Nockenwellenanordnung Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenanordnung zur Veränderung der relativen Winkellage mindestens einer ersten Nocke einer Nockenwelle relativ zu einer zweiten Nocke der Nockenwelle, wobei die Anordnung eine Winkelverstellvorrichtung umfasst, die einen Stator und einen relativ zu diesem drehbar angeordneten Rotor aufweist, wobei der Rotor drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei der Stator drehfest mit einer Hohlwelle verbunden ist, wobei die Welle und die Hohlwelle konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die mindestens eine erste Nocke drehfest mit der Welle verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Nocke drehfest mit der Hohlwelle verbunden ist.

Hintergrund der Erfindung Nockenwellenanordnung dieser Art sind als„Cam in Cam"-Systeme bekannt. Mit ihnen können mindestens zwei Nocken der Nockenwelle - meist eine Anzahl jeweiliger Nocken - relativ zueinander auf der Nockenwelle verdreht wer- den, um die Steuerzeiten der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors zu verändern. Derartige Nockenwellensysteme sind beispielsweise in der EP 1 945 918 B1 , in der GB 2 423 565 A und in der WO 2009/098497 A1 beschrieben.

Bekannt ist es, die drehfeste Verbindung zwischen dem Stator bzw. einem Teil desselben und der Hohlwelle mittels einer Verschraubung herzustellen, genauso, wie es für die Verbindung zwischen der inneren Welle und dem Rotor typisch ist. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass hierfür ein relativ großer radia- ler Bauraum benötigt wird. Dies ist insbesondere problematisch, wenn der Verbrennungsmotor in der OHC-Bauart (Overhead Camshaft) ausgeführt ist. Weiter erhöht sich durch diese Verbindung das Gewicht der Anordnung.

Weiterhin ist es bei Nockenwellenverstellsystemen bekannt geworden, die drehfeste Verbindung mit einem oder mehreren Bolzen herzustellen, die in die Anordnung eingepresst werden (s. hierzu die GB 2 423 565 A, Figur 1 und dort den pin 38). Eine solche Lösung ist allerdings gegen Bauteilversagen anfällig. Weiterhin kann sich bei dieser Lösung relativ leicht über der Zeit Spiel ausbilden, was sich durch Verschleiß und Verformungen der Bauteile erklärt.

Demgemäß stellt die Verbindung der Hohlwelle mit dem Stator bei gattungsgemäßen Versteilvorrichtungen eine Schwachstelle dar, die im Versagensfall zu einem Funktionsausfall der Nockenwellenanordnung führen kann. Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die A u fg a b e zugrunde, eine Nockenwellenanordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Verbindung zwischen dem Stator und der Hohlwelle verbessert wird. Dabei soll insbeson- dere eine radial platzsparende Lösung angestrebt werden, da der zur Verfügung stehende Bauraum sehr begrenzt ist. Zusammenfassung der Erfindung

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung zwischen Stator und Hohlwelle über ein fest mit dem Stator verbundenes Deckelelement erfolgt, wobei das Deckelelement eine Bohrung zur Aufnahme eines zylindrischen Abschnitts der Hohlwelle aufweist und wobei in der zylindrischen Kontaktfläche zwischen Deckelelement und Hohlwelle eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung vorliegt. Die Bohrung ist bevorzugt konzentrisch zur Welle und Hohlwelle angeordnet. Das Deckelelement ist zumeist mit dem Stator verschraubt.

Die kraftschlüssige Verbindung kann durch einen Presssitz oder einen Schrumpfsitz zwischen der Bohrung und dem zylindrischen Abschnitt herge- stellt sein. Damit eine hinreichende Kontaktfläche für die Übertragung eines ausreichend großen Drehmoments zur Verfügung steht, sieht eine besonders bevorzugte Ausführung vor, dass das Deckelelement eine weitgehend konstante Dicke in Achsrichtung der Welle und Hohlwelle aufweist, wobei das Deckelelement im Bereich der Bohrung in seiner Dicke erweitert ist, um die Länge der zylindrischen Kontaktfläche zu vergrößern. Das Deckelelement hat dabei bevorzugt eine ebene Stirnseite, wobei sich dann die erweiterte Dicke ins Innere der Anordnung erstreckt.

Die stoffschlüssige Verbindung kann durch eine Verschweißung von Deckel- element und Hohlwelle hergestellt sein. Insbesondere kann es sich bei der Verschweißung um eine Laserstrahl- oder Elektronenstrahlverschweißung handeln.

Die stoffschlüssige Verbindung kann auch durch eine Verlötung von Deckel- element und Hohlwelle hergestellt sein. Hierbei ist insbesondere an eine Hart- verlötung gedacht. Möglich ist weiterhin, dass die stoffschlüssige Verbindung durch eine Verklebung von Deckelelement und Hohlwelle hergestellt ist.

Zwischen Deckelelement und Hohlwelle kann auch sowohl eine kraftschlüssige als auch eine stoffschlüssige Verbindung vorliegen.

Die Welle ist vorzugsweise mit dem Rotor durch eine Schraubverbindung verbunden, wobei die Schraubverbindung bevorzugt eine koaxial zur Welle angeordnete Zentralschraube umfasst.

Die Winkelverstellvorrichtung ist vorzugsweise als hydraulische Versteilvorrichtung ausgebildet.

Mit dieser Ausgestaltung wird es möglich, eine sehr feste Verbindung zwischen Stator und Hohlwelle herzustellen, die wenig Raum einnimmt.

Kurze Beschreibung der Figuren

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den Radialschnitt durch eine Nockenwellenanordnung eines

Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle, die aus zwei konzentrischen Wellen besteht, wobei die Anordnung eine Winkelverstellvorrichtung aufweist,

Fig. 2 schematisch den zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens von

Ein- und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors nach einer ersten möglichen Betätigungsweise, Fig. 3 schematisch den zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens der Ventile nach einer zweiten möglichen Betätigungsweise, Fig. 4 schematisch den zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens der

Ventile nach einer dritten möglichen Betätigungsweise und

Fig. 5 schematisch den zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens der

Ventile nach einer vierten möglichen Betätigungsweise.

Ausführliche Beschreibung der Figuren

In Fig. 1 ist eine Nockenwellenanordnung 1 dargestellt, die eine Nockenwelle 2 umfasst, die (nicht dargestellte) Nocken aufweist, die in bekannter Weise mit Gaswechselventilen zusammenwirken, um den Gasaustausch in einer Brennkraftmaschine zu steuern.

Eine Anordnung dieser Art dient dazu, die Ventilsteuerzeiten eines Verbrennungsmotors zu variieren. Zumeist werden hydraulisch betätigte Versteller ein- gesetzt.

Nach einer ersten Fahrstrategie wird die Steuerung eines Einlassventils relativ zu einem Auslassventil - bzw. umgekehrt - verändert, was zumeist in Motoren der Bauarten SOHC (Single Overhead Camshaft) oder OHV (Overhead Valves) nützlich ist. Dies erlaubt die Veränderung der Einlassphase oder der Auslassphase mit einer einzigen Nockenwelle.

Eine zweite Fahrstrategie sieht vor, dass die Steuerzeiten eines Satzes Einlassventile relativ zu einem anderen Satz von Ventilen mit einer einzelnen Ein- lassnockenwelle verändert werden. Dies kann eingesetzt werden, wenn zwei oder möglicherweise drei Einlassventile pro Zylinder vorgesehen sind und es gewünscht wird, die Steuerzeiten eines der Einlassventile relativ zu den anderen an einem Zylinder zu verändern. Nach einer dritten Fahrstrategie werden die Steuerzeiten eines Satzes von Auslassventilen relativ zu einem anderen Satz von Ventilen mit einer einzelnen Auslassnockenwelle verändert. Dies kann zum Einsatz kommen, wenn zwei oder möglicherweise drei Auslassventile pro Zylinder vorgesehen sind, wobei es gewünscht ist, die Steuerzeiten eines Auslassventils relativ zu den anderen an einem Zylinder zu verändern.

Hier weist die Nockenwellenanordnung 1 eine Winkelverstellvorrichtung 3 auf, die mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Auf der Nockenwelle sind Nocken für beispielsweise die Einlass- und Auslassventile des Verbrennungsmotors angeordnet. Mittels der Winkelverstellvorrichtung 3 ist es möglich, einen Teil der Nocken relativ zu einem anderen Teil der Nocken zu verdrehen. Hierfür besteht die Nockenwelle 2, aus zwei koaxial angeordneten Wellenelementen, nämlich aus einer Welle 6 und einer Hohlwelle 7, in der die Welle 6 koaxial angeordnet ist. Die sich auf der Nockenwelle 2 befindlichen Nocken sind entweder mit der Welle 6 oder mit der Hohlwelle 7 drehfest verbunden. Details hierzu gehen aus der EP 1 945 918 B1 hervor. Die Winkelverstellvorrichtung 3 weist einen Stator 4 und einen Rotor 5 auf, die relativ zueinander - im Ausführungsbeispiel mittels hydraulischer Betätigung - um einen definierten Winkel verdreht werden können. Diese Erzeugung dieser Verdrehfunktion ist im Stand der Technik bekannt, wobei exemplarisch auf die DE 103 44 816 A1 Bezug genommen wird. In der dort beschriebenen Vorrich- tung ist ein Flügelrad vorhanden, in das Flügel eingeformt oder in dem Flügel angeordnet sind. Die Flügel befinden sich in Hydraulikkammern, die in einem Rotor eingearbeitet sind. Durch entsprechende Beaufschlagung der jeweiligen Seite der Hydraulikkammern mit Hydraulikfluid kann eine Verstellung des Rotors relativ zum Stator erfolgen.

Der Rotor 6 ist mit der Welle 6 drehfest verbunden, wobei hierfür eine Zentralschraube 13 eingesetzt wird. Durch die Zentralschraube 13 wird eine feste radiale und axiale Verbindung zwischen Rotor 5 und Welle 6 sichergestellt. Der Stator 4 weist ein Deckelelement 8 auf, das mittels Schrauben 14 mit dem Stator 4 verbunden ist. Mit dem Deckelelement 8 ist die Hohlwelle 7 drehfest verbunden. Die drehfeste Verbindung zwischen Stator 4 und Hohlwelle 7 er- folgt über das mit dem Stator 4 verbundenes Deckelelement 8 dabei in der Weise, dass das Deckelelement 8 eine Bohrung 9 zur Aufnahme eines zylindrischen Abschnitts 10 der Hohlwelle 7 aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass in der zylindrischen Kontaktfläche 1 1 zwischen Deckelelement 8 und Hohlwelle 7 eine kraftschlüssige und/oder eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt.

Hierfür ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vorgesehen, dass die Hohlwelle 7 mit ihrem zylindrischen Abschnitt 10 mittels Presspassung in der Bohrung 9 sitzt. Diese Presspassung kann durch axiales Einpressen des zylindrischen Abschnitts 10 in die Bohrung 9 und/oder auch durch Wärmeschrumpfen herge- stellt werden. Die Presspassung eliminiert alle axialen und radialen Spiele zwischen Deckelelement 8 und Hohlwelle 7.

Um die Bohrung 9 mit einer hinreichend langen Erstreckung in Achsrichtung zu versehen, ist das Deckelelement 8 im Bereich der Bohrung 9 mit einer sich in Achsrichtung erstreckenden Verbreiterung 15 versehen. Mit dieser wird eine ausreichende Kontaktlänge sichergestellt, so dass die Verbindung mittels Presssitz zwischen Deckelelement 8 und Hohlwelle 7 ausreichend fest ist. Demgemäß ist die weitgehend homogene Dicke d des Deckelelements 8 über dessen radial Erstreckung im Bereich der Bohrung 9 infolge der Verbreiterung 15 auf den Wert D erhöht, der bevorzugt mindestens das 1 ,5-fache, besonders bevorzugt mindestens das 2-fache, des Wertes von d beträgt.

Die äußere Stirnseite 12 des Deckelelements 8 ist weitgehend eben ausgebildet, d. h. die Verbreiterung 15 erstreckt sich ins Innere der Winkelverstellvor- richtung 3.

An der dem Deckelelement 8 gegenüberliegenden Seite ist die Winkelverstellvorrichtung 3 mit einem weiteren Deckelelement 16 verschlossen. Der Antrieb der Winkelverstellvorrichtung 3 und damit der Nockenwelle 2 erfolgt in bekannter Weise über ein Ritzel 17 über eine von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebene (nicht dargestellte) Kette. Das Ritzel 17 ist hier als separates Bauteil ausgebildet. Es kann aber auch in den Stator 4 integriert ausge- bildet sein.

Damit ist es möglich, die Phasenlage zwischen den Nocken, die mit der Hohlwelle 7 drehfest verbunden sind, und den Nocken, die mit der Welle 6 drehfest verbunden sind, zu beeinflussen, d. h. zu verstellen. Die Verbindung zwischen dem Deckelelement 8 und der Hohlwelle 7 ist dabei erfindungsgemäß so fest ausgebildet, dass ein ausreichendes Drehmoment übertragen werden kann, um gegen die Federkraft der Gaswechselventile die Betätigung der Nocken zu bewerkstelligen. Dasselbe gilt natürlich für die Verbindung zwischen dem Rotor 5 und der Welle 6 mittels der Zentralschraube 13.

Die durch die Nockenwellenanordnung mögliche Betriebsweise eines Verbrennungsmotors ist in den Figuren 2 bis 5 illustriert. Die Figuren zeigen jeweils den Verlauf des Öffnungsweges, den eine Nocke auf ein Ventil ausübt, über der Zeit.

In einem Motor mit einer einzelnen Nockenwelle (SOHC-Bauweise - Single Overhead Camshaft) bzw. einem Motor in OHV-Bauart (Overhead Valve) betätigt die Welle 6 die Auslassventile, wobei die Steuerung der Auslassventile relativ zur Kurbelwelle des Motors verstellt werden können. Die Betätigung der Auslassventile ist dabei in der linken Figurenhälfte in Fig. 2 zu sehen, während in der rechten Figurenhälfte die Betätigung der Einlassventile zu sehen ist. Die gestrichelten Kurvenverläufe für die Auslassventile und die Verschiebung in Richtung des Doppelpfeils geben an, dass hierfür die Verstellmöglichkeit der Winkelverstellvorrichtung 3 genutzt wird.

Dies ermöglicht im Falle von Fig. 2 die optimierte Steuerung, d. h. das Öffnen und Schließen, der Auslassventile, abhängig von der Drehzahl und vom Last- zustand des Verbrennungsmotors. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer höheren Treibstoffeffizienz und zu reduzierten Emissionen.

In Fig. 3 ist für dieselbe Bauweise des Motors wie bei Fig. 2 zu sehen, wie der Verlauf aussieht, wenn die Welle 6 die Einlassventile betätigt. Wiederum ist die Betätigung der Auslassventile in der linken Bildhälfte zu sehen und die der Einlassventile in der rechten Bildhälfte. Hier kann nun - wiederum zu erkennen an den gestrichelten Kurvenverläufen und dem Doppelpfeil - die Phasenlage der Einlassventile relativ zur Kurbelwelle variiert werden.

Dies ermöglicht im Falle von Fig. 3 die optimierte Steuerung, d. h. das Öffnen und Schließen, der Einlassventile abhängig von der Drehzahl und vom Lastzustand des Verbrennungsmotors. Die volumetrische Effizient kann verbessert werden, was zu einer verbesserten Drehmomententwicklung des Motors sowie zu einer höheren Treibstoffeffizienz und zu besserem Laufverhalten des Motors führt.

In einem Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC-Bauart) kann vorgesehen werden, dass die Welle 6 mit den drehfest auf ihr befestigten No- cken ein oder mehrere Auslassventile pro Zylinder betätigt, während die verbleibenden Auslassventile durch die Hohlwelle 7 und den auf ihr drehfest angeordneten Nocken betätigt werden. Eine solche Lösung zeigt Fig. 4. In diesem Falle kann für jeden Zylinder eine Verstellung der Betätigung eines oder mehrerer der Auslassventile relativ zu den verbleibenden Auslassventilen er- folgen. In der linken Figurenhälfte in Fig. 4 ist zu sehen, dass mindestens ein Auslassventil (s. ausgezogene Linie) mit festen Steuerzeiten beaufschlagt wird, während mindestens ein weiteres Auslassventil (s. gestrichelte Linien und Doppelpfeil) hinsichtlich der Steuerzeiten verstellbar ist. Die Einlassventile sind vorliegend in den Steuerzeiten unverstellbar (s. rechte Figurenhälfte).

Damit kann die Dauer des Öffnens der Auslassventile verändert werden, so dass die Öffnungszeit der Auslassventile optimiert werden kann. Eine frühe Öffnung der Auslassventile vor dem unteren Totpunkt (UT) ermöglicht ein schnelles Aufwärmen des Verbrennungsmotors, was die Kaltstart-Emissionen verringert.

Eine analoge Lösung zu Fig. 4 ist in Fig. 5 skizziert. Auch hier kommt ein Motor mit DOHC-Bauart zum Einsatz. Die Welle 6 betätigt hier ein oder mehrere Einlassventile pro Zylinder, während die verbleibenden Einlassventile von der Hohlwelle 7 betätigt werden.

Damit kann wiederum eine Steuerung dahingehend erfolgen, dass die Ventil- Öffnungszeiten am Einlass variiert werden können. Die ausgezogene Linien in der rechten Figurenhälfte von Fig. 5 zeigt wiederum die Steuerung eines oder mehrerer Einlassventile mit unveränderlichen Steuerzeiten, während die gestrichelten Linien und der Doppelpfeil angeben, dass der Rest der Einlassventile bezüglich ihrer Steuerung mittels der Winkelverstellvorrichtung 3 zeitlich ver- ändert werden können.

Somit kann hier analog zu Fig. 4 die Dauer der Öffnung der Einlassventile verändert werden. Weiterhin kann auch die Schließzeit der Einlassventile optimiert werden. Dies kann genutzt werden um eine Strategie des späten Einlass- ventil-Schließens zu fahren (LIVC - Late Intake Valve Closing).

Das Schließen der Einlassventile hinter dem unteren Totpunkt (UT) ermöglicht es, dass ein Teil des Gases zurück in den Ansaugtrakt gedrückt wird, was die Länge des Kompressionstakts reduziert. Dies führt zu einer Reduzierung der Pumpverluste des Motors und so zu einer verbesserten Treibstoff-Effizienz. Das Schließen der Einlassventile kann abhängig von der Drehzahl und von der Motorlast optimiert werden. Bezugszeichenliste

1 Nockenwellenanordnung

2 Nockenwelle

3 Winkelverstellvorrichtung

4 Stator

5 Rotor

6 Welle

7 Hohlwelle

8 Deckelelement

9 Bohrung

10 zylindrischer Abschnitt

1 1 zylindrische Kontaktfläche

12 Stirnseite

13 Zentralschraube

14 Schraube

15 Verbreiterung

16 Deckelelement

17 Ritzel d Dicke

D Dicke