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Title:
CAMSHAFT, ESPECIALLY FOR MOTOR VEHICLE ENGINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/023924
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a camshaft comprising a first hollow outer shaft and a second inner shaft arranged coaxially in the outer shaft (1) and mounted in such a way that it can rotate in relation to the outer shaft (1). According to the invention, the first shaft and the second shaft are supported against each other in the axial direction (x) by means of a formfitting shape (5), the first shaft, seen in the axial direction (x), comprising a first contact surface (6a) on one side of the formfitting shape (5) and a second contact surface (6b) on the other side of the formfitting shape (5), for supporting the second shaft in a rotationally movable manner by means of the formfitting shape (5). Furthermore, the formfitting shape (5) and at least one of the associated contact surfaces (6a) are divided such that, in a first angular position of the inner shaft (2) in relation to the outer shaft (1), the inner shaft (2) can be inserted into the outer shaft (1), and in a second angular position, the inner shaft (2) is fixed in relation to the outer shaft (1) in the axial direction (x).

Inventors:
KUNZ MICHAEL (DE)
MANN BERND (DE)
MELZER MARKUS (DE)
MEUSEL JUERGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/065060
Publication Date:
February 21, 2013
Filing Date:
August 01, 2012
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP PRESTA TECCT AG (LI)
KUNZ MICHAEL (DE)
MANN BERND (DE)
MELZER MARKUS (DE)
MEUSEL JUERGEN (DE)
International Classes:
F01L1/047; F01L1/053
Foreign References:
GB2444943A2008-06-25
GB2424256A2006-09-20
DE102010012917A12011-04-07
DE4244691A11994-03-10
ES2065224A21995-02-01
DE102005062207A12007-06-28
DE3943426C11991-04-11
Attorney, Agent or Firm:
LORENZ, BERND (DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1 . Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeug motoren, mit einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die eine hohle Außenwelle (1 ) und eine koaxial in der Außenwelle (1 ) angeordnet und gegenüber der Außenwelle (1 ) verdrehbar gelagerte Innenwelle (2) bilden, mit ersten an der Außenwelle (1 ) fest angeordneten Nocken (3a) und mit zweiten Nocken (3b), die drehbar auf der Außenwelle (1 ) angeordnet und an der Innenwelle (2) befestigt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Welle und die zweite Welle in axialer Richtung durch eine Formschlussausformung (5) gegenein- ander abgestützt sind, wobei die erste Welle in axialer Richtung (x) gesehen auf der einen Seite der Formschlussausformung (5) eine erste Kontaktfläche (6a) und auf der anderen Seite der Formschlussausformung (5) eine zweite Kontaktfläche (6b) zur drehbeweglichen Abstützung der zweiten Welle über die Formschlussausformung (5) aufweist und dass die Formschlussausformung (5) sowie zumindest eine der zugeordneten Kontaktflächen (6a) derart unterteilt sind, dass bei der Montage in einer ersten Winkelstellung der Innenwelle (2) gegenüber der Außenwelle (1 ) die Innenwelle (2) in die Außenwelle (1 ) einschiebbar ist und dass in einer zweiten Winkelstellung die Innenwelle (2) gegenüber der Außenwelle (1 ) in axialer Richtung (x) fixiert ist.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenwelle (2) an einem Nockenwellenende über einen rohrförmigen Grundkörper (8) der Außenwelle (1 ) hinauserstreckt und dort die Formschlussaus-

formung (5) aufweist, die über den Innendurchmesser des Grundkörpers (8) in radialer Richtung vorsteht.

3. Nockenwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Form- schlussausformung (5) in axialer Richtung (x) gesehen an beiden Seiten an

Kontaktflächen (6a, 6b) eines fest mit dem Grundkörper (8) verbundenen Teils der Außenwelle (1 ) abstützt.

4. Nockenwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil der Außenwelle (1 ) ein Funktionselement (9) der Nockenwelle ist.

5. Nockenwelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil der Außenwelle (1 ) durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung fest an dem Grundkörper (8) befestigt ist.

6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwelle (2) einen rohr- oder stabförmigen Innenwellengrundkorper (7) sowie ein Innenwellenendstück (1 1 ) aufweist, wobei die Formschlussausformung (5) oder die Kontaktflächen (6a, 6b) an dem Innenwellenendstück (1 1 ) gebildet ist bzw. sind.

7. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussausformung (5) sich auch in radialer Richtung an der ersten Welle abstützt.

8. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Formschlussausformung (5) zumindest ein sich nur über einen Teil des Umfangs erstreckender Zahn (14) vorgesehen ist.

9. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Form- schlussausformung von mehreren Zähnen (14) gebildet ist, die gleichmäßig um den Umfang verteilt sind. 10. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die ersten Nocken (3a) sowie die zweiten Nocken (3b) auf die Außenwelle (1 ) aufgebracht werden, wobei zumindest die ersten Nocken (3a) auf der Außenwelle (1 ) befestigt werden und die zweiten Nocken (3b) auf der Außenwelle (1 ) verdrehbar und axial verschiebbar geführt sind, wobei nach- folgend die Innenwelle (2) in einer geeigneten Winkelstellung gegenüber der Außenwelle (1 ) in diese eingeschoben wird und wobei durch eine Verdrehung der Innenwelle (2) gegenüber der Außenwelle (1 ) in axialer Richtung eine formschlüssige Abstützung erzeugt wird, bevor in dieser abgestützten Position die zweiten Nocken (3b) mit der Innenwelle (2) verbunden werden.

Description:
Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeug motoren

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeug- motoren, mit einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die eine hohle Außenwelle und eine koaxial in der Außenwelle angeordnete und gegenüber der Außenwelle verdrehbar gelagerte Innenwelle bilden, mit ersten an der Außenwelle fest angeordneten Nocken und mit zweiten Nocken, die drehbar auf der Außenwelle angeordnet und an der Innenwelle befestigt sind. Im Rahmen der Erfindung kann je nach Ausgestaltung die erste Welle die Außenwelle oder die Innenwelle sein, wobei dann die zweite Welle entsprechend die Innenwelle bzw. Außenwelle ist.

Durch eine Verstellung der ersten Nocken gegenüber den zweiten Nocken ist eine variable Steuerung der Ventile eines Verbrennungsmotors möglich. So kann beispielsweise last- und drehzahlabhängig das Verhältnis von Einlasszeit und Auslasszeit verändert werden, wobei die Einlassventile einerseits und die Auslassventile andererseits mit dem gegeneinander verstellbaren Gruppen von Nocken betätigt werden. Die Verdrehung von Innenwelle und Außenwelle erfolgt üblicherweise durch Versteileinrichtungen, die auch als Phaser bezeichnet werden. Um eine präzise Positionierung der Nocken sowie gleichzeitig eine leichte Verstellbarkeit der Innenwelle zu der Außenwelle zu ermöglichen, müssen die beiden Wellen in geeigneter Weise verdrehbar zueinander gelagert sein. So ist es bei einer gattungsgemäßen Nockenwelle mit den eingangs beschriebenen Merkmalen gemäß der DE 39 43 426 C1 bekannt, an den Enden der ineinander liegenden Wellenelemente Lagerhülsen vorzusehen, welche neben einer radialen Lagerung auch eine axiale Fixierung bewirken. Es ergibt sich der Nachteil, dass die axiale Lagerung durch voneinander getrennte, weit beab-

standete Elemente bereitgestellt wird, weshalb neben einem erhöhten Fertigungsaufwand auch die erhöhte Gefahr einer Fehlfunktion besteht. Für eine präzise axiale Lagerung ist es auch von Vorteil, wenn an den Abstützungs- flächen formstabile Materialien vorgesehen sind, die vorzugsweise auch einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Eine axiale Ab- stützung über weiche Dichtungen oder dergleichen ist in der Regel nicht ausreichend.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verstell- bare Nockenwelle mit einer Innenwelle und einer Außenwelle anzugeben, bei der auf einfache Weise eine präzise und zuverlässige Lagerung in axialer Richtung verwirklicht ist.

Ausgehend von einer Nockenwelle mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Welle und die zweite Welle in axialer Richtung durch eine Formschlussausformung gegeneinander abgestützt sind, wobei die erste Welle in axialer Richtung gesehen auf der einen Seite der Formschlussausformung eine erste Kontaktfläche und auf der anderen Seite der Formschlussausformung eine zweite Kontaktfläche zur drehbeweglichen Abstützung der zweiten Welle über die Formschlussausformung aufweist und dass die Formschlussausformung sowie zumindest eine der zugeordneten Kontaktflächen derart unterteilt sind, dass bei der Montage in einer ersten Winkelstellung der Innenwelle gegenüber der Außenwelle die Innenwelle in die Außenwelle einschiebbar ist gegenüber der Außenwelle die Innenwelle in die Außenwelle einschiebbar ist und dass in einer zweiten Winkelstellung die Innenwelle gegenüber der Außenwelle in axialer Richtung fixiert ist. Im Rahmen der Erfindung wird als Welle nicht nur ein rohr- oder stabförmiger Grundkörper, sondern auch eine aus mehreren drehfest miteinander verbundenen Teilen gebildete Einheit verstanden. Die Formschluss-

ausformung kann je nach Ausgestaltung zur gleitenden sowie zur rollenden Lagerung nach Art eines Wälzlagers vorgesehen sein, wobei dann zweck- mäßigerweise mehrere voneinander separate Formschlussausformungen vorgesehen sind.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Formschlussausformung sowie zumindest eine der zugeordneten Kontaktflächen, nämlich die dem Wellenende näherliegende Kontaktfläche, derart unterteilt sind, dass in einer ersten Winkelstellung der Innenwelle gegenüber der Außenwelle die Innenwelle in die Außenwelle einschiebbar ist und dass in einer zweiten Winkelstellung die Innenwelle gegenüber der Außenwelle in axialer Richtung fixiert ist.

So ist es beispielsweise möglich, einen endseitigen Abschnitt der Außenwelle, der auch die dem Ende der Nockenwelle näherliegende Kontaktfläche bildet, sowie die an der Innenwelle angeordnete Formschlussausformung mit ineinander greifenden Zähnen und Freiräumen zu versehen, wobei in der Winkelstellung, in der die Innenwelle in die Außenwelle eingeschoben wird, die zahnartigen Vorsprünge der Innenwelle in die Freiräume zwischen den zahnartigen Vorsprüngen der Außenwelle eingreifen. Im eingeschobenen Zustand liegen dann die Vorsprünge der Innenwelle an der dem Wellenende weiter entfernt liegenden Kontaktfläche an. Durch eine Verdrehung von Innenwelle und Außenwelle werden dann die Vorsprünge der Innenwelle durch die dann in axialer Richtung anschließenden, nach innen gewandten Zähne der Außenwelle blockiert, wodurch die axiale Abstützung gewährleistet ist. Die Zahnteilung und -anordnung ist so zu wählen, dass über den gesamten Stellbereich von Innenwelle und Außenwelle mit den jeweils daran angeschlossenen Nocken eine ausreichende axiale Abstützung gewährleistet bleibt.

Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn die Innenwelle lediglich einen einzelnen Zahn bzw. einen sich über einen Teil des Umfanges erstreckenden Vorsprung aufweist, wobei die Außenwelle entsprechend einen angepassten Freiraum aufweisen muss.

Darüber hinaus sind aber auch zwei oder mehr Zähne möglich, wobei über den Umfang eine gleichmäßige Verteilung bevorzugt wird. Es ergibt sich damit eine Verbindung nach Art eines Bajonettverschlusses, wobei eine Verriegelung über eine Nut-/Federverbindung realisiert wird.

Die Herstellung erfolgt üblicherweise derart, dass zunächst sämtliche Nocken auf der Außenwelle aufgebracht werden, wobei zumindest die ersten Nockenlager und Funktionselemente auf der Außenwelle befestigt werden und die zweiten Nocken auf der Außenwelle verdrehbar und axial verschiebbar geführt sind. Nachfolgend wird die Innenwelle in einer geeigneten Winkelstellung gegenüber der Außenwelle in diese eingeschoben. Durch eine Verdrehung der Innenwelle gegenüber der Außenwelle wird dann in axialer Richtung die beschriebene formschlüssige Abstützung erzeugt, bevor dann in dieser abgestützten Position die zweiten Nocken in an sich bekannter Weise, beispiels- weise mit einem Stift, einer Schraube oder dergleichen, mit der Innenwelle verbunden werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die zur axialen Lagerung zusammenwirkenden Flächen, das heißt die beiden Kontaktflächen sowie die zugeordneten Flächen der Formschlussausformung, mit einer Oberflächenvergütung versehen sind. Neben einem Feinschleifen kommen zusätzlich oder alternativ auch eine Verhärtung, eine Beschichtung oder dergleichen in Betracht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Formschlussausformung als Bestandteil der Innenwelle in axialer Richtung gesehen an beiden Seiten an gegenüberliegenden Kontaktflächen eines fest mit dem Grundkörper verbundenen Teils der Außenwelle abgestützt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die Formschlussausformung an einem Teil abstützt, welches auch ein Funktionselement der Nockenwelle ist.

Wenn die Formschlussausformung als radialer Vorsprung der Innenwelle ausgebildet ist, kann diese Formschlussausformung entweder an einem rohr- oder stabförmigen Innenwellengrundkörper oder an einem mit dem Innen- wellengrundkörper verbundenen Teil gebildet sein. Die Erzeugung der Formschlussausformung an dem stabförmigen Innenwellengrundkörper ist beispielsweise bei einem Gieß- oder Schmiedeverfahren möglich. Darüber hinaus kann die Formschlussausformung auch durch eine spanabhebende Bearbeitung, bei- spielsweise ein Drehen, erzeugt werden. Wenn gemäß der weiteren beschriebenen Alternative die Formschlussausformung von einem separaten, mit dem Innenwellengrundkörper fest verbundenen Teil gebildet ist, ergibt sich der Vorteil, dass der Innenwellengrundkörper selbst sehr einfach als gerade verlaufender Stab, als Rohr oder dergleichen ausgeführt sein kann, wobei dann auch eine besonders kostengünstige und einfache Herstellung des Innenwellen- grundkörpers möglich ist.

Im Rahmen der Erfindung kann im Bereich der Formschlussausformung zusätzlich auch eine radiale Abstützung der Wellen gegeneinander vorgesehen sein. So kann die Formschlussausformung an ihrer radialen Endfläche an einer zugeordneten Fläche der zweiten Welle anliegen und damit ein Radial-Gleit- lager bilden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch das Ende einer erfindungsge- mäßen verstellbaren Nockenwelle,

Fig. 1 b eine Detailansicht der in Fig. 1 a dargestellten Außenwelle in einer Perspektive, Fig. 1c eine Detailansicht der in Fig. 1 a dargestellten Innenwelle in einer Perspektive,

Fig. 1d die Nockenwelle gemäß der Fig. 1 a in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2a bis 2c eine alternative Ausgestaltung der Nockenwelle in einer

Darstellung gemäß der Fig. 1 a bis 1 c,

Fig. 3 eine Variante der in Fig. 2a dargestellten Nockenwelle in einem Längsschnitt,

Fig. 4a bis 4c eine alternative Ausgestaltung der Nockenwelle in einer

Darstellung gemäß den Fig. 1 a bis 1 c, Die Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle, die gemäß ihrem grundsätzlichen Aufbau eine erste Welle und eine zweite Welle aufweist, die eine hohle Außenwelle 1 und eine in der hohlen Außenwelle 1 koaxial angeordneten und relativ zur Außenwelle 1 verdrehbar gelagerten Innenwelle 2 bilden. Aus der Fig. 1 a ist erkennbar, dass erste Nocken 3a fest an der Außenwelle 1

angeordnet sind, wobei zweite Nocken 3b drehbar auf der Außenwelle 1 angeordnet und an der Innenwelle 2 mit geeigneten Befestigungsmitteln 4, insbesondere Bolzen, befestigt sind. Die Fig. 1 a zeigt ein Ende einer solchen Nockenwelle.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der axialen Lagerung der Außenwelle 1 und der darin verdrehbar gelagerten Innenwelle 2. Bei der axialen Lagerung ist zu berücksichtigen, dass zwischen der Innenwelle 2 und der Außenwelle 1 in axialer Richtung kein Spiel vorhanden sein soll, wobei aber auch eine gleitende, klemmfreie Lagerung erreicht werden soll.

Zu diesem Zweck ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine formschlüssige Fixierung und Lagerung in axialer Richtung x vorgesehen. Allgemein sind die erste Welle und die zweite Welle in axialer Richtung x durch eine Formschluss- ausformung 5 gegeneinander abgestützt, wobei die erste Welle in axialer Richtung auf der einen Seite der Formschlussausformung 5 eine erste Kontaktfläche 6a und auf der anderen Seite der Formschlussausformung 5 eine zweite Kontaktfläche 6b zur drehbeweglichen Abstützung der zweiten Welle über die Formschlussausformung 5 aufweist.

Ausgehend von diesem erfindungsgemäßen Grundprinzip zeigt die Ausgestaltung gemäß den Fig. 1 a bis 1d eine Nockenwelle, bei der die Außenwelle aus einem rohrförmigen Grundkörper 8 sowie einem damit fest verbundenen Funktionselement 9 in Form eines Zahnrades zum Antrieb der Nockenwelle gebildet ist. Das Funktionselement 9 kann mit den üblichen Maßnahmen, beispielsweise Schweißen, Reibschweißen, Löten, Kleben, Schrumpfen, Schrauben, die Erzeugung eines Quer-/Längsverbandes, die Erzeugung eines Formschlusses oder eine Kombination der vorgenannten Maßnahmen befestigt sein. Je nach Befestigungsart sind unterschiedliche Materialien geeignet, die jedoch den an

der Nockenwelle vorliegenden Betriebsstoffen sowie den Temperaturen in einem Verbrennungsmotor standhalten müssen.

In ähnlicher Weise ist die Innenwelle 2 in dem dargestellten Ausführungs- beispiel von einem Innenwellengrundkörper und einem damit fest verbundenen Innenwellenendstück 1 1 gebildet.

Gemäß der in den Fig. 1 a bis 1 d dargestellten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Formschlussausformung 5 sowie die zweite Kontaktfläche 6b derart unterteilt sind, dass in einer ersten Winkelstellung der Innenwelle 2 gegenüber der Außenwelle 1 die Innenwelle 2 in die Außenwelle 1 einschiebbar ist und dass in einer zweiten Winkelstellung die Innenwelle 2 gegenüber der Außenwelle 1 in axialer Richtung x fixiert ist. Zu diesem Zweck weist die an dem Funktionselement 9 angeordnete Formschlussausformung 5 einen Zahn 14 auf, der bei der Montage durch einen Freiraum 15 der Innenwelle 2 geführt werden kann. Wenn dann der Zahn 14 als Formschlussausformung 5 an der ersten Kontaktfläche 6a anschlägt, werden die Innenwelle 2 und die Außenwelle 1 gegeneinander verdreht, so dass dann der Zahn 14 sich neben dem Freiraum 15 auch an der zweiten Kontaktfläche 6b abstützt. Es wird damit also eine Fixierung nach Art eines Bajonettverschlusses erreicht.

Weitere Varianten dieses Grundprinzips sind in den Fig. 2a bis 2c, Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c dargestellt.

Gemäß den Fig. 1 b und 1 c verlaufen die Formschlussausformung 5 sowie eine Nut mit den beiden Kontaktflächen 6a, 6b über in etwa den halben Umfang. Die Innenwelle 2 und die Außenwelle 1 können so gegeneinander verdreht werden,

dass die Innenwelle 2 in die Außenwelle 1 geschoben werden kann. Wenn die Innenwelle 2 dann gegen die Außenwelle 1 verdreht wird, ist die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 a an dem Funktionselement 9 der Außenwelle 1 angeordnete Formschlussausformung 5 zwischen den Kontaktflächen 6a, 6b des Innenwellenendstücks 1 1 axial geführt. Im Rahmen der beschriebenen Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass die Bearbeitung des Innenwellenendstücks 1 1 sowie des Funktionselementes 9 als separate Teile einfacher möglich ist als Bearbeitung der gesamten Innenwelle 2 oder Außenwelle 1 bzw. des Innenwellengrundkorpers 7 bzw. des Grundkörpers 8 der Außenwelle 1 .

Die Fig. 2a bis 2c zeigen in einer Darstellung gemäß den Fig. 1 a bis 1 c eine Ausgestaltung, bei der eine Segmentierung der Formschlussausformung 5 mit zwei Zähnen 14 vorgesehen ist. Entsprechend sind der Innenwelle 2 zwei zugeordnete Freiräume 15 vorgesehen. Ansonsten ergibt sich die zuvor beschriebene Funktionsweise.

Optional kann eine radiale Lagerung an der radial nach innen weisenden Fläche der Zähne 14 und der Nut zwischen den Kontaktflächen 6a, 6b erfolgen. Alternativ kann eine radiale Lagerfläche auch in axialer Richtung gesehen unmittelbar vor oder nach den Zähnen 14 vorgesehen sein.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante zu der Anordnung gemäß der Fig. 2a, wobei das Innenwellenendstück 1 1 nicht auf dem Außendurchmesser eines Innenwellengrundkorpers 7 sondern an einer Stirnfläche des Innenwellengrundkorpers 7 befestigt ist.

Schließlich zeigen die Fig. 4a bis 4c eine Ausgestaltung, bei der eine zwei Zähne 14 aufweisende Formschlussausformung 5 bei ansonsten vergleichbarer Funktionsweise unmittelbar von einer Durchmessererweiterung des Innen- T/EP2012/065060

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wellengrundkörpers 7 gebildet ist. Die zugeordneten Kontaktflächen 6a, 6b sind entsprechend an einem Funktionselement 9 der Außenwelle 1 gebildet, welches auch die Freiräume 15 aufweist.