WO2015176874A1 - Nockenwelle - Google Patents

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WO2015176874A1
WO2015176874A1 PCT/EP2015/058068 EP2015058068W WO2015176874A1 WO 2015176874 A1 WO2015176874 A1 WO 2015176874A1 EP 2015058068 W EP2015058068 W EP 2015058068W WO 2015176874 A1 WO2015176874 A1 WO 2015176874A1
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WO
WIPO (PCT)
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support shaft
cam segment
camshaft
cam
latching
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/058068
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kunz
Martin Lehmann
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag filed Critical Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag
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Priority to EP15716776.8A priority patent/EP3146166B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H53/00—Cams ; Non-rotary cams; or cam-followers, e.g. rollers for gearing mechanisms
    • F16H53/02—Single-track cams for single-revolution cycles; Camshafts with such cams
    • F16H53/04—Adjustable cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0471—Assembled camshafts
    • F01L2001/0473—Composite camshafts, e.g. with cams or cam sleeve being able to move relative to the inner camshaft or a cam adjusting rod
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0476—Camshaft bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
    • F01L2013/0052—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams provided on an axially slidable sleeve

Definitions

  • the invention relates to a camshaft for controlling cylinder valves of an internal combustion engine.
  • DE 10 2004 01 1 586 A1 shows a sliding cam system with axially displaceable cam carriers, so that it is possible to change to a differently shaped cam contour by displacing the cam carrier.
  • the duration and the stroke of the valve control can be changed.
  • EP 1 696 107 A1 it is known from EP 1 696 107 A1 to make a cam rotatable by the cam is rotatably mounted on a support shaft and connected via a pin to an inner shaft which can be rotated relative to the support shaft.
  • Object of the present invention is to provide a novel camshaft, with both the switching time of the cylinder valves can be varied relative to each other and the duration and the stroke of the valve control to achieve an even better adaptation to the current operating condition of the engine and so Increase the efficiency of the internal combustion engine.
  • a camshaft having a hollow shaft formed as a support shaft, in the interior of which an inner shaft is arranged concentrically to the support shaft.
  • the inner shaft is rotatable relative to the support shaft.
  • a first cam segment is arranged with a first recess for receiving the support shaft on the support shaft, which is rotatable relative to the support shaft and rotatably by means of a connecting means and axially fixed to the inner shaft.
  • a second cam segment with a second recess for receiving the support shaft.
  • the second cam segment on at least two cam contours and is mounted on the support shaft, that the second cam segment on the one hand rotatably connected to the support shaft and on the other hand is arranged axially displaceable on the support shaft.
  • a rotationally fixed connection between a cam segment and a shaft is understood in the context of this application that the cam segment can not be rotated relative to the shaft.
  • an axially fixed connection between a cam segment and a shaft is understood to mean that the cam segment can not be displaced axially with respect to the shaft.
  • This combination allows a particularly flexible control of the cylinder valves.
  • On the one hand can be varied by the rotation of the inner shaft to the support shaft, the angular position between the cam contours of the first and the second cam segment, so that the period between the corresponding control of the valves can be variably adjusted.
  • the second cam segment in the axial direction between different cam contours.
  • the second cam segment Since the second cam segment has at least two axially spaced cam contours, it can be selected by the axial displacement which of the cam contours is active.
  • a cam contour is said to be active when in the correct axial position to drive a cylinder valve during operation of the camshaft.
  • the second cam contour moves, for example, to the axial position of the first cam contour, so that now the second cam contour is active while previously the first cam contour was active. Because the cam contours of the second cam segment typically differ from each other, there is an enormous variability in the cylinder control.
  • the connecting means is connected to the inner shaft and extends through a first opening in the support shaft and engages in an opening of the first cam segment.
  • the connecting means connects the first cam segment with the inner shaft. So that the connecting means does not hinder the rotation of the inner shaft to the support shaft, the first opening in the circumferential direction is greater than the diameter of the connecting means.
  • the first opening is thus designed in the form of a long hole.
  • the slot extends the further along the circumference the larger the desired VerFwinkel Bachelor between the inner shaft and the support shaft.
  • the connecting means may in particular be a pin which is pressed into the inner shaft.
  • the connecting means may also be a screw which is screwed into the inner shaft.
  • second cam segments with two cam contours are described in this application. However, the second cam segment may also have three or more cam contours. A zero stroke, in which no control of the corresponding cylinder valve takes place, is also referred to as a cam contour.
  • the first and second cam segments may be in one piece or assembled from multiple components. In this case, components made of different materials can also be used. Such composite cam segments are known for example from DE10201 1051480A1. Typically, the distance between the first and second cam segments is such that both cam segments act on valves of the same cylinder.
  • axial direction is understood to mean a direction which runs parallel to the axis of rotation of the camshaft.
  • the circumferential direction is perpendicular to the axis of rotation along a circumference of the camshaft. It is advantageous if the camshaft comprises a latching means which locks the second cam segment at one of the plurality of axial positions. This ensures a stable working state in which no unwanted displacements of the second cam segment occur.
  • the locking means is at least partially disposed within the inner shaft.
  • sufficient space for the locking means is provided.
  • displaceable cam segments have been used with latching means only in support shafts, which are solid, as for example in DE 10 2004 01 586 A1.
  • support shafts which are solid, as for example in DE 10 2004 01 586 A1.
  • sufficient space is required to make the locking means so large that it provides a strong enough locking force.
  • not too much material of the support shaft must be removed, so that the load capacity of the support shaft is maintained or not weakened too much. Due to this problem, it has not yet been possible to use displaceable cam segments in camshafts with a hollow shaft as the support shaft.
  • the locking means is at least partially disposed within the inner shaft.
  • the locking means locks the second cam segment with respect to the inner shaft. This has the advantage that the relative position of the first cam segment and the second cam segment is determined more easily. Since the first cam segment is both rotationally fixed and axially fixedly connected to the inner shaft, a locking of the second cam segment relative to the inner shaft causes the distance between the first cam segment and the second cam segment is set via the inner shaft. In this way, the axial distance between the two cam segments can be set precisely.
  • the locking means is to provide a bore in the inner shaft with a spring-loaded and movable in the radial direction latching body.
  • the latching body extends through a latching opening in the support shaft and engages in a latching groove in the inside of the second recess of the second cam segment. Since the inner shaft is rotatable within the support shaft, it is necessary that the detent opening in the support shaft and the detent groove each have an extent in the circumferential direction, which is greater than the extension of the detent body in the circumferential direction. In this way, a rotation of the inner shaft relative to the support shaft is not hindered by the locking body.
  • the various locking grooves are preferably carried out completely circumferentially to allow easier production.
  • the second recess of the second cam segment and the outside of the support shaft on opposite indentations, so that there are cavities in which bearing body are arranged.
  • the rotational strength of the second cam segment is ensured to the support shaft.
  • the support shaft can be easily pushed into closed bearing mounts.
  • the indentations on the inside of the second recess or the indentations on the outside of the support shaft in the axial direction to a greater extent than the bearing body. In these indentations slide the bearing body when moving the second cam segment from.
  • the torsional strength is supported by the fact that the indentations on the inside of the second recess and the indentations on the outside of the support shaft in the circumferential direction have an extent which substantially corresponds to the expansion of the bearing body in this direction, to a rotation of the second cam segment relative to the support shaft to prevent.
  • the inner shaft is arranged within the support shaft.
  • the locking means is at least partially disposed within the inner shaft.
  • the locking body are inserted into the recesses on the outside of the support shaft.
  • the indentations on the inside of the second recess of the second cam segment extend over the complete axial extension of the second cam segment.
  • the second cam segment can be easily pushed onto the support shaft, so that the inserted bearing body are in engagement with the indentations on the inside of the second recess.
  • the spring then brings the locking body with the corresponding locking groove into engagement and thus fixes the axial position.
  • the assembly of the camshaft can be done separately on the one hand, so that the finished camshaft can be used in open bearing mounts of an internal combustion engine.
  • the camshaft can also be mounted within closed bearing receptacles with a recess for receiving the support shaft.
  • the first cam segment, the second cam segment and the closed bearing receptacles are lined up in the desired order, so that the recesses for receiving the support shaft extend along an axis.
  • support shaft and inner shaft are pushed together along this axis through the lined-up recesses, so that the camshaft is formed in the closed bearing mounts.
  • the insertion of latching means and bearing bodies can be done in this case before or after the insertion of the support shaft and inner shaft in the strung components.
  • the first and second cam segments are displaced again even after insertion of the support shaft and inner shaft relative to the support shaft until both have reached their final axial position.
  • the bearing of the camshaft in the internal combustion engine can take place on the support shaft or on one of the cam segments.
  • first cam segment or the second cam segment comprises an area which is formed as a bearing for supporting the camshaft in a bearing receptacle of an internal combustion engine is particularly advantageous.
  • this area may be a collar of the first or the second cam segment, which is designed as a bearing point.
  • an adjustment of the second cam segment is formed with a groove-shaped link path described below as a bearing.
  • the bearing bodies may be, for example, bearing needles or balls.
  • intermeshing toothings are arranged on the inside of the second recess and on the outside of the support shaft.
  • the tooth grooves of the toothing extend in the axial direction, so that an axial displacement of the second cam segment on the support shaft allows and a rotation of the second cam member is prevented relative to the support shaft.
  • a toothing can be relatively easily finished and requires no additional insertion of bearing bodies.
  • the teeth may be executed on the outside of the support shaft in the form of a pressed-toothed ring.
  • a variant embodiment of the camshaft according to the invention is such that the second cam segment has at least one first slide track for moving the second cam segment in a first axial direction and a second slide track for moving the second cam segment in a second axial direction.
  • the second axial direction is opposite to the first axial direction.
  • Slide tracks are easy to make means to effect the displacement of elements on rotating shafts.
  • a fixed means such as a driving pin
  • the slide track runs at least partially obliquely to the circumferential direction (ie neither along the circumferential direction nor along the axial direction).
  • the slide track slides along the pin. Since the pin is stationary, the rotation exerts a force on the slide track which has force components in the axial direction and in the circumferential direction.
  • a movement of the slide in Circumferential direction ie, a rotation of the slide track
  • a force component remains in the axial direction, which leads to a displacement of the slide track and thus to a displacement of the element.
  • Sliding tracks can be designed in two different ways. On the one hand, it is possible to form the slide track groove-shaped. In the groove-shaped slide track can then be introduced to move the element, a fixed pin. The slide track runs at least partially obliquely to the circumferential direction (i.e., neither along the circumferential direction nor in the axial direction). It is possible, for example, a helical course with a constant pitch of the screw path or a helical course with varying pitch. Further complex processes are also possible.
  • the slide track can also be formed in the form of an at least partially obliquely extending end face of the second cam segment. As a result, the space for a groove on the second cam segment is saved.
  • both the first slide track and the second slide track groove-shaped, or the first slide track and the second slide track in the form of an at least partially oblique, the other cam segment facing away from end face of a cam segment.
  • a slide track is formed as an obliquely extending groove and the other slide track as a partially oblique face.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of the camshaft according to the invention
  • Figure 2 is a cross section of the first embodiment
  • FIG. 3 shows a further cross section of the first embodiment
  • Figure 4 is a three-dimensional view of the first embodiment
  • Figure 5 is a three-dimensional view of a second embodiment
  • Figure 6 is a longitudinal section of a third embodiment
  • Figure 7 is an exemplary illustration of Ventilhubkurven
  • FIG. 8 shows a section through a schematic embodiment for explaining individual constructive aspects
  • FIG. 9 shows a longitudinal section of a fourth embodiment of the camshaft according to the invention.
  • Figure 10 is a longitudinal section of a fifth embodiment of the camshaft according to the invention.
  • Figure 1 1 is a longitudinal section of a sixth embodiment of the camshaft according to the invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the camshaft 1.
  • the camshaft 1 comprises a support shaft 3, which is designed as a hollow shaft, and an inner shaft 5 which is arranged concentrically to the support shaft 3.
  • the inner shaft 5 is rotatable relative to the support shaft 3.
  • a first cam segment 7 is arranged with a first recess 9 for receiving the support shaft 3.
  • the connecting means 17 extends through a first opening 1 1 in the support shaft 3 and engages in an opening 23 of the first cam segment 7, thus connecting the first cam segment 7 with the inner shaft 5.
  • the first cam segment 7 is rotatable.
  • the connecting means 17 does not hinder the rotation of the inner shaft 5 to the support shaft 3.
  • the first opening 1 1 in the circumferential direction is greater than the diameter of the connecting means 17.
  • the first opening 1 1 is designed in the form of a slot. The slot extends the further along the circumference the greater the desired Vernier Anlagen between the inner shaft 5 and support shaft 3 is.
  • the inner shaft 5 has a bore 21 for receiving the connecting means 17.
  • the connecting means 17 extends through the first opening 1 1 in the support shaft 3 and engages in an opening 23 of the first cam segment 7.
  • the bore 21 is designed as a through hole and the connecting means 17, in the form of a pin extends through the first opening 1 1 and a second opening 12, which is opposite to the first opening 1 1, wherein the connecting means 17 engages with its opposite ends in two openings 23 of the first cam segment 7.
  • the bore 21 in the form of a blind hole, so that only one side of the Lanyard 17 extends through a first opening 1 1 in the support shaft 3 and engages in an opening 23.
  • the openings 23 are brought to the openings 1 1 and 12 and with the bore 21 in overlap.
  • the connecting means 17, in the form of a pin, into the bore 21 and the openings 1 1 and 12 are pressed, so that there is an interference fit, the rotatable and axially fixedly connected to the inner shaft 5, the first cam segment 7.
  • a second cam segment 25 Adjacent to the first cam segment 7, a second cam segment 25 is arranged on the support shaft 3.
  • the second cam segment 25 has a second recess 27 for receiving the support shaft 3, a first cam contour 29 and a second cam contour 31, which are offset from each other in the axial direction.
  • the second cam segment 25 is at an axial position, so that the first cam contour 29 is active. This means that in the installed state of the camshaft 1 in a combustion engine with the cam contour 29, a cylinder valve is driven.
  • the cam contour 31, however, is not active. This means that the cam contour 31 is not in the correct axial position in order to be able to control a cylinder valve.
  • the second cam segment 25 is axially displaceable relative to the inner shaft 5 and to the support shaft 3.
  • the second cam segment 25 can thus be moved to the left (in this illustration), so that the second cam contour 31 moves to the axial position of the first cam contour 29.
  • the second cam contour 31 would then be active since it is at the correct axial position to effect a control of a cylinder valve.
  • the second cam contour is exemplified as a zero stroke, so that even when the second cam contour 31 is active, no cylinder control takes place.
  • By moving the second cam segment 25 is thus effected that the associated cylinder valve is no longer activated. There is a Cylinder deactivation.
  • both the first cam contour 29 and the second cam contour 31 are designed such that they actuate the cylinder valve in the respective active position.
  • the two cam contours 29 and 31 then differ, for example, in the lifting height, so that the cylinder valve is driven differently depending on the position of the second cam segment 25, or in the angular position, so that depending on the position of the second cam segment 25, the cylinder valve at different times is controlled. It is also possible that the cam contours have a different width, so that the actuation duration of the cylinder valve is different.
  • a latching means 35 which locks the second cam segment 25 at a plurality of axial positions.
  • the latching means 35 comprises a bore 36 in the inner shaft 5 with a spring-loaded latching body 37.
  • the latching means 35 is thus at least partially disposed within the inner shaft 5.
  • the spring-loaded latching body 37 extends through a latching opening 41 in the support shaft 3 and engages in a latching groove 45 in the inside of the second recess 27 of the second cam segment 25 a. Moves the second cam segment 25 to the second mode of operation (ie, to the left), the spring 39 is first compressed to allow the displacement.
  • Both the latching opening 41 and the two latching grooves 45 and 46 each have an extent in the circumferential direction, which is greater than the extension of the latching body 37 in the circumferential direction, so that the Detent body 37 does not hinder rotation of the inner shaft 5 relative to the support shaft 3.
  • the locking grooves 45 and 46 may also be performed completely circumferential. This then allows a simpler manufacturing process.
  • the bore 36 for the locking body 37 extends in this embodiment parallel to the bore 21 for the connecting means 17. This has the advantage that the two holes 21 and 36 can be made without rotating the inner shaft between the drilling steps. Of course, the diameter of the two bores 21 and 36 need not be the same.
  • the two holes 21 and 36 and thus the connecting means 17 and the direction of movement of the latching body 37 need not necessarily be radial. An oblique course with components in the axial direction and radial direction is possible.
  • the axial displacement of the second cam segment 25 is effected by means of a first slide track 53 and a second slide track 55.
  • the operation of the slide tracks 53 and 55 will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • FIG. 2 shows a cross section through the camshaft 1, wherein the sectional plane runs perpendicular to the axis of rotation and contains the line BB which is shown in FIG.
  • the support shaft 3 in the interior of the inner shaft 5 is rotatably arranged.
  • the locking means 35 is arranged.
  • the latching means 35 comprises the blind bore 36 in the inner shaft with the spring-loaded latching body 37.
  • the second cam segment 25 is arranged on the support shaft 3, the second cam segment 25 is arranged.
  • On the inside of the second recess 27 of the second cam segment 25, a latching groove 45 is arranged.
  • the spring-loaded latching body 37 extends through a latching opening 41 in the support shaft 3 and engages in the latching groove 45 in the inside of the second recess 27 of the second cam segment 25 one.
  • Both the latching opening 41 and the two latching grooves 45 and 46 each have an extent in the circumferential direction, which is greater than the extension of the latching body 37 in the circumferential direction, so that the latching body 37 does not hinder rotation of the inner shaft 5 relative to the support shaft 3.
  • the detent body 37 is located centrally in the detent opening 41 and the detent groove 45. The inner shaft 5 can thus be rotated relative to the support shaft 3 in both directions by a certain amount without the detent body 37 obstructing the rotation.
  • FIG. 2 also shows indentations 47 on the inside of the second recess 27 of the second cam segment 25. Since the indentations 47 extend over the complete axial extent of the second cam segment, the indentations can also be seen in the present section. However, the corresponding opposing indentations 49 (see FIG. 3) in the outside of the support shaft 3 do not extend as far as the sectional plane shown in FIG. 2 and are therefore not visible in FIG. Lying in the recesses 49, the bearing body 51 are shown. Distributed over the circumference eight bearing body 51 in corresponding cavities, formed by indentations 47 and 49, respectively. In the present case, the bearing bodies 51 are bearing needles. The use of other bearing bodies such as bearing balls is also possible. FIG.
  • FIG. 3 shows a further cross section through the camshaft 1, the sectional plane being perpendicular to the axis of rotation and this time containing the line CC shown in FIG.
  • FIG. 3 shows that indentations 47 are arranged on the inside of the second recess 27 of the second cam segment 25.
  • a recess 49 is disposed on the outside of the support shaft, so that each cavities arise in which the bearing body 51 are arranged.
  • the reverse construction is possible, in which the indentations 49 on the outer side of the support shaft 3 have a greater axial extent than the bearing body 51st In the circumferential direction, on the other hand, the two indentations 47 and 49 have an extent which essentially corresponds to the extent of the bearing bodies 51 in this direction in order to prevent a rotation of the second cam segment 25 relative to the support shaft 3.
  • the camshaft 1 according to the invention is shown in a three-dimensional view.
  • the first cam segment 7 is arranged, which is rotatable with respect to the support shaft 3 and by means of the connecting means 17 rotationally fixed and axially fixedly connected to the inner shaft.
  • the first cam segment 7 has a first cam contour 13.
  • Adjacent to the first cam segment 7, the second cam segment 25 is arranged on the support shaft 3.
  • the second cam segment 25 has a first cam contour 29 and a second cam contour 31.
  • a first slide track 53 and a second slide track 55 are arranged on the second cam segment 25.
  • the first slide track 53 serves to move the second cam segment 25 in a first axial direction 57
  • the second guide track serves to move the second cam segment 25 in a second axial direction 59.
  • the direction of rotation of Camshaft 1 is designated 61 in FIG.
  • the cam contour 13 of the first cam segment thus moves on rotation of the camshaft 1 away from the viewer. If, in this direction of rotation, a stationary pin is introduced into the first slide track 53 in the upper area, the oblique course of the first guide track 53 will cause the second cam segment to be moved in the first axial direction 57 during half a revolution of the camshaft 1.
  • the second slide track 55 also has an oblique course, the slide track, however, has an opposite angle to the circumferential direction.
  • the second cam segment 25 is moved during half a revolution of the camshaft 1 in the second axial direction 59.
  • the courses of the first and second slide track 53 and 55 can be chosen so that the movement of the second cam segment 25 takes place during any fraction of a revolution.
  • the change between two modes of operation should be made between two consecutive actuations of a cylinder valve. Therefore, the movement of the second cam segment 25 should be completed at the latest after one revolution.
  • the inventive design with a first slide track 53 and a second slide track 55, each causing a movement during half a revolution, has the advantage that the two slide tracks can be arranged at the same axial position on opposite sides of the camshaft 1. This allows a very compact design of the second cam segment 25. For larger fractions of a revolution, this is not possible because the slide tracks would then cut. In that case, the slide tracks would have to be arranged offset from one another in the axial direction. On the other hand, smaller fractions of a revolution have the disadvantage that the control of the fixed pin would have to be done more precisely the smaller the fraction. The movement during half a turn is therefore a good compromise.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the camshaft 1 according to the invention.
  • the illustrated variant of the camshaft 1 differs from Figure 4 only in the configuration of the guide tracks 53 and 55.
  • the slide tracks 53 and 55 each cause a movement during a complete revolution.
  • the two slide tracks are executed in this variant overlapping.
  • the slide tracks can be realized, for example, as described in DE102007051739A1 or DE102010033087A1.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section of a third embodiment of the camshaft 1 according to the invention.
  • the illustration is essentially identical to FIG. 1.
  • the third embodiment has no groove-shaped slide tracks.
  • the first slide track 53 is designed in the form of an end face of the second cam segment 25, which runs obliquely to the circumferential direction at least in regions and faces the first cam segment 7.
  • a stationary pin is brought radially into contact with the slide track 53. This takes place in a region of the guide track 53, at which the distance of the slide track to the first cam segment does not have its minimum value.
  • the slide track 53 slides along the pin.
  • the slide track 53 and thus the second cam segment 7 shifts away from the first cam segment 7 in the first axial direction 57.
  • a displacement of the second cam segment 25 in the second axial direction 59 to the first cam segment 7 can be effected.
  • the second slide track 55 in the form of an at least partially oblique, the facing away from the first cam segment, end face of the second cam segment 25 is formed.
  • Figure 6 shows a portion 79 of the second cam segment 25, which is designed as a bearing for supporting the camshaft in a bearing mounts of an internal combustion engine.
  • FIG. 7 shows the mode of operation of the camshaft in connection with valve lift curves.
  • On the horizontal axis of the rotation angle of the support shaft is plotted and on the vertical axis of the valve lift in units of length. Belong to the first cam segment 7 Ventilhubkurven are shown dotted and denoted by 71 and 73 respectively. Since the rotational angle of the support shaft is plotted on the horizontal axis, a rotation of the first cam segment 7 relative to the support shaft 3 corresponds to a horizontal displacement of the valve lift curve.
  • the first cam segment 7 can be varied continuously between two extreme rotational positions. In the first extreme rotational position, the valve lift curve 71 is effected and in the second extreme rotational position the valve lift curve 73.
  • Both valve lift curves 71 and 73 have an identical course.
  • the horizontal distance between the two Ventilhubkurven 71 and 73 is in this case 30 °. This is the maximum angle of rotation by which the first cam segment 7 can be rotated relative to the support shaft 3.
  • the numerical value depends on the exact requirements. Typically, the numerical value is a compromise between the highest possible flexibility with a large maximum angle of rotation and a high stability of the support shaft 3. The larger the angle of rotation, the larger must be the openings 1 1 and 12 in the circumferential direction. This reduces the stability of the support shaft.
  • the solid line shows the Ventilhubkurve 75 of the second cam segment 25 in the first operating mode, in which the first Cam contour 29 is active.
  • the valve lift curve 75 has the same course as the valve lift curves 71 and 73 by way of example.
  • the dashed Ventilhubkurve 77 in which the valve during a rotation of the camshaft 1 is first opened, then closed again and then slightly opened once again. Since the second cam segment 25 can occupy only a discrete number of positions (two different positions in the illustrated variants) only discrete valve lift curves 75 and 77 are possible between which can be switched.
  • the exact shape of the valve lift curves 75 and 77 can be set freely in the production of the second cam segment 25.
  • FIG. 8 shows by way of example construction variants which can be used in the described camshaft. Shown is a section through a support shaft 3, which has a second cam segment 25. Instead of the indentations with bearing bodies, a toothing 63 is arranged on the inside of the second recess 27 in this variant. Furthermore, the outside of the support shaft 3 has a toothing 69, wherein the two gears 63 and 69 engage with each other. The tooth grooves of both teeth extend in the axial direction, so that an axial displacement of the second cam segment 25 on the support shaft 3 is made possible and a rotation of the second cam member 25 relative to the support shaft 3 is prevented.
  • the toothing 69 may be formed integrally with the support shaft 3 or be executed as shown in the form of a pressed-on toothed ring 67.
  • FIG. 9 shows a longitudinal section of a further, in particular fourth embodiment of the camshaft 1 according to the invention.
  • the Camshaft 1 comprises, as the first embodiment of a camshaft 1 according to the invention shown in Figure 1, a support shaft 3, which is designed as a hollow shaft, and an inner shaft 5 which is arranged concentrically to the support shaft 3.
  • the inner shaft 5 is rotatable relative to the support shaft 3.
  • the cam segment 25 has a first cam contour 29 and a second cam contour 31, which are offset from each other in the axial direction.
  • the cam segment 25, which in the context of the invention is also referred to as the second cam segment 25, is axially displaceable relative to the inner shaft 5 and the support shaft 3. Accordingly, the cam segment 25 is displaceable to the right (in this illustration), so that the first cam contour 29 moves to the axial position of the second cam contour 31, whereby the activity is transmitted from the second cam contour 31 to the first cam contour 29.
  • the first cam contour 29 is active, since it is at the correct axial position, in order to effect a control of a cylinder valve.
  • the two cam contours 29 and 31 differ, for example, at least in the lifting height, so that the cylinder valve is advantageously driven differently depending on the position of the cam segment 25, or in the angular position, so that depending on the position of the cam segment 25, the cylinder valve is driven at different times or that cylinder deactivation occurs due to a zero lift design. It is also possible that the cam contours have a different length with respect to the contour region, so that the operating duration of the cylinder valve is different.
  • a locking means 35 is provided, which the cam segment 25 at a Plural of axial positions locked.
  • the latching means 35 comprises a sleeve 40, which is arranged in a bore 36 in the inner shaft 5, and a spring-loaded latching body 37.
  • the latching means 35 is thus at least partially disposed within the inner shaft 5.
  • the sleeve 40 which extends at least in sections along the bore 36, serves for an optimized guidance or guide length of the detent body 37. In the radial direction, the detent body 37 is movably mounted.
  • the locking body 37 is advantageously a standard part, such as a ball or a spherical body, whereby the production of the locking means and the camshaft according to the invention is advantageously reduced costs possible.
  • the spring-loaded latching body 37 extends through a latching opening 41 in the support shaft 3 and engages in a latching groove 46 in the inside of the second recess 27 of the cam segment 25 a. Moves the second cam segment 25 to the second mode of operation (ie to the right), so the spring 39 is first compressed to allow the displacement. At the associated axial position, the spring 39 then brings the locking body 37 with the other locking groove 45 into engagement and thus fixes the axial position.
  • Both the latching opening 41 and the two latching grooves 45 and 46 each have an extent in the circumferential direction which is greater than the extension of the latching body 37 in the circumferential direction, so that the latching body 37 and advantageously also the sleeve 40 a rotation of the inner shaft 5 relative to the support shaft 3 does not hinder.
  • the locking grooves 45 and 46 may also be performed completely circumferential. This then allows a simpler manufacturing process.
  • the bore 36 for the locking body 37 is advantageously a blind hole
  • FIG. 10 shows a longitudinal section of a further, in particular a fifth, embodiment of the camshaft 1 according to the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 9 only in that the latching means 35 has two latching bodies 37.1 and 37.2 and the sleeve 40 within a bore 36 is arranged, which extends completely in the form of a through hole through the inner shaft 5. Accordingly, the sleeve 40 extends substantially completely through the inner shaft 5 such that the sleeve longitudinal axis is aligned substantially orthogonal to the inner shaft longitudinal axis.
  • the support shaft has a first latching opening 41 .1 and a second latching opening 41 .2, which is the first latching opening 41 .1 formed substantially opposite one another.
  • the spring-loaded locking body 37.1, 37.2 extend through a respective detent opening 41 .1, 41 .2 in the support shaft 3 and engage in a corresponding locking groove 46.1, 46.2 in the inside of the recess 27 of the cam segment 25 a. Moving the cam segment 25, for example, to the right, so the spring 39 is first compressed to allow the displacement.
  • the locking body 37.1, 37.2 are at least partially moved into the bore 36 of the inner shaft 5, wherein the movement is limited due to the sleeve 40.
  • the sleeve 40 advantageously serves as a stop element for at least one of the locking bodies 37.1, 37.2. It is possible that the sleeve 40, the movement of at least one of the locking body 37.1, 37.2 limited at least in the radial direction, starting from a central longitudinal axis of the sleeve 40 or in the longitudinal direction, that is along the central longitudinal axis of the sleeve. At the associated axial position, the spring 39 then brings the locking body 37.1 and 37.2 with the other locking grooves 45.1, 45.2 into engagement and thus fixes the axial position.
  • a spring 39 extends through the sleeve 40 and consequently through the through bore 36.
  • a detent body 37.1, 37.2 is in each case arranged one end of the spring 39 so that both locking body 37.1, 37.2 are arranged opposite each other at each inlet or outlet of the bore 36.
  • the locking body 37.1, 37.2 are for example standard parts, such as spherical detent body or ball. However, it is also possible that the locking body 37.1, 37.2 are designed in the form of a ball pin, as shown in particular in Figure 1 1.
  • the design of the locking means 35 with two locking bodies 37.1 and 37.2 for optimized functionality of the camshaft and in particular the rotation or displacement of the cam segments of the camshaft, since a support of the cam segment 25 does not take place, as in the previous embodiments, with respect to the inner shaft 5 but rather is self-contained.
  • Figure 1 1 is a longitudinal section of another, in particular sixth embodiment of the camshaft 1 according to the invention is shown, which differs from the embodiment shown in Figure 10 only in that instead of spherical locking bodies 37.1, 37.2 ball pin-shaped locking body 37.1, 37.2 are arranged.
  • This has the advantage that the bore 36 extending through the inner shaft 5 can be dimensioned smaller (smaller bore diameter) than the bore 36 shown in the embodiment of FIG. 10. This advantageously results in an improvement in the space of the latching means 35. It is furthermore conceivable in that the latching means only extends through a bore 36, in particular a through-bore, as shown in FIG. 11.
  • a sleeve 40 additionally extends through this bore 36, so that the guide of the locking body 37.1, 37.2 and in particular the guide length of Catch body 37.1, 37.2 compared to a design without sleeve 40 is improved.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle (1) mit einer als Hohlwelle ausgebildete Tragwelle (3), in deren Innerem eine Innenwelle (5) konzentrisch zur Tragwelle (3) angeordnet ist. Dabei ist die Innenwelle (5) relativ zur Tragwelle (3) verdrehbar. Weiterhin ist auf der Tragwelle (5) ein erstes Nockensegment (7) mit einer ersten Ausnehmung (9) zur Aufnahme der Tragwelle (3) angeordnet, das bezüglich der Tragwelle (3) drehbar ist und mit Hilfe eines Verbindungsmittels (17) drehfest und axial fest mit der Innenwelle (5) verbunden ist. Weiterhin ist auf der Tragwelle (3) ein zweites Nockensegment (25) mit einer zweiten Ausnehmung (27) zur Aufnahme der Tragwelle (3) angeordnet. Dabei weist das zweite Nockensegment (25) mindestens zwei Nockenkonturen (29, 31) auf und ist derart auf der Tragwelle (3) befestigt, dass das zweite Nockensegment (25) einerseits drehfest mit der Tragwelle (3) verbunden ist und andererseits axial verschiebbar auf der Tragwelle (3) angeordnet ist.

Description

Nockenwelle
Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle zur Ansteuerung von Zylinderventilen eines Verbrennungsmotors.
Um die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu verbessern, ist es bekannt, die Nocken einer Nockenwelle an den Arbeitszustand des Verbrennungsmotors anzupassen. So zeigt zum Beispiel die DE 10 2004 01 1 586 A1 ein Verschiebenockensystem mit axial verschiebbaren Nockenträgern, so dass durch Verschieben des Nockenträgers auf eine anders geformte Nockenkontur gewechselt werden kann. Hierdurch kann zum Beispiel die Dauer und der Hub der Ventilansteuerung verändert werden. Andererseits ist aus der EP 1 696 107 A1 bekannt, einen Nocken verdrehbar zu gestalten, indem der Nocken verdrehbar auf einer Tragwelle angebracht ist und über einen Stift mit einer Innenwelle verbunden ist, die relativ zur Tragwelle verdreht werden kann. So kann die Winkellage und damit der Schaltzeitpunkt für das Zylinderventil verändert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Nockenwelle bereitzustellen, mit der sowohl der Schaltzeitpunkt der Zylinderventile relativ zueinander variiert werden kann als auch die Dauer und der Hub der Ventilansteuerung, um eine noch bessere Anpassung an den aktuellen Arbeitszustand des Verbrennungsmotors zu erreichen und so die Effizienz des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Nockenwelle mit einer als Hohlwelle ausgebildete Tragwelle, in deren Innerem eine Innenwelle konzentrisch zur Tragwelle angeordnet ist. Dabei ist die Innenwelle relativ zur Tragwelle verdrehbar. Weiterhin ist auf der Tragwelle ein erstes Nockensegment mit einer ersten Ausnehmung zur Aufnahme der Tragwelle angeordnet, das bezüglich der Tragwelle drehbar ist und mit Hilfe eines Verbindungsmittels drehfest und axial fest mit der Innenwelle verbunden ist. Weiterhin ist auf der Tragwelle ein zweites Nockensegment mit einer zweiten Ausnehmung zur Aufnahme der Tragwelle angeordnet. Dabei weist das zweite Nockensegment mindestens zwei Nockenkonturen auf und ist derart auf der Tragwelle befestigt, dass das zweite Nockensegment einerseits drehfest mit der Tragwelle verbunden ist und andererseits axial verschiebbar auf der Tragwelle angeordnet ist.
Unter einer drehfesten Verbindung zwischen einem Nockensegment und einer Welle wird im Sinne dieser Anmeldung verstanden, dass das Nockensegment nicht gegenüber der Welle verdreht werden kann. Entsprechend wird unter einer axial festen Verbindung zwischen einem Nockensegment und einer Welle verstanden, dass das Nockensegment nicht gegenüber der Welle axial verschoben werden kann. Diese Kombination ermöglicht eine besonders flexible Ansteuerung der Zylinderventile. Einerseits kann durch die Verdrehung der Innenwelle zur Tragwelle die Winkellage zwischen den Nockenkonturen des ersten und des zweiten Nockensegmentes variiert werden, so dass die Zeitdauer zwischen der entsprechenden Ansteuerung der Ventile variabel eingestellt werden kann. Andererseits kann durch die Verschiebung des zweiten Nockensegmentes in axialer Richtung zwischen verschiedenen Nockenkonturen gewechselt werden. Da das zweite Nockensegment mindestens zwei axial beabstandete Nockenkonturen aufweist, kann durch die axiale Verschiebung ausgewählt werden, welche der Nockenkonturen aktiv ist. Eine Nockenkontur wird als aktiv bezeichnet, wenn sie sich an der richtigen Axialposition befindet, um bei Betrieb der Nockenwelle ein Zylinderventil anzusteuern. Durch axiales Verschieben des zweiten Nockensegmentes rückt die zweite Nockenkontur beispielsweise an die Axialposition der ersten Nockenkontur, so dass nun die zweite Nockenkontur aktiv ist, während vorher die erste Nockenkontur aktiv war. Da sich die Nockenkonturen des zweiten Nockensegmentes typischerweise voneinander unterscheiden, ergibt sich eine enorme Variabilität bei der Zylinderansteuerung.
Das Verbindungsmittel ist mit der Innenwelle verbunden und reicht durch eine erste Öffnung in der Tragwelle und greift in eine Öffnung des ersten Nockensegmentes. Auf diese Weise verbindet das Verbindungsmittel das erste Nockensegment mit der Innenwelle. Damit das Verbindungsmittel das Verdrehen der Innenwelle zur Tragwelle nicht behindert, ist die erste Öffnung in Umfangsrichtung größer als der Durchmesser des Verbindungsmittels. Die erste Öffnung ist also in Form eines Langloches gestaltet. Das Langloch erstreckt sich dabei umso weiter entlang des Umfangs je größer der gewünschte Verdrehwinkelbereich zwischen Innenwelle und Tragwelle ist. Bei dem Verbindungsmittel kann es sich insbesondere um einen Stift handeln, der in die Innenwelle eingepresst wird. Alternativ kann das Verbindungsmittel auch eine Schraube sein, die in die Innenwelle eingeschraubt wird. Lediglich beispielhaft werden in dieser Anmeldung zweite Nockensegmente mit zwei Nockenkonturen beschrieben. Das zweite Nockensegment kann jedoch auch drei oder mehr Nockenkonturen aufweisen. Ein Nullhub, bei dem keine Ansteuerung des entsprechenden Zylinderventils erfolgt, wird ebenfalls als Nockenkontur bezeichnet.
Das erste und das zweite Nockensegment können einstückig sein oder aus mehreren Komponenten zusammengefügt sein. Hierbei können auch Komponenten aus unterschiedlichen Materialien zum Einsatz kommen. Derartige zusammengesetzte Nockensegmente sind beispielsweise aus der DE10201 1051480A1 bekannt. Typsicherweise ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Nockensegment derart, dass beide Nockensegmente auf Ventile des gleichen Zylinders wirken. Unter axialer Richtung wird im Sinne dieser Anmeldung eine Richtung verstanden, die parallel zur Drehachse der Nockenwelle verläuft. Die Umfangsrichtung verläuft senkrecht zur Drehachse entlang eines Umfangs der Nockenwelle. Vorteilhaft ist es, wenn die Nockenwelle ein Rastmittel umfasst, das das zweite Nockensegment an einer der Mehrzahl von Axialpositionen verrastet. Dies gewährleistet einen stabilen Arbeitszustand, bei dem keine ungewollten Verschiebungen des zweiten Nockensegmentes auftreten. Bei einer Ausführungsvariante ist das Rastmittel zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle angeordnet. Hierdurch wird genügend Bauraum für das Rastmittel zur Verfügung gestellt. Bislang wurden verschiebbaren Nockensegmenten mit Rastmitteln nur bei Tragwellen eingesetzt, die massiv sind, wie beispielweise in der DE 10 2004 01 1 586 A1 . Bei Nockenwellen, die Hohlwellen als Tragwellen umfassen, besteht die Schwierigkeit, genügend Bauraum für das Rastmittel zur Verfügung zu stellen. Einerseits wird ausreichend Bauraum benötigt, um das Rastmittel so groß auszubilden, dass es eine genügend starke Feststell kraft bereitstellt. Andererseits darf aber nicht zu viel Material der Tragwelle entfernt werden, damit die Belastbarkeit der Tragwelle erhalten bleibt bzw. nicht zu stark geschwächt wird. Aufgrund dieser Problematik ist es bisher nicht gelungen verschiebbare Nockensegmente bei Nockenwellen mit einer Hohlwelle als Tragwelle einzusetzen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch überwunden, dass das Rastmittel zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle angeordnet ist. Somit steht einerseits ausreichend Bauraum für das Rastmittel zur Verfügung und andererseits wird die Belastbarkeit der Tragwelle nicht zu stark reduziert. Bei einer weitergebildeten Ausführungsform verrastet das Rastmittel das zweite Nockensegment gegenüber der Innenwelle. Dies hat den Vorteil, dass die relative Position vom ersten Nockensegment und zweiten Nockensegment einfacher festgelegt wird. Da das erste Nockensegment sowohl drehfest als auch axial fest mit der Innenwelle verbunden ist, führt eine Verrastung des zweiten Nockensegmentes relativ zur Innenwelle dazu, dass der Abstand zwischen ersten Nockensegment und zweitem Nockensegment über die Innenwelle festgelegt wird. Auf diese Weise lässt sich der axiale Abstand der beiden Nockensegmente präzise festlegen.
Eine Möglichkeit zur Ausführung des Rastmittels besteht darin, eine Bohrung in der Innenwelle mit einem federbelasteten und in radialer Richtung beweglich gelagerten Rastkörper vorzusehen. Dabei reicht der Rastkörper durch eine Rastöffnung in der Tragwelle und greift in eine Rastnut in der Innenseite der zweiten Ausnehmung des zweiten Nockensegmentes ein. Da die Innenwelle innerhalb der Tragwelle drehbar ist, ist es erforderlich, dass die Rastöffnung in der Tragwelle und die Rastnut jeweils eine Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen, die größer ist als die Ausdehnung des Rastkörpers in Umfangsrichtung. Auf diese Weise wird eine Verdrehung der Innenwelle relativ zur Tragwelle nicht durch den Rastkörper behindert.
Die verschiedenen Rastnuten werden hierbei bevorzugt vollständig umlaufend ausgeführt, um einfachere Herstellung zu ermöglichen.
Bei einer Variante der Nockenwelle weisen die zweite Ausnehmung des zweiten Nockensegmentes und die Außenseite der Tragwelle sich gegenüberliegenden Einbuchtungen auf, so dass sich Hohlräume ergeben, in denen Lagerkörper angeordnet sind. Hierdurch wird die Drehfestigkeit des zweiten Nockensegmentes zur Tragwelle gewährleistet. Gleichzeitig tritt im Gegensatz zu einer Verzahnung kein axialer Bereich der Tragwelle mit einem erhöhten Durchmesser auf. Daher kann die Tragwelle problemlos auch in geschlossene Lageraufnahmen geschoben werden. Um eine axiale Verschiebung des zweiten Nockensegmentes auf der Tragwelle zu ermöglichen, weisen in diesem Fall die Einbuchtungen auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung oder die Einbuchtungen auf der Außenseite der Tragwelle in axialer Richtung eine größere Ausdehnung auf als die Lagerkörper. In diesen Einbuchtungen gleiten die Lagerkörper beim Verschieben des zweiten Nockensegmentes ab. Die Drehfestigkeit wird dadurch unterstützt, dass die Einbuchtungen auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung und die Einbuchtungen auf der Außenseite der Tragwelle in Umfangsrichtung eine Ausdehnung aufweisen, die im Wesentlichen der Ausdehnung der Lagerkörper in diese Richtung entspricht, um eine Verdrehung des zweiten Nockensegmentes relativ zur Tragwelle zu verhindern.
Bei der Montage der erfindungsgemäßen Nockenwelle wird zunächst die Innenwelle innerhalb der Tragwelle angeordnet. In einem nächsten Schritt wird das Rastmittel zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle angeordnet. Weiterhin werden die Rastkörper in die Einbuchtungen auf der Außenseite der Tragwelle eingelegt. In einer bevorzugten Variante erstrecken sich die Einbuchtungen auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung des zweiten Nockensegmentes über komplette axiale Ausdehnung des zweiten Nockensegmentes. In diesem Fall kann nun das zweite Nockensegment problemlos auf die Tragwelle aufgeschoben werden, so dass die eingelegten Lagerkörper mit den Einbuchtungen auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung in Eingriff stehen. Beim Aufschieben wird die Feder des Rastmittels zunächst zusammengedrückt, um die Verschiebung zu ermöglichen. An der zugeordneten Axialposition bringt die Feder dann den Rastkörper mit der entsprechenden Rastnut in Eingriff und fixiert so die Axialposition. Die Montage der Nockenwelle kann einerseits separat erfolgen, so dass die fertige Nockenwelle in offene Lageraufnahmen eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann. Alternativ kann die Nockenwelle auch innerhalb von geschlossenen Lageraufnahmen mit einer Ausnehmung zur Aufnahme der Tragwelle montiert werden. Hierzu werden das erste Nockensegment, das zweite Nockensegment und die geschlossenen Lageraufnahmen in der gewünschten Reihenfolge aufgereiht, so dass die Ausnehmungen zur Aufnahme der Tragwelle entlang einer Achse verlaufen. Sodann werden Tragwelle und Innenwelle gemeinsam entlang dieser Achse durch die aufgereihten Ausnehmungen geschoben, so dass die Nockenwelle in den geschlossenen Lageraufnahmen entsteht. Das Einsetzen von Rastmittel und Lagerkörpern kann in diesem Fall vor oder nach dem Einschieben von Tragwelle und Innenwelle in die aufgereihten Bauteile erfolgen.
Auch bei diesem Montageverfahren werden gegebenenfalls das erste und zweite Nockensegment auch nach Einschieben von Tragwelle und Innenwelle nochmals gegenüber der Tragwelle verschoben bis beide ihre endgültige Axialposition erreicht haben. Die Lagerung der Nockenwelle im Verbrennungsmotor kann auf der Tragwelle erfolgen oder auch auf einem der Nockensegmente.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Nockensegment oder das zweite Nockensegment einen Bereich umfasst, der als Lagerstelle zur Lagerung der Nockenwelle in einer Lageraufnahme eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Bereich um einen Bund des ersten oder des zweiten Nockensegmentes handeln, der als Lagerstelle ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, dass ein Verstellbereich des zweiten Nockensegmentes mit einer im Folgenden beschriebenen, nutförmigen Kulissenbahn als Lagerstelle ausgebildet ist. Bei den Lagerkörpern kann es sich zum Beispiel um Lagernadeln oder um Kugeln handeln.
Bei einer alternativen Variante sind auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung und auf der Außenseite der Tragwelle ineinandergreifende Verzahnungen angeordnet. Die Zahnrillen der Verzahnung erstrecken sich dabei in axialer Richtung, so dass eine axiale Verschiebung des zweiten Nockensegmentes auf der Tragwelle ermöglicht und eine Verdrehung des zweiten Nockenelementes relativ zur Tragwelle verhindert wird. Eine Verzahnung lässt sich relativ einfach fertigen und erfordert kein zusätzliches Einlegen von Lagerkörpern. Beispielsweise kann die Verzahnung auf der Außenseite der Tragwelle in Form eines aufgepressten Zahnringes ausgeführt sein. Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Nockenwelle ist dergestalt, dass das zweite Nockensegment mindestens eine erste Kulissenbahn zum Bewegen des zweiten Nockensegmentes in eine erste axiale Richtung und eine zweite Kulissenbahn zum Bewegen des zweiten Nockensegmentes in eine zweite axiale Richtung aufweisen. Hierbei ist die zweite axiale Richtung zur ersten axialen Richtung entgegengesetzt.
Kulissenbahnen sind einfach herzustellende Mittel, um die Verschiebung von Elementen auf rotierenden Wellen herbeizuführen. Dabei macht man sich die bereits bestehende Drehbewegung der Welle zu Nutze, indem ein feststehendes Mittel, wie zum Beispiel ein Mitnehmerstift, mit der Kulissenbahn des Elementes in Kontakt gebracht wird. Die Kulissenbahn verläuft dabei zumindest bereichsweise schräg zur Umfangsrichtung (d.h. weder entlang der Umfangsrichtung noch entlang der Axialrichtung). Bei der Drehung der Welle gleitet die Kulissenbahn am Stift entlang. Da der Stift feststehend ist, wird durch die Drehung eine Kraft auf die Kulissenbahn ausgeübt, die Kraftkomponenten in Axialrichtung und in Umfangsrichtung hat. Eine Bewegung der Kulissenbahn in Umfangsrichtung (d.h. eine Verdrehung der Kulissenbahn) wird normalerweise ausgeschlossen, indem das Element drehfest auf der Welle angebracht ist. Somit verbleibt eine Kraftkomponente in Axialrichtung, die zu einer Verschiebung der Kulissenbahn und damit zu einer Verschiebung des Elementes führt.
Kulissenbahnen können auf zwei unterschiedliche Arten ausgebildet sein. Zum einen ist es möglich die Kulissenbahn nutförmig auszubilden. In die nutförmige Kulissenbahn kann dann zum Verschieben des Elementes ein feststehender Stift eingebracht werden. Die Kulissenbahn verläuft dabei zumindest bereichsweise schräg zur Umfangsrichtung (d.h. weder entlang der Umfangsrichtung noch in Axialrichtung). Möglich ist zum Beispiel ein schraubenförmiger Verlauf mit einer konstanten Steigung der Schraubenbahn oder ein schraubenförmiger Verlauf mit variierender Steigung. Weitere komplexe Verläufe sind ebenfalls möglich.
Andererseits kann die Kulissenbahn auch in Form einer zumindest bereichsweise schräg verlaufenden Stirnseite des zweiten Nockensegmentes gebildet sein. Hierdurch wird der Platz für eine Nut auf dem zweiten Nockensegment eingespart.
Somit ist es also möglich, sowohl die erste Kulissenbahn als auch die zweite Kulissenbahn nutförmig auszubilden, oder die erste Kulissenbahn und die zweite Kulissenbahn in Form einer zumindest bereichsweise schräg verlaufenden, dem jeweils anderen Nockensegment abgewandten Stirnseite eines Nockensegments auszubilden. Ebenso sind Mischformen möglich, bei denen eine Kulissenbahn als eine schräg verlaufende Nut geformt ist und die andere Kulissenbahn als eine bereichsweise schräg verlaufende Stirnseite.
Näher beschrieben wird die Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen Figur 1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
Figur 2 einen Querschnitt der ersten Ausführungsform;
Figur 3 einen weiteren Querschnitt der ersten Ausführungsform; Figur 4 eine dreidimensionale Darstellung der ersten Ausführungsform; Figur 5 eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform; Figur 6 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform; Figur 7 eine beispielhafte Darstellung von Ventilhubkurven;
Figur 8 einen Schnitt durch eine schematische Ausführungsform zur Erläuterung einzelner konstruktiver Aspekte;
Figur 9 einen Längsschnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
Figur 10 einen Längsschnitt einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle; und Figur 1 1 einen Längsschnitt einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle.
Die in den Figuren 1 , 6, 8, 9, 10 und1 1 gezeigten Schnittebenen enthalten jeweils die Drehachse der Nockenwelle, wohingegen die Schnittebenen der Figuren 2 und 3 senkrecht zur Drehachse stehen. In Figur 1 ist ein Längsschnitt der Nockenwelle 1 dargestellt. Die Nockenwelle 1 umfasst eine Tragwelle 3, die als Hohlwelle ausgebildet ist, und eine Innenwelle 5 die konzentrisch zur Tragwelle 3 angeordnet ist. Dabei ist die Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 verdrehbar. Auf der Tragwelle 3 ist ein erstes Nockensegment 7 mit einer ersten Ausnehmung 9 zur Aufnahme der Tragwelle 3 angeordnet. Mit Hilfe des Verbindungsmittels 17 ist das erste Nockensegment 7 mit der Innenwelle 5 drehfest und axial fest verbunden ist. Das Verbindungsmittel 17 reicht dabei durch eine erste Öffnung 1 1 in der Tragwelle 3 und greift in eine Öffnung 23 des ersten Nockensegmentes 7 und verbindet so das erste Nockensegment 7 mit der Innenwelle 5. Bezüglich der Tragwelle 3 ist das erste Nockensegment 7 drehbar. Beim Verdrehen der Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 wird somit das erste Nockensegment 7 bezüglich der Tragwelle 3 verdreht. Damit das Verbindungsmittel 17 das Verdrehen der Innenwelle 5 zur Tragwelle 3 nicht behindert, ist die erste Öffnung 1 1 in Umfangsrichtung größer als der Durchmesser des Verbindungsmittels 17. Die erste Öffnung 1 1 ist dabei in Form eines Langloches gestaltet. Das Langloch erstreckt sich dabei umso weiter entlang des Umfangs je größer der gewünschte Verdrehwinkelbereich zwischen Innenwelle 5 und Tragwelle 3 ist. Die Innenwelle 5 weist eine Bohrung 21 zur Aufnahme des Verbindungsmittels 17 auf. Das Verbindungsmittel 17 reicht durch die erste Öffnung 1 1 in der Tragwelle 3 und greift in eine Öffnung 23 des ersten Nockensegmentes 7. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Bohrung 21 als eine durchgehende Bohrung ausgeführt und das Verbindungsmittel 17, in Form eines Stiftes, reicht durch die erste Öffnung 1 1 und eine zweite Öffnung 12, die der ersten Öffnung 1 1 gegenüberliegt, wobei das Verbindungsmittel 17 mit seinen gegenüberliegenden Enden in zwei Öffnungen 23 des ersten Nockensegmentes 7 eingreift. Statt einer derart symmetrischen Ausführung ist es auch möglich, die Bohrung 21 in Form eines Sackloches auszubilden, so dass nur eine Seite des Verbindungsmittels 17 durch eine erste Öffnung 1 1 in der Tragwelle 3 reicht und in eine Öffnung 23 eingreift. Bei der Montage werden die Öffnungen 23 mit den Öffnungen 1 1 und 12 sowie mit der Bohrung 21 in Überlapp gebracht. Sodann wird das Verbindungsmittel 17, in Form eines Stiftes, in die Bohrung 21 und die Öffnungen 1 1 und 12 eingepresst, so dass sich ein Presssitz ergibt, der das erste Nockensegment 7 drehfest und axial fest mit der Innenwelle 5 verbindet.
Benachbart zum ersten Nockensegment 7 ist auf der Tragwelle 3 ein zweites Nockensegment 25 angeordnet. Das zweite Nockensegment 25 weist eine zweite Ausnehmung 27 zur Aufnahme der Tragwelle 3, eine erste Nockenkontur 29 und eine zweite Nockenkontur 31 auf, die in Axialrichtung zueinander versetzt sind. Bei der in Figur 1 dargestellten Konfiguration der Nockenwelle 1 befindet sich das zweite Nockensegment 25 an einer Axialposition, so dass die erste Nockenkontur 29 aktiv ist. Dies bedeutet, dass im eingebauten Zustand der Nockenwelle 1 in einen Verbrennungsmotor mit der Nockenkontur 29 ein Zylinderventil angesteuert wird. Die Nockenkontur 31 hingegen ist nicht aktiv. Das bedeutet, dass sich die Nockenkontur 31 nicht an der richtigen Axialposition befindet, um ein Zylinderventil ansteuern zu können. Erfindungsgemäß ist das zweite Nockensegment 25 relativ zur Innenwelle 5 und zur Tragwelle 3 axial verschiebbar. Das zweite Nockensegment 25 kann also nach links (bei dieser Darstellung) verschoben werden, so dass die zweite Nockenkontur 31 an die Axialposition der ersten Nockenkontur 29 rückt. In diesem Fall wäre dann die zweite Nockenkontur 31 aktiv, da sie sich an der richtigen Axialposition befindet, um eine Ansteuerung eines Zylinderventils zu bewirken. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Nockenkontur jedoch beispielhaft als ein Nullhub ausgeführt, so dass selbst wenn die zweite Nockenkontur 31 aktiv ist, keine Zylinderansteuerung erfolgt. Durch das Verschieben des zweiten Nockensegmentes 25 wird somit bewirkt, dass das zugeordnete Zylinderventil nicht mehr angesteuert wird. Es erfolgt eine Zylinderabschaltung. Statt einer Zylinderabschaltung kann durch das Verschieben des zweiten Nockensegmentes 25 alternativ auch in einen anderen Betriebsmodus gewechselt werden. In einem solchen Fall sind sowohl die erste Nockenkontur 29 als auch die zweite Nockenkontur 31 so ausgeführt, dass sie in der jeweiligen aktiven Stellung das Zylinderventil ansteuern. Die beiden Nockenkonturen 29 und 31 unterscheiden sich dann zum Beispiel in der Hubhöhe, so dass das Zylinderventil je nach Stellung des zweiten Nockensegmentes 25 unterschiedlich stark angesteuert wird, oder in der Winkelposition, so dass je nach Stellung des zweiten Nockensegments 25 das Zylinderventil zu unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert wird. Es ist auch möglich, dass die Nockenkonturen eine unterschiedliche Breite aufweisen, so dass die Betätigungsdauer des Zylinderventils unterschiedlich ist. Um das zweite Nockensegment 25 an der gewünschten Axialposition zu fixieren, ist ein Rastmittel 35 vorgesehen, das das zweite Nockensegment 25 an einer Mehrzahl von Axialpositionen verrastet. Das Rastmittel 35 umfasst eine Bohrung 36 in der Innenwelle 5 mit einem federbelasteten Rastkörper 37. Das Rastmittel 35 ist somit zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle 5 angeordnet. In radialer Richtung ist der Rastkörper 37 beweglich gelagert. Diese radiale Bewegung des Rastköpers 37 erfolgt unter Zusammendrücken der Feder 39. Der federbelastete Rastkörper 37 reicht durch eine Rastöffnung 41 in der Tragwelle 3 und greift in eine Rastnut 45 in der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des zweiten Nockensegmentes 25 ein. Verschiebt man das zweite Nockensegment 25 zum zweiten Betriebsmodus hin (d.h. nach links), so wird die Feder 39 zunächst zusammengedrückt, um die Verschiebung zu ermöglichen. An der zugeordneten Axialposition bringt die Feder 39 dann den Rastkörper 37 mit der anderen Rastnut 46 in Eingriff und fixiert so die Axialposition. Sowohl die Rastöffnung 41 als auch die beiden Rastnuten 45 und 46 haben jeweils eine Ausdehnung in Umfangsrichtung, die größer ist als die Ausdehnung des Rastkörpers 37 in Umfangsrichtung, so dass der Rastkörper 37 ein Verdrehung der Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 nicht behindert. Die Rastnuten 45 und 46 können auch vollständig umlaufend ausgeführt sein. Dies ermöglicht dann ein einfacheres Herstellungsverfahren. Die Bohrung 36 für den Rastkörper 37 verläuft bei dieser Ausführungsform parallel zur Bohrung 21 für das Verbindungsmittel 17. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Bohrungen 21 und 36 vorgenommen werden können, ohne zwischen den Bohrschritten die Innenwelle zu verdrehen. Der Durchmesser der beiden Bohrungen 21 und 36 muss selbstverständlich nicht gleich sein. Prinzipiell ist aber ein beliebiger Winkel zwischen den beiden Bohrungen möglich. Darüber hinaus müssen die beiden Bohrungen 21 und 36 und damit das Verbindungsmittel 17 bzw. die Bewegungsrichtung des Rastkörpers 37 nicht zwangsläufig radial verlaufen. Auch ein schräger Verlauf mit Komponenten in Axialrichtung und Radialrichtung ist möglich.
Die axiale Verschiebung des zweiten Nockensegmentes 25 wird mit Hilfe einer ersten Kulissenbahn 53 und einer zweiten Kulissenbahn 55 bewirkt. Die Funktionsweise der Kulissenbahnen 53 und 55 wird unten mit Bezug auf Figur 4 näher erläutert.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Nockenwelle 1 gezeigt, wobei die Schnittebene senkrecht zur Drehachse verläuft und die Linie B-B enthält, die in Figur 1 dargestellt ist. Deutlich zu erkennen ist in Figur 2 die Tragwelle 3, in deren Innerem die Innenwelle 5 verdrehbar angeordnet ist. Teilweise im Inneren der Innenwelle 5 ist das Rastmittel 35 angeordnet. Das Rastmittel 35 umfasst die Sackbohrung 36 in der Innenwelle mit dem federbelasteten Rastkörper 37. Auf der Tragwelle 3 ist das zweite Nockensegment 25 angeordnet. Auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des zweiten Nockensegmentes 25 ist eine Rastnut 45 angeordnet. Der federbelastete Rastkörper 37 reicht durch eine Rastöffnung 41 in der Tragwelle 3 und greift in die Rastnut 45 in der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des zweiten Nockensegmentes 25 ein. Sowohl die Rastöffnung 41 als auch die beiden Rastnuten 45 und 46 haben jeweils eine Ausdehnung in Umfangsrichtung, die größer ist als die Ausdehnung des Rastkörpers 37 in Umfangsrichtung, so dass der Rastkörper 37 ein Verdrehung der Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 nicht behindert. Bei der gezeigten Darstellung befindet sich der Rastkörper 37 mittig in der Rastöffnung 41 und der Rastnut 45. Die Innenwelle 5 kann somit gegenüber der Tragwelle 3 in beide Richtungen um einen bestimmten Betrag verdreht werden, ohne dass der Rastkörper 37 die Drehung behindert.
Figur 2 zeigt weiterhin Einbuchtungen 47 auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des zweiten Nockensegmentes 25. Da sich die Einbuchtungen 47 über die komplette axiale Ausdehnung des zweiten Nockensegmentes erstrecken, sind die Einbuchtungen auch im vorliegenden Schnitt erkennbar. Die korrespondierenden gegenüberliegenden Einbuchtungen 49 (siehe Figur 3) in der Außenseite der Tragwelle 3 erstrecken sich allerdings nicht bis zu der in Figur 2 gezeigten Schnittebene und sind daher in Figur 2 nicht sichtbar. In den Einbuchtungen 49 liegend sind die Lagerkörper 51 dargestellt. Über den Umfang verteilt sind acht Lagerkörper 51 in entsprechenden Hohlräumen, gebildet durch Einbuchtungen 47 und 49, angeordnet. Vorliegend handelt es sich bei den Lagerkörpern 51 um Lagernadel. Die Verwendung von anderen Lagerkörpern wie zum Beispiel Lagerkugeln ist ebenfalls möglich. Figur 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch die Nockenwelle 1 , wobei die Schnittebene senkrecht zur Drehachse verläuft und diesmal die Linie C-C enthält, die in Figur 1 dargestellt ist. Neben den bereits erläuterten Komponenten zeigt Figur 3, dass auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des zweiten Nockensegmentes 25 Einbuchtungen 47 angeordnet sind. Gegenüber den Einbuchtungen 47 ist jeweils eine Einbuchtung 49 auf der Außenseite der Tragwelle angeordnet, so dass sich jeweils Hohlräume ergeben, in denen die Lagerkörper 51 angeordnet sind.
Anhand der Figuren 2 und 3 wird deutlich, dass die die Einbuchtungen 47 auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 in axialer Richtung eine größere Ausdehnung aufweisen als die Lagerkörper 51 . Vorliegend erstrecken sich die Einbuchtungen auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 sogar über die komplette axiale Ausdehnung des zweiten Nockensegmentes. Dieser Unterschied in der Ausdehnung führt dazu, dass das zweite Nockensegment auf der Tragwelle verschoben werden kann. Alternativ ist auch der umgekehrte Aufbau möglich, bei dem die Einbuchtungen 49 auf der Außenseite der Tragwelle 3 eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als die Lagerkörper 51 . In Umfangsrichtung weisen dagegen die beiden Einbuchtungen 47 und 49 eine Ausdehnung auf, die im Wesentlichen der Ausdehnung der Lagerkörper 51 in diese Richtung entspricht, um eine Verdrehung des zweiten Nockensegmentes 25 relativ zur Tragwelle 3 zu verhindern.
In Figur 4 ist die erfindungsgemäße Nockenwelle 1 in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Auf der Tragwelle 3 ist das erste Nockensegment 7 angeordnet, das bezüglich der Tragwelle 3 drehbar ist und mit Hilfe des Verbindungsmittels 17 drehfest und axial fest mit der Innenwelle verbunden ist. Das erste Nockensegment 7 weist eine erste Nockenkontur 13 auf. Benachbart zum ersten Nockensegment 7 ist auf der Tragwelle 3 das zweite Nockensegment 25 angeordnet. Das zweite Nockensegment 25 weist eine erste Nockenkontur 29 und eine zweite Nockenkontur 31 auf. Neben der ersten Nockenkontur 29 sind am zweiten Nockensegment 25 eine erste Kulissenbahn 53 und eine zweite Kulissenbahn 55 angeordnet. Die erste Kulissenbahn 53 dient dazu, das zweite Nockensegment 25 in eine erste axiale Richtung 57 zu bewegen, und die zweite Kulissenbahn dient dazu, das zweite Nockensegment 25 in eine zweite axiale Richtung 59 zu bewegen. Die Drehrichtung der Nockenwelle 1 ist in Figur 4 mit 61 bezeichnet. Die Nockenkontur 13 des ersten Nockensegmentes bewegt sich bei Drehung der Nockenwelle 1 also vom Betrachter weg. Führt man bei dieser Drehrichtung einen feststehenden Stift im oberen Bereich in die erste Kulissenbahn 53 ein, so führt der schräge Verlauf der ersten Kulissenbahn 53, dazu dass das zweite Nockensegment während einer halben Umdrehung der Nockenwelle 1 in die erste axiale Richtung 57 bewegt wird. Die zweite Kulissenbahn 55 besitzt ebenfalls einen schrägen Verlauf, wobei die Kulissenbahn jedoch einen entgegensetzten Winkel zur Umfangsrichtung aufweist. Bringt man den gleichen feststehenden Stift in die zweite Kulissenbahn 55 des (nun in erste axiale Richtung 57 verschobenen) zweiten Nockensegments 25 ein, so wird das zweite Nockensegment 25 während einer halben Umdrehung der Nockenwelle 1 in die zweite axiale Richtung 59 bewegt. Prinzipiell können die Verläufe der ersten und zweiten Kulissenbahn 53 und 55 so gewählt werden, dass die Bewegung des zweiten Nockensegmentes 25 während eines beliebigen Bruchteils einer Umdrehung erfolgt. Der Wechsel zwischen zwei Betriebsmodi sollte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ansteuerungen eines Zylinderventils erfolgen. Daher sollte die Bewegung des zweiten Nockensegmentes 25 spätestens nach einer Umdrehung abgeschlossen sein. Die erfindungsgemäße Ausführung mit einer ersten Kulissenbahn 53 und einer zweiten Kulissenbahn 55, die jeweils eine Bewegung während einer halben Umdrehung bewirken, hat den Vorteil, dass die beiden Kulissenbahnen an der gleichen Axialposition auf gegenüberliegenden Seiten der Nockenwelle 1 angeordnet werden können. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauform des zweiten Nockensegmentes 25. Bei größeren Bruchteilen einer Umdrehung ist dies nicht möglich, da die Kulissenbahnen sich dann schneiden würden. In dem Fall müssten die Kulissenbahnen in Axialrichtung versetzt zueinander angeordnet werden. Andererseits haben kleinere Bruchteile einer Umdrehung den Nachteil, dass die Ansteuerung des feststehenden Stiftes präziser erfolgen müsste je kleiner der Bruchteil ist. Die Bewegung während einer halben Umdrehung bildet somit einen guten Kompromiss.
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 . Die dargestellte Variante der Nockenwelle 1 unterscheidet sich von Figur 4 lediglich in der Ausgestaltung der Kulissenbahnen 53 und 55. Die Kulissenbahnen 53 und 55 bewirken jeweils eine Bewegung während einer ganzen Umdrehung. Um eine kompakte Bauweise zu realisieren, sind die beiden Kulissenbahnen bei dieser Variante überschneidend ausgeführt. Die Kulissenbahnen können dabei zum Beispiel wie in der DE102007051739A1 oder der DE102010033087A1 beschrieben realisiert werden.
Figur 6 zeigt einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 . Dabei ist die Darstellung im Wesentlichen identisch zu Figur 1 . Im Gegensatz zu Figur 1 weist die dritte Ausführungsform keine nutförmigen Kulissenbahnen auf. Stattdessen ist die erste Kulissenbahn 53 in Form einer zumindest bereichsweise schräg zur Umfangsrichtung verlaufenden, dem ersten Nockensegment 7 zugewandten, Stirnseite des zweiten Nockensegmentes 25 ausgebildet. Zum Bewegen des zweiten Nockensegmentes 25 wird ein feststehender Stift radial mit der Kulissenbahn 53 in Kontakt gebracht. Dies geschieht in einem Bereich der Kulissenbahn 53, an dem der Abstand der Kulissenbahn zum ersten Nockensegment nicht seinen Minimalwert hat. Bei der Drehung der Nockenwelle 1 gleitet die Kulissenbahn 53 am Stift entlang. Da der Stift in axialer Richtung feststehend ist, verschiebt sich die Kulissenbahn 53 und damit das zweite Nockensegment 7 in die erste axiale Richtung 57 vom ersten Nockensegment 7 weg. Analog kann eine Verschiebung des zweiten Nockensegmentes 25 in die zweite axiale Richtung 59 zum ersten Nockensegment 7 hin bewirkt werden. Hierzu ist die zweite Kulissenbahn 55 in Form einer zumindest bereichsweise schräg verlaufenden, dem ersten Nockensegment abgewandten, Stirnseite des zweiten Nockensegmentes 25 ausgebildet.
Weiterhin zeigt Figur 6 einen Bereich 79 des zweiten Nockensegmentes 25, der als Lagerstelle zur Lagerung der Nockenwelle in einer Lageraufnahmen eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
Figur 7 zeigt die Funktionsweise der Nockenwelle im Zusammenhang mit Ventilhubkurven. Auf der horizontale Achse ist der Drehwinkel der Tragwelle aufgetragen und auf der vertikalen Achse der Ventilhub in Längeneinheiten. Die zum ersten Nockensegment 7 gehörenden Ventilhubkurven sind gepunktet dargestellt und mit 71 bzw. 73 bezeichnet. Da auf der horizontalen Achse der Drehwinkel der Tragwelle aufgetragen ist, entspricht eine Verdrehung des ersten Nockensegmentes 7 relativ zur Tragwelle 3 einer horizontalen Verschiebung der Ventilhubkurve. Das erste Nockensegment 7 kann kontinuierlich zwischen zwei extremen Drehstellungen variiert werden. In der ersten extremen Drehstellung wird die Ventilhubkurve 71 bewirkt und in der zweiten extremen Drehstellung die Ventilhubkurve 73. Beide Ventilhubkurven 71 und 73 haben einen identischen Verlauf. Der horizontale Abstand zwischen den beiden Ventilhubkurven 71 und 73 beträgt in diesem Fall 30°. Dies ist der maximale Drehwinkel, um den das erste Nockensegment 7 relativ zur Tragwelle 3 verdreht werden kann. Der Zahlenwert hängt von den genauen Anforderungen ab. Typischerweise ist der Zahlenwert ein Kompromiss zwischen einer möglichst hohen Flexibilität mit einem großen maximalen Drehwinkel und einer hohen Stabilität der Tragwelle 3. Je größer der Drehwinkel ist, desto größer müssen auch die Öffnungen 1 1 und 12 in Umfangsrichtung sein. Dies reduziert die Stabilität der Tragwelle.
Die durchgezogene Linie zeigt die Ventilhubkurve 75 des zweiten Nockensegmentes 25 im ersten Betriebsmodus, bei dem die erste Nockenkontur 29 aktiv ist. In der dargestellten Variante hat die Ventilhubkurve 75 exemplarisch den gleichen Verlauf wie die Ventilhubkurven 71 und 73. Durch axiales Verschieben des zweiten Nockensegmentes 25 kann in einen zweiten Bet ebsmodus gewechselt werden, bei dem die Nockenkontur 31 aktiv ist. In diesem Fall ergibt sich die gestrichelte Ventilhubkurve 77, bei der das Ventil während eines Umlaufs der Nockenwelle 1 zunächst geöffnet, dann wieder geschlossen und dann ein weiteres Mal leicht geöffnet wird. Da das zweite Nockensegment 25 nur eine diskrete Anzahl von Stellungen einnehmen kann (bei den dargestellten Varianten jeweils zwei verschiedene Stellungen) sind nur diskrete Ventilhubkurven 75 und 77 möglich zwischen denen geschaltet werden kann. Die genaue Form der Ventilhubkurven 75 und 77 kann dagegen bei der Herstellung des zweiten Nockensegmentes 25 frei festgelegt werden.
Figur 8 zeigt beispielhaft Konstruktionsvarianten, die bei der beschriebenen Nockenwelle zum Einsatz kommen können. Gezeigt ist ein Schnitt durch eine Tragwelle 3, die ein zweites Nockensegment 25 aufweist. Statt der Einbuchtungen mit Lagerkörpern ist bei dieser Variante eine Verzahnung 63 auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 angeordnet. Weiterhin weist die Außenseite der Tragwelle 3 eine Verzahnung 69 auf, wobei die beiden Verzahnungen 63 und 69 ineinandergreifen. Die Zahnrillen beider Verzahnungen erstrecken sich in axialer Richtung, so dass eine axiale Verschiebung des zweiten Nockensegmentes 25 auf der Tragwelle 3 ermöglicht wird und eine Verdrehung des zweiten Nockenelementes 25 relativ zur Tragwelle 3 verhindert wird. Die Verzahnung 69 kann einstückig mit der Tragwelle 3 ausgebildet sein oder wie gezeigt in Form eines aufgepressten Zahnringes 67 ausgeführt sein.
In Figur 9 ist ein Längsschnitt einer weiteren, insbesondere vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 dargestellt. Die Nockenwelle 1 umfasst, wie die in der Figur 1 gezeigte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 , eine Tragwelle 3, die als Hohlwelle ausgebildet ist, und eine Innenwelle 5 die konzentrisch zur Tragwelle 3 angeordnet ist. Dabei ist die Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 verdrehbar. Auf der Tragwelle 3 ist zumindest ein Nockensegment 25 mit einer Ausnehmung 27 zur Aufnahme der Tragwelle 3 angeordnet.
Das Nockensegment 25 weist eine erste Nockenkontur 29 und eine zweite Nockenkontur 31 auf, die in Axialrichtung zueinander versetzt sind. Erfindungsgemäß ist das Nockensegment 25, welches im Rahmen der Erfindung auch als zweites Nockensegment 25 bezeichnet wird, relativ zur Innenwelle 5 und zur Tragwelle 3 axial verschiebbar. Demnach ist das Nockensegment 25 nach rechts (bei dieser Darstellung) verschiebbar, sodass die erste Nockenkontur 29 an die Axialposition der zweiten Nockenkontur 31 rückt, wodurch die Aktivität von der zweiten Nockenkontur 31 auf die erste Nockenkontur 29 übertragen wird. Das bedeutet, dass infolgedessen die erste Nockenkontur 29 aktiv ist, da sie sich an der richtigen Axialposition befindet, um eine Ansteuerung eines Zylinderventils zu bewirken. Die beiden Nockenkonturen 29 und 31 unterscheiden sich zum Beispiel zumindest in der Hubhöhe, so dass das Zylinderventil je nach Stellung des Nockensegmentes 25 vorteilhaft unterschiedlich stark angesteuert wird, oder in der Winkelposition, so dass je nach Stellung des Nockensegments 25 das Zylinderventil zu unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert wird, oder dass es zu einer Zylinderabschaltung aufgrund einer Nullhubausführung kommt. Es ist auch möglich, dass die Nockenkonturen eine unterschiedliche Länge hinsichtlich des Konturbereiches aufweisen, so dass die Betätigungsdauer des Zylinderventils unterschiedlich ist.
Um das Nockensegment 25 an der gewünschten Axialposition zu fixieren, ist ein Rastmittel 35 vorgesehen, das das Nockensegment 25 an einer Mehrzahl von Axialpositionen verrastet. Das Rastmittel 35 umfasst eine Hülse 40, welche in einer Bohrung 36 in der Innenwelle 5 angeordnet ist, sowie einen federbelasteten Rastkörper 37. Das Rastmittel 35 ist somit zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle 5 angeordnet. Vorteilhaft dient die Hülse 40, welche sich zumindest abschnittsweise entlang der Bohrung 36 erstreckt, zu einer optimierten Führung bzw. Führungslänge des Rastkörpers 37. In radialer Richtung ist der Rastkörper 37 beweglich gelagert. Der Rastkörper 37 ist vorteilhaft ein Normteil, wie eine Kugel bzw. ein kugelförmiger Körper, wodurch die Herstellung des Rastmittels und der erfindungsgemäßen Nockenwelle vorteilhaft kosten reduziert ermöglicht wird. Diese radiale Bewegung des Rastköpers 37 erfolgt unter Zusammendrücken der Feder 39. Der federbelastete Rastkörper 37 reicht durch eine Rastöffnung 41 in der Tragwelle 3 und greift in eine Rastnut 46 in der Innenseite der zweiten Ausnehmung 27 des Nockensegmentes 25 ein. Verschiebt man das zweite Nockensegment 25 zum zweiten Betriebsmodus hin (d.h. nach rechts), so wird die Feder 39 zunächst zusammengedrückt, um die Verschiebung zu ermöglichen. An der zugeordneten Axialposition bringt die Feder 39 dann den Rastkörper 37 mit der anderen Rastnut 45 in Eingriff und fixiert so die Axialposition. Sowohl die Rastöffnung 41 als auch die beiden Rastnuten 45 und 46 haben jeweils eine Ausdehnung in Umfangsrichtung, die größer ist als die Ausdehnung des Rastkörpers 37 in Umfangsrichtung, so dass der Rastkörper 37 und vorteilhaft auch die Hülse 40 eine Verdrehung der Innenwelle 5 relativ zur Tragwelle 3 nicht behindern. Die Rastnuten 45 und 46 können auch vollständig umlaufend ausgeführt sein. Dies ermöglicht dann ein einfacheres Herstellungsverfahren. Die Bohrung 36 für den Rastkörper 37 ist vorteilhaft eine Sacklochbohrung
Die axiale Verschiebung des Nockensegmentes 25 wird mit Hilfe zumindest einer Kulissenbahn 53, wie beispielsweise mit Bezug auf Figur 4 beschrieben, bewirkt. In Figur 10 ist ein Längsschnitt einer weiteren, insbesondere fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 dargestellt, welche sich von der in der Figur 9 gezeigten Ausführungsform lediglich dahingehend unterscheidet, dass das Rastmittel 35 zwei Rastkörper 37.1 und 37.2 aufweist und die Hülse 40 innerhalb einer Bohrung 36 angeordnet ist, welche sich vollständig in Gestalt einer Durchgangsbohrung durch die Innenwelle 5 erstreckt. Demnach erstreckt sich auch die Hülse 40 im Wesentlichen vollständig durch die Innenwelle 5 derart, dass die Hülsenlängsachse im Wesentlichen orthogonal zur Innenwellenlängsachse ausgerichtet ist. Demzufolge weist auch die Tragwelle eine erste Rastöffnung 41 .1 sowie eine zweite Rastöffnung 41 .2 auf, welcher der ersten Rastöffnung 41 .1 im Wesentlichen gegenüberliegend ausgebildet ist. Die federbelasteten Rastkörper 37.1 , 37.2 reichen durch eine jeweilige Rastöffnung 41 .1 , 41 .2 in der Tragwelle 3 und greifen in eine entsprechende Rastnut 46.1 , 46.2 in der Innenseite der Ausnehmung 27 des Nockensegmentes 25 ein. Verschiebt man das Nockensegment 25 beispielsweise nach rechts, so wird die Feder 39 zunächst zusammengedrückt, um die Verschiebung zu ermöglichen. Die Rastkörper 37.1 , 37.2 werden zumindest teilweise in die Bohrung 36 der Innenwelle 5 hineinbewegt, wobei deren Bewegung aufgrund der Hülse 40 begrenzt wird. Es ist denkbar, dass die Hülse 40 vorteilhaft als Anschlagselement für zumindest einen der Rastkörper 37.1 , 37.2 dient. Hierbei ist es möglich, dass die Hülse 40 die Bewegung von wenigstens einem der Rastkörper 37.1 , 37.2 zumindest in radialer Richtung ausgehend von einer zentrischen Längsachse der Hülse 40 oder in Längsrichtung, das bedeutet entlang der zentrischen Längsachse der Hülse begrenzt. An der zugeordneten Axialposition bringt die Feder 39 dann die Rastkörper 37.1 und 37.2 mit den anderen Rastnuten 45.1 , 45.2 in Eingriff und fixiert so die Axialposition.
Des Weiteren erstreckt sich eine Feder 39 durch die Hülse 40 und folglich durch die Durchgangsbohrung 36. Ein Rastkörper 37.1 , 37.2 ist jeweils an einem Ende der Feder 39 angeordnet, sodass beide Rastkörper 37.1 , 37.2 sich einander gegenüberliegend an jeweils einem Einlass bzw. Auslass der Bohrung 36 angeordnet sind. Die Rastkörper 37.1 , 37.2 sind beispielsweise Normteile, wie kugelförmige Rastkörper oder Kugel. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rastkörper 37.1 , 37.2 in Gestalt eines Kugelstiftes ausgestaltet sind, wie insbesondere in der Figur 1 1 gezeigt.
Vorteilhaft dient die Ausgestaltung des Rastmittels 35 mit zwei Rastkörpern 37.1 und 37.2 für eine optimierte Funktionalität der Nockenwelle und insbesondere der Verdrehung bzw. Verschiebung der Nockensegmente der Nockenwelle, da eine Abstützung des Nockensegmentes 25 nicht, wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, gegenüber der Innenwelle 5 stattfindet, sondern vielmehr in sich geschlossen ausgeführt ist. Dies führt vorteilhaft zu einer Reduzierung und besonders vorteilhaft zu einer Aufhebung der auf die Innenwelle 5 einwirkenden Kraft bzw. Kräfte.
In Figur 1 1 ist ein Längsschnitt einer weiteren, insbesondere sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 dargestellt, welche sich von der in der Figur 10 gezeigten Ausführungsform lediglich dahingehend unterscheidet, dass anstelle von kugelförmigen Rastkörpern 37.1 , 37.2 kugelstiftförmige Rastkörper 37.1 , 37.2 angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die sich durch die Innenwelle 5 erstreckende Bohrung 36 kleiner dimensioniert werden kann (kleinerer Bohrungsdurchmesser) als die in der Ausführungsform der Figur 10 gezeigten Bohrung 36. Dies bedingt vorteilhaft eine Bauraumverbesserung des Rastmittels 35. Es ist des Weiteren denkbar, dass sich das Rastmittel lediglich durch eine Bohrung 36, insbesondere eine Durchgangsbohrung, wie in der Figur 1 1 gezeigt, erstreckt. Es ist jedoch auch denkbar, dass, wie in der Figur 10 gezeigt, sich eine Hülse 40 zusätzlich durch diese Bohrung 36 erstreckt, sodass die Führung der Rastkörper 37.1 , 37.2 und insbesondere die Führungslänge der Rastkörper 37.1 , 37.2 im Vergleich zu einer Ausgestaltung ohne Hülse 40 verbessert wird.

Claims

Patentansprüche:
1 . Nockenwelle (1 ) umfassend eine als Hohlwelle ausgebildete
Tragwelle, in deren Innerem eine Innenwelle (5) konzentrisch zur Tragwelle (3) angeordnet ist, wobei die Innenwelle (5) relativ zur Tragwelle (3) verdrehbar ist und auf der Tragwelle (3) ein erstes Nockensegment (7) mit einer ersten Ausnehmung (9) zur Aufnahme der Tragwelle (3) angeordnet ist, das bezüglich der Tragwelle (3) drehbar ist und mit Hilfe eines Verbindungsmittels (17) drehfest und axial fest mit der Innenwelle (5) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Tragwelle (3) ein zweites Nockensegment (25) mit einer zweiten Ausnehmung (27) zur Aufnahme der Tragwelle (3) angeordnet ist, wobei das zweite Nockensegment (25) mindestens zwei Nockenkonturen (29, 31 ) aufweist und wobei das zweite Nockensegment (25) derart auf der Tragwelle (3) befestigt ist, dass das zweite Nockensegment (25) drehfest mit der Tragwelle (3) verbunden ist und das zweite Nockensegment (25) axial
verschiebbar auf der Tragwelle (3) angeordnet ist.
2. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nockenwelle (1 ) ein Rastmittel (35) umfasst, um das zweite Nockensegment (25) an einer Mehrzahl von Axialpositionen zu verrasten.
3. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rastmittel (35) zumindest teilweise innerhalb der Innenwelle (5) angeordnet ist.
4. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 2-3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Rastmittel (35) das zweite Nockensegment (25) gegenüber der Innerwelle (5) verrastet.
5. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 2-4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rastmittel (35) zur Verrastung des zweiten Nockensegmentes (25) eine Bohrung (36) in der Innenwelle (5) mit einem
federbelastetem und in radialer Richtung beweglich gelagertem Rastkörper (37) umfasst, wobei der Rastkörper (37) durch eine Rastöffnung (41 ) in der Tragwelle (3) reicht und in eine Rastnut (45, 46) in der Innenseite der zweiten Ausnehmung (27) des zweiten Nockensegmentes (25) eingreift.
6. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rastöffnung (41 ) in der Tragwelle (3) und die Rastnut (45, 46) jeweils eine Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen, die größer ist als die Ausdehnung des Rastkörpers (37) in Umfangsrichtung, so dass der Rastkörper (37) eine Verdrehung der Innenwelle (5) relativ zur Tragwelle (3) nicht behindert.
7. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rastnut (45, 46) umlaufend ist.
8. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenseite der zweiten Ausnehmung (27) des zweiten
Nockensegmentes (25) und die Außenseite der Tragwelle (3) sich gegenüberliegenden Einbuchtungen (47, 49) aufweisen, so dass sich Hohlräume ergeben, in denen Lagerkörper (51 ) angeordnet sind.
9. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbuchtungen (47) auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung (27) oder die Einbuchtungen (49) auf der Außenseite der Tragwelle (3) in axialer Richtung eine größere Ausdehnung aufweisen als die Lagerkörper (51 ), um eine axiale Verschiebung des zweiten
Nockensegmentes (25) auf der Tragwelle (3) zu ermöglichen.
10. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 8-9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbuchtungen (47) auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung und die Einbuchtungen (49) auf der Außenseite der Tragwelle (3) in Umfangsrichtung eine Ausdehnung aufweisen, die im Wesentlichen der Ausdehnung der Lagerkörper (51 ) in diese Richtung entspricht, um eine Verdrehung des zweiten Nockensegmentes (25) relativ zur Tragwelle (3) zu verhindern.
1 1 . Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -7,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Innenseite der zweiten Ausnehmung (27) und auf der Außenseite der Tragwelle (3) ineinandergreifende Verzahnungen (63, 69) angeordnet sind, deren Zahnrillen sich in axialer Richtung erstrecken, so dass eine axiale Verschiebung des zweiten
Nockensegmentes (25) auf der Tragwelle (3) ermöglicht wird und eine Verdrehung des zweiten Nockenelementes relativ zur Tragwelle (3) verhindert wird.
12. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verzahnung (69) auf der Außenseite der Tragwelle (3) in Form eines aufgepressten Zahnringes (67) ausgeführt ist.
13. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Nockensegment (25) mindestens eine erste Kulissenbahn (53) zum Bewegen des zweiten Nockensegmentes (25) in eine erste axiale Richtung (57) und eine zweite Kulissenbahn (55) zum
Bewegen des zweiten Nockensegmentes (25) in eine zweite axiale Richtung (59) aufweisen, wobei die zweite axiale Richtung (59) zur ersten axialen Richtung (57) entgegengesetzt ist.
14. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Kulissenbahn (53) und/oder die zweite Kulissenbahn (55)
nutförmig ausgebildet sind.
15. Nockenwelle (1 ) nach Anspruch 14
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Kulissenbahn (53) in Form einer zumindest bereichsweise schräg verlaufenden, dem ersten Nockensegment (25)
abgewandten, Stirnseite des zweiten Nockensegmentes (7) ausgebildet ist.
16. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 14-15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Kulissenbahn (55) in Form einer zumindest bereichsweise schräg verlaufenden, dem ersten Nockensegment (7) zugewandten, Stirnseite des zweiten Nockensegmentes (25) ausgebildet ist.
17. Nockenwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -16,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Nockensegment (7) oder das zweite Nockensegment (25) einen Bereich umfasst, der als Lagerstelle zur Lagerung der
Nockenwelle (1 ) in einer Lageraufnahme eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
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