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, wobei die mindestens eine zweite Nocke drehfest mit der Hohlwelle verbunden ist und wobei die drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor und der Welle durch mindestens eine Schraube hergestellt wird. Hintergrund der Erfindung

Nockenwellenanordnung dieser Art sind als„Cam in Cam"-Systenne bekannt. Mit ihnen können mindestens zwei Nocken der Nockenwelle - meist eine Anzahl jeweiliger Nocken - relativ zueinander auf der Nockenwelle verdreht werden, 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 beschrie- ben.

Bekannt ist es, die drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor bzw. einem Teil desselben und der Welle mittels einer Verschraubung herzustellen, wobei zumeist eine Zentralschraube eingesetzt wird, die konzentrisch zur Achse der Welle und Hohlwelle angeordnet ist. In den genannten Druckschriften ist teilweise eine solche Lösung gezeigt.

Es hat sich gezeigt, dass diese Verbindung eine gewisse Schwachstelle darstellt. Nur bei Ausbildung der Zentralschraube aus Dehnschraube kann eine hinreichende Vorspannung sichergestellt werden, so dass die Verbindung dauerhaft fest ist. Dennoch kann es unter starker Belastung zu einer Lösung der drehfesten Verbindung zwischen Welle und Rotor kommen. Demgemäß stellt die Verbindung der Welle mit dem Rotor 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 Nockenwellen- anordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Verbindung zwischen dem Rotor und der Welle verbessert wird. Dabei soll eine dauerhaft feste Verbindung sichergestellt werden können, ohne den zur Verfügung stehenden Bauraum vergrößern zu müssen. Zusammenfassung der Erfindung

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mit einer Stirnseite an einer Anlagefläche des Rotors anliegt und mittels der mindestens einen Schraube gegen die Anlagefläche gezogen wird, wobei die Welle entlang ihrer axialen Erstreckung, die sich im Bereich des Rotors befindet, eine Querschnittsfläche aufweist, die sich bis zur Stirnseite auf einen größeren Wert vergrößert.

Die Vergrößerung der Querschnittsfläche ist bevorzugt auf den unmittelbaren Bereich nahe der Stirnseite beschränkt. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Vergrößerung der Querschnittsfläche auf einen Bereich beschränkt ist, der sich maximal über 10 mm von der Stirnseite der Welle er- streckt; besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vergrößerung der Querschnittsfläche auf einen Bereich beschränkt ist, der sich zwischen 3 mm und 8 mm von der Stirnseite der Welle erstreckt.

Die Welle kann entlang ihrer axialen Erstreckung, die sich im Bereich des Ro- tors befindet und außerhalb der Vergrößerung der Querschnittsfläche liegt, einen konstanten Querschnitt aufweisen.

Der Außendurchmesser der Welle an ihrer Stirnseite entspricht vorzugsweise mindestens 80 % des Außendurchmessers eines Schraubenkopfes der Schraube, besonders bevorzugt mindestens 90 % des Außendurchmessers des Schraubenkopfes.

Der Übergang des Außendurchmessers der Welle vom Bereich der geringeren Querschnittsfläche zum Bereich der vergrößerten Querschnittsfläche erfolgt dabei bevorzugt stetig. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Übergang verrundet ausgebildet ist. Vorzugsweise ist eine einzige Schraube vorhanden, die als Zentralschraube mit ihrer Achse konzentrisch zur Welle angeordnet ist; die Schraube ist dabei mit Vorteil als Dehnschraube ausgebildet. Die Welle kann entlang ihrer axialen Erstreckung, die sich im Bereich des Rotors befindet, als Hohlwelle ausgebildet sein und bis zur Stirnseite einen konstanten Innendurchmesser aufweisen. Die Welle kann weiterhin entlang ihrer axialen Erstreckung, die sich im Bereich des Rotors befindet, bis zur Vergrößerung ihrer Querschnittsfläche einen Außendurchmesser aufweisen, der höchs- tens 90 % des Außendurchmessers der Welle an ihrer Stirnseite beträgt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser der Welle bis zur Vergrößerung ihrer Querschnittsfläche zwischen 80 % und 90 % des Außendurchmessers der Welle an ihrer Stirnseite beträgt. Die Winkelverstellvorrichtung ist vorzugsweise als hydraulische Versteilvorrichtung ausgebildet.

Mit dieser Ausgestaltung wird es möglich, eine sehr feste Verbindung zwischen Rotor und Welle herzustellen, die wenig Raum einnimmt. Durch die Vergröße- rung des stirnseitigen Endbereichs der Welle wird die Kontaktfläche zum Rotor wesentlich erhöht, so dass sich eine verbesserte und festere Anlage der Welle am Rotor ergibt.

Kurze Beschreibung der Figuren

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

Fig. 1 a den Radialschnitt durch eine Nockenwellenanordnung eines

Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle, die aus zwei konzentrischen Wellen besteht, wobei die Anordnung eine Winkelverstellvorrichtung aufweist, die Einzelheit„X" gemäß Fig. 1 a,

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

Ein- und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors nach einer ers- ten 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 a und Fig. 1 b 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 Verbren nungsmotors 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 Einlassnockenwelle 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 Vorrichtung 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 5 ist mit der Welle 6 drehfest verbunden, wobei hierfür eine Zentral- schraube 8 eingesetzt wird. Durch die Zentralschraube 8 wird eine feste radiale und axiale Verbindung zwischen Rotor 5 und Welle 6 sichergestellt.

Damit diese Verbindung besonders fest ausgebildet ist, sieht die Erfindung vor, dass die Welle 6 mit einer ihrer Stirnseiten 9 an einer Anlagefläche 10 des Rotors 5 anliegt und mittels der Zentralschraube 8 gegen die Anlagefläche 10 gezogen wird. Damit es zu einer verbesserten Anlage der Wellenstirnseite an der Anlagefläche kommt, ist vorgesehen, dass die Welle 6 entlang ihrer axialen Erstreckung, die sich im Bereich des Rotors 5 befindet, eine Querschnittsfläche A-i aufweist, die sich bis zur Stirnseite 9 auf einen größeren Wert A ₂ vergrößert. Die Flächen A-, und A ₂ sind in Fig. 1 b angedeutet; es handelt sich vorliegend um kreisringförmige Flächen.

Die bevorzugte Dimensionierung der stirnseitigen Verbreiterung der Welle 6 ergibt sich auch den angegebenen Geometriedaten. Die Welle 6 ist im axialen Bereich des Rotors 5 als Hohlwelle ausgeführt und hat demgemäß einen Innendurchmesser D|. Der Außendurchmesser der Welle 6 ist mit D _A o angegeben. Zum stirnseitigen Ende der Welle 6 hin verbreitert sich die Welle 6, d. h. der Außendurchmesser steigt auf einen Wert D _A an. Der axiale Bereich, über den die Vergrößerung der Querschnittsfläche erfolgt, ist mit x angegeben.

Der Außendurchmesser D _A im stirnseitigen Endbereich der Welle 6 ist dabei bevorzugt etwa so groß wie der Außendurchmesser D _A s des Schraubenkopfs 1 1 der Zentralschraube 8 bzw. er ist geringfügig kleiner. Wie weiter gesehen werden kann, ist der Übergang 12 von der kleineren auf die größere Querschnittsfläche gerundet ausgebildet, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Der Stator 4 weist im übrigen ein Deckelelement 13 auf, das mittels Schrauben 14 mit dem Stator 4 verbunden ist. Mit dem Deckelelement 13 ist die Hohlwelle 7 drehfest verbunden. Die drehfeste Verbindung zwischen Stator 4 und Hohlwelle 7 erfolgt über das mit dem Stator 4 verbundenes Deckelelement 8 dabei in der Weise, dass das Deckelelement 13 eine Bohrung zur Aufnahme eines zylindrischen Abschnitts der Hohlwelle 7 aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass in der zylindrischen Kontaktfläche 15 zwischen Deckelelement 13 und Hohlwelle 7 eine kraftschlüssige und/oder eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt. An der dem Deckelelement 13 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 ausgebildet 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 Rotor 5 und der Welle 6 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 Stator 4 und der Hohlwelle 7.

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) betä- tigt 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 Lastzustand 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 erfolgen. 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 Schraube (Zentralschraube)

9 Stirnseite

10 Anlagefläche

1 1 Schraubenkopf

12 Übergang

13 Deckelelement

14 Schraube

15 zylindrische Kontaktfläche

16 Deckelelement

17 Ritzel

A-i Querschnittsfläche

A ₂ Querschnittsfläche

x Bereich (axiale Erstreckung)

D _A Außendurchmesser

D _AS Außendurchmesser des Schraubenkopfes

Di Innendurchmesser

D _A o Außendurchmesser