[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen von Nocken einer Nockenwelle,
bei dem die Nocken um eine durch das Zentrum eines Grundkreises der Nocken verlaufende
erste Achse mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit gedreht werden und eine Schleifscheibe
mit einer zu der ersten Achse parallelen Mantel linie an den Nocken anliegt und in
Abhängigkeit von der Drehstellung der Nocken relativ zur ersten Achse entlang einer
zweiten Achse bewegt wird, die senkrecht auf der ersten Achse steht, derart, daß die
Mantellinie während der Drehung der Nocken auf einer vorbestimmten Nockenkontur wandert,
wobei die Winkelgeschwindigkeit während der Drehung der Nocken variiert wird, so daß
die Mantellinie entlang dem Grundkreis mit höherer Winkelgeschwindigkeit, entlang
von Flanken und einer Spitze der Nocken hingegen mit verminderter Winkelgeschwindigkeit
wandert.
[0002] Ein Verfahren der vorstehend genannten Art ist aus der DE-Z "Werkstatt und Betrieb",
1986, Heft 2, Seiten 133 bis 138 bekannt.
[0003] Bei dem bekannten Verfahren wird eine CNC-Nockenformschleifmaschine eingesetzt,
bei der Nocken einer Nockenwelle durch insgesamt zwei Schrupp-Umdrehungen, eine Schlicht-Umdrehung
sowie eine Ausfeuer-Umdrehung von einer Rohkontur auf eine vorgegebene Fertigkontur
geschliffen werden.
[0004] Ausgehend von der Rohkontur wird die Schleifscheibe am Obergang der Nockenkontur
von einer Flanke zum Grundkreis an den Nocken angesetzt und dann während der ersten
Drehung des Nockens um etwa 100° über das gesamte Aufmaß auf dem Grundkreis des Nockens
zugestellt. Der restliche Umfang des Nockens wird dann im reinen Bahnbetrieb nach
den Koordinaten der Nocken-Fertigkontur geschliffen.
[0005] Während der Schrupp-Umdrehungen und der Schlicht-Umdrehungen wird die Winkelgeschwindigkeit
der Nocken variiert und zwar mit einem trapezförmigen Verlauf über dem Drehwinkel.
Im Bereiche des Grundkreises wird eine verhaltnismäßig hohe Winkelgeschwindigkeit
von etwa 20.000° pro Minute eingestellt Während im Bereich der Flanken und der Spitze
die Winkelgeschwindigkeit auf etwa 8.000° pro Minute abgesenkt wird. Der Übergang
zwischen diesen Bereichen der Winkelgeschwindigkeit wird entlang verhältnismäßig steiler
Anstiege bzw. Abfälle der Winkelgeschwindigkeit eingestellt.
[0006] Aufgrund dieser Vorgehensweise ergibt sich ein Verlauf des sogenannten bezogenen
Zeitspanvolumens über dem Drehwinkel, bei dem über dem Grundkreis ein verhaltnismäßig
hoher und konstanter Wert von etwa 40 mm³/mm.s eingestellt wird. Im Bereich der ersten,
auf den Grundkreis folgenden Flanke bleibt dieser Wert zunächst näherungsweise konstant
und sinkt dann schlagartig auf einen Wert von etwa 5 mm³/mm.s ab, um dann ebenso schlagartig
am Ende der vollen Umdrehung wieder auf einen Wert von etwa 40 mm³/mm.s anzusteigen.
[0007] Dieser sehr unregelmäßige Verlauf des bezogenen Zeitspanvolumens über dem Drehwinkel
und insbesondere die stark schwankenden und teilweise noch sehr hohen oder wieder
sehr hohen Werte im Bereich der Flanken und der Spitze führen jedoch aufgrund der
unvermeidbaren Systemsteifigkeit von Nockenwelle und Schleifmaschine zu Formfehlern.
Diese Formfehler haben im Bereich des Überganges vom Grundkreis auf den Nocken einen
maximalen Wert.
[0008] Die vorstehend geschilderten Nockenformfehler sind, in absoluten Größen betrachtet,
so klein, daß sie bei Standardanwendungen von Nocken unbemerkt bleiben. Bei zunehmenden
Anforderungen an die Maßhaltigkeit, d.h. die Formtreue von Nocken, im Ver gleich
zu einem vom Konstrukteur gewünschten Nockenprofil, können jedoch auch diese sehr
kleinen verbleibenden Nockenformfehler störend sein.
[0009] Zwar wäre es möglich, eine weitere Verminderung dieser Fehler dadurch zu erzielen,
daß man die Winkelgeschwindigkeit der Nocken insgesamt vermindert, dies würde jedoch
zu einem erheblichen Mehraufwand an Zeit und damit zu einer deutlichen Erhöhung der
Produktionskosten führen.
[0010] Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die genannten Nockenformfehler ohne
zusätzlichen Aufwand an Fertigungszeit noch weiter vermindert werden.
[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Winkelgeschwindigkeit
im Bereich der Spitze auf einen Wert oberhalb der verminderten Winkelgeschwindigkeit,
jedoch unterhalb der höheren Winkelgeschwindigkeit eingestellt wird.
[0012] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst,
weil sich überraschenderweise gezeigt hat, daß ein kurzzeitiges Anheben der Winkelgeschwindigkeit
auf einen konstanten mittleren Wert, und zwar dann, wenn die Schleifscheibe die Spitze
des Nockens schleift, eine Verminderung der Nockenformfehler bewirkt, wobei überraschenderweise
sich auch die Gesamtschleifzeit der Nocken vermindert.
[0013] Die erfindungsgemäße Lehre hat damit das nicht-erwartbare Ergebnis, daß gleichzeitig
die Formfehler und die Produktionszeit vermindert werden, während nach herkömmlicher
Denkweise diese Parameter nur gegenläufig veränderbar sind.
[0014] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Winkelgeschwindigkeit
im Bereiche des Grundkreises sowie im Bereiche der Spitze konstante Werte an, während
der Bereiche der Flanken ein trapezförmiger Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über
dem Drehwinkel der Nocken eingestellt wird.
[0015] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch den allmählichen Übergang des Wertes der
Winkelgeschwindigkeit vom höheren auf den verminderten und dann wieder auf den mittleren
Wert, und umgekehrt, dynamische Effekte vermieden werden, wie sie bei schlagartiger
Umschaltung der Winkelgeschwindigkeit auftreten würden. Auch hat sich der trapezförmige
Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel als optimal insoweit erwiesen,
als dieser trapezförmige Verlauf bei Nocken üblicher Bauart an den Verlauf des Krümmungsradius
der Nocken im Bereich der Flanken angepaßt ist. So führt nämlich die genannte trapezförmige
Einstellung des Wertes der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel im Bereiche der
Flanken der Nocken zu einem praktisch konstanten Verlauf des bezogenen Zeitspanvolumens.
Bekanntlich ändert sich das bezogene Zeitspanvolumen, unter Berücksichtigung der Systemsteifigkeit,
mit dem Krümmungsradius der zu schleifenden Kontur und diese Abhängigkeit wird gerade
zu einem konstanten Verlauf kompensiert, wenn die Winkelgeschwindigkeit im Bereiche
der Flanken der Nocken in der genannten Weise eingestellt wird.
[0016] Besonders bevorzugt ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wenn der Wert der Winkelgeschwindigkeit
an der Spitze etwa zwei Drittel des Wertes am Grundkreis beträgt und der Wert im Bereich
der Flanken auf etwa ein Drittel des Wertes am Grundkreis entlang des trapezförmigen
Verlaufes abnimmt, derart, daß das bezogene Zeitspanvolumen im Bereich der Flanken
sowie im Bereich der Spitze etwa konstant ist und etwa die Hälfte des bezogenen Zeitspanvolumens
im Bereiche des Grundkreises beträgt.
[0017] Die vorstehend genannten Einstellwerte haben sich in der Praxis üblicher Nocken für
Nockenwellen von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen als optimal erwiesen, wobei
sich versteht, daß die angegebenen Werte jeweils nur als Anhaltspunkte zu verstehen
sind.
[0018] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
[0019] 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.
[0020] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Nockens einer Nockenwelle mit einer abgebrochen dargestellten
Schleifscheibe, die sich im Eingriff am Nocken befindet;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des von einer Schleifscheibe am Nocken gemäß
Fig. 1 abgespanten Materialvolumens;
Fig. 3 bis 5 Verlaufe der Zustellung, der Winkelgeschwindigkeit sowie des bezogenen
Zeitspanvolumens über dem Drehwinkel des Nockens gemäß Fig. 1, zur Veranschaulichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0021] In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Nocken einer üblichen Nockenwelle für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
[0022] Der Übersichtlichkeit halber ist in den Nocken 10 ein kartesisches Koordinatensystem
mit einer Abszisse 11 und einer Ordinate 12 sowie einer dazu senkrechten Achse 13
eingezeichnet. In der Fachsprache der Schleifmaschinentechnik wird die Abszisse als
"X-Achse" und die zur Zeichenebene der Fig. 1 senkrechte Achse 13 als "C-Drehachse"
bezeichnet.
[0023] Der Nocken 10 ist von üblicher Formgebung und weist einen Grundkreis 15, daran anschließende
Flanken 16 sowie eine Spitze 17 auf. Der Grundkreisradius ist mit R
G und der Radius des sogenannten Nebenkreises im Bereiche der Spitze 17 ist mit R
S bezeichnet. Der Krümmungsradius R
F an den Flanken 16 des Nockens 10 variiert und es ist nur ein derartiger Radius R
F in Fig. 1 eingezeichnet.
[0024] Eine Schleifscheibe 20, die in Fig. 1 nur abgebrochen dargestellt ist, dreht sich
um eine in Fig. 1 nicht dargestellte Achse, die üblicherweise senkrecht auf der Abszisse
11 steht, in welchem Falle eine zylindrisch geformte Schleifscheibe 20 Verwendung
findet. Es sind darüberhinaus aber auch andere Anordnungen mit geneigter Schleifscheibenachse
und entsprechend konisch abgerichtetem Schleifscheibenumfang bekannt. Die Schleifscheibe
20 wird in Richtung eines Pfeiles 21 in Richtung der Abszisse 11 verfahren und der
Nocken 10 wird gleichzeitig in Richtung eines Pfeiles 22 um die Achse 13 gedreht.
[0025] In der Darstellung der Fig. 1 ist der Nocken 10 noch vollkommen unbearbeitet und
die Schleifscheibe 20 liegt in einem ersten Punkt 23 bzw. entlang einer senkrecht
durch den ersten Punkt 23 verlaufenden Mantellinie am Außenumfang, d.h. an der Rohkontur
des Nockens 10 an.
[0026] Der Nocken 10 wird nun mit einer Winkelgeschwindigkeit ω , wie dies weiter unten
noch im einzelnen erläutert werden wird, in Richtung des Pfeiles 22 gedreht und die
Schleifscheibe 20 wird gleichzeitig in Richtung der Abszisse x auf die Achse 13 hin
zugestellt. Die Drehbewegung des Nockens 10 und die Axialbewegung der Schleifscheibe
20 entlang der Abszisse 11 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Mantellinie bzw.
der Eingriffsbereich der Schleifscheibe 20 am Werkstückrohling die gewünschte Nockenkontur
erzeugt.
[0027] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist ein Winkelbereich φ
G des Grundkreises bis zu einem zweiten Punkt 24 an der Rohkontur des Nockens 10 vorgesehen.
Ein zweiter Winkelbereich φ
F der linken Flanke 16 erstreckt sich vom zweiten Punkt 24 zu einem dritten Punkt 25,
ein dritter Winkelbereich φ
S der Spitze 17 erstreckt sich vom dritten Punkt 25 zu einem vierten Punkt 26 und ein
vierter Winkelbereich φ
F der rechten Flanke 16 verläuft schließlich vom vierten Punkt 26 zu einem fünften
Punkt 27 auf der Rohkontur des Nockens, der gleichzeitig wiederum der Anfangspunkt
für den ersten Winkelbereich φ
G des Grundkreises 15 ist.
[0028] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel beträgt der erste Winkelbereich φ
G des Grundkreises 15 etwas mehr als 180°, er kann jedoch auch exakt 180° betragen.
Auch die Werte für die übrigen Winkelbereiche φ
F und φ
S sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
[0029] Zum Schleifen des Nockens 10 gemäß Fig. 1 taucht die Schleifscheibe 20 vorzugsweise
auf den Grundkreis 15 über das gesamte Aufmaß a von der unbearbeiteten Rohkontur auf
die in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Fertigkontur ein. In Fig. 1 ist ein sechster
Punkt 28 auf der Fertigkontur eingezeichnet, der dem Punkt entspricht, in dem die
Schleifscheibe 20 das gesamte Aufmaß a auf den Grundkreis 15 durchmessen hat. Vom
sechsten Punkt 28 an wird die Schleifscheibe 20 relativ zum Nocken 10 im reinen sogenannten
Bahnbetrieb verstellt, d.h. die Drehbewegung des Nockens 10 und die Axialbewegung
der Schleifscheibe 20 sind ohne Überlagerung einer Zustellbewegung ausschließlich
auf die Sollkontur des fertig zu schleifenden Nockens abgestimmt.
[0030] In Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht das Materialvolumen herausgezeichnet, das
während des Schleifens des Nockens 10 gemäß Fig. 1 vom Werkstuckrohling abzutragen
ist.
[0031] Die Umfangslänge, die von der Schleifscheibe 20 im Bereiche des Grundkreises 15,
der Flanken 16 sowie der Spitze 17 zu durchmessen ist, läßt sich aus dem Produkt der
jeweiligen Radien R
G, R
S bzw. R
F, und der zugehörigen Winkel φ
G, φ
S und φ
F , bestimmen, wobei im Falle des Krümmungsradius R
F der Flanken 16 das Integral des Radius Rφ
F über den Winkelbereich φ
F zu bilden ist.
[0032] Multipliziert man die so erhaltenen Umfänge mit dem Aufmaß a sowie einer Breite b
des Nockens 10, so erhält man die jeweiligen Zerspanungsvolumina in den vier Bereichen
des Nockens 10.
[0033] Unter Berücksichtigung der jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten ω
G, ω
F und ω
S im Bereich des Grundkreises 15, der Flanken 16 bzw. der Spitze 17 erhält man die
erforderlichen Schleifzeiten für die vier Bereiche.
[0034] Aus den Zerspanungsvolumina und den Schleifzeiten läßt sich schließlich das bezogene
Zeitspanvolumen für jeden der genannten Bereiche ermitteln. Allerdings ist dabei zu
berücksichtigen, daß sich die Eingriffsbedingungen der Schleifscheibe 20 am Nocken
10 im sogenannten Erhebungsbereich, d.h. im Bereiche der Flanken 16 sowie der Spitze
17 verändern, weil die Steifigkeit des Systems, d.h. die resultierende Nachgiebigkeit
der Nockenwelle und der Schleifmaschine zu berücksichtigen ist. Dies führt zu einer
dynamischen Korrektur der aufgrund statischer Betrachtung ermittelten bezogenen Zeitspanvolumina.
[0035] Man kann nun durch theoretische Herleitungen zeigen, daß eine optimale Nockenformqualität
erzielt wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit ω
S im Bereiche der Spitze 17 konstant eingestellt, die Winkelgeschwindigkeit ω
F im Bereiche der Flanken 16 hingegen variiert wird. Auch kann man zeigen, daß bestimmte
Verläufe der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel bereichsweise zu konstanten
Zeitspanvolumina führen.
[0036] Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen kommt man zu Verfahrensparametern, wie
sie als Verläufe über dem Drehwinkel φ in den Fig. 3 bis 5 dargestellt sind.
[0037] Fig. 3 zeigt dabei den Verlauf der Zustellung a über dem Drehwinkel φ . Wie bereits
weiter oben zu Fig. 1 erläutert, wird die Zustellung a im Bereiche des Grundkreises
vom ersten Punkt 23 auf den sechsten Punkt 28 vorgenommen. Dies drückt sich in einem
ersten Verlauf 40 der Zustellung a in Fig. 3 aus. Die Zustellung a nimmt zunächst
vom Werte Null entlang eines Anstieges 41 zu und geht dann bei einem Winkel φ₁ in
einen flachen Bereich 42 über, der dem Endwert a des gesamten Aufmaßes des gerade
vorliegenden Schleifvorganges entspricht. Der Wert a wird somit bis zum Endwert des
Drehwinkels φ von 360°, d.h. für eine volle Umdrehung, beibehalten.
[0038] Es sei an dieser Stelle betont, daß das hier beschriebene Vorgehen entweder das Vorgehen
bei einem von mehreren aufeinanderfolgenden Schleifvorgängen sein kann, wie dies
beim Stand der Technik durch Z.B. zwei Schruppvorgänge, einen Schlichtvorgang sowie
einen Ausfeuervorgang erfolgt. Es können jedoch auch Nocken durch einen einzigen derartigen
Vorgang vom Werkstückrohling auf Endmaß, geschliffen werden.
[0039] Fig. 4 zeigt einen zweiten Verlauf 50 für die Winkelgeschwindigkeit ω , die nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren angestellt wird.
[0040] Die Winkelgeschwindigkeit ω wird von einem Wert Null über einen verhaltnismäßig kleinen
Drehwinkel φ₂ von beispielsweise 20° oder 30° entlang eines steilen ersten Anstieges
51 auf einen hohen Wert ω
G eingestellt. Diesen hohen Wert ω
G behält die Schleifmaschine über einen ersten flachen Bereich 52 bis zu einem Winkel
φ₃ von beispielsweise 180° bei. Dieser Drehwinkel von 180° entspricht im Außführungsbeispiel
der Fig. 3 bis 5 gerade dem Grundkreis-Winkelbereich ω
G .
[0041] Vom Wert φ₃ an wird nun die Winkelgeschwindigkeit entlang eines relativ steilen ersten
Abfalles 53 vermindert, bis ein zweiter flacher Bereich 54 erreicht wird. Aus dem
flachen Bereich 54 nimmt die Winkelgeschwindigkeit ω dann entlang eines zweites Anstieges
55 wieder zu, bis ein dritter flacher Bereich 56 erreicht ist. Von diesem dritten
flachen Bereich 56 nimmt die Winkelgeschwindigkeit ω dann in klappsymmetrischer Weise
wieder entlang eines zweiten Abfalles 57 auf einen vierten flachen Bereich 58 ab,
von dem sie dann entlang eines dritten Anstieges 59 wieder auf den hohen Wert ω
G zunimmt.
[0042] Der trapezförmige Verlauf der Bereiche 53, 54, 55 entspricht dem Winkelbereich φ
F der ersten Flanke 16, der dritte flache Bereich 56 entspricht dem Winkelbereich φ
S an der Spitze 17 und der ebenfalls trapezförmige Bereich 57, 58, 59 entspricht dem
Winkelbereich φ
F der zweiten Flanke 16.
[0043] In dem Winkelbereich φ
F der Flanke 16 wird ein niedriger Wert ω
F der Winkelgeschwindigkeit ω eingestellt, während sich der dritte flache Bereich 56
im Winkelbereich φ
S der Spitze 17 durch einen mittleren Wert ω
S der Winkelgeschwindigkeit ω auszeichnet.
[0044] Mit 56′ ist aus Gründen des Vergleiches in Fig. 4 nochmals der Winkelgeschwindigkeitsverlauf
nach dem Stand der Technik aufgetragen und man erkennt, daß dort die Winkelgeschwindigkeit
im Bereiche der Flanken 16 und der Spitze 17 auf einen konstanten Wert eingestellt
wurde.
[0045] Fig. 4 zeigt, daß der mittlere Wert ω
S der Winkelgeschwindigkeit etwa zwei Drittel und der niedrige Wert ω
F etwas ein Drittel des Wertes ω
G im Bereiche des Grundkreises beträgt.
[0046] Fig. 5 zeigt schließlich einen dritten Verlauf 60 und zwar fur das bezogene Zeitspanvolumen
Q′. Das bezogene Zeitspanvolumen Q′ steigt entlang eines Anstieges 61 entsprechend
dem Anstieg 41 der Zustellung a in Fig. 3 an, bis beim Wert φ₁ des Drehwinkels φ von
beispielsweise 100° ein Endwert Q
G′ erreicht ist, der über einen ersten flachen Bereich 62 bis zum Drehwinkel φ₃, beispielsweise
180°, beibehalten wird.
[0047] Bei diesem Winkelwert φ₃, der zugleich dem Ende des Winkelbereiches φ
G des Grundkreises 15 entspricht, vermindert sich das bezogene Zeitspanvolumen Q′ wiederum
entlang eines Abfalles 63, der bis zu einem Drehwinkelwert φ₄ andauert. Dieser Wert
φ₄ ist dann erreicht, wenn die Winkelgeschwindigkeit ω im Verlaufe des ersten Abfalles
53 den Wert
S erreicht. Von dem Drehwinkelwert φ₄ an verläuft das bezogene Zeitspanvolumen Q′ konstant
entlang eines zweiten flachen Bereiches 64, dessen Wert Q
F′ gleich dem Wert Q
S′ ist, mit anderen Worten, das bezogene Zeitspanvolumen Q′ ist auf den Flanken 16
und an der Spitze 17 konstant und gleich groß. Es wird somit über die Winkelbereiche
φ
F, φ
S und φ
F , der Flanken 16 und der Spitze 17 konstant beibehalten.
[0048] Auch in Fig. 5 ist Wiederum aus Gründen des Vergleiches mit 64′ der Verlauf des bezogenen
Zeitspanvolumens Q′ nach dem Stande der Technik dargestellt, wie er sich also aus
dem Verlauf 56′ der Winkelgeschwindigkeit ω in Fig. 4 ergibt.
[0049] Aus der vorstehenden Schilderung folgt, daß die trapezförmige Einstellung der Winkelgeschwindigkeit
ω in den Bereichen 53, 54, 55 bzw. 57, 58, 59 der Flanken 16 gerade die dynamische
Variation des bezogenen Zeitspanvolumens Q′ im Bereiche der Flanken 16 kompensiert,
so daß sich der in Fig. 5 bei 64 erkennbare konstante Verlauf des bezogenen Zeitspanvolumens
Q′ ergibt.