Verstellbare Nockenwelle

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle, insbesondere für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um die Leistung eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit eines jeweiligen Lastverhaltens steigern zu können, ist es üblich, die Ventilsteuerzeiten anzupassen. Eine derartige Anpassung erfolgt dabei üblicherweise über einen sogenannten Phasensteiler, der bei verstellbaren Nockenwellen eine Drehwinkelposition eines Nockens beeinflussen kann. Bei derartigen verstellbaren Nockenwellen sind jedoch an die Montagegenauigkeit hohe Qualitätsanforderungen zu stellen, insbesondere müssen die verstellbaren Nockenwellen bzw. die einzelnen Komponenten exakt zueinander ausgerichtet werden, um die gewünschte Leistungssteigerung erreichen zu können. Die Montage solcher verstellbarer Nockenwellen ist dadurch dementsprechend aufwändiger und teuer.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine gattungsgemäße Nockenwelle eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch einen deutlich reduzierten Einbau-/Montageaufwand auszeichnet .

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung gemäß dem Anspruch 1 beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Montageaufwand bei der Fertigung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dadurch zu senken, dass möglichst viele vorgefertigte Baugruppen verwendet werden, wodurch sich ein üblicherweise erforderliches Justieren einzelner Komponenten der Baugruppe zueinander während des Einbaus erübrigt. Aus diesem Grund ist die Nockenwelle Bestandteil einer vorfertigbaren Nockenwellen-Baugruppe, welche zumindest folgende, bereits vor dem Einbau in den Verbrennungsmotor relativ zueinander ausgerichtete Komponenten umfasst: Eine Nockenwelle mit einer Innen- und einer Außenwelle, zur Innen- bzw. Außenwelle gehörende Nocken, eine Stelleinrichtung sowie ein Kettenrad. Die Nockenwelle ist dabei als verstellbare Nockenwelle mit oben erwähnter Innen- und Außenwelle ausgebildet, wobei die zur Innenwelle gehörenden Nocken jeweils über eine Verstiftung fest mit der Innenwelle verbunden sind, während die zur Außenwelle gehörenden Nocken vorzugsweise auf diese aufgeschrumpft sind. Um die Ventilsteuerzeiten beeinflussen zu können, sind die Innen- und die Außenwelle relativ zueinander verdrehbar gelagert, wobei eine Relativverdrehung zwischen den beiden Wellen über zumindest eine, an einem Ende der Nockenwelle angeordnete, insbesondere hydraulische Stelleinrichtung bewirkt wird, in welcher ein Rotor gegen einen Stator verdrehbar ist und wobei zumindest ein mit einer der beiden Wellen fest

verbunden ist. Vorzugsweise ist der Rotor mit der einen und der Stator mit der anderen Welle fest verbunden. Hierbei kann es sich um eine sogenannte SCP-Nockenwelle (Single-Cam- Phaser) handeln, welche zur Vorfertigung der Nockenwellen- Baugruppe in eine Vorrichtung eingelegt wird, in der die a- xiale Positionierung sowie eine Winkelausrichtung der Nocken fixiert wird. Die zumindest eine Stelleinrichtung, welche auch als Phasensteiler bezeichnet wird, wird in eine ähnliche Vorrichtung eingelegt, wobei eine Winkelausrichtung vorzugsweise über das Kettenrad erfolgt. Anschließend werden die Stelleinrichtung und die Nockenwelle zur Nockenwellen- Baugruppe zusammengefügt, wobei dies vorzugsweise durch ein Erwärmen der Stelleinrichtung mit anschließendem Aufschrumpfen auf die zugehörigen Wellen erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Nockenwellen-Baugruppe kann eine bisher aufwändige Montage einer Nockenwelle, insbesondere einer SCP- Nockenwelle, deutlich vereinfacht werden, da ein Ausrichten der einzelnen Komponenten nunmehr bereits bei der Vorfertigung der Nockenwellen-Baugruppe erfolgt und nicht wie bisher üblich beim Einbau der Nockenwelle in ein Kurbelgehäuse.

Zweckmäßig ist der Rotor und der Stator der Stelleinrichtung mit der zugehörigen Welle durch Fügen, Kleben, Schrauben und/oder Schweißen verbunden. Unter dem Begriff Fügen versteht man dabei in der Fertigungstechnik das dauerhafte Verbinden von zumindest zwei Komponenten. Insbesondere bei einem Schrumpfsitz ist es möglich, ein einfaches, kostengünstiges und sehr zuverlässiges Fügen der Stelleinrichtung mit der Nockenwelle zu erreichen, so dass das Schrumpfen vor-

zugsweise zum Einsatz kommen soll. Denkbar ist insbesondere auch eine Verschraubung beispielsweise des Rotors mit der Innenwelle und des Stators mit der Außenwelle über ein Innengewinde, welches auf ein entsprechendes Außengewinde aufgeschraubt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist längsendseitig in der Innenwelle und innerhalb der Stelleinrichtung wenigstens ein Steuerventil zur Ansteuerung des Rotors und des Stators einer hydraulisch betätigbaren Stelleinrichtung angeordnet. Eine derartige Anordnung stellt eine bauraumminimierende Unterbringung des zumindest einen Steuerventils innerhalb der Nockenwelle beziehungsweise innerhalb der Stelleinrichtung dar, wodurch einem immer geringer werdenden Bauraumangebot in Motorräumen von Kraftfahrzeugen Rechnung getragen wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mit einem hydraulisch arbeitenden Phasenversteller ist ein, das wenigstens eine Steuerventil versorgender Hydraulikkanal in der Drehachse der Nockenwelle, vorzugsweise koaxial in der Innenwelle angeordnet und auf einem der Stelleinrichtung abgewandten Ende radial nach außen durch die Außenwelle geführt. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Ansteuerung einer hydraulischen Stelleinrichtung, bei welcher zwei Hydraulikkanäle erforderlich sind, ist durch das erfindungsgemäße Steuerventil nunmehr nur noch ein zuzuführender Hydraulikkanal vorgesehen, da das Steuerventil die Aufteilung des Hydraulikstroms auf die jeweilige Kammer in der Stelleinrich-

tung veranlasst. Die Anordnung des Hydraulikkanals in der Innenwelle stellt dabei eine platzsparende Alternative zu einer externen Zuführung der Hydraulikflüssigkeit zur Stelleinrichtung dar. Bei einer Ausführungsform, bei welcher das wenigstens eine Steuerventil zudem längsendseitig in der Innenwelle und innerhalb der Stelleinrichtung angeordnet ist, können aufwändige Dichtungen zum Abdichten des Hydraulikkanals im Bereich zwischen diesem und der hydraulischen Stelleinrichtung vermieden werden, wodurch die hydraulische Versorgung der Stelleinrichtung konstruktiv einfacher auszugestalten ist.

Vorteilhafte, nachstehend noch erläuterte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.

Diese zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Nockenwellen-Baugruppe, bei welcher ein Steuerventil längsendseitig der Innenwelle und innerhalb der Stelleinrichtung angeordnet ist,

Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1, jedoch bei einem innerhalb der Innenwelle und innerhalb der Stelleinrichtung angeordneten Steuerventil.

Entsprechend Fig. 1 weist ein axialer Endbereich einer verstellbaren Nockenwelle 1 eine, in einer Außenwelle 2 über

eine hydraulische Stelleinrichtung 3 verdrehbar gelagerte Innenwelle 4 auf. Die beiden Wellen 2 und 4 weisen jeweils fest mit diesen verbundene Nocken 5 und 6 zur Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors auf, wobei die Nocken 5 fest mit der Außenwelle 2 und die Nocken 6 über eine Verstiftung 7 drehfest mit der Innenwelle 4 verbunden sind. Die Verstiftung 7 verläuft dabei durch die Außenwelle 2 hindurch, so dass eine unabhängige Drehbewegung der Innenwelle 4 mit den daran verstifteten Nocken 6 gegenüber der Außenwelle 2 möglich ist.

Zur Erzeugung einer Relativverdrehung zwischen der Innenwelle 4 und der Außenwelle 2 ist wie oben erwähnt die hydraulische Stelleinrichtung 3 vorgesehen, in der ein Rotor 20 gegen einen Stator 19 verdrehbar ist, wobei der Rotor 20 und der Stator 19 jeweils mit einer der beiden Wellen 2, 4 fest verbunden ist. Vorzugsweise ist dabei der Stator 19 fest mit der Außenwelle 2 verbunden, während der Rotor 20 fest mit der Innenwelle 4 verbunden ist. Des weiteren ist die Außenwelle 2 benachbart zur Stelleinrichtung 3 mit einem zumindest die Außenwelle 2 in einem ortsfesten, ersten Lager 8 lagernden Lagerring 9 fest verbunden. Dieser Lagerring 9 ist dabei vorzugsweise in ähnlicher Weise wie die Nocken 5 mit der Außenwelle 2 gefügt, insbesondere auf diese aufgeschrumpft, wobei das Lager 8 gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 als teilbares Lager mit entsprechenden Lagerschalen 16 ausgebildet ist und die Nockenwelle 1 in Axialrichtung fixiert .

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist dabei nur eine Stelleinrichtung 3 gezeigt, wobei auch die Anordnung von zwei Stelleinrichtungen 3 zur unabhängigen Verstellung der Innenwelle 4 zur Außenwelle 2 von der Erfindung umfasst sein sollen.

Erfindungsgemäß ist nun die Nockenwelle 1 Bestandteil einer vorfertigbaren Nockenwellen-Baugruppe, welche zumindest folgende, relativ zueinander ausgerichtete beziehungsweise justierte Komponenten umfasst: Nockenwelle 1 mit Innenwelle 4 und Außenwelle 2, Nocken 5 und 6, Stelleinrichtung 3 sowie ein Kettenrad 10. Eine derart vorfertigbare Nockenwellen- Baugruppe kann bei einem späteren Montage- beziehungsweise Fertigungsprozess des Verbrennungsmotors mit einem deutlich reduzierten Montageaufwand eingebaut werden, wodurch sich die Montage- beziehungsweise Fertigungskosten deutlich reduzieren lassen. Wie erwähnt gehört zur vorfertigbaren Nockenwellen-Baugruppe die hydraulische Stelleinrichtung 3, welche bereits vor dem Einbau der Nockenwellen-Baugruppe in den Verbrennungsmotor fest mit der Nockenwelle 1 verbunden wird. Hierbei wird insbesondere der Rotor 20 und der Stator 19 mit der jeweils zugehörigen Welle 4, 2 durch Fügen, insbesondere durch Aufschrumpfen, Kleben oder Schweißen verbunden. Besonders das Fügeverfahren des Aufschrumpfens bietet dabei ein passgenaues, zuverlässiges und fertigungstechnisch einfaches Fügeverfahren, weshalb das Aufschrumpfen der Stelleinrichtung 3 auf die Nockenwelle 1 vorzugsweise angewendet wird. Somit wird die Innenwelle 4 bezüglich der Außenwelle 2 innerhalb der Stelleinrichtung 3 in axialer Richtung fixiert.

Denkbar ist ausdrücklich auch eine Verschraubung des Rotors 20 mit der Innenwelle 4 und des Stators 19 mit der Außenwelle 2, beim Stator 19 beispielsweise über ein statorseitiges Innengewinde, welches auf ein entsprechendes außenwellensei- tiges Außengewinde aufgeschraubt wird.

Zur Steuerung der Ventilsteuerzeiten des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, dass die Innenwelle 4 mit den zugehörigen Nocken 6 gegenüber der Außenwelle 2 mit den zugehörigen Nocken 5 verdrehbar ist. Diese Verdrehbarkeit wird über die hydraulische Stelleinrichtung 3 erreicht, wobei einzelne Kammern zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 19 in der hydraulischen Stelleinrichtung 3 durch wenigstens ein Steuerventil 11, insbesondere ein elektromagnetisches Steuerventil, angesteuert werden können. Das Steuerventil 11 ist dabei gemäß der Darstellung nach Fig. 1 in der Achse der Nockenwelle 1 und innerhalb der Stelleinrichtung 3 angeordnet und dadurch platzsparend untergebracht. Eine Anordnung in der Achse der Nockenwelle 1 bedeutet dabei gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1, dass das Steuerventil 11 stirnseitig der Innenwelle 4 angeordnet ist. Versorgt wird das Steuerventil 11 mit Hydraulikflüssigkeit über einen Hydraulikkanal 12, welcher zumindest bereichsweise koaxial in der Innenwelle 4 angeordnet ist und auf einem der Stelleinrichtung 3 abgewandten Ende radial nach außen durch die Außenwelle 2 hindurchgeführt ist. Um einen ungestörten Fluss von Hydraulikmedium zwischen dem kurbelgehäuseseitigen Hydraulikkanal 12''' und der Stelleinrichtung 3 gewährleisten zu können,

kann zumindest in der Innenwelle 4 ein radial zur Welle 4 verlaufender Kanalabschnitt in Wellenumfangsrichtung lang- lochartig aufgeweitet sein. Bei übergang zwischen der Außenwelle 2 und dem Lager 8 bzw. dem Lagerring 9' nach Fig. 2 können entsprechende Vorkehrungen getroffen werden.

Dabei ist an der Stirnseite der Innenwelle 4 eine Ringdichtung 13 vorgesehen, welche einen übergang zwischen der, den Hydraulikkanal 12 beinhaltenden Innenwelle 4 und dem Steuerventil 11 hydraulisch abdichtet. Ausgangsseitig des Steuerventils 11 führt ein Hydraulikkanal 12' sowie ein Hydraulikkanal 12'' in eine zugehörige, nicht gezeigte, Kammer der Stelleinrichtung 3 zum Verstellen des Rotors 20 bezüglich des Stators 19 und dadurch zum Verstellen der Innenwelle 4 bezüglich der Außenwelle 2.

Vor oder bei der Montage der Nockenwellen-Baugruppe im Verbrennungsmotor wird das Kettenrad 10 bezüglich der Stelleinrichtung 3 ausgerichtet und in ausgerichtetem Zustand an der Stelleinrichtung 3 fixiert. Dies kann beispielsweise ü- ber ein nicht gezeigtes Verbindungsmittel erfolgen, welches durch im Kettenrad 10 und in der Stelleinrichtung 3 fluchtend zueinander angeordnete öffnungen 14 hindurchgesteckt beziehungsweise verspannt wird.

Auf seinem, der Stelleinrichtung 3 abgewandten Ende, tritt der Hydraulikkanal 12 durch die Außenwelle 2 nach außen und kommuniziert dabei mit einem im Lager 8 korrespondierenden Hydraulikkanal 12'''.

Im Unterschied zu Fig. 1 umfasst die vorfertigbare Nockenwellen-Baugruppe gemäß der Fig. 2 zusätzlich eine als Axiallager fungierende Drucklagerscheibe 15, welche bei im Kurbelgehäuse montierter Nockenwellen-Baugruppe zwischen dem ersten Lagerring 9' und der Stelleinrichtung 3 angeordnet ist. Die Drucklagerscheibe 15 wird dabei üblicherweise als Trust-Plate bezeichnet und ist beispielsweise zumindest ein Schraubverbindungsmittel 17 mit dem Lager 8 fest verbunden. Es kann selbstverständlich auch eine Verrastung oder eine andere geeignete Verbindung zwischen der Drucklagerscheibe 15 und dem Lager 8 bzw. dem Kurbelgehäuse vorgesehen sein. Das Lager 8 ist dabei vorzugsweise Bestandteil des Kurbelgehäuses. Um bei bereits vorab mit der Nockenwelle 1 verbundener Stelleinrichtung 3 einen Zugang zum Schraubverbindungsmittel 17 gewährleisten zu können, weist die Stelleinrichtung 3 eine Aussparung 18 in der Art eines Freigangs auf, durch welche das Schraubverbindungsmittel 17, respektive eine anderes Verbindungsmittel, hindurch gesteckt und anschließend die Drucklagerscheibe 15 mit dem Lager 8 bzw. mit dem Kurbelgehäuse verschraubt werden kann.

Ebenfalls unterschiedlich zu Fig. 1 ist, dass es sich bei dem Lager 8 nicht um teilbare Lagerschalen 16 handelt, sondern um eine Tunnellagerung, so dass die Nockenwellen- Baugruppe in das Kurbelgehäuse eingeschoben werden kann. Die Drucklagerscheibe 15 fixiert dabei einen Lagerring 9' in der einen axialen Richtung, welcher fest mit der Außenwelle 2 verbunden ist und die Stelleinrichtung 3 in die andere axia-

Ie Richtung und somit die Nockenwelle 1 selbst in axialer Richtung bezüglich des Kurbelgehäuses.

Bei der Ausführungsform der Nockenwellen-Baugruppe gemäß der Fig. 2 ist das wenigstens eine Steuerventil 11 längsendsei- tig in der Innenwelle 4 und innerhalb der Stelleinrichtung 3 angeordnet, wodurch die gemäß Fig. 1 erforderliche Dichtung 13 entbehrlich ist und wodurch eine besonders platzsparende Anordnung des Steuerventils 11 ermöglicht wird. Dabei gelten die gemäß den Hydraulikkanälen 12' und 12'' sowie die gemäß des Kettenrads 10 anhand der Fig. 1 gemachten Ausführungen ebenso für Fig. 2.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, liegt die Drucklagerscheibe 15 an dem Lager 8, d.h. am Kurbelgehäuse an, während die Stelleinrichtung 3 und der Lagerring 9' an der Drucklagerscheibe 15 anliegt.

Ein Vormontageprozess der erfindungsgemäßen Nockenwellen- Baugruppe gemäß der Variante nach Fig. 1 gestaltet sich dabei wie folgt: Zunächst wird die Nockenwelle 1, beispielsweise eine SCP-Nockenwelle, in eine Vorrichtung eingelegt, welche die axiale Positionierung und eine Winkelausrichtung, vorzugsweise an den Nocken 5, 6 sicherstellt. Danach wird die Stelleinrichtung 3, auch Phasensteller genannt, in eine ähnliche Vorrichtung eingelegt, wobei ein Winkelbezug vorzugsweise über das Kettenrad 10 erfolgt. Nach diesem Justiervorgang werden beide Teile 1 und 10 zur Nockenwellen- Baugruppe zusammengefügt, wobei hierzu vorzugsweise die

Stelleinrichtung 3 erwärmt und mit dem Rotor 20 bzw. dem Stator 19 auf die zugehörige Welle 4, 2 aufgeschrumpft wird. Zur Montage der so vorgefertigten Nockenwellen-Baugruppe wird die Baugruppe in das Kurbelgehäuse eingelegt und hiernach die Lagerschalen 16 des Lagers 8 verschraubt. Danach werden mit dem Kettenrad 10 eine Kette an der Baugruppe angebracht und die Schraubverbindungsmittel, beispielsweise Kettenradschrauben, festgezogen.

Demgegenüber erfolgt die Montage der Nockenwellen-Baugruppe nach der Ausführungsform der Fig. 2 im Verbrennungsmotor durch ein Einschieben der vorgefertigten Nockenwellen- Baugruppe in das Kurbelgehäuse und ein Verschrauben der Schraubverbindungsmittel 17, bzw. ein Verrasten entsprechender Verrastungsmittel . Der Zugang zu den Schraubverbindungs- mitteln 17 wird hierbei über die Aussparungen 18 an der Stelleinrichtung 3 gewährleistet.

Im übrigen gestaltet sich mit Ausnahme der hinzukommenden Drucklagerscheibe 15 sowohl der Vormontage- als auch der Montageprozess gleich wie bei der Nockenwellen-Baugruppe gemäß der Fig. 1.

Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können dabei sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein.

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