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WO2008122653A1 - Nocken für eine nocken- oder steuerwelle - Google Patents

Nocken für eine nocken- oder steuerwelle Download PDF

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WO2008122653A1
WO2008122653A1 PCT/EP2008/054286 EP2008054286W WO2008122653A1 WO 2008122653 A1 WO2008122653 A1 WO 2008122653A1 EP 2008054286 W EP2008054286 W EP 2008054286W WO 2008122653 A1 WO2008122653 A1 WO 2008122653A1
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WO
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cam
circle
control shaft
summit
internal combustion
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PCT/EP2008/054286
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Prokop
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02Valve drive
    • F01L1/04Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08Shape of cams
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L1/04Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047Camshafts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H53/00Cams or cam-followers, e.g. rollers for gearing mechanisms
    • F16H53/02Single-track cams for single-revolution cycles; Camshafts with such cams

Definitions

  • the invention relates to a cam for a cam or control shaft of an internal combustion engine having a base circle and a summit circle, which form a continuous outer tap area according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an occupied with at least one such cam cam or control shaft.
  • an integrally formed cam for a built cam or control shaft which has a T-shaped cross-section with a center extending to the narrow web and a circumferential, on both sides about the same amount protruding ring with approximately constant cross-section. This reduces the weight of the cams and thereby the weight of the camshaft equipped with the cams.
  • the invention is concerned with the problem of improving a generic cam in that it has a lower weight compared to known from the prior art cams.
  • the invention is based on the general idea, a cam exclusively in at least a portion of a Abgriffs simulation its summit circle wider than in the other areas, in particular in the base circle form.
  • the cam according to the invention has in the usual way, a continuous outer diameter base circle and having a discontinuous outer diameter summit circle on. Both together form a continuous outer tap area, to which - if the cam is arranged on a cam or control shaft of an internal combustion engine. - A cam follower can rest.
  • this outer tapping surface is wider at least in a partial region of the summit circle than in the region of the base circle, as a result of which material and thus weight can be saved, in particular in the region of the base circle.
  • the cam Since the cam is usually exposed in its base circle no or only a small load, it is possible to make the tap area here narrower and thus weaker. In the region of its summit circle, for example, the cam actuates a valve of the internal combustion engine, whereby the load is higher and may therefore require a stiffer formation of the tap area. Due to the concept of the invention, the cam is weight-optimizing adapted to an occurring load history during operation of the engine, so that on the one hand it can easily absorb all commonly occurring loads and on the other hand by its narrower design of the base circle to a weight reduction of the cam and thus the camshaft or the engine contributes. If the internal combustion engine is installed in a motor vehicle, a weight reduction is usually associated with a reduction in fuel consumption, which is of great advantage nowadays.
  • this is either integrally formed or carries at least in a portion of the summit circle widening the outer tap area wreath.
  • a one-piece design of the cam according to the invention can be produced in a few steps, for example by means of a forging process.
  • a cam, which at least in a portion of the summit circle widening the outer tap area wreath has the advantage that this ring of a particularly wear-resistant material, such as hardened metal, exists, whereby the life of the cam according to the invention can be extended.
  • a connection between the rim and the cam can be made by means of conventional connection methods, such as welding.
  • Fig. 2a, b is a representation as in Figs. Ia, b in another embodiment, wherein according to the Fig. 2b, a possible control or camshaft is not shown.
  • a cam 1 according to the invention for a cam or control shaft 2 (see FIG. 1 b) of an internal combustion engine has a base circle 3 having a continuous outer diameter and a summit circle 4 having a discontinuous outer diameter.
  • the cam or control shaft 2 rotates about its camshaft axis 5, which runs perpendicular to the image plane according to FIG. Ia.
  • the base circle 3 is in the inventive cam 1 according to FIGS. 1 and 2 substantially below the cam / control shaft axis 5, while the summit circle 4 is above.
  • the actuation of a cam follower, not shown, or of the associated valve of an internal combustion engine takes place essentially exclusively insofar as the cam follower is in contact with the summit circle 4. Because of this, the for the cam 1 occurring loads in the summit circle 4 higher than in the base circle.
  • an external tapping surface 6 connected by the base circle 3 and the summit circle 4 is wider than the at least in a partial region 6 'of the summit circle 4 External tapping surface 6 '' in the region of the base circle 3.
  • the cam 1 has a T-shaped cross-section in the region of its summit circle 4, while in the region of its base circle 3 it has a rectangular cross-section which preferably corresponds to the cross-sectional area of the web 7 of the summit circle 4 belonging to the T-shaped cross-section.
  • the widening of the tapping surface 6 'in the region of the summit circle 4 is thus carried out according to FIGS. 1 and 2 via a flange 8.
  • the flange 8 preferably projects over the web 7 at the same distance on both sides.
  • the cam 1 as shown in FIGS. Ib and 2b be formed integrally and thereby be technically simple and inexpensive to produce.
  • the flange 8 may also be formed as a separate component, which is subsequently connected to the cam 1, so that the cam 1 at least in a portion of the summit circle 4th a wreath widening the outer tap surface 6 'wears.
  • integrally formed cam 1 can be done for example by cold or by hot forging, by casting or sintering.
  • the taper may be continuous or stepped as shown in FIG. 2 b.
  • a force introduced into the cam 1 in the region of the tapping surface 6 ' can be transmitted better than in the case of a cross-sectional shape, as shown in FIGS. 1 a and 1 b. which changes step by step.
  • the taper is adapted to a load occurring during operation of the cam 1, so that the cam 1 can easily absorb all loads occurring during operation, on the other hand, only a very low weight, in particular a compared to the known from the prior art cams has lower weight.
  • a connection of the cam 1 according to the invention with the cam / control shaft 2 can be achieved, for example, by a shrink fit, by gluing, by welding, by soldering, by hydroforming, in particular by hydroforming, by positive engagement or by shrink-bonding.
  • cam 1 it is particularly advantageous in the case of the cam 1 according to the invention that it is possible to reduce the cam weight by approximately 30 to 40% in comparison with conventional cam disks in the form of a disk, as a result of which a significant reduction in the total weight of the camshaft 2 is possible.
  • the production of the cam 1 by forging, casting or sintering with very little material use is possible, which reduces in particular the need for cost-intensive and high-strength cam material.
  • a processing effort for producing a very accurate inner bore 9 of the cam 1 is significantly reduced by the reduced width in this area, which also has an advantageous effect on the production costs.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nocken (1) für eine Nocken- oder Steuerwelle (2) eines Verbrennungsmotors, mit einem, einen kontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Grundkreis (3) und einem, einen diskontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Gipfelkreis (4), wobei beide zusammen eine zusammenhängende außen liegende Abgriffsfläche (6) bilden, an welcher im Betrieb des Verbrennungsmotors ein Nockenfolger anliegt. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die außen liegende Abgriffsfläche (6') zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises (4) breiter ist als im Bereich des Grundkreises (3).

Description

Nocken für eine Nocken- oder Steuerwelle
Die Erfindung betrifft einen Nocken für eine Nocken- oder Steuerwelle eines Verbrennungsmotors mit einem Grundkreis und einem Gipfelkreis, welche eine zusammenhängende außenliegende Abgriffsfläche bilden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit zumindest einem derartigen Nocken besetzte Nocken- oder Steuerwelle .
Gattungsgemäße Nocken werden beispielsweise auf Nockenwellen in Verbrennungsmotoren verwendet, um die Ein- und Auslassventile der Zylinder zu betätigen. Die Nocken wandeln dabei die Drehbewegung der Nockenwelle in eine Längsbewegung um, welche üblicherweise einem Ventilhub entspricht. Bekannt sind dabei Nocken, welche als Vollprofile ausgebildet sind und dadurch ein nicht unerhebliches Gewicht aufweisen. Besonders im modernen Motorenbau, wird dabei ständig nach Möglichkeiten gesucht, Gewicht einzusparen.
Aus der DE 102 19 195 Cl ist ein einstückig ausgebildeter Nocken für eine gebaute Nocken- oder Steuerwelle bekannt, welcher einen T-förmigen Querschnitt mit einem sich zum Zentrum erstreckenden schmalen Steg und einem umlaufenden, beidseitig etwa gleich weit überstehenden Kranz mit etwa gleich bleibendem Querschnitt aufweist. Hierdurch wird das Gewicht der Nocken und dadurch das Gewicht der mit den Nocken ausgestatteten Nockenwelle reduziert.
Aus der DE 37 38 809 C2 ist ein Einzelnocken für eine gebaute Nockenwelle bekannt, welcher im Bereich seines Gipfelkreises Ausnehmungen zur Gewichtsreduzierung aufweist.
Schließlich ist aus der DE 41 32 802 Al eine Guss- Nockenwelle mit Nocken bekannt, die durch einen Ring gebildet sind, der über einen im Verhältnis zur Nockenbreite schmalen Steg mit der Nockenwelle verbunden ist. Auch hierdurch kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen gattungsgemäßen Nocken dahingehend zu verbessern, dass er ein im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Nocken geringeres Gewicht aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Nocken ausschließlich in zumindest einem Teilbereich einer Abgriffsfläche seines Gipfelkreises breiter als in den übrigen Bereichen, insbesondere im Grundkreis, auszubilden. Der erfindungsgemäße Nocken weist dabei in üblicher Weise einen, einen kontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Grundkreis sowie einen, einen diskontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Gipfelkreis auf. Beide zusammen bilden eine durchgehende außenliegenden Abgriffsfläche, an welcher - sofern der Nocken an einer Nocken- oder Steuerwelle eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. - ein Nockenfolger anliegen kann. Diese außenliegende Abgriffsfläche ist dabei erfindungsgemäß zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises breiter als im Bereich des Grundkreises, wodurch insbesondere im Bereich des Grundkreises Material und damit Gewicht eingespart werden können. Da der Nocken üblicherweise in seinem Grundkreis keiner oder lediglich einer geringen Belastung ausgesetzt ist, ist es möglich, die Abgriffsfläche hier schmäler und damit schwächer auszubilden. Im Bereich seines Gipfelkreises betätigt der Nocken beispielsweise ein Ventil des Verbrennungsmotors, wodurch die Belastung höher ist und dadurch unter Umständen eine steifere Ausbildung der Abgriffsfläche erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäße Konzeption ist der Nocken gewichtsoptimierend an einen auftretenden Belastungsverlauf während des Betriebes des Verbrennungsmotors angepasst, so dass er einerseits alle üblicherweise auftretenden Belastungen problemlos aufnehmen kann und andererseits durch seine schmälere Ausbildung des Grundkreises zu einer Gewichtsreduzierung der Nocken und damit der Nockenwelle beziehungsweise des Verbrennungsmotors beiträgt. Ist der Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug eingebaut, so ist eine Gewichtsreduzierung üblicherweise auch mit einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauches verbunden, was heutzutage von großem Vorteil ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Nockens ist dieser entweder einstückig ausgebildet oder trägt zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises einen die außenliegende Abgriffsfläche verbreiternden Kranz. Bei einer einstückigen Ausbildung kann der erfindungsgemäße Nocken in wenigen Arbeitsschritten, beispielsweise mittels eines Schmiedevorganges, hergestellt werden. Demgegenüber weist ein Nocken, welcher zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises einen die außenliegende Abgriffsfläche vergrößernden Kranz trägt den Vorteil, dass dieser Kranz aus einem besonders verschleißfesten Material, beispielsweise aus gehärtetem Metall, besteht, wodurch die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Nockens verlängert werden kann. Eine Verbindung zwischen dem Kranz und dem Nocken kann dabei mittels üblicher Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Schweißen, hergestellt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen, jeweils schematisch
Fig. Ia, b eine Ansicht beziehungsweise eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Nocken,
Fig. 2a, b eine Darstellung wie in den Fig. Ia, b bei einer anderen Ausführungsform, wobei gemäß der Fig. 2b eine mögliche Steuer- oder Nockenwelle nicht gezeigt ist.
Entsprechend Fig. Ia weist ein erfindungsgemäßer Nocken 1 für eine Nocken- oder Steuerwelle 2 (vgl. Fig. Ib) eines Verbrennungsmotors einen, einen kontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Grundkreis 3 sowie einen, einen diskontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Gipfelkreis 4 auf. Die Nocken- oder Steuerwelle 2 dreht sich dabei um deren Nockenwellenachse 5, welche gemäß Fig. Ia senkrecht zur Bildebene verläuft. Der Grundkreis 3 liegt bei den erfindungsgemäßen Nocken 1 gemäß den Fig. 1 und 2 dabei im wesentlichen unterhalb der Nocken-/Steuerwellenachse 5, während der Gipfelkreis 4 darüber liegt. Die Betätigung eines nicht gezeigten Nockenfolgers beziehungsweise des damit verbundenen Ventils eines Verbrennungsmotors erfolgt dabei im wesentlichen ausschließlich, sofern der Nockenfolger mit dem Gipfelkreis 4 in Kontakt steht. Aus diesem Grund sind die für den Nocken 1 auftretenden Belastungen im Gipfelkreis 4 höher als im Grundkreis 3.
Um einerseits der im Gipfelkreis 4 auftretenden höheren Belastungen Rechnung tragen zu können und andererseits den Nocken möglichst leicht ausbilden zu können, ist eine durch den Grundkreis 3 und den Gipfelkreis 4 zusammenhängende außen liegende Abgriffsfläche 6 zumindest in einem Teilbereich 6' des Gipfelkreises 4 breiter als die außen liegende Abgriffsflache 6'' im Bereich des Grundkreises 3. Dies ist auch aus den Fig. 1 und 2, insbesondere aus den Fig. Ib und 2b deutlich zu erkennen. Gemäß Fig. Ib weist der Nocken 1 im Bereich seines Gipfelkreises 4 einen T-förmigen Querschnitt auf, während er im Bereich seines Grundkreises 3 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, welcher vorzugsweise der Querschnittsfläche des zum T-förmigen Querschnitt des Gipfelkreises 4 gehörenden Steges 7 des „T" entspricht. Die Verbreiterung der Abgriffsfläche 6' im Bereich des Gipfelkreises 4 erfolgt gemäß den Fig. 1 und 2 somit über einen Flansch 8. Der Flansch 8 steht dabei vorzugsweise mit gleichem Abstand beidseitig über den Steg 7 über.
Erfindungsgemäß kann der Nocken 1 wie in den Fig. Ib und 2b gezeigt, einstückig ausgebildet sein und dadurch technisch einfach und kostengünstig herstellbar sein. Gemäß einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform kann der Flansch 8 jedoch auch als separates Bauteil ausgebildet sein, welches nachträglich mit dem Nocken 1 verbunden wird, so dass der Nocken 1 zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises 4 einen die außen liegende Abgriffsfläche 6' verbreiternden Kranz trägt.
Die Herstellung von einstückig ausgebildeten Nocken 1 kann beispielsweise durch Kalt- oder durch Warmschmieden, durch Gießen oder Sintern erfolgen.
Wie den Fig. Ib und 2b zu entnehmen ist, verjüngt sich die Breite B der außen liegenden Abgriffsfläche 6' nach radial innen zur Nockenwellen-/Steuerachse 5 hin. Dabei kann die Verjüngung wie in der Fig. Ib gezeigt, stufenartig oder wie in der Fig. 2b gezeigt, kontinuierlich ausgebildet sein. Insbesondere bei einer kontinuierlich ausgebildeten Verjüngung, wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, kann eine im Bereich der Abgriffsfläche 6' in den Nocken 1 eingeleitete Kraft besser übertragen werden, als bei einer Querschnittsform, wie in den Fig. Ia und Ib gezeigt, welche sich stufenartig ändert. Die Verjüngung ist dabei an eine im Betrieb des Nocken 1 auftretende Belastung angepasst, so dass der Nocken 1 einerseits alle im Betrieb auftretenden Belastungen problemlos aufnehmen kann, andererseits jedoch nur ein sehr geringes Gewicht, insbesondere ein im Vergleich zum aus dem Stand der Technik bekannten Nocken geringeres Gewicht aufweist .
Eine Verbindung des erfindungsgemäßen Nockens 1 mit der No- cken-/Steuerwelle 2 kann dabei beispielsweise durch einen Schrumpfsitz, durch Kleben, durch Schweißen, durch Löten, durch Innenhochdruckumformen, insbesondere durch Hydroumfor- men, durch Formschluss oder durch Schrumpfkleben erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Nocken 1, dass eine Reduzierung des Nockengewichts im Vergleich zu konventionellen Nocken in Scheibenform um ca. 30 bis 40 % möglich ist, wodurch auch eine deutliche Reduzierung des Gesamtgewichts der Nockenwelle 2 möglich wird. Darüber hinaus ist die Herstellung des Nockens 1 durch Schmieden, Gießen oder Sintern mit sehr geringem Materialeinsatz möglich, wodurch sich insbesondere der Bedarf an kostenintensivem und hochfestem Nockenwerkstoff reduziert. Darüber hinaus wird auch ein Bearbeitungsaufwand zur Herstellung einer sehr genauen Innenbohrung 9 des Nockens 1 durch die reduzierte Breite in diesem Bereich deutlich gemindert, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Herstellkosten auswirkt.
*****

Claims

Ansprüche
1. Nocken (1) für eine Nocken- oder Steuerwelle (2) eines Verbrennungsmotors, mit
- einem, einen kontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Grundkreis (3) ,
- einem, einen diskontinuierlichen Außendurchmesser aufweisenden Gipfelkreis (4),
- wobei Grundkreis (3) und Gipfelkreis (4) eine zusammenhängende außenliegende Abgriffsfläche (6) bilden, an welcher im Betrieb des Verbrennungsmotors ein Nockenfolger anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegende Abgriffsfläche (6') zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises (4) breiter ist als im Bereich des Grundkreises (3) .
2. Nocken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Nocken (1) einstückig ausgebildet ist oder
- dass der Nocken (1) zumindest in einem Teilbereich des Gipfelkreises (4) einen die außenliegende Abgriffsfläche
(6') verbreiternden Kranz (8) trägt.
3. Nocken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (1) durch Kalt- oder Warmschmieden, durch Gießen oder durch Sintern hergestellt ist.
4. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite (B) der außenliegenden Abgriffsfläche (6) nach radial innen verjüngt.
5. Nockentrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung stufenartig oder kontinuierlich ausgebildet ist.
6. Nockentrieb nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung an eine im Betrieb des Nockens (1) auftretende Belastung angepasst ist.
7. Nockentrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (1) mittels zumindest einer der nachfolgenden Verbindungsarten auf der Nocken-/Steuerwelle (2) befestigt ist, Schrumpfen, Kleben, Schweißen, Löten, Innenhoch- druckumformen/Hydroumformen, Formschluss, Schrumpfkleben .
8. Nocken- oder Steuerwelle mit einem Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
*****
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