstellung der variierbaren Ventilöffnungsdauer veränderbar ist. Gemäß der Erfindung weisen die beiden Teilnocken (61, 62) eine unterschiedliche maximale Hubhöhe (Hmax_61, Hmax_62) auf, wobei der Nockenspitzenabschnitt (62a) des Teilnockens (62) mit der geringeren maximalen Hubhöhe (Hmax_62) im Wesentlichen durch einen Kreisbogenabschnitt (K) gebildet ist.

Description

Nockenwelle mit variierbarer Ventilöffnungsdauer
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Um eine Brennkraftmaschine unter verschiedenen Betriebsbedingungen stets möglichst optimal betreiben zu können sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedenste Methoden bekannt. So ist die Variation der Ventilöffnungsdauer durch Veränderung der wirksamen Nockenkontur bereits mehrfach im Stand der Technik beschrieben. Aus der US 4,771,742 AI ist bereits eine Nockenwelle mit einer hohlen Außenwelle und einer konzentrisch innerhalb der Außenwelle verdrehbar angeordneten Innenwelle bekannt, wobei ein erster Teilnocken eines Nockenelementes drehfest auf der Außenwelle und ein zweiter Teilnocken des Nockenelementes drehfest mit der Innenwelle verbunden und drehbar auf der Außenwelle gelagert ist. Durch Verdrehung der beiden Nockenelemente zueinander, über eine Verdrehung von Innen- und Außenwelle zueinander, ist die Nockenkontur des Nockenelementes und damit die Ventilöff- nungszeit entsprechend veränderbar. Wenn man nunmehr die im Wesentlichen gleichförmig ausgebildeten Teilnocken gegeneinander verdreht, kann die Ventilöffnungszeit entsprechend verlängert werden. Nachteilig hierbei ist, dass der maximale Verdrehwinkel nur sehr gering ausfallen kann, da ansonsten die bei Rotation der Nockenwelle auftretende kinematische Un- stetigkeit zu groß wird.
Zur Vermeidung des vorstehend genannten Problems ist aus der EP 1 500 797 AI bereits eine Nockenwelle bekannt, bei der benachbarte Teilnocken ebenfalls über gegeneinander verdrehbar gelagerte Innen- und Außenwelle (zur Variation der Ventilöffnungsdauer) gegeneinander verdrehbar sind. Die beiden gegeneinander verdrehbaren Teilnocken eines Nocken- elementes sind dabei in ihrem die Nockenkontur bildenden Nockenspitzenabschnitt plateau- förmig abgeflacht, so dass hierdurch eine vergleichsweise weitere Spreizung der beiden Teilnocken gegeneinander möglich ist. Nachteilig bei der genannten Ausführungsform ist der hiermit einhergehende verringerte Ventilhub, um eine Kolben-Ventil Berührung sicher auszuschließen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine gattungsgemäße Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen bei der unter Aufrechterhaltung eines möglichst großen Nockenhubs ein möglichst großer Verstellwinkel der Teilnocken gewährleistet ist. Insbesondere sollen durch die Erfindung kinematische und dynamische Unstetigkeiten im Ventilhub-, Ventil- geschwindigkeits- und Ventilbeschleunigungsverlauf möglichst reduziert oder vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Nockenwelle zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden gegeneinander verdrehbaren Teilnocken eines Nockenelementes eine unterschiedliche maximale Hubhöhe aufweisen, wobei der Nockenspitzenabschnitt (entspricht der sich über den Grundkreis des (Teil-)Nockens hinaus erstreckenden Nockenkontur) des Teilnockens mit der geringeren maximalen Hubhöhe einen durch einen Kreisbogenabschnitt gebildeten Nockenkonturabschnitt maximaler Hubhöhe aufweist. Dabei sind im Sinne der Erfindung auch Ausführungsformen umfasst, bei denen der Kreisbogenabschnitt über den Verlauf des Nockenkonturabschnitts maximaler Hubhöhe über seinen Verlauf geringfügig reduziert oder vergrößert ist (also von der Kreisform mit gleichbleibendem Durchmesser innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches abweichende Konturabschnitte - insbesondere abweichend bis zu +/- 5% des Grundkreisdurchmessers des Kreisbogenabschnitts).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kreisbogenabschnitt Bestandteil eines zur Drehachse der Nockenwelle konzentrisch angeordneten Kreises. Mit Vorteil ist der Nockenspitzenabschnitt des Teilnockens mit größerer maximaler Hubhöhe in sei- nem wirksamen Flankenbereich (entspricht dem mit einem Nockenfolger zusammenwirkenden Flankenbereich maximaler Hubhöhe) derart ausgebildet, dass im Übergabepunkt, in welchem ein Wechsel der wirksamen Nockenkontur von einem Teilnocken auf den anderen Teilnocken erfolgt, ein stetig verlaufender Übergang (bzw. ein Übergang durch welchen eine stetige Kinematik gewährleistet ist) gebildet ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der wirksame Nockenkonturabschnitt im Wesentlichen geradlinig in den Übergabepunkt mündet, insbesondere derart, dass eine Verlängerung dieses geradlinigen Abschnittes eine Tangente am Kreisbogenabschnitt des Teilnockens mit der geringeren maximalen Hubhöhe bildet. Kinematische Unstetigkeiten können auf diese Weise sicher vermieden werden. Zur Vermeidung von Kippmomenten zwischen dem mehrteiligen Nockenelement und einem mit dem Nockenelement zusammenwirkenden Nockenfolger kann das Nockenelement zumindest drei einzelne Teilnocken umfassen, wobei zwei der drei Teilnocken eine identische Nockenkontur aufweisen.
Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Nockenwelle die Variation der Ventilöffnungszeit durch die Verschiebung eines Teilbereichs zumindest einer Flanke (Öff- nungs- und/oder Schließflanke) der Nockenkontur eines aus zwei oder mehr Teilnocken bestehenden Nockenelements realisiert werden, wobei die Teilnocken unterschiedliche Nocken- konturen aufweisen und nur einer der Teilnocken das globale Maximum des Nockenelements bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la einen Detailausschnitt der erfindungsgemäßen Nockenwelle mit zwei gegenei nander verdrehbaren Teilnocken in einer Draufsicht,
Fig. lb, lc die ausschnittsweise dargestellte Nockenwelle gemäß Fig. la in unterschiedli- chen perspektivischen Darstellungen,
Fig. 2a eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle in einem Detailausschnitt analog zu Fig. la, Fig. 2b, 2c die ausschnittsweise dargestellte Nockenwelle gemäß Fig. 2a in unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen, analog zu den Figuren lb und lc,
Fig. 3 die erfindungsgemäße Nockenwelle gemäß den Figuren la bis lc in einem
Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in Fig.la bei einem Verstellwinkel a=0°,
Fig. 4 die Nockenwelle im Querschnitt gesehen analog zu Fig. 3 mit um den Verstellwinkel a= amax gegeneinander verdrehten Teilnocken, Fig. 5 in einem Koordinatensystem den Ventilhubverlauf der erfindungsgemäßen Nockenwelle über deren Drehwinkel bzw. deren Phasenlage,
Fig. 6 den Teilnocken mit der größeren maximalen Hubhöhe in einer Seitenansicht dargestellt, und
Fig. 7 den Teilnocken mit der geringeren maximalen Hubhöhe in einer Seitenansicht dargestellt. In den Figuren la bis lc ist die erfindungsgemäße Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine ausschnittsweise in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Gemäß Fig. la ist die Nockenwelle in einer Draufsicht quer zur Drehachse X der Nockenwelle dargestellt. Die erfindungsgemäße Nockenwelle umfasst eine hohle Außenwelle 2 sowie eine konzentrisch innerhalb der Außenwelle 2 um einen Verdrehwinkel α verdrehbar gelagert angeordnete Innenwelle 4 (Fig. lb, Fig.lc). Im dargestellten Ausführungsbeispiel trägt die Nockenwelle ein aus zwei gegeneinander verdrehbaren Teilnocken 61, 62 bestehendes Nockenelement 6. Dabei ist der erste Teilnocken 61 verdreh- und verschiebefest auf der Außenwelle 2 angeordnet, während der zweite Teilnocken 62 drehfest mit der Innenwelle 4 verbunden und verdrehbar auf der Außenwelle 2 angeordnet ist. Dabei kann die dreh- und verschiebefeste Anordnung des ers- ten Teilnockens 61 über herkömmliche Verfahren mittels einer kraftschlüssigen oder einer kraftformschlüssigen Verbindung realisiert sein. Der zweite Teilnocken 62 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Stiftverbindung mittels eines Verbindungsstiftes 8, welcher durch eine schlitzförmige, quer zur Nockenwellendrehachse X verlaufende Ausnehmung in der hohlen Außenwelle 2 geführt und kraftschlüssig oder kraftformschlüssig mit der Innenwelle 4 drehfest verbunden ist.
Der erste Teilnocken 61 weist in seinem Nockenspitzenabschnitt 61a eine zu der Nockenkontur des Nockenspitzenabschnittes 62a des zweiten Teilnockens 62 verschiedene Nockenkontur auf, wobei der erste Teilnocken 61 eine größere maximale Hubhöhe Hmax_6i aufweist als der zweite Teilnocken 62 (siehe auch Fig. 6, Fig.7). Der zweite Teilnocken 62 weist einen Nockenspitzenabschnitt 62a auf, der über einen vorbestimmten Winkelbereich einen kreisbogenförmigen Nockenkonturabschnitt K (auch als Kreisbogenabschnitt K bezeichnet) mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Radius (Rü) zur Nockenwellendrehachse X aufweist. Mit Vorteil ist der Nockenkonturabschnitt dabei als Kreisbogenabschnitt K eines zur Drehachse X der Nockenwelle konzentrisch angeordneten Kreises ausgeführt. In Fig. lb ist die Nockenwelle in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei der vordere Teilnocken als der Teilnocken 62 mit geringerer maximaler Hubhöhe Hmax_62 ausgeführt ist und der dahinterliegende Teilnocken 61 durch den mit der größeren maximalen Hubhöhe Hmax_6i gebildet ist. Schließlich ist in der Fig. lc die erfindungsgemäße Nockenwelle gemäß Fig. la und Fig. lb in einer weiteren perspekti- vischen Darstellung gezeigt.
Die im Hinblick auf eine Nockenspreizung verstellbare Nockenwelle mit ihrer hohlen Außenwelle 2 und der konzentrisch innerhalb der Außenwelle 2 verdrehbar angeordneten Innenwelle 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung über einen Verdrehwinkel von 30° Winkelgraden und mehr verstellbar (bzw. spreizbar), ohne dass während des Betriebs kinematische Unstetigkeiten auftreten. Dabei sind die beiden Teilnocken 61, 62 axial zur Nockenwelle unmittelbar nebeneinander angeordnet und bilden die zur Betätigung eines Ventils benötigte mit einem entsprechenden Nockenfolger (nicht dargestellt) zusammenwirkende Nockenkontur (resultierende Nockenkontur des Nockenelements 6). Dabei weist die (resultierende) Nockenkontur eine Flanke für das Öffnen und eine Flanke für das Schließen des Ventils auf. Die diesbezügliche Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Nockenwelle wird später anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert.
Da die beiden Teilnocken 61, 62 aus Platz- oder Gewichtsgründen möglichst schmal zu halten und auszuführen sind, und dies Probleme bei der Befestigung auf der Nockenwelle mit sich bringen kann, sind die beiden Teilnocken 61, 62 jeweils über einen im Querschnitt gesehen ringzylindrisch ausgebildeten Bund B in axialer Richtung erweitert. Die Lage und Breite des nicht dargestellten mit dem Nockenelement 6 bzw. mit den Teilnocken 61, 62 zusammenwirkenden Nockenfolgers (Schlepphebel, Kipphebel o.d.) muss so gewählt sein, dass dieser das Profil der Teilnocken 61, 62 abtasten kann. Für den in den Fig. la - lc dargestellten Fall wirken auf den Nockenfolger aufgrund der unsymmetrischen Ausgestaltung des Nockenelementes 6 entsprechende Kippmomente. Um das Kippen des Nockenfolgers zu vermeiden kann das Nockenelement 6 auch insgesamt drei oder mehr einzelne Teilnocken umfassen. Eine derartige Ausführung mit insgesamt drei Teilnocken 61, 62, 62' ist in den Figuren 2a - 2c dargestellt.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Nockenwelle in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1 dargestellt. Die Darstellung zeigt die Nockenwelle in einer nicht gegeneinander verdrehten Betriebsposition (Posa0) von Außenwelle 2 und Innenwelle 4 (a = 0°). Die beiden Teilnocken 61 und 62 sind in einer Einzelansicht in den Fig. 6 bzw. 7 einzeln dargestellt. Dabei besteht jeder Teilnocken 61, 62 aus einem im Querschnitt gesehen ringkreisförmig ausgebildeten Nockengrundkreisabschnitt 61b, 62b und jeweils einem darauf angeordneten diesen Grundkreisabschnitt radial erweiternden Nockenspitzenabschnitt 61a bzw. 62a. Dabei bilden die Nockenspitzenabschnitte 61a bzw. 62a die im Hinblick auf eine Ventilöffnung wirksame Nockenkontur der Teilnocken 61 bzw. 62. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Teilnocken 61 als der Teilnocken mit der größeren maximalen Hubhöhe Hmax 61 und der zweite Teilnocken 62 als der mit der geringeren maximalen Hubhöhe Hmax 62 aufweisende Teilnocken ausgeführt. Eine Nockenwellendrehrichtung im Uhrzeigersinn vorausgesetzt (Fig.3), weist der erste Teilnocken 61 in der ersten Hälfte (bis zu seinem max. Hub) seines Nockenspitzenab- Schnittes 61a (Öffnungsflanke) ein im Wesentlichen herkömmliches Nockenprofil (eines nicht spreizbaren Standardnocken) auf, während das Nockenprofil im hinteren Nockenspitzenabschnitt bevorzugt derart ausgeführt ist, dass zumindest Bereichsweise eine insbesondere i.W. geradlinig (flacher abfallend) verlaufende Nockenkontur vorhanden ist, deren gedachte geradlinige Verlängerung im Übergabepunkt Ü, in dem ein Wechsel der wirksamen Nockenkontur von einem Teilnocken 61 auf den anderen Teilnocken 62 erfolgt, eine Tangente an einen gedachten Kreis mit dem Radius Rü des die maximale Hubhöhe Hmax 62 bildenden Kreisbogenabschnittes K des zweiten Teilnockens 62 bildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Nockenspitzenabschnitte 61a, 62a der beiden Teilnocken 61, 62 derart ausgebildet, dass sie sich (im montierten Zustand auf der Nockenwelle) in ihren Nockenspitzenabschnitten 61a, 62a in einem Übergabe- bzw. Übergangsbereich überschneiden bzw. überlagern, derart, das der mit dem Nockenelement 6 zusammenwirkende Nocken- folger in diesem Übergangsbereich mit den Nockenkonturen beider Teilnocken 61, 62 zusammenwirkt bevor ein Übergang auf den zweiten Teilnocken 62 stattfindet. Hierfür ist dieser Übergangsbereich für den ersten Teilnocken 61 analog zum Kreisbogenabschnitt K des zwei- ten Teilnocken 62 ausgeführt. Herstellungstechnisch können die beiden Teilnocken 61, 62 zur Erzeugung des Kreisbogenabschnittes K im vollständig (maximal) gespreizten Zustand gemeinsam bearbeitet (z.B. geschliffen) werden. In der gemäß Fig. 3 dargestellten unverdrehten Betriebsposition (Posao) sind die beiden Teilnocken 61, 62 derart zueinander angeordnet, dass der zweite Teilnocken 62 mit der geringeren maximalen Hubhöhe Hmax 62 im Bereich sei- ner wirksamen Nockenkontur zumindest bereichsweise hinter den Teilnocken 61 mit der größeren maximalen Hubhöhe Hm3x_6i zurücktritt und somit (während des Betriebs der Nockenwelle bei α = 0°) mit einem der (resultierenden) Nockenkontur folgenden Nockenfolger in diesem Nockenkonturbereich nicht im Eingriff steht. Bei einer Rotation der Nockenwelle bei nicht gegeneinander verdrehten Teilnocken 61, 62 (a =0) würde der zweite Teilnocken 62 mit der ge- ringeren maximalen Hubhöhe Hmax 62 erst mit Ende des Kreisbogenabschnittes K mit seinen Nockenspitzenabschnitt 62a mit dem Nockenfolger in Eingriff kommen (siehe auch nachfolgende Beschreibung einer möglichen Abtastreihenfolge). Sobald eine Relatiwerdrehung zwischen Innenwelle 4 und Außenwelle 2 und damit eine Verdrehung der Teilnocken 61 und 62 gegeneinander erfolgt (a > 0) kommt der durch den Kreisbogenabschnitt K gebildete Nockenkonturabschnitt des Nockenspitzenabschnitts 62a mit dem Nockenfolger in Eingriff. Erfindungswesentlich ist, dass die Teilnocken 61 und 62 in ihrer Nockenkontur derart ausgeführt sind, dass sowohl in der unverdrehten Betriebsposition als auch in jeder möglichen verdrehten Betriebsposition (0°< α < amax) im Übergabepunkt Ü ein stetiger Übergang (bzw. ein Über- gang ohne wesentliche kinematische Unstetigkeiten von dem ersten Teilnocken 61 auf den zweiten Teilnocken 62 in der Nockenkontur des Nockenelementes 6 gebildet ist, wie in Figur 4 erkennbar.
In Fig. 5 ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Nockenwelle anhand ei- nes Diagramms veranschaulicht, wobei in einem Koordinatensystem der Ventilhub eines zu öffnenden Ventils über der Phasenlage der rotierenden Nockenwelle aufgetragen ist. Die für die Öffnung des Ventils wirksame Nockenkontur (Nockenspitzenabschnitt 61a, 62a) des Nockenelementes 6 (Teilnocken 61 und 62) umfasst einen durch eine Öffnungsflanke des Nockenelementes 6 bewirkten Öffnungshubbereich Hub_l, den Punkt des maximalen Öffnungs- hubs Hub_max, sowie einen durch die Schließflanke des Nockenelements 6 bewirkten Öffnungshubbereich Hub_2, Hub_2'. Dabei ist der öffnende Öffnungshubbereich Hub_l durch die im Wesentlichen herkömmlich ausgebildete Öffnungsflanke des Nockenabschnittes 61a des ersten Teilnockens 61 mit größerer maximaler Hubhöhe Hmax 6i gebildet (einschließlich dem Punkt der maximalen Hubhöhe Hub_max = H_max6i) während der schließende Öffnungs- hubbereich Hub_2 (i.A.v. dem eingestellten Verdrehwinkel a) durch die erfindungsgemäß ausgebildete Konturgeometrie von erstem und zweitem Teilnocken 61, 62 realisiert ist. Der schließende Öffnungshubabschnitt Hub_2 setzt sich aus einem nicht veränderbaren Hubabschnittsteil Hub_2.1 (Schließflanke des Nockenabschnittes 61a des ersten Teilnockens 61) und einem veränderbaren Öffnungshubabschnitt Hub_2.2, Hub_2.2' zusammen, wobei der im Schnittpunkt a die Abszisse schneidende Linienabschnitt (Hub_2.2) den Öffnungshub bei einem Verdrehwinkel a=0° und der im Schnittpunkt b die Abszisse schneidende Linienabschnitt (Hub_2.2') den Ventilhub bei einem maximalen Verdrehwinkel a=amax zeigt. Am Übergabepunkt Ü erfolgt der Übergang des Nockenfolgers von der Teilnocke 61 mit größerer maximaler Hubhöhe Hmax 61 auf die Teilnocke 62 mit der geringeren maximalen Hubhöhe Hmax_62. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Teilbereich des schließenden Öffnungshubbereichs zum Zwecke der Verlängerung der Ventilöffnungsdauer parallel verschoben werden. Hierdurch wird im schließenden Öffnungshubbereich Hub_2 ein ebener Plateaubereich P (gestrichelt dargestellt) im Hubverlauf des Ventilöffnungshubs realisiert. Die unterschiedlichen Schnittpunkte a bzw. b des dargestellten Ventilhubs mit der Abszisse zeigen, dass die Verstellung der Teilnocken 61 und 62 zueinander eine Verschiebung der Schließflanke gegenüber der äußeren Welle bedeutet. Ergänzend zu den Figuren 3 und 4 bzw. 6 und 7 wird nachfolgend die Abtastreihenfolge der Teilnocken im Hinblick auf die jeweils wirksame Nockenkontur für das beschriebene Ausführungsbeispiel beschrieben:
Um die wirksame Nockenkontur zu erhalten, tastet der Nockenfolger die Teilnocken 61 und 62 ab, was nachfolgend anhand der Figuren 3 und 4, für die Rotation der Nockenwelle im Uhrzeigersinn, beschrieben ist.
Bei der in Figur 3 dargestellten erfindungsgemäßen Nockenwelle beträgt der Verdrehwinkel a=0°, so dass die Teilnocken 61, 62 nicht gegeneinander verdreht sind. Am Grundkreis G der Teilnocken 61, 62 befindet sich der nicht dargestellte Nockenfolger im Eingriff mit beiden Teilnocken 61, 62. Die auf den Grundkreis G folgende erste Hälfte des Nockenspitzenabschnittes 61a (Öffnungsflanke) ist einzig auf der Teilnocke 61 abgebildet, und nur die Teilnocke 61 wird vom Nockenfolger abgetastet. Auch bei der maximalen Hubhöhe Hub,^«, also der Nocken- spitze, sowie dem sich an diesen anschließenden hinteren Nockenspitzenabschnitt, befindet sich der Nockenfolger nur mit der Teilnocke 61 im Eingriff. Auf dem hinteren Nockenspitzenabschnitt ist der Übergabepunkt Ü ausgebildet, bei dem der Nockenfolger von der Teilnocke 61 auf die Teilnocke 62 übergeht. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Nockenfolger bevorzugt im Eingriff mit beiden Teilnocken 61, 62. Nachdem der Nockenfolger auf die Teilnocke 62 übergegangen ist, tastet er nur die Teilnocke 62 und die auf dieser ausgebildete Schließflanke ab. Beim darauf folgenden Grundkreis G befindet sich der Nockenfolger wieder im Eingriff mit den Teilnocken 61und 62.
Die Teilnocken 61, 62, 62' gemäß den Figuren 2a-2c können im Grundkreis G auch derart ausgebildet sein, dass der Nockenfolger nur die Teilnocke 61 oder die Teilnocken 62 und 62' abtastet.
In Figur 4 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Nockenwelle mit einem eingestellten Verdrehwinkel 0 <_a < amax gezeigt. Auch hier befindet sich der Nockenfolger am Grundkreis G der Teilnocken im Eingriff mit beiden Teilnocken 61, 62. Ebenso ist die auf den Grundkreis G folgende erste Hälfte des Nockenspitzenabschnittes 61a (Öffnungsflanke) einzig auf der Teilnocke 61 abgebildet und nur die Teilnocke 61 wird vom Nockenfolger abgetastet wird. Auch bei der maximalen Hubhöhe Hub.™^, also der Nockenspitze, sowie dem sich an diesen an- schließenden hinteren Nockenspitzenabschnitt, befindet sich der Nockenfolger nur mit der Teilnocke 61 im Eingriff. Der hintere Nockenspitzenabschnitt weist den Übergabepunkt Ü auf, bei dem der Nockenfolger von der Teilnocke 61 auf die Teilnocke 62 übergeht. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Nockenfolger bevorzugt im Eingriff mit beiden Teilnocken 61, 62. Nach dem verlassen des Übergabepunktes, befindet sich der Nockenfolger wieder nur im Ein- griff mit der Teilnocke 62. Da hier die Teilnocken 61 und 62 maximal zueinander verdreht sind, tastet der Nockenfolger hier die über den Kreisbogenabschnitt K i.W. gleich bleibende maximale Hubhöhe Hub_max62 der Teilnocke 62 ab. Zum besseren Verständnis ist dieser Bereich in Figur 4 durch eine Schraffur hervorgehoben. Auch bei der auf den Kreisbogenabschnitt K folgenden Schließflanke ist der Nockenfolger nur mit der Teilnocke 62 im Eingriff. Im darauf folgenden Grundkreis G werden dann wieder beide Teilnocken 61, 62 vom Nockenfolger abgetastet.
Um evt. auftretenden Schwankungen der Versteileinrichtung bzw. Toleranzanforderungen/Toleranzen der Teilnocken 61, 62 zu begegnen, wird der Grundkreis G regelmäßig nur über einen kleinen Teilbereich durch beide Teilnocken 61, 62 abgebildet (beide Teilnocken im Eingriff mit dem Nockenfolger).

Claims

Patentansprüche:
1. Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine, mit
- einer hohlen Außenwelle (2) und einer konzentrisch innerhalb der Außenwelle (2) um einen Winkel (a) verdrehbar angeordneten Innenwelle (4),
- einem mehrteilig ausgebildeten Nockenelement (6) mit einem drehfest auf der Außenwelle (2) angeordneten ersten Teilnocken (61) und mit einem drehfest mit der Innenwelle (4) verbundenen und verdrehbar auf der Außenwelle (2) angeordneten zweiten Teilnocken (62), wobei die beiden Teilnocken (61, 62) durch unterschiedlich ausgebildete Nockenspitzenabschnitte (61a, 62a) eine unterschiedliche Nockenkontur aufweisen und durch Relatiwerdrehung der Teilnocken (61, 62) gegeneinander die mit einem Nockenfolger zusammenwirkende Nockenkontur des Nockenelements (6) zur Einstellung der variierbaren Ventilöffnungsdauer veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die beiden Teilnocken (61, 62) eine unterschiedliche maximale Hubhöhe (Hmax_61, Hmax_62) aufweisen,
- und der Nockenspitzenabschnitt (62a) des Teilnockens (62) mit der geringeren maximalen Hubhöhe (Hmax 62) einen durch einen Kreisbogenabschnitt (K) gebildeten Nockenkonturabschnitt maximaler Hubhöhe (Hmax 62) aufweist.
2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kreisbogenabschnitt (K) Bestandteil eines zur Drehachse der Nockenwelle konzentrisch angeordneten Kreises ist.
3. Nockenwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Nockenspitzenabschnitt (61a) des Teilnockens (61) mit der größeren maximalen Hubhöhe (Hmax 6i), zumindest auf der Flankenseite über die die Ventilöffnungsdauer variiert werden soll, in seinem Flankenbereich derart ausgebildet ist, dass im Übergabepunkt (Ü), in dem ein Wechsel der wirksamen Nockenkontur von einem Teilnocken (61, 62) auf den anderen Teilnocken (62, 61) erfolgt, ein stetig verlau- fender Übergang gebildet ist.
Nockenwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Nockenspitzenabschnitte (61a, 62a) der Teilnocken (61, 62) derart ausgebildet sind, dass sie sich bei jedem eingestellten Verdrehwinkel (a) in ihren Nockenspitzenabschnitten (61a, 62a) in einem Übergabebereich überschneiden bzw. überlagern, derart, das ein mit dem Nockenelement (6) zusammenwirkender Nockenfol- ger in diesem Übergangsbereich mit den Nockenkonturen beider Teilnocken (61, 62) zusammenwirkt bevor ein Übergang auf den zweiten Teilnocken 62 stattfindet.
Nockenwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Nockenelement (6) insgesamt zumindest drei Teilnocken (61, 62, 62') aufweist, wobei zwei der Teilnocken (62, 62') eine gleiche Nockenkontur aufweisen.
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