DE102011054350A1

DE102011054350A1 - Nockenwelle sowie Funktionselemente für eine Nockenwelle

Info

Publication number: DE102011054350A1
Application number: DE102011054350A
Authority: DE
Inventors: Markus Melzer; Bernd Mann; Dipl.-Ing. Meusel Jürgen; Michael Kunz
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2013-04-11
Also published as: EP2766581A1; CN103987927A; US9200544B2; WO2013053669A1; EP2766581B1; CN103987927B; US20140245980A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einer Außenwelle (1) und einer koaxial in der Außenwelle (1) angeordneten Innenwelle (2), mit ersten an der Außenwelle (1) fest angeordneten Funktionselementen (3), mit zweiten Funktionselementen (4a, 4b), die drehbar auf der Außenwelle (1) angeordnet und drehfest an der Innenwelle (2) befestigt sind, und mit einem an die Außenwelle (1) und die Innenwelle (2) angeschlossenen Phasensteller (5) zur Verdrehung der Innenwelle (2) gegenüber der Außenwelle (1), wobei der Phasensteller (5) unter Aufbringung eines Drehmomentes an der Innenwelle (2) befestigt ist. Erfindungsgemäß weist eines der drehfest mit der Innenwelle (2) verbundenen Funktionselemente (4a, 4b) außerhalb einer Funktionsfläche (12a, 12b) mantelseitige Werkzeugaufnahmeflächen (11) auf. Gegenstand der Erfindung ist auch ein solches Funktionselement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einer Außenwelle und einer koaxial in der Außenwelle angeordneten Innenwelle, mit ersten an der Außenwelle fest angeordneten Funktionselementen, mit zweiten Funktionselementen, die drehbar an der Außenwelle angeordnet und drehbar an der Innenwelle befestigt sind und mit einem an die Außenwelle und Innenwelle angeschlossenen Phasensteller zur Verdrehung der Innenwelle gegenüber der Außenwelle, wobei der Phasensteller unter Aufbringung eines Drehmomentes an der Innenwelle befestigt ist.
Zumindest ein Teil der ersten Funktionselemente sowie der zweiten Funktionselemente sind Nocken, welche den Einlass bzw. Auslass eines Verbrennungsmotors steuern können. Durch eine Verstellung der an der Innenwelle befestigten Nocken gegenüber den an der Außenwelle befestigten Nocken ist eine variable Steuerung der Ventile des Verbrennungsmotors möglich. So kann beispielsweise last- und drehzahlabhängig das Verhältnis von Einlasszeit und Auslasszeit verändert werden. Die Verdrehung von Innenwelle und Außenwelle erfolgt durch einen Phasensteller, der auch als Phaser bezeichnet wird.
Der Phasensteller umfasst üblicherweise einen mit der Außenwelle verbundenen Stator sowie einen mit der Innenwelle verbundenen Rotor. Möglich ist jedoch auch, dass der Motor drehfest über der Innenwelle und der Rotor mit der Außenwelle verbunden ist. Neben kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindungen sind auch lösbare Verbindungen durch ein Verschrauben bekannt. Die Verschraubung erfolgt dabei üblicherweise mittels einer Zentralschraube, die im fixierten Zustand an einer Stirnseite des Phasenstellers anliegt und in eine Aufnahme der Innenwelle eingreift. Um den Rotor an der Innenwelle mittels der Zentralschraube mit einem vorgegebenen Anzugsmoment befestigen zu können, muss ein dem Anzugsmoment entgegengerichtetes Haltemoment aufgebracht werden. Da die Innenwelle innerhalb der Außenwelle angeordnet ist, wird diese bei dem Festziehen der Zentralschraube an dem gegenüberliegenden Wellenende festgehalten. Hierzu ist in der Praxis ein Montagewerkzeug vorgesehen, welches in eine zugeordnete Aufnahme der Innenwelle eingreift. Es ergibt sich dabei der Nachteil, dass das Anzugsmoment über die gesamte Länge der Innenwelle übertragen wird, die entsprechend in einem erheblichen Maße tordiert wird. Je nach Länge der Innenwelle kann diese Torsion so stark sein, dass die dem Phasensteller entfernt liegenden Nocken oder anderen Funktionselemente, welche an der Innenwelle befestigt sind, an einer Endposition anschlagen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die der Innenwelle zugeordneten Funktionselemente durch Verbindungselemente befestigt sind, welche sich durch Schlitze der Außenwelle hindurch erstrecken. Die Länge der Schlitze wird dabei von dem vorgesehenen Verstellweg zwischen Innenwelle und Außenwelle vorgegeben.
Grundsätzlich besteht das Problem, dass durch die Torsion der gesamten Innenwelle die Gefahr einer erhöhten Ungenauigkeit besteht. So kann Reibung oder ein Verklemmen dazu führen, dass nicht das gesamte aufgebrachte Drehmoment auch tatsächlich an der Schraubverbindung wirkt. Insbesondere hinsichtlich erhöhter Anforderungen an die Dokumentation des Produktionsprozesses sind die beschriebenen Unsicherheiten nachteilig. Zusätzlich führt die Torsion der gesamten Innenwelle auch zu einer Verlängerung des bei einem Festziehen zurückzulegenden Winkelbereichs.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Befestigung des Phasenstellers an der Innenwelle durch das Aufbringen eines Drehmomentes die tordierte Länge der Innenwelle zu verringern und damit die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erhöhen.
Ausgehend von einer Nockenwelle mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eines der drehfest mit der Innenwelle verbundenen zweiten Funktionselemente außerhalb einer Funktionsfläche mantelseitige Werkzeugaufnahmeflächen aufweist. Bei dem mit den Werkzeugaufnahmeflächen versehenen zweiten Funktionselement kann es sich um einen der mit der Innenwelle verbundenen Nocken, ein Sensorrad, ein Lagerelement oder ein Lagerring handeln. Grundsätzlich ist auch möglich, ein zusätzliches Teil vorzusehen, welches lediglich das Gegenhalten bei der Befestigung des Phasenstellers ermöglichen soll.
Zweckmäßigerweise wird ein zweites Funktionselement genutzt, welches nahe des Phasenstellers liegt, damit eine möglichst geringe toridale Länge erreicht wird. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere Funktionselemente mit Werkzeugaufnahmeflächen zu versehen. Wenn die Werkzeugaufnahmeflächen beispielsweise an einem Nocken gebildet sind, brauchen keine unterschiedlichen Nocken montiert werden, wenn alle mit Werkzeugaufnahmeflächen versehen sind.
Bei verstellbaren Nockenwellen mit einer Innenwelle und einer Außenwelle ist es bekannt, dass die mit der Innenwelle verbundenen Funktionselemente einerseits eine Funktionsfläche und andererseits einen axial dazu versetzten Ringbund aufweisen, wobei an dem Ringbund auch die Befestigung der Funktionselemente mit der Innenwelle mittels eines Verbindungselementes, beispielsweise mit einem Stift, erfolgt. Die Werkzeugaufnahmeflächen können dann auf besonders einfache Weise an dem Ringbund erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Werkzeugaufnahmeflächen als Schlüsselflächen zur Aufnahme eines Werkzeugschlüssels ausgebildet. Beispielsweise können zwei an dem Umfang gegenüberliegende Flächen, ein Vieleck oder auch eine anders gestaltete Profilform mit Zähnen, oder Polygonform oder dergleichen vorgesehen sein. Bei der Befestigung des Phasenstellers an der Innenwelle wird ein entsprechendes Montagewerkzeug mit den Werkzeugaufnahmeflächen in Eingriff gebracht und dort fixiert. Die bei dem Festziehen auftretenden Drehmomente werden so von dem Montagewerkzeug aufgenommen.
Insbesondere ist es möglich, dass bei dem Festhalten des mit den Werkzeugaufnahmeflächen versehenen Funktionselementes die auftretenden Drehmomente aufgenommen werden. Durch einen Vergleich mit den an dem Phasensteller aufgebrachten Anzugsmomenten kann so sichergestellt werden, dass die Befestigung nicht durch ein Klemmen oder dergleichen beeinträchtigt ist.
Der Phasensteller weist ein mit der Außenwelle verbundenes Bauteil und ein mit der Innenwelle verbundenes Bauteil auf, wobei die Verbindung mit der Innenwelle zweckmäßigerweise durch eine Zentralschraube erfolgt. Das mit der Innenwelle verbundene Bauteil ist bevorzugt der Rotor des Phasenstellers.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Funktionselement für eine Nockenwelle, insbesondere ein Nocken, mit einer Nabe, einer mantelseitigen Funktionsfläche und einem gegenüber der Funktionsfläche entlang der Achse der Nabe versetzten Ringbund, wobei an dem Ringbund die zuvor beschriebenen Werkzeugaufnahmeflächen gebildet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen in einer schematischen Darstellung:
1 eine verstellbare Nockenwelle, mit einem lösbar befestigten Phasensteller gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
2 eine erfindungsgemäße Nockenwelle in einer perspektivischen Ansicht,
3 einen Teilbereich der in 2 dargestellten Nockenwelle in einem Längsschnitt entlang der Linie A-A der 2,
4a und 4b ein mit einer Innenwelle verbundener Nocken in einer Detailansicht von der Seite bzw. in einer Perspektive,
5 eine alternative Ausgestaltung eines mit der Innenwelle verbundenen Nockens,
6 ein mit der Innenwelle verbundenes Sensorrad,
7a und 7b einen Ausschnitt einer verstellbaren Nockenwelle mit einer alternativen Ausgestaltung eines mit der Innenwelle verbundenen Nockens in einer Perspektive bzw. einer Seitenansicht.
Die 1 zeigt den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer verstellbaren Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mit einer Außenwelle 1 und eine koaxial in der Außenwelle 1 angeordneten Innenwelle 2. An der Außenwelle 1 sind erste Funktionselemente 3 in Form von Nocken befestigt. An der Innenwelle 2 sind drehfest zweite Funktionselemente 4a, 4b in Form von Nocken sowie in Form eines Sensorrades befestigt. Um die ersten Funktionselemente 3 gegenüber den zweiten Funktionselementen 4a, 4b zu verdrehen, ist stirnseitig ein Phasensteller 5 angeordnet.
Der Phasensteller 5, der auch als Phaser bezeichnet wird, weist einen mit der Außenwelle 1 verbundenen Stator 6 sowie einen mit der Innenwelle 2 verbundenen Rotor 7 auf. Eine Verdrehung zwischen Stator 6 und Rotor 7 kann beispielsweise hydraulisch erfolgen, so dass durch eine entsprechende Ansteuerung eine kontrollierte Verstellung der Innenwelle 2 gegenüber der Außenwelle 1 möglich ist.
Der Rotor 7 ist mit einer Zentralschraube 8 unter Aufbringung eines Anzugsmomentes an der Innenwelle 1 befestigt. Die Befestigung der zweiten Funktionselemente 4a, 4b an der Innenwelle erfolgt in dem Ausführungsbeispiel durch Verbindungselemente 9 wie beispielsweise Stifte, die bei der Montage eingepresst werden und durch in den Figuren nicht dargestellte Längsschlitze der Außenwelle 1 hindurchgeführt sind. Um den Rotor 7 mittels der Zentralschraube 8 an der Innenwelle 2 befestigen zu können, muss die Innenwelle 2 bei dem Anziehen der Zentralschraube 8 festgehalten werden. Gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen ist dazu an dem gegenüberliegenden Ende der Innenwelle 2 eine Werkzeugaufnahme 10 vorgesehen.
Dabei ergibt sich der Nachteil, dass bei dem Festziehen die gesamte Innenwelle 2 tordiert wird. Auch wenn die Innenwelle 2 an sich den Beanspruchungen standhalten kann, führt der geringe Durchmesser zu einer erhöhten Torsionsempfindlichkeit.
Ausgehend von der bekannten Ausgestaltung gemäß der 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zur Übertragung notwendige Länge der Innenwelle 2 dadurch verringert wird, dass an einem der zweiten Funktionselemente 4a, 4b bei dem Festziehen gegengehalten werden kann. So zeigt die 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der von den zweiten, mit der Innenwelle 2 verbundenen Funktionselementen 4a, 4b das erste Funktionselement 4a in Form eines Nockens mit mantelseitigen Werkzeugaufnahmeflächen 11 versehen ist. Diese Werkzeugaufnahmeflächen 11 befinden sich an einem Ringbund 13 außerhalb der eigentlichen Funktionsfläche 12a, welche die zur Steuerung der Ventile vorgesehene Nockenform aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ausgehend von dem Phasensteller 5 bereits das erste der zweiten Funktionselemente 4a, 4b mit Werkzeugaufnahmeflächen 11 ausgerüstet ist.
Der 2 ist des Weiteren zu entnehmen, dass nicht nur ein Nocken, sondern auch ein anderes zweites Funktionselement 4b in Form eines Sensorrades mit Werkzeugaufnahmeflächen 11 versehen werden kann, wobei auch hier die Anordnung der Werkzeugaufnahmeflächen 11 außerhalb der Funktionsfläche 12b des Sensorrades an einem Ringbund 13 erfolgt.
In der 2 sind lediglich zur Verdeutlichung zwei der zweiten Funktionselemente 4a, 4b mit Werkzeugaufnahmeflächen 11 ausgerüstet. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn lediglich eines der zweiten Funktionselemente 4a, 4b entsprechende Werkzeugaufnahmeflächen 11 aufweist.
Die Details des in der 2 dargestellten zweiten Funktionselementes 4a in Form eines Nockens sind in den 3, 4a und 4b dargestellt. In der 3 ist zu erkennen, dass der Ringbund 13 durch die Einbringung der Werkzeugaufnahmeflächen 11 in einem gewissen Maße geschwächt ist. Vor diesem Hintergrund ist es zweckmäßig, wenn gemäß dem Ausführungsbeispiel die Werkzeugaufnahmeflächen 11 gegenüber dem Stift an dem Umfang des Ringbundes 13 um 90° versetzt angeordnet sind.
5 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der anstelle von zwei genau gegenüberliegenden Werkzeugaufnahmeflächen 11 die Form eines Vielecks realisiert ist. Es ergibt sich der Vorteil, dass ein Werkzeug zum Gegenhalten in verschiedenen Ausrichtungen angesetzt werden kann.
Schließlich zeigt die 6 eine Ausgestaltung, bei der zwei gegenüberliegende Werkzeugaufnahmeflächen 11 an dem zweiten Funktionselement 4b in Form eines Sensorrades angeordnet sind.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der Nockenwelle können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Befestigung des Phasenstellers 5 an der Innenwelle 2 mittels der Zentralschraube 8 erhöht werden. Darüber hinaus können die Werkzeugaufnahmeflächen 11 aber auch noch anderweitig genutzt werden, um die zugeordneten zweiten Funktionselemente 4a, 4b festzuhalten, beispielsweise wenn die zweiten Funktionselemente 4a in Form von Nocken vor oder nach der Montage auf Maß geschliffen werden.
Die 7a und 7b zeigen den Ausschnitt einer Nockenwelle mit einer alternativen Ausgestaltung der zweiten, mit der Innenwelle 2 verbundenen Funktionselemente 4a in Form von Nocken. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen weist der Nocken keinen Ringbund 13 auf. Statt dessen ist an einem Teil der Mantelfläche des Nockens die Funktionsfläche 12a durch eine Aussparung 14 unterbrochen, wobei in der Aussparung einerseits das Verbindungselement 9 in Form eines Stiftes angeordnet ist und die Werkzeugaufnahmeflächen 11 vorgesehen sind. Die beschriebene alternative Ausgestaltung der zweiten Funktionselemente 4a führt zu einem geringeren Material- und Platzbedarf.

Claims

Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einer Außenwelle (1) und eine koaxial in der Außenwelle (1) angeordneten Innenwelle (2), mit ersten an der Außenwelle (1) fest angeordneten Funktionselementen (3), mit zweiten Funktionselementen (4a, 4b), die drehbar auf der Außenwelle (1) angeordnet und drehfest an der Innenwelle (2) befestigt sind, und mit einem an die Außenwelle (1) und die Innenwelle (2) angeschlossenen Phasensteller (5) zur Verdrehung der Innenwelle (2) gegenüber der Außenwelle (1), wobei der Phasensteller (5) unter Aufbringung eines Drehmomentes an der Innenwelle (2) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eines der drehfest mit der Innenwelle (2) verbundenen Funktionselemente (4a, 4b) außerhalb einer Funktionsfläche (12a, 12b) mantelseitige Werkzeugaufnahmeflächen (11) aufweist.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteller (5) einen mit der Außenwelle (1) verbundenen Stator (6) und einen mit der Innenwelle (2) mittels einer Verschraubung verbundenen Rotor (7) aufweist.
Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteller (5) und die Innenwelle (2) durch eine Zentralschraube (8) verbunden sind.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmeflächen (11) als Schlüsselflächen zur Aufnahme eines Werkzeugschlüssels ausgebildet sind.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Werkzeugaufnahmeflächen (11) versehene Funktionselement (4a, 4b) einen in axialer Richtung der Nockenwelle gegenüber der Funktionsflächen (12a, 12b) versetzt angeordneten Ringbund (13) aufweist, an dem das Funktionselement (4a, 4b) mit einem Verbindungselement (9) an der Innenwelle (2) befestigt ist und an dem die Werkzeugaufnahmeflächen (11) gebildet sind.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Phasensteller (5) das erste der zweiten Funktionselemente (4a) mit Werkzeugaufnahmeflächen (11) versehen ist.
Funktionselement (4a, 4b) für eine Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere Nocken, mit einer Nabe, einer mantelseitigen Funktionsfläche (12a, 12b) und einem gegenüber der Funktionsfläche (12a, 12b) entlang der Achse der Nabe versetzten Ringbund (13), wobei an dem Ringbund (13) Werkzeugaufnahmeflächen (11) gebildet sind.