[0001] Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenscheibenträgerwelle,
auf der mehrere Nockenscheiben und ein Antriebsrad angebracht sind, nach der im Oberbegriff
von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung einer Nockenwelle, bei welchem auf einer Nockenscheibenträgerwelle
mehrere Nockenscheiben und wenigstens ein Antriebsrad angebracht werden.
[0002] Derartige Nockenwellen, die aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestehen und in
Brennkraftmaschinen zur Steuerung der Ventilöffnungszeiten eingesetzt werden, werden
als gebaute Nockenwellen bezeichnet.
[0003] In der gattungsgemäßen
DE 42 09 153 C2 ist ein Profil für eine lösbare Welle-Nabe-Verbindung beschrieben, bei dem die Welle
einerseits und die Nabe andererseits aus mehr als einem Bogenkeil nach einer logarithmischen
Spiralenfunktion bestehen und eine Mikroverzahnung am Umfang aufweisen. Dieses Mehrkeilprofil
hat den Nachteil, dass sich nicht kontaktierende Umfangsbereiche einstellen und die
radiale Profilausdehnung sehr gering ausfällt. Die Steigung der logarithmischen Spiralen
ist so gewählt, dass die Welle-Nabe-Verbindung im Wesentlichen durch Reibschluss hält.
[0004] Bei der in der
DE 41 21 951 C1 beschriebenen Nockenwelle werden die Nockenscheiben durch Schmieden hergestellt und
können eine von der Kreisform abweichende Öffnung aufweisen. Das Wellenprofil wird
mittels Walzen umgeformt und weist Erhöhungen und Vertiefungen auf, die zu umlaufenden
und somit kreisrunden Querschnittsveränderungen auf der Welle führen. Durch Walzen
oder Rollieren werden umlaufende Rillen in die Welle eingearbeitet, die aufgrund von
Materialverdrängung umlaufende Wulste aufwerfen. Die radialen Überhöhungen erstrecken
sich ringförmig in axialer Richtung der Nockenscheibenträgerwelle und haben gegenüber
den Öffnungen in den Nockenscheiben ein radiales Übermaß. Beim Fügen werden die Nockenscheiben
ähnlich einem Längspressverband einzeln jeweils zwischen zwei Profiliervorgängen in
axialer Richtung auf die Trägerwelle aufgepresst. Dazu müssen die Nockenscheiben am
Rand eine Fase aufweisen, damit sie beim Aufpressen auf die Welle nicht verkanten.
Nachteilig ist dabei, dass beim Aufpressen einer Nockenscheibe auf die Trägerwelle
die Wellenwulste zum Teil geglättet werden und aufgrund des Verschleißens beim Fügen
ihr Übermaß verlieren. Aus diesem Grund werden die Nockenscheiben in dem beschriebenen
Verfahren zwecks Einbringung einer rotationssymmetrischen Mikroverzahnung in aufwändiger
Art und Weise geräumt.
[0005] Bei der Herstellung anderer Nockenwellen kommt häufig das so genannte Innenhochdruckumformverfahren
zum Einsatz, welches erhebliche Kostenersparnisse bringen kann. Der Hauptvorteil der
gebauten Nockenwelle nach dem Innenhochdruckumformverfahren gegenüber konventionellen
Lösungen besteht in einer Senkung der Werkstoffkosten. Ein relativ billiger, unbehandelter
Stahlwerkstoff wird für die auch als Nockenscheibenträgerrohr bezeichnete, eigentliche
Welle und ein hochwertiger, legierter, härtbarer Kugellagerstahl für die Nockenscheiben
verwendet. Das Trägerrohr wird an dem Ende, an dem das Nockenwellenantriebsrad befestigt
wird, zum Zwecke der Wandstärkenerhöhung gestaucht. An den Enden und am Umfang erfolgt
eine zerspanende Bearbeitung. Die Nockenscheiben werden geschmiedet, zerspanend vorbearbeitet
und wärmebehandelt. Nach dem Fügen durch Innenhochdruckumformen werden an der zusammengebauten
Nockenwelle die Nockenformen und die Nockenwellenlagersitze in unterschiedlichen Werkstückaufspannungen
geschliffen.
[0006] Anders als Nockenwellen für PKW müssen Nockenwellen für Nutzfahrzeuge wesentlich
größere Drehmomente übertragen können. Gründe hierfür sind die höheren Gaswechselkräfte
aufgrund der größeren Hubräume. Zudem gibt es für Nfz-Motoren Anforderungen aus Sonderanwendungen,
über die Nockenwelle gegebenenfalls Hilfsaggregate anzutreiben, wie z.B. den Antrieb
von Hydraulikaggregaten in Landmaschinen über die Nockenwelle.
[0007] In diesem Zusammenhang besitzt das Innenhochdruckumformverfahren eine erhebliche
Einschränkung: Es bedingt eine hohle Nockenwelle bzw. ein Rohr zur Aufnahme der Nockenscheiben,
dessen Wandstärke zudem nicht zu groß sein darf, damit die erforderlichen Aufweitdrücke
beherrschbar bleiben. Damit sind Nachteile im Ausgangswerkstoff für das Nockenwellenrohr
vorgegeben. In den relevanten Durchmesserbereichen sind das nahtlos gezogene oder
das längs geschweißte Rohr teurer als das gewalzte Vollrundmaterial. Dabei muss berücksichtigt
werden, dass das Rohr aus Festigkeitsgründen an einem Ende umgeformt sein muss und
auf einer Seite ein Verschlussdeckel gegen Ölaustritt erforderlich ist. Ein weiterer
Aspekt ist, dass das Rohr im Vergleich zur Vollwelle ein geringeres Widerstandsmoment
gegen Torsions- und Biegebelastung hat, was unter Umständen bei vergleichbarer Belastung
größere Baugrößen beim Wellenrohr erfordert.
[0008] Des weiteren ist problematisch, dass die Innenhochdruckumformtechnik ein relativ
hohes Anlageninvestment bindet. Dies hängt einerseits mit dem zur Druckerzeugung erforderlichen
Hydraulikaggregat zusammen, andererseits bestehen aufgrund der sehr hohen Betriebsdrücke
von 2500 bis 3000 bar sicherheitstechnische Auflagen, die die Anlagekosten beeinflussen.
Ein weiterer negativer Kostenaspekt beim Innenhochdruckumformverfahren sind die laufenden
Betriebskosten. Die Dichtungen, welche die Innenhochdruckumformlanze gegen das Nockenwellenrohr
abdichten, unterliegen erheblichem Verschleiß und müssen regelmäßig getauscht werden,
was wiederum den Anlagennutzungsgrad begrenzt. Durch die kraftschlüssige Übertragung
der Betriebskräfte kann die Innenhochdruckumformtechnik außerdem nur in begrenztem
Maße eine betriebssichere kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindung für Nutzfahrzeugnockenwellen
sein.
[0009] Damit an bekannten gebauten Nockenwellen das Fügen der Nockenscheiben auf das Trägerrohr
überhaupt möglich ist, muss die jeweilige Nockenscheibenbohrung vorbearbeitet werden.
Dies kann wiederum nur im unvergüteten Zustand erfolgen. Um den Nockenscheiben ihre
Endhärte zu geben, ist ein meist induktives Erwärmen mit anschließendem Abschrecken
im Wasser- bzw. Ölbad erforderlich.
[0010] Ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle sowie eine gebaute Nockenwelle
aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen unter Verwendung der Innenhochdruckumformung
sind aus der
EP 0 265 663 B2 bekannt. Die Aufweitung der Welle erfolgt hydraulisch, wodurch die Welle-Nabe-Verbindung
durch Kraftschluss zustande kommt.
[0011] Auch bei der gebauten Welle gemäß der
EP 0 328 009 B1 oder der
EP 0 328 010 B1 wird mittels Innenhochdruckumformung ein Rohr aufgeweitet, wobei zur Erhöhung der
Steifigkeit die Nockenscheiben auf zwei über einander gesteckten Rohren befestigt
sind. Die Übertragung von Drehmomenten erfolgt kraftschlüssig. Aufgrund der Vielzahl
der erforderlichen Bauteile handelt es sich hierbei um eine relativ teure Lösung.
[0012] Die
EP 0 374 389 B1 beschreibt ein Verfahren zur Vorbehandlung von Bauteilen einer gebauten Nockenwelle.
Dort sind Wärmebehandlungsmaßnahmen für ein Rohr beschrieben, die es ermöglichen sollen,
dass sich das Rohr entweder besser durch Innenhochdruckumformung aufweiten lässt,
oder dass die Lagerstellen eine höhere Härte bekommen.
[0013] Bei der gebauten Welle gemäß der
EP 0 374 394 B1 ist das Nockenscheibenträgerrohr mit unterschiedlichen Querschnitten vorgeformt,
so dass beim nachfolgenden Aufweiten mittels Innenhochdruckumformen nur die' Rohrabschnitte,
welche die Nockenscheiben aufnehmen, plastisch verformt werden. Die Rohrabschnitte
zwischen den einzelnen Nockenscheiben werden nur elastisch aufgeweitet.
[0014] Bei dem in der
EP 0 313 565 B1 beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle werden Rohre als Träger
für die Nockenscheiben verwendet. Die Nockenscheiben werden zusammen mit dem Trägerrohr
ausgehend vom kreisrunden Querschnitt in einem Gesenk umgeformt, so dass sich eine
gebaute Nockenwelle ergibt. Nachteiligerweise können bei Raumtemperatur keine gehärteten
Nockenscheiben umgeformt werden, da diese sonst auseinander brechen oder zumindest
Risse bilden. Deshalb ist bei dem dort beschriebenen Verfahren ein separater Wärmebehandlungsvorgang
erforderlich.
[0015] Ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle unter Verwendung von Innenhochdruckumformung
sowie eine gebaute Nockenwelle aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen sind
in der
EP 0 265 663 A1 beschrieben. Die Nockenscheiben können in ihren Öffnungen Innenprofile aufweisen,
damit zusätzlich zum Kraftschluss auch Formschluss besteht, wobei das die Welle bildende
Rohr plastisch verformt wird, während die Nockenscheiben elastisch aufgeweitet werden.
[0016] Aus der
EP 0 516 946 B1 ist eine zusammengesetzte Nockenwelle bekannt, bei der eine hohle Welle mittels Innenhochdruckumformen
bearbeitet wird. Die auf der Welle befestigten Nockenscheiben haben einen kreisförmigen
Querschnitt und eine in axialer Richtung verlaufende Nut, welche beim Innenhochdruckumformen
zumindest teilweise' mit dem Werkstoff der Welle durch plastische Umformung gefüllt
wird, sodass sich eine formschlüssige Drehverbindung einstellt.
[0017] In der
EP 0 730 705 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer einstückigen hohlen Nockenwelle beschrieben,
bei dem durch Innenhochdruckumformen ein Rohr im Gesenk derart aufgeweitet wird, dass
sich eine hohle Nockenwelle ergibt. Dabei ist vorteilhaft, dass keine separaten Nockenscheiben
hergestellt werden müssen. Dagegen ist nachteilig, dass eine Wärmebehandlung der Nockenwelle
erforderlich ist. Zudem wird in den Bereichen der Nockenspitze die Wandstärke der
Nockenwelle besonders stark reduziert, was dazu führt, dass die Festigkeitsanforderungen
an eine Nfz-Nockenwelle mit dieser Technologie wohl kaum erfüllt werden können.
[0018] Eine Nockenwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben sind in der
EP 0 970 293 B1 beschrieben. Dabei werden aus einer Blechtafel bzw. aus einem Blechband dünne Nockenscheiben
herausgestanzt. Eine Mehrzahl dieser Flachmaterialen wird zu Blechstapeln über bzw.
neben einander zusammengestellt. Demnach besteht eine Nockenscheibe aus mehreren Teilen,
die letztlich durch Innenhochdruckumformen auf ein Rohr gefügt werden. Die Nockenscheiben
können eine Verzahnung oder ein kerbenähnliches Profil am Umfang aufweisen, welches
zur Drehlagenorientierung dient.
[0019] Die aus der
EP 0 856 642 A1 bekannte gebaute Nockenwelle basiert auf einem Längspressverband, wobei die Fügepartner
an den Fügestellen beschichtet sind. Die Beschichtung kann eine Phosphatschicht, aber
auch Klebstoff sein. Angesprochen ist auch eine nicht näher spezifizierte Profilierungsmöglichkeit.
[0020] Die
EP 0 839 990 B1 geht von einer durch Gießen hergestellten Nockenscheibenträgerwelle aus. Diese Welle
kann an den Stellen, wo die Nockenscheiben befestigt werden, profiliert sein. Das
nicht rotationssymmetrische Profil wird zum Zwecke des Wuchtens angegossen und dient
somit zur besseren Massenverteilung der Welle. Das Kaltumformen von Eisengussbauteilen
gilt wegen der Werkstoffsprödigkeit im Allgemeinen als problematisch.
[0021] Bei dem sehr ähnlichen Verfahren gemäß der
DE 37 17 190 C2 erfolgt das Profilieren mit Walzstangen, die über Längsnuten verfügen. Der Verlauf
einer Nut im Walzwerkzeug folgt im Wesentlichen der Bewegungsrichtung der Walzstange,
die in jedem Querschnitt quer zur Bewegungsrichtung das gleiche Profil aufweist. Im
Falle einer gegebenenfalls vorgesehenen gewinde-ähnlichen, wulstartigen Vergrößerung
der Nockenscheibenträgerwelle verläuft die Vertiefung nicht exakt in der Bewegungsrichtung
der Walzstange, sondern ist um den Gewindesteigungswinkel schräg gestellt. Die Querschnitte
einer Walzstange sind dann nicht über die Länge völlig gleich. Jedoch erscheint in
der Seitenansicht jede Walzstange als Rechteck. Die längs verlaufenden Begrenzungsgeraden
der Seitenansicht einer Walzstange sind parallel zur Bewegungsrichtung. Das hier angesprochene
Vieleck als Beispiel für das von der Kreisform abweichende Profil der Trägerwelle
hat lediglich das Ziel, eine Kreisform zu nähern.
[0022] Bei der in der
DE 195 20 306 C1 beschriebenen, zusammengesetzten Nockenwelle handelt es sich um eine mittelbare formschlüssige
Verbindung. Es wird eine gewellte Spannhülse eingesetzt, die in eine rotationssymmetrische
Wellenverzahnung und in eine ebenfalls rotationssymmetrische Innenverzahnung an der
Nockenscheibenöffnung greift. Nachteilig ist hierbei allerdings die Handhabung der
Spannhülse als separates Bauteil.
[0023] Die
EP 0 580 200 B1 bezieht sich auf die Ausgestaltung der Nockenscheibe zum Zwecke des Leichtbaus, wozu
dieselbe aus einem dünnen Blech hergestellt wird. Diese Konstruktion dürfte jedoch
die an eine Nockenwelle gestellten Festigkeitsanforderungen kaum erfüllen können.
[0024] Die Ausbildung der axialen Übergangszone zwischen zwei nahe bei einander liegenden
Nockenerhebungen ist aus der
EP 0 459 466 B1 bekannt. Dies ist nur für einstückige, jedoch nicht für gebaute Nockenwellen von
Bedeutung.
[0025] In dem in der
EP 0 650 550 B1 vorgeschlagenen Verfahren wird ein Nockenscheibenträgerrohr mechanisch durch einen
durchgestoßenen oder durchgezogenen Dorn aufgeweitet. Dazu ist erforderlich, dass
das Nockenscheibenträgerrohr vor dem Fügen unterschiedliche Wandstärken hat. Die Fügefläche
kann Ausnehmungen, Taschen oder eine Verzahnung aufweisen. Falls für das Profil der
Fügefläche eine Verzahnung vorgesehen ist, ist diese an beiden Fügepartnern, also
an der Nockenwelle und an den Nockenscheiben anzubringen.
[0026] Bei dem sehr ähnlichen Verfahren gemäß der
EP 0 663 248 B1 werden in ein Rohr mittels eines stufenförmigen Dorns umformtechnisch unterschiedliche
Wandstärken eingearbeitet.
[0027] Eine weitere gebaute Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben sind
in der
DE 100 61 042 C2 beschrieben. Hier wird ein kegeliger Bogenkeil eingesetzt. Maximal zwei Kurbelwangen
können durch gegenseitiges Verdrehen auf einen Hubzapfen gefügt werden. Die Fügeflächen
müssen wegen der hohen Toleranzanforderungen zerspanend bearbeitet werden. Beim Fügen
wird die Welle im Wesentlichen elastisch verformt, wobei die Verbindung wieder lösbar
ist.
[0028] Sämtliche der beschriebenen Verfahren sind somit nicht in der Lage, die an eine hoch
beanspruchte Nockenwelle gestellten Anforderungen im Sinne einer einfachen und kostengünstig
zu realisierenden Lösung zu erfüllen.
[0029] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwelle zu schaffen, die
hohen Festigkeitsanforderungen gerecht wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Nockenwelle, das mit relativ geringem Aufwand und somit geringen Kosten durchführbar
ist.
[0030] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
[0031] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist am Umfang derjenigen Abschnitte der Nockenscheibenträgerwelle,
in denen die Nockenscheiben angebracht sind, ein einzelnes, aus einander abwechselnden
Erhöhungen und Vertiefungen gebildetes keilförmiges Bogenprofil vorgesehen. Im Gegensatz
zu bekannten Lösungen handelt es sich somit nicht um rotationssymmetrische oder umlaufende
Rillen oder Wulste, sondern bei jeder Nockenscheibenbefestigung um ein nicht kreisrundes
Profil. Die Nockenscheiben sind durch die kontinuierliche Vergrößerung des Radius
der Nockenscheibenträgerwelle mit derselben mittels eines Querpressverbandes, bei
dem keine spezielle Beschichtung der Kontaktflächen erforderlich ist, verbunden. Dadurch
ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung der Nockenscheibenträgerwelle
eine Fixierung der Nockenscheiben ohne Zusatzmaterial oder die Notwendigkeit weiterer
Verfahrensschritte gegeben.
[0032] Dadurch, dass erfindungsgemäß um den Umfang der Nockenscheibenträgerwelle und der
Bohrung der Nockenscheiben genau ein keilförmiges Bogenprofil vorgesehen ist, ist
zum einen bei gleicher Steigung des keilförmigen Bogenprofils eine größere Durchmesserdifferenz
und somit eine höhere Festigkeit der Verbindung erreichbar. Zum anderen ist die zwangsläufig
vorhandene Verlustzone, also der Bereich, in dem die Nockenscheiben nicht in Berührung
mit der Nockenscheibenträgerwelle stehen, kleiner, sodass der Querschnitt der Verbindung
unabhängig vom anfänglich vorhandenen Fügespiel besser ausgenutzt wird.
[0033] Es ist davon auszugehen, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen der Nockenscheibenträgerwelle
und den Nockenscheiben gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich höher ausfällt als
bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik. Darüber hinaus ist es bei der erfindungsgemäßen
Nockenwelle möglich, unbearbeitete Nockenscheiben mit der Nockenscheibenträgerwelle
zu verbinden, was eine erhebliche Zeit- und somit Kosteneinsparung darstellt.
[0034] Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Innenprofil der Bohrung
der Nockenscheiben spiegelverkehrt zum Innenprofil der Bohrung des Antriebsrads ausgebildet
ist, so kann die Anbringung der Nockenscheiben und des wenigstens einen Antriebsrads
an der Nockenscheibenträgerwelle auf besonders einfache Weise dadurch erfolgen, dass
das Antriebsrad gedreht wird, während die Nockenscheiben in einer starren Position
gehalten werden. Die hierfür erforderliche Vorrichtung kann besonders einfach aufgebaut
sein und das beschriebene Verfahren ist sehr einfach zu beherrschen.
[0035] Darüber hinaus führt diese Vorgehensweise dazu, dass die Drehrichtung der Nockenwelle
unter Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit der
Profilgeometrie steht, wodurch sich die Festigkeit der erfindungsgemäßen Nockenwelle
noch weiter erhöht. Wenn sämtliche Nockenscheiben gleichzeitig mit dem Nockenwellenantriebsrad
gefügt werden, so ist darüber hinaus der teure Räumvorgang bei der Bearbeitung der
Nockenscheiben nicht erforderlich, da eventuell vorhandene Maßabweichungen ausgeglichen
werden.
[0036] Eine besonders hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen Nockenwelle ergibt sich, wenn
die Nockenscheibenträgerwelle als Vollwelle ausgebildet ist. Alternativ dazu ist es
jedoch auch möglich, dass die Nockenscheibenträgerwelle als Hohlwelle ausgebildet
ist. Hierbei sollte jedoch vorgesehen sein, dass zur Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle
ein Dorn in die Hohlwelle eingeschoben wird.
[0037] Eine besonders einfache Umformung der Nockenscheibenträgerwelle ist möglich, wenn
die Tiefe der Vertiefungen sich kontinuierlich mit der Vergrößerung der Erhöhungen
erhöht.
[0038] Eine verfahrensmäßige Lösung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 8.
[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren lässt so große Fertigungstoleranzen zu, dass die Weichbearbeitung
der Bohrung der Nockenscheiben entfallen und somit eine Kostenersparnis erreicht werden
kann. Zudem ist es bei der vorliegenden Erfindung nur erforderlich, das Außenprofil
der Nockenscheibenträgerwelle umzuformen und nicht gleichzeitig auch die Nockenscheiben.
Dies hat den Vorteil, dass die kontaktierende Fügefläche größer ist und dass keine
anderen Hilfsmittel, wie zum Beispiel vorbereitendes Aufschrumpfen der Nockenscheiben
auf die Nockenscheibenträgerwelle oder nachfolgendes Aufweiten der Nockenscheibenträgerwelle
oder gar Verlöten der Fügeflächen erforderlich ist.
[0040] Die Nockenscheiben werden erfindungsgemäß mit Spiel auf die Nockenscheibenträgerwelle
aufgeschoben und durch eine Drehbewegung fixiert. Dadurch sowie aufgrund der erfindungsgemäßen
Geometrie spielt vorteilhafterweise die Frage der Zentrierung der Fügepartner kaum
keine Rolle, wodurch der Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren relativ gering
ist.
[0041] In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen
sein, dass bei der Anbringung der Nockenscheiben und des wenigstens einen Antriebsrads
an der Nockenscheibenträgerwelle die Nockenscheibenträgerwelle plastisch verformt
wird, wobei die Nockenscheiben und das wenigstens ein Antriebsrad elastisch aufgeweitet
werden. Nach der Einbringung der Vertiefungen und Erhöhungen in das Wellenprofil,
um durch die sich um die Aufweitungen herum ergebende Hüllkurve ein Bogenkeilprofil
auszuformen, kann durch diese plastische Verformung der Nockenscheibenträgerwelle
das Profil derselben beim Fügen teilweise wieder geglättet werden. Die Verbindung
zwischen der Nockenscheibenträgerwelle und den Nockenscheiben hält auf diese Weise
im Wesentlichen durch die plastische Umformung der Welle beim Fügen und durch die
elastische Aufweitung der Nabe. Vorteilhaft ist dies auch, wenn die einzelnen Nockenscheiben
gewisse Maßabweichungen aufweisen, da diese durch die plastische Verformung ausgeglichen
werden.
[0042] Wenn die Erhöhungen und Vertiefungen'mittels Kaltumformung in die Nockenscheibenträgerwelle
eingebracht werden, so ergibt sich eine weitere Erhöhung der Festigkeit der Nockenwelle.
Eine spezielle Wärmebehandlung' oder eine andere besondere Maßnahme zur Festigkeitssteigerung
ist dadurch nicht erforderlich.
[0043] In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Erhöhungen und Vertiefungen
mittels zweier sich relativ zueinander bewegender, stangenförmiger Walzwerkzeuge in
die Nockenscheibenträgerwelle eingebracht werden. Je nach Anforderungen an die Erhöhungen
und Vertiefungen der Verzahnung sind erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber konventionellen
Verfahren wie Wälzfräsen oder Wälzstoßen möglich. Im Vergleich zu einer zerspanend
hergestellten Verzahnung hat die bei Raumtemperatur umformtechnisch geformte Verzahnung
vorteilhafterweise eine höhere Festigkeit.
[0044] Das Profil der Nockenscheibenbohrung kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens durch Schmieden in der erforderlichen Endqualität erzeugt
werden, was zu einer weiteren Vereinfachung der Herstellung der erfindungsgemäßen
Nockenwelle führt.
[0045] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
[0046] Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
- Fig. 2
- eine erste Ausführungsform der Einbringung von Erhöhungen und Vertiefungen in die
Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
- Fig. 3
- das Verfahren aus Fig. 2 in einem zweiten Zustand;
- Fig. 4
- das Verfahren aus Fig. 2 in einem dritten Zustand;
- Fig. 5
- das Verfahren aus Fig. 2 in einem vierten Zustand;
- Fig. 6
- eine Abwandlung des Verfahrens aus Fig. 2;
- Fig. 7
- eine zweite Ausführungsform der Einbringung von Erhöhungen und Vertiefungen in die
Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
- Fig. 8
- das Verfahren aus Fig. 7 in einem zweiten Zustand;
- Fig. 9
- das Verfahren aus Fig. 7 in einem dritten Zustand;
- Fig. 10
- die Anbringung des Antriebsrads an der Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem'erfindungsgemäßen
Verfahren in einem ersten Zustand;
- Fig. 11
- die Anbringung einer Nockenscheibe an der Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren in einem ersten Zustand;
- Fig. 12
- das Verfahren aus Fig. 10 in einem zweiten Zustand;
- Fig. 13
- das Verfahren aus Fig. 11 in einem zweiten Zustand;
- Fig. 14
- das Verfahren aus Fig. 10 in einem dritten Zustand;
- Fig. 15
- das Verfahren aus Fig. 11 in einem dritten Zustand;
- Fig. 16
- das Verfahren aus Fig. 10 in einem vierten Zustand; und
- Fig. 17
- das Verfahren aus Fig. 11 in einem vierten Zustand.
[0047] Fig. 1 zeigt eine gebaute Nockenwelle 1, die eine Nockenscheibenträgerwelle 2 aufweist,
auf der im zusammengebauten Zustand an jeweiligen Abschnitten 2a derselben eine Mehrzahl
von Nockenscheiben 3 sowie ein Nockenwellenantriebsrad bzw. Antriebsrad 4 drehfest
angebracht sind. Die Nockenwelle 1 dient in bekannter Weise dazu, in einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine die Ventilöffnungszeiten zu steuern. Die Nockenscheiben 3, deren
Anzahl.von der Brennkraftmaschine abhängt, weisen jeweils eine Bohrung 5 zur Anbringung
derselben auf den Abschnitten 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 auf und sind im allgemeinen
um einen bestimmten Winkel gegen einander versetzt.
[0048] Die Nockenwelle 1 weist des weiteren mehrere Lagerstellen 6 auf, in denen sie unter
Betriebsbedingungen in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine abgestützt wird.
In Fig. 1 ist die Nockenwelle 1 in ihrem nicht zusammengebauten Zustand dargestellt,
wobei die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4 jeweils Spiel s1, s2 und s3 gegenüber
der Nockenscheibenträgerwelle 2 aufweisen. Es ist zu erkennen, dass der axiale Abstand
a zweier benachbarter Nockenscheiben 3 größer ist als die Breite b einer Nockenscheibe
3.
[0049] Als Ausgangsmaterial für die Nockenscheibenträgerwelle 2 wird vorzugsweise ein Rundmaterial
aus Stahl verwendet, das beispielsweise warm gewalzt sein kann. Die Anforderungen
an den Werkstoff der Nockenscheibenträgerwelle 2 sind eine gewisse Kaltumformbarkeit
und Zähigkeit. Eine spezielle Wärmebehandlung durch Vergüten oder eine besonders hohe
Verschleißfestigkeit ist nicht erforderlich. Es können aber auch gezogene Rundmaterialien
mit kreisförmigem Ausgangsquerschnitt als Halbzeuge für die Nockenscheibenträgerwelle
2 verwendet werden. Hohlkörper wie Rohre können ebenfalls Verwendung finden, wodurch
die gesamte Nockenwelle 1 eine geringere Masse erhielte und auf eine Tieflochbohrung
zur Versorgung von Schmierstellen verzichtet werden könnte. Zur später beschriebenen
Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle 2 sollte in diesem Fall jedoch ein Dorn
in die Hohlwelle eingeschoben werden.
[0050] Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 beschrieben, wird in die
Nockenscheibenträgerwelle 2 ein verzahnungsähnliches Profil mit mehreren lokalen Erhöhungen
7 und einer entsprechenden Anzahl an lokalen Vertiefungen 8 eingebracht, die abwechselnd
zueinander angeordnet sind. Durch das gezielte Einbringen der Vertiefungen 8 in die
Oberfläche der Nockenwellenträgerwelle 2 wird durch Materialverdrängung als Hüllkurve
sämtlicher Erhöhungen 7 ein keilförmiges Bogenprofil 9 erzeugt, wobei die Außenkontur
der Abschnitte 2a ähnlich einer Verzahnung mit unterbrochenen Tragflächen ausgeführt
ist. Die in die Welle eingebrachten Vertiefungen 8 stellen keine Mikroverzahnung zur
Erhöhung des Reibschlusses dar. Sie können bestenfalls als Makroverzahnung verstanden
werden.
[0051] Zur Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle 2 sind zwei stangenförmige Walzwerkzeuge
vorgesehen, die im folgenden der Einfachheit halber als Walzstangen 10 und 11 bezeichnet
werden und auf ihren jeweiligen zueinander gerichteten Seiten mit Profilen versehen
sind, die mit sich abwechselnden Lücken und Vorsprüngen versehen sind und bei einer
relativen Bewegung der beiden Walzstangen 10 und 11 durch Kaltumformung die Erhöhungen
7 und die Vertiefungen 8 in die Nockenscheibenträgerwelle 2 einbringen. Zur Bearbeitung
wird die Nockenscheibenträgerwelle 2 vorzugsweise zwischen nicht dargestellte Spitzen
eingespannt, woraufhin sich die Walzstangen 10 und 11 in Richtung der mit V
10 und V
11 bezeichneten Pfeile synchron und mit gleicher Geschwindigkeit in Bewegung setzen.
Dadurch wird die Nockenscheibenträgerwelle 2 gemäß dem Pfeil V
2 in Drehung versetzt und bewegt sich während der Bearbeitung mehrere Male um ihre
eigene Achse. Die Länge der beiden Walzstangen 10 und 11 entspricht demnach einem
Vielfachen des Durchmessers bzw. des Umfangs der Nockenscheibenträgerwelle 2. Während
der translatorischen. Bewegung der Walzstangen 10 und 11 üben diese einen radialen
Druck auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 aus und formen dieselbe um. Aus den Figuren
2 bis 5 ist erkennbar, dass sich die Profiltiefe der Walzstangen 10 und 11 über die
Länge derselben erhöht, wodurch die erforderlichen Umformkräfte sich verändern.
[0052] Der gesamte, in den Figuren 2 bis 5 im Ablauf dargestellte Walzvorgang kann nach
wenigen Sekunden beendet sein, wonach die Walzstangen 10 und 11 in ihre Ausgangslage
zurückfahren. Daraufhin kann die Nockenscheibenträgerwelle 2 entlang ihrer Längsachse
zu dem nächsten umzuformenden Abschnitt 2a verschoben werden, worauf sich die Einbringung
der Erhöhungen 7 und der Vertiefungen 8 zur Bildung des keilförmigen Bogenprofils
9 wiederholt.
[0053] Bei der Umformung bildet jede quer zur. Bewegungsrichtung der Walzstangen 10 und
11 verlaufende Lücke des Profils der Walzstangen 10 und 11 eine Erhöhung 7 und jeder
ebenfalls quer zur Bewegungsrichtung der Walzstangen 10 und 11 verlaufende Vorsprung
eine Vertiefung 8 auf der Nockenscheibenträgerwelle 2 aus. Aus der dargestellten Ausführung
des Profils der Walzstangen 10 und 11 wird deutlich, dass die Erhöhungen 7 den Radius
der Nockenscheibenträgerwelle 2 kontinuierlich vergrößern, da jede nachfolgende Lücke
des Profils tiefer ist als die jeweils vorhergehende. Im vorliegenden Fall bedeutet
dies auch, dass je höher die Vorsprünge des Profils der Walzstangen 10 und 11 ausgebildet
sind, desto tiefer die dahinterliegende Lücke ist, was die Materialverdrängung während
des Umformvorgangs erleichtert.
[0054] Im vorliegenden Fall ist das durch die Umformung entstehende keilförmige Bogenprofil
9, also die Hüllkurve um die Erhöhungen 7, als archimedische oder logarithmische Spirale
ausgeführt. Für das keilförmige Bogenprofil 9 kämen neben einer archimedischen oder
logarithmischen Spirale auch mathematische Funktionen höherer Ordnung, wie z.B. die
fermatsche, galileische oder hyperbolische Spirale, Sinusspirale, Lemniskate, Quadratrix
oder auch andere in Betracht, wobei die Funktion selbst von untergeordneter Bedeutung
ist. Entscheidend ist lediglich, dass das keilförmige Bogenprofil 9 eine in Polarkoordinaten
mit dem Drehwinkel..sich erweiternde, öffnende Funktion ist und von der Kreisform
abweicht. Das Zentrum dieser Funktion muss nicht zwangsläufig mit der Drehachse der
Nockenscheibenträgerwelle 2 zusammenfallen, sodass auch exzentrische Spiralen möglich
sind.
[0055] Die geometrischen Zusammenhänge vereinfachen sich, wenn als Hüllprofil für die Verbindung
der Nockenscheiben 3 mit der Nockenscheibenträgerwelle 2 eine archimedische Spirale
mit der Steigung tanα gewählt wird. In diesem Fall liegen die tiefsten Punkte sämtlicher
Lücken des Profils der Walzstangen 10 und 11 auf einer Geraden, die mit der Bewegungsrichtung
v
10 und v
11 der Walzstangen 10 und 11 den Steigungswinkel α einschließt. Allerdings kann gegebenenfalls
auch vorgesehen sein, dass die tiefsten Punkte sämtlicher Lücken des Profils der Walzstangen
10 und 11 auf einer Kurvenbahn liegen. Dies gilt im übrigen auch für die höchsten
Punkte sämtlicher höchsten Punkte der Vorsprünge des Profils der Walzstangen 10 und
11.
[0056] Bei der Bearbeitung eines Vorsprungs sind jeweils zwei Walzstangen 10 und 11 vorgesehen,
um während des Walzvorgangs die Nockenscheibenträgerwelle 2 abzustützen und die Walzkräfte
abzuleiten. Vorzugsweise sind die Walzstangen 10 und 11 geometrisch gleich ausgebildet
und sind mit einem derartigen Versatz zueinander angeordnet, der dem halben mittleren
Umfang der Nockenscheibenträgerwelle 2 entspricht. Die Walzstangen 10 und 11 können
dahingehend optimiert werden, dass die erforderlich Umformarbeit zur Einbringung des
keilförmigen Bogenprofils 9 in die Nockenscheibenträgerwelle 2 gleichmäßig auf beide
Walzstangen 10 und 11 verteilt wird. Die Nockenscheibenträgerwelle 2 kann indirekt
über die Abwälzbewegung der Walzstangen 10 und 11 von denselben angetrieben werden.
Es ist jedoch auch möglich, die Nockenscheibenträgerwelle 2 während des Walzens über
einen eigenen geregelten Drehantrieb anzutreiben, wozu die Nockenscheibenträgerwelle
2 in einer geeigneten Aufnahmevorrichtung, wie z.B. einem Backenfutter oder einer
Spannzange, gespannt sein muss.
[0057] Vorzugsweise bestehen die Walzstangen 10 und 11 aus gehärtetem Stahl und weisen die
Breite b der Nockenscheiben 3 auf. Die Vertiefungen können durch bekannte Bearbeitungstechniken
in die Walzstangen 10 und 11 eingebracht werden, wozu beispielsweise das Flachschleifen
und das Tiefschleifen mit einer entsprechend profilierten Schleifscheibe zählen. Das
Schleifscheibenprofil wiederum kann beispielsweise über das CNC-gesteuerte Abrichten
mittels Diamantfliese in die Schleifscheibe eingearbeitet werden.
[0058] Für jeden Abschnitt 2a, an dem eine Nockenscheibe 3 an der Nockenscheibenträgerwelle
2 befestigt wird, ist, wie oben angedeutet, ein separater, nach einander durchzuführender
Umformvorgang vorgesehen, wozu die Nockenscheibenträgerwelle 2 gespannt bleibt. Zwischen
den Umformvorgängen muss die Nockenscheibenträgerwelle 2 jedoch in ihrer Drehlage
entsprechend dem erforderlichen Drehwinkelversatz der Nockenscheiben 3 neu positioniert
und gegebenenfalls inklusive des Drehantriebs axial entsprechend um den Abstand a+b
der zueinander benachbarten Nockenscheiben 3 verschoben werden.
[0059] Wie in Fig. 6 dargestellt ist es aber auch möglich, alle Abschnitte 2a für die Nockenscheiben
3 in einem einzigen Wälzschritt auszuformen. Hierzu müssen für jeden Abschnitt 2a
der Nockenscheibenträgerwelle 2 jeweils zwei Walzstangen 10, 10' und 11, 11' bzw.
eine der Anzahl der Nockenscheiben 3 entsprechende Anzahl an Walzstangenpaaren 10
und 11, 10' und 11', ... im Abstand a vorgesehen werden, wodurch sich die Produktivität
des Walzablaufes erheblich erhöht. Dabei sind sämtliche unteren Walzstangen 11 und
11' an einem quer zur Drehachse der Nockenscheibenträgerwelle 2 verschiebbaren Unterschlitten
12 befestigt, wodurch die unteren Walzstangen 11 und 11' gleichzeitig synchron zur
Drehung der Nockenscheibenträgerwelle 2 bewegt werden können. Nicht dargestellt ist
ein Oberschlitten, der alle oberen Walzstangen 10, 10', ... aufnimmt und gegenläufig
zum Unterschlitten 12 verfährt.'
[0060] In den Figuren 7, 8 und 9 ist ein alternatives Umformverfahren zur Ausbildung des
keilförmigen Bogenprofils 9 in die Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 dargestellt.
Hierzu ist ein Gesenk 13 vorgesehen, welches im vorliegenden Fall drei zueinander
bewegliche Gesenkteile 13a, 13b und 13c mit einer jeweiligen, die Erhöhungen 7 und
die Vertiefungen 8 bildenden Profilierung aufweist. In dem Gesenk 13 wird durch die
dargestellte Schließ- und Öffnungsbewegung der Gesenkteile 13a, 13b und 13c die Nockenscheibenträgerwelle
2 unter anschwellender oder pulsierender Druckbeaufschlagung, beispielsweise durch
Hämmern, umgeformt. Die Gesenkteile 13a, 13b und 13c weisen jeweils die Breite b der
Nockenscheiben 3 auf. Bei der Bearbeitung führen die Gesenkteile 13a, 13b und 13c
eine radiale Bewegung relativ zu der Nockenscheibenträgerwelle 2 aus, wobei die Krafteinleitung
für die Umformung des Materials mit Hilfe einer bekannten, linear geführten Aktorik
hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch erfolgen kann.
[0061] Ähnlich dem zuvor beschriebenen Walzprofilieren werden die einzelnen Profilquerschnitte
der Nockenscheibenträgerwelle 2, also die umzuformenden Abschnitte 2a, nacheinander
gebildet, wozu die Nockenscheibenträgerwelle 2 jeweils vor dem Umformen in eine neue
Drehwinkellage gebracht wird. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, mehrere
Gesenke 13 in Längsrichtung der Nockenscheibenträgerwelle 2 anzuordnen und sämtliche
Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 gleichzeitig mit dem keilförmigen Bogenprofil
9 zu versehen.
[0062] In einer nicht dargestellten Ausführungsform wäre es auch möglich, die Nockenscheibenträgerwelle
2 zu gießen, wozu die entsprechende Gießform zumindest an den Abschnitten 2a ähnlich
dem Gesenk 13 ausgeführt sein könnte.
[0063] Die Herstellung der Nockenscheiben.3 ist in den Figuren nicht dargestellt. Diese
können beispielsweise geschmiedet werden, wobei die geschmiedete Kontur zweckmäßigerweise
nahe der Endkontur der Nockenscheiben 3 liegt. Es ist dann lediglich noch erforderlich,
die äußere Funktionsfläche der Nockenscheiben 3 zur Ventilsteuerung spanabhebend zu
bearbeiten. Dies gilt im Übrigen auch für die Lagerstellen 6 der Nockenscheibenträgerwelle
2 nach dem im folgenden beschriebenen Zusammenbau der Nockenwelle 1. Auch eine Herstellung
der Nockenscheiben 3 durch Gießen oder Sintern ist möglich. Wie in den Figuren 10
bis 17 zu erkennen, ist das Innenprofil der Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3 an die
Erhöhungen 7 und somit an die Vergrößerung des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle
2 und damit an das keilförmigen Bogenprofil 9 angepasst.
[0064] Die unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 6 bzw. 7 bis 9 beschriebene Fertigungstechnik
zur umformtechnischen Ausbildung der Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2
zur Aufnahme der Nockenscheiben 3 kann in identischer Weise auch für das Wellenprofil
zur Aufnahme einer Bohrung 14 des Antriebrads 4 übernommen werden. Aus nachfolgend
erläuterten Gründen besteht der Unterschied lediglich darin, dass die Windungs- bzw.
Öffnungsorientierungen des keilförmigen Bogenprofils 9 des Wellenprofils zur Aufnahme
des Antriebrads 4 spiegelverkehrt zu den keilförmigen Bogenprofilen 9 zur Aufnahme
der Nockenscheiben 3 sind. Aus Montagegründen wird zudem im Allgemeinen die Steigung
des keilförmigen Bogenprofils 9 des Wellenprofils zur Aufnahme des Antriebrads 4 größer
sein als diejenige zur Aufnahme der Nockenscheiben 3.
[0065] Die Bohrung 14 des Antriebrads 4 entspricht ebenfalls im Wesentlichen der Bohrung
5 der Nockenscheiben 3. Allerdings ist das Innenprofil der Bohrung 5 der Nockenscheiben
3 spiegelverkehrt zum Innenprofil der Bohrung 14 des Antriebsrads 4 ausgebildet.
[0066] Jeweils paarweise zeigen die Figuren 10 und 11, 12 und 13, 14 und 15 sowie 16 und
17 den Ablauf bei einer möglichen Ausführungsform der Anbringung der Nockenscheiben
3 und des Antriebsrads 4 auf der Nockenscheibenträgerwelle 2. In Fig. 10 ist dargestellt,
dass das Antriebsrad 4 mittels dreier Spannelemente 15 eingespannt ist. Die Spannelemente
15 sind Teil einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Drehvorrichtung, welche
über einen Drehantrieb verfügt, der vorzugsweise geregelt ist und über eine Überwachung
der Winkellage der Spannelemente 15 und somit des Antriebsrads 4 verfügt. Dagegen
sind die Nockenscheiben 3, wie aus Fig. 11 erkennbar, mittels zweier Spannelemente
16 drehfest gespannt und in ihrer Lage fixiert. Wird nun, wie in Fig. 12 und 13 dargestellt,
das Antriebsrad 4 um den Winkel φ1 gegen die fixierten Nockenscheiben 3 verdreht;
so baut sich das anfängliche Fügespiel s1 des Antriebsrads 4 gegen die Nockenscheibenträgerwelle
2 auf 0 ab. Eine Verdrehung der Nockenscheibenträgerwelle 2 gegenüber den Nockenscheiben
3 erfolgt jedoch nicht.
[0067] Bei der in den Figuren 14 und 15 dargestellten weiteren Verdrehung des Antriebsrads
4 gegen die fixierten Nockenscheiben 3 um den Winkel φ2 wird die Nockenscheibenträgerwelle
2 durch formschlüssige Mitnahme ebenfalls in Drehung um den Winkel φ2 gesetzt. Durch
diese Drehmitnahme der Nockenscheibenträgerwelle 2 gegenüber den Nockenscheiben 3
um den Winkel φ2 baut sich das anfängliche Fügespiel s2 ebenfalls auf 0 ab, was in
Fig. 15 erkennbar ist. Aufgrund der Maßtoleranzen wird der Abbau des anfänglichen
Fügespiels s2 an jeder Nockenscheibe 3 zu einem anderen Zeitpunkt bzw. bei einer anderen
Drehwinkellage des Antriebsrads 4 erreicht.
[0068] Bei der weiteren Verdrehung des Antriebsrads 4 um den Winkel φ3, wie in Fig. 16 dargestellt,
wird die plastische Verformbarkeit der Nockenscheibenträgerwelle 2 und insbesondere
des keilförmigen Bogenprofils 9 derselben ausgenutzt. Durch das Drehmoment, welches
zum Verdrehen des Antriebsrads 4 um den Winkel φ3 erforderlich ist und über die Drehvorrichtung
des Antriebsrads 4 auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 wirkt, bilden sich unter anderem
in radialer Richtung wirkende Reaktionskräfte aus. Diese wirken von den Nockenscheiben
3 auf die Nockenscheibenträgerwelle 2, wodurch sich die Breite der Erhöhungen 7 des
keilförmigen Bogenprofils 9 von einer anfänglichen Breite d1, wie in Fig. 15 dargestellt,
zu einer Breite d2, wie in Fig. 17 dargestellt, verformt. Auf diese Weise kommt es
zu einer Stauchung sämtlicher keilförmiger Bogenprofile 9 der Nockenscheibenträgerwelle
2, wobei der Werkstoff in die Vertiefungen 8 verdrängt wird. Während sich die Nockenscheibenträgerwelle
2 in den Fügeflächen innerhalb der von den Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3 umschlungenen
Bereichen plastisch verformt, bewirken die Fügekräfte eine im wesentlichen elastische
Aufweitung der Nockenscheiben 3. Auf diese Weise stellt sich zwischen jeder Nockenscheibe
3 und den Abschnitten 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 ein Pressverband ein.
[0069] Gleichzeitig bewirkt das beim Fügen durch das Antriebsrad 4 in die Nockenscheibenträgerwelle
2 eingeleitete Drehmoment eine plastische Verformung jenes Wellenprofils, das vom
Antriebsrad 4 umschlungen wird. Hier vergrößert sich unter dem radialen Pressdruck
die anfängliche Breite der Erhöhungen d1 gemäß Fig. 14 wie bei den Nockenscheiben
3 ebenfalls auf die Breite d2 gemäß Fig. 16. In Analogie zur Aufweitung der Nockenscheiben
3 wird auch die Bohrung 14 des Antriebrads 4 durch das Montagedrehmoment elastisch
aufgeweitet. Wie bereits erwähnt hat im Allgemeinen die Bohrung 14 des Antriebsrads
4 eine größere radiale Ausdehnung als die Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3. Durch
die entsprechende Auslegung der Geometrieparameter wird erreicht, dass während der
Montagedrehbewegung um den Winkel φ3 sich alle unrunden Wellenprofile gleichzeitig
verformen. Mit geeigneten Maßnahmen sollte dabei verhindert werden, dass das Antriebsrad
4 beim Fügen unter Einwirkung der Fügekräfte über der Nockenscheibenträgerwelle 2
durchrutscht.
[0070] Nachdem der vorgegebene Drehwinkel φ3 erreicht ist, schaltet die Drehsteuerung der
Drehvorrichtung die Drehbewegung des Antriebrads 4 ab, wodurch das Montagedrehmoment
auf null abfällt. Die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4 federn in die radiale
Richtung zurück und bauen ihre elastische Aufweitung teilweise wieder ab. Sie üben
auf die plastisch verformte Nockenscheibenträgerwelle 2 einen bleibenden radialen
Druck aus, der das Lösen der einzelnen Fügeverbindungen der Nockenscheiben 3 gegen
die Nockenscheibenträgerwelle 2 sowie des Antriebsrads 4 gegen die Nockenscheibenträgerwelle
2 verhindert. Zugleich stellen sich für die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4
die kraftschlüssig wirkenden axialen Verschiebesicherungen ein.
[0071] Durch die oben beschriebene Fügebearbeitung entsteht die fertige gebaute Nockenwelle
1, wobei durch bekannte Feinbearbeitungsverfahren die Lagerstellen 6 sowie die äußeren
Funktionsflächen bearbeitet werden können, beispielsweise durch Spitzenlosrundschleifen
für die Lagerstellen 6 und durch Nockenformschleifen für die Außenkontur der gefügten
Nockenscheiben 3.
[0072] In dem in die Brennkraftmaschine eingebauten Zustand weist die Nockenwelle 1 unter
Betriebsbedingungen vorzugsweise die gleiche Drehrichtung wie das Antriebsrad 4 bei
der Montage auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 auf. Demnach erfolgt die Übertragung
des Nockenwellenantriebmoments von dem Antriebsrad 4 über die Nockenscheibenträgerwelle
2 auf die Nockenscheiben 3 formschlüssig.
[0073] Alternativ zu dem beschriebenen Fügevorgang, bei dem das Antriebsrad 4 gegenüber
der Nöckenscheibenträgerwelle 2 verdreht wird, wäre es auch möglich, eine beliebige
Nockenscheibe 3 zu verdrehen. Des weiteren könnten auch das Antriebsrad 4 sowie die
Nockenscheiben 3 einzeln mit der Nockenscheibenträgerwelle 2 verbunden werden, wobei
in diesem Zusammenhang eine Überwachung des aufgebrachten Drehmoments sinnvoll wäre.
[0074] Zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis sind in den Figuren die Parameter,
insbesondere die Steigung des keilförmigen Bogenprofils 9, die Teilung der Erhöhungen
7 und der Vertiefungen 8 sowie die Ausbildung der Zahnformen extrem gewählt. In der
Praxis wird die Abweichung des keilförmigen Bogenprofils 9 von der Kreisform geringer
sein, wobei ein geringerer Unterschied des größten Radius der Abschnitte 2a vom kleinsten
Radius, also eine kleinere Steigung des keilförmigen Bogenprofils 9 zu einer besseren
Selbsthemmung führt. Der Verdrehwinkel φ3 kann jedoch die Größe von 180° und mehr
erreichen.
1. Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenscheibenträgerwelle, auf der
mehrere Nockenscheiben und ein Antriebsrad angebracht sind, wobei sich der Außenradius
der Nockenscheibenträgerwelle in denjenigen Abschnitten, in denen die Nockenscheiben
angebracht sind, kontinuierlich verändert, und wobei die Nockenscheiben eine Bohrung
aufweisen, deren Innenradius sich kontinuierlich verändert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) in denjenigen Abschnitten (2a), in denen die Nockenscheiben
(3) angebracht sind, abwechselnd mit Erhöhungen (7) und Vertiefungen (8) versehen
ist, die über den Umfang des Abschnitts (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein
keilförmiges Bogenprofil (9) bilden, wobei die Erhöhungen (7) den Außenradius der
Nockenscheibenträgerwelle (2) kontinuierlich vergrößern, dass die Bohrung (5) der
Nockenscheiben (3) an die Vergrößerung des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle
(2) angepasst ist, und dass um den Umfang der Nockenscheibenträgerwelle (2) und der
Bohrung (5) der Nockenscheiben (3) genau ein keilförmiges Bogenprofil (9) vorgesehen
ist.
2. Nockenwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der axiale Abstand (a) zweier benachbarter Nockenscheiben (3) größer ist als die
Breite (b) einer Nockenscheibe (3).
3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Innenprofil der Bohrung (5) der Nockenscheiben (3) spiegelverkehrt zum Innenprofil
einer Bohrung (14) des Antriebsrads (4) ausgebildet ist.
4. Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) als Vollwelle ausgebildet ist.
5. Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei zur Bearbeitung
der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein Dorn in die Hohlwelle eingeschoben wird.
6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tiefe der Vertiefungen (8) sich kontinuierlich mit der Vergrößerung der Erhöhungen
(7) erhöht.
7. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keilförmige Bogenprofil (9) als archimedische oder logarithmische Spirale ausgebildet
ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei welchem auf einer Nockenscheibenträgerwelle
mehrere Nockenscheiben und wenigstens ein Antriebsrad angebracht werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass in diejenigen Abschnitte (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2), an denen die Nockenscheiben
(3) angebracht werden, abwechselnd Erhöhungen (7) und Vertiefungen (8) derart eingebracht
werden, dass.der Umfang des Abschnitts (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein
den Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) kontinuierlich vergrößerndes keilförmiges
Bogenprofil (9) als Hüllkurve bildet, dass in die Nockenscheiben (3) eine an die Vergrößerung
des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) angepasste Bohrung (5) eingebracht
wird, und dass die Nockenscheiben (3) und das wenigstens eine Antriebsrad (4) durch
gegenseitige Verdrehung an der Nockenscheibenträgerwelle (2) angebracht werden, wobei
die Nockenscheiben (3) und das wenigstens eine Antriebsrad (4) und/oder die Nockenscheibenträgerwelle
(2) elastisch verformt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8;
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Anbringung der Nockenscheiben (3) und des wenigstens einen Antriebsrads (4)
an der Nockenscheibenträgerwelle (2) die Nockenscheibenträgerwelle (2) plastisch verformt
wird, wobei die Nockenscheiben (3) und das wenigstens ein Antriebsrad (4) elastisch
aufgeweitet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Anbringung der Nockenscheiben (3) und des wenigstens einen Antriebsrads (4) an
der Nockenscheibenträgerwelle (2) das Antriebsrad (4) gedreht wird, während die Nockenscheiben
(3) in einer starren Position gehalten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels Kaltumformung in die Nockenscheibenträgerwelle
(2) eingebracht werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels zweier sich relativ zueinander
bewegender, stangenförmiger Walzwerkzeuge (10,11) in die Nockenscheibenträgerwelle
(2) eingebracht werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels Hämmern in einem Gesenk (13)
in die Nockenscheibenträgerwelle (2) eingebracht werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheiben (3) mittels Schmieden hergestellt werden.
1. Camshaft for an internal combustion engine having a cam disk support shafts to which
a plurality of cam disks and one drive wheel are attached, the outer radius of the
cam disk support shaft varying continuously in those sections in which the cam disks
are attached, and the cam disks having a bore whose inner radius varies continuously,
characterized
in that the cam disk support shaft (2) is alternately provided with elevations (7) and depressions
(8) in those sections (2a) in which the cam disks (3) are attached, said elevations
(7) and depressions (8) forming a wedge-shaped curve profile (9) about the circumference
of the section (2a) of the cam disk support shaft (2), the elevations (7) continuously
enlarging the outer radius of the cam disk support shaft (2), in that the bore (5)
of the cam disks (3) is matched to the enlarged portion of the outer radius of the
cam disk support shaft (2), and in that around the circumference of the cam disk support
shaft (2) and the bore (5) of the cam disks (3) precisely one wedge-shaped curve profile
(9) is provided.
2. Camshaft according to Claim 1,
characterized
in that the axial spacing (a) between two adjacent cam disks (3) is greater than the width
(b) of a cam disk (3).
3. Camshaft according to Claim 1 or 2,
characterized
in that the inner profile of the bore (5) of the cam disks (3) is mirror-inverted with respect
to the inner profile of a bore (14) of the drive wheel (4).
4. Camshaft according to Claim 1, 2 or 3,
characterized
in that the cam disk support shaft (2) is embodied as a solid shaft.
5. Camshaft according to Claim 1, 2 or 3,
characterized
in that the cam disk support shaft (2) is embodied as a hollow shaft, a mandrel being inserted
into the hollow shaft for the purpose of processing the cam disk support shaft (2).
6. Camshaft according to one of Claims 1 to 5,
characterized
in that the depth of the depressions (8) increases continuously with the enlargement of the
elevations (7).
7. Camshaft according to one of Claims 1 to 6,
characterized
in that the wedge-shaped curve profile (9) is embodied as an Archimedes or logarithmic spiral.
8. Method for producing a camshaft, in which method a plurality of cam disks and at least
one drive wheel are attached to a cam disk support shaft,
characterized
in that elevations (7) and depressions (8) are alternately formed in those sections (2a)
of the cam disk support shaft (2) in which the cam disks (3) are attached, in such
a way that the circumference of the section (2a) of the cam disk support shaft (2)
forms a wedge-shaped curve profile (9), which continuously varies the outer radius
of the cam disk support shaft (2), as an envelope, in that a bore (5) which is matched
to the enlarged portion of the outer radius of the cam disk support shaft (2) is formed
in the cam disks (3), and in that the cam disks (3) and the at least one drive wheel
(4) are attached to the cam disk support shaft (2) by means of rotation relative to
one another, the cam disks (3) and the at least one drive wheel (4) and/or the cam
disk support shaft (2) being elastically deformed.
9. Method according to Claim 8,
characterized
in that the cam disk support shaft (2) is plastically deformed when the cam disks (3) and
the at least one drive wheel (4) are attached to the cam disk support shaft (2), the
cam disks (3) and the at least one drive wheel (4) being elastically expanded.
10. Method according to Claim 8 or 9,
characterized
in that, in order to attach the cam disks (3) and the at least one drive wheel (4) to the
cam disk support shaft (2), the drive wheel (4) is rotated while the cam disks (3)
are held in a rigid position.
11. Method according to Claim 8, 9 or 10,
characterized
in that the elevations (7) and the depressions (8) are formed in the cam disk support shaft
(2) by means of cold forming.
12. Method according to Claim 11,
characterized
in that the elevations (7) and the depressions (8) are formed in the cam disk support shaft
(2) by means of two rod-shaped rolling dies (10, 11) which are moveable relative to
one another.
13. Method according to Claim 11,
characterized
in that the elevations (7) and the depressions (8) are formed in the cam disk support shaft
(2) by means of swaging in a die (13).
14. Method according to one of Claims 8 to 13,
characterized
in that the cam disks (3) are produced by means of forging.
1. Arbre à cames pour un moteur à combustion interne, comprenant un arbre porteur de
disques à cames sur lequel sont agencés plusieurs disques à cames et une roue d'entraînement,
le rayon extérieur de l'arbre porteur de disques à cames se modifiant en continu dans
celles des portions dans lesquelles sont agencés les disques à cames, les disques
à cames présentant un perçage dont le rayon intérieur se modifie en continu,
caractérisé en ce que
dans celles des portions (2a) dans lesquelles sont agencés les disques à cames (3),
l'arbre porteur de disques à cames (2) est pourvu en alternance de bossages (7) et
de renfoncements (8) qui forment un profil arqué (9) en forme de coin sur la périphérie
de la portion (2a) de l'arbre porteur de disques à cames (2), les bossages (7) agrandissant
en continu le rayon extérieur de l'arbre porteur de disques à cames (2), en ce que le perçage (5) des disques à cames (3) est adapté à l'agrandissement du rayon extérieur
de l'arbre porteur de disques à cames (2), et en ce que précisément un profil arqué (9) en forme de coin est prévu autour de la périphérie
de l'arbre porteur de disques à cames (2) et du perçage (5) des disques à cames (3).
2. Arbre à cames selon la revendication 1.
caractérisé en ce que
la distance axiale (a) de deux disques à cames voisins (3) est supérieure à la largeur
(b) d'un disque à cames (3).
3. Arbre à cames selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le profil intérieur du perçage (5) des disques à cames (3) est réalisé à symétrie
inversée par rapport au profil intérieur d'un perçage (14) de la roue d'entraînement
(4).
4. Arbre à cames selon la revendication 1, 2 ou 3,
caractérisé en ce que
l'arbre porteur de disques à cames (2) est réalisé sous forme d'arbre plein.
5. Arbre à cames selon la revendication 1, 2 ou 3,
caractérisé en ce que
l'arbre porteur de disques à cames (2) est réalisé sous forme d'arbre creux, un mandrin
étant inséré dans l'arbre creux pour usiner l'arbre porteur de disques à cames (2).
6. Arbre à cames selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
la profondeur des renfoncements (8) augmente en continu au fur et à mesure de l'agrandissement
des bossages (7).
7. Arbre à cames selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que
le profil arqué (9) en forme de coin est réalisé à la manière d'une spirale d'Archimède
ou d'une spirale logarithmique.
8. Procédé pour fabriquer un arbre à cames, dans lequel on agence plusieurs disques à
cames et au moins une roue d'entraînement sur un arbre porteur de disques à cames,
caractérisé en ce que
dans celles des portions (2a) de l'arbre porteur de disques à cames (2), sur lesquelles
on agence les disques à cames (3), on réalise en alternance des bossages (7) et des
renfoncements (8) de telle sorte que la périphérie de la portion (2a) de l'arbre porteur
de disques à cames (2) forme à titre d'enveloppante un profil arqué (9) en forme de
coin qui agrandit en continu le rayon extérieur de l'arbre porteur de disques à cames
(2), en ce que l'on ménage dans les disques à cames (3) un perçage (5) qui est adapté à l'agrandissement
du rayon extérieur de l'arbre porteur de disques à cames (2), et en ce que l'on agence les disques à cames (3) et ladite au moins une roue d'entraînement (4)
par rotation en sens opposés sur l'arbre porteur de disques à cames (2), les disques
à cames (3) et ladite au moins une roue d'entraînement (4) et/ou l'arbre porteur de
disques à cames (2) étant déformés élastiquement.
9. Procédé selon la revendication 8,
caractérisé en ce que
lors de l'agencement des disques à cames (3) et de ladite au moins une roue d'entraînement
(4) sur l'arbre porteur de disques à cames (2), l'arbre porteur de disques à cames
(2) est déformé plastiquement, les disques à cames (3) et ladite au moins une roue
d'entraînement (4) étant évasés élastiquement.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9,
caractérisé en ce que
pour agencer les disques à cames (3) et ladite au moins une roue d'entraînement (4)
sur l'arbre porteur de disques à cames (2), on fait tourner la roue d'entraînement
(4) tandis que l'on retient les disques à cames (3) dans une position fixe.
11. Procédé selon la revendication 8, 9 ou 10,
caractérisé en ce que
l'on réalise les bossages (7) et les renfoncements (8) par façonnage à froid dans
l'arbre porteur de disques à cames (2).
12. Procédé selon la revendication 11,
caractérisé en ce que
l'on réalise les bossages (7) et les renfoncements (8) dans l'arbre porteur de disques
à cames (2) au moyen de deux outils de galetage (10, 11) en forme de barreau se déplaçant
l'un par rapport à l'autre.
13. Procédé selon la revendication 11,
caractérisé en ce que
l'on réalise les bossages (7) et les renfoncements (8) dans l'arbre porteur de disques
à cames (2) par martelage dans une matrice (13).
14. Procédé selon l'une des revendications 8 à 13,
caractérisé en ce que
l'on réalise les disques à cames (3) par forgeage.