DE10123918C1 - Exzenterwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Eine Exzenterwelle wird in der Weise hergestellt, daß zunächst eine Hauptwelle (10) mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aus Metall gefertigt wird und Exzenterelemente (12) aus Kunststoff (34) auf diese Hauptwelle (10) ausgespritzt werden. Die Exzenterelemente (12) können durch ein Einlegeteil (20) aus Metall verstärkt sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Exzenterwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Exzenterwellen werden als Exzenterwellen, Nockenwellen, Kurbelwellen usw. insbesondere im Verbrennungsmotorenbau in unterschiedlichsten Ausführungen eingesetzt. Der hier ver­ wendete Begriff "Exzenterwelle" soll stellvertretend für alle diese Ausführungen stehen und alle diese Ausführungen umfassen.

Es ist bekannt, Exzenterwellen in der Weise herzustellen, dass zunächst eine Hauptquelle mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hergestellt wird, auf welche die einzelnen Exzen­ terelemente aus Metall aufgesetzt oder aus Kunststoff aufgespritzt (JP 2000 045 717 A, JP 07-239009 A, US 5 797 180 A) werden. Im Falle rein metallischer Exzenterwellen ist die Herstellung und Bearbeitung aufwendig und der Materialbedarf und das Materialgewicht be­ trächtlich. Kunststoff-Exzenterelemente bieten durch die Spritztechnik den Vorteil der nach­ bearbeitungsfreien Herstellung und senken das Materialgewicht; für gewisse Anwendungen weisen Exzenterelemente aus Kunststoff jedoch mangelnde Fertigkeitseigenschaften auf.

Aus Goldmach, H., Hoffner, J.: Hybridbauteil in der Serienfertigung. Anwendungstechnische Information 1116. Bayer, Leverkusen, 30.09.2000 ist ein Verfahren zur Herstellung von Me­ tall-Kuntststoff-Verbundteilen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Exzenterwelle und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, die eine Erhöhung der Festigkeitseigenschaften ermöglichen, ohne das Materialgewicht und den Bearbeitungsaufwand beträchtlich zu steigern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Exzenterwelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. durch ein Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Anspruches 9.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Exzenterwelle aus einer Haupt­ welle herzustellen und auf dieser Hauptwelle die Exzenterelemente aus Kunststoff aufzusprit­ zen, welche ein Einlegeteil aus Metall aufweisen. Die Hauptwelle aus Metall weist im we­ sentlichen einen kreisförmigen Querschnitt auf, so daß sie aus Stab- oder Ringmaterial in ein­ fachen Bearbeitungsvorgängen, insbesondere durch Drehen und Schleifen, hergestellt werden kann, wobei nur ein geringer Materialabtrag erforderlich ist und entsprechend auch nur ein geringer Materialverlust auftritt. Zur Herstellung der Exzenterelemente wird eine Metall­ scheibe, deren Umfangkontur der Umfangkonturen des Exzenterelementes entspricht, auf die Hauptwelle aufgesetzt und mit vorzugsweise duroplastischem Kunststoff im Spritzgußberfah­ ren verspritzt. Im Spritzgußverfahren können auch komplizierte Umfangskonturen der Exzen­ terelemente in einfacher Weise und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, daß die Exzenterelemente nur mit einem geringen Aufmaß gespritzt werden müssen, so daß nur wenig Nachbearbeitung erforderlich ist und nur ein geringer Materialabfall verur­ sacht wird.

Die Exzenterelemente müssen in der Regel keine axiale Belastung aufnehmen. Die Verbin­ dung der aufgespritzten Exzenterelemente aus Kunststoff mit der metallischen Hauptwelle wird somit nicht in axialer Richtung beansprucht, so daß keine besonderen Maßnahmen er­ forderlich sind, um eine axial belastbare Verbindung zwischen dem Kunststoffmaterial der Exzenterelemente und der Hauptwelle zu bewirken.

Im allgemeinen wird auch nur ein verhältnismäßig geringes Drehmoment von der Hauptwelle auf die Exzenterelemente übertragen. Die Verbindung des aufgespritzten Kunststoffes mit der Hauptwelle ist daher in der Regel auch ausreichend, um das erforderliche Drehmoment über­ tragen zu können. Eine Verbesserung der Drehmoment-Belastbarkeit wird vorzugsweise da­ durch erreicht, daß die Hauptwelle in den axialen Bereichen, in welchen sie mit Kunststoff umspritzt wird, mit einer Rändelung versehen wird. Diese Rändelung kann ebenfalls in her­ stellungstechnisch einfacher Weise erzeugt werden.

Im wesentlichen werden die Exzenterelemente radial belastet und leiten die Kraft radial in die Hauptwelle ein.

Bei hoher radialer Belastung dienen die Einlegeteile dazu, die radialen Kräfte aufzunehmen und in die Hauptwelle einzuleiten. Dabei erweist sich die Metall-Kunststoff-Kombination bei geringerem Gewicht als rein metallische Exzenterelemente als ebenso belastbar. Die Einlege­ teile werden mit dem Kunststoffmaterial des Exzenterelementes umspritzt, wobei der Kunst­ stoff im wesentlichen die Fixierung des Einlegeteiles auf der Hauptwelle bewirkt. Bei der Herstellung müssen die Einlegeteile nur so weit an der Hauptwelle festgelegt werden, daß sie für das Umspritzen mit dem Kunststoff positioniert gehalten werden. Ein einfaches Einhaken und Aufschnappen der Einlegeteile auf die Hauptwelle ist hierfür beispielsweise ausreichend und geeignet.

Die Exzenterelemente können bei Bedarf noch einer spanabhebenden Nachbearbeitung unter­ zogen werden, z. B. einem Schleifen. Da die Herstellung der Exzenterelemente im Spritzguß­ verfahren bereits eine hohe Maßhaltigkeit ermöglicht, kommen nur geringe Nachbearbeitun­ gen in Betracht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert: Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Exzenterwelle in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Hauptwelle,

Fig. 3 eine Axialansicht eines Einlegeteiles und

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt des Endes der Exzenterwelle der Fig. 1.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Exzenterwelle darge­ stellt, wie sie zur variablen Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotores verwendet wird.

Auf einer Hauptwelle 10 sind Exzenterelemente 12, die als Nocken zur Ventilsteuerung die­ nen, ein Zahnrad 14 für den Antrieb und Anschläge 16 angeordnet.

Zunächst wird die in Fig. 2 dargestellte Hauptwelle 10 hergestellt. Hierzu wird ein Stahl- Stab- oder Ringmaterial mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen gedreht und gegebenenfalls gehärtet und geschliffen und gewünschtenfalls mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. An den Stellen, an welchen die Exzenterelemente 12, das Zahnrad 14 und die Anschläge 16 vorgesehen sind, werden zusätzlich Rändelungen 18 auf dem Umfang der Hauptwelle 10 ein­ gearbeitet. Da die Hauptwelle 10 kreisförmigen Querschnitt aufweist, sind diese Bearbei­ tungsvorgänge einfach und mit minimalem Materialabtrag und -verlust verbunden.

Die Hauptwelle 10 wird anschließend in eine Spritzgußform eingelegt und die Exzenterele­ mente 12 und eventuelle sonstige Elemente wie Zahnrad 14 und Anschläge 16 werden im Spritzgußverfahren um die Hauptwelle 10 gespritzt. Zum Umspritzen der Hauptwelle 10 wird vorzugsweise ein duroplastischer Kunststoff verwendet, der eine ausreichende Festigkeit für die Funktion der auf der Hauptwelle 10 sitzenden Elemente aufweist. Die Rändelungen 18 bewirken dabei eine drehmomentfeste Verbindung der Exzenterelemente 12 und der sonstigen Elemente 14, 16 mit der Hauptwelle 10.

Für eine höhere radiale Belastbarkeit der Exzenterelemente 12 werden die Exzenterelemente 12 durch Einlegeteile 20 verstärkt, wie dies in dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung dar­ gestellt ist.

Die Einlegeteile 20, von denen eines in Fig. 3 als Einzelteil gezeigt ist, sind Scheiben aus Metall, insbesondere aus Stahl, deren Stärke geringer ist als die axiale Breite der Exzentere­ lemente 12. Die Einlegeteile 20 weisen eine äußere Umfangskontur 22 auf, die der Umfangs­ kontur der Exzenterelemente 12 entspricht. Die Einlegeteile 20 werden an den für die Exzen­ terelemente 12 vorgesehenen Stellen der Hauptwelle 10 auf dieser befestigt. In dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel werden die Einlegeteile 20 auf die Hauptwelle 10 aufgeschnappt. Hierzu werden beim Drehen der Hauptwelle 10 Einstiche 24 an den Stellen eingearbeitet, an welchen die Einlegeteile 20 befestigt werden. An einer Umfangsstelle der Einstiche 24 wird jeweils eine radiale Bohrung 26 in die Hauptwelle 10 eingebracht. Die Einlegeteile 20 weisen eine innere Aussparung 28 auf, die die Form eines Kreisbogens hat, der sich über einen Win­ kel von etwas mehr als 180° erstreckt. Der Radius der Aussparung 28 entspricht dem Radius der Einstiche 24. An einem Bogenende der Aussparung 28 ist ein radial nach innen vorsprin­ gender Zapfen 30 ausgebildet. Das Einlegeteil 20 wird mit diesem Zapfen 30 in die Bohrung 26 des Einstiches 24 eingehängt und in dem Einstich 24 auf die Hauptwelle 10 aufgeschnappt. Das Aufschnappen wird dadurch erleichtert, daß dem Zapfen 30 etwa diametral gegenüberlie­ gend eine Kerbe 32 in dem Umfang der Aussparung 28 vorgesehen ist. Die Kerbe 32 erleich­ tert ein geringes elastisches Aufweiten der Aussparung 28, welches das Aufschnappen des Einlegeteiles 20 ermöglicht. Durch das Einhängen und Aufschnappen sind die Einlegeteile 20 an der Hauptwelle 10 positioniert und provisorisch festgelegt.

Die Hauptwelle 10 mit den aufgeschnappten Einlegeteilen 20 wird dann in die Spritzgußform eingelegt, um die Hauptwelle 10 und die Einlegeteile 20 mit dem duroplastischen Kunststoff zu umspritzen. Dabei werden die Einlegeteile 20 im Bereich der Exzenterelemente 12 an ihren beiden axialen Stirnflächen mit Kunststoff 34 umspritzt, wie dies in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist. Der Kunststoff 34 fixiert die Einlegeteile 20 vollstän­ dig auf der Hauptwelle 10. Insbesondere fixiert der Kunststoff 34 die Einlegeteile 20 axial, so daß diese gegen ein Verkippen abgestützt sind. Weiter stützt der Kunststoff 34, der in die Rändelungen 18 eingreift, die Einlegeteile 20 gegen Drehmomentbelastungen ab und hält die Einlegeteile 20 auf der Hauptwelle 10. Vorzugsweise weisen die Einlegeteile 20 Durchbrüche 36 auf, durch welche der Kunststoff 34 von einer Seite des Einlegeteiles 20 zur anderen Seite hindurchfließen kann. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Abstützung und Befestigung der Einlegeteile 20 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung.

Wie insbesondere in Fig. 4 zu erkennen ist, fügen sich die Einlegeteile 20 mit ihrer Außen­ kontur in die Außenkontur des Kunststoffes 34 der Exzenterelemente 12 ein, so daß die Ein­ legeteile 20 radial auf die Umfangskontur der Exzenterelemente 12 einwirkende Kräfte ab­ stützen und in die Hauptwelle 10 leiten können. Gegebenenfalls können die Exzenterelemente 12 mit dem Kunststoff 34 und den Einlegeteilen 20 noch in einem weiteren Schritt spanabhe­ bend fertig bearbeitet werden, z. B. geschliffen werden.

Claims (9)

1. Exzenterwelle mit einer Hauptwelle mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aus Metall und einem oder mehreren auf dieser Hauptwelle angeordneten aus Kunststoff be­ stehenden und auf die Hauptwelle aufgespritzten Exzenterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterelemente (12) ein Einlegeteil (20) aus Metall aufweisen.

2. Exzenterwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (34) ein Duroplast ist.

3. Exzenterwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (20) die Form einer Scheibe haben, deren Umfangskontur (22) der Umfangskontur der Exzente­ relemente (12) entspricht.

4. Exzenterwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (20) an beiden axialen Stirnseiten mit Kunststoff (34) umspritzt sind.

5. Exzenterwelle nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (20) auf der Hauptwelle (10) festgelegt und anschließend mit dem Kunst­ stoff (34) umspritzt sind.

6. Exzenterwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (20) auf die Hauptwelle (10) aufgeschnappt sind.

7. Exzenterwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegeteile (20) Durchbrüche (36) aufweisen, in welche der Kunststoff (34) einfließt.

8. Exzenterwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwelle (10) Rändelungen (18) in dem Bereich aufweist, in welchem Kunst­ stoff (34) aufgespritzt wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Exzenterwelle, bei welchem eine Hauptwelle mit im we­ sentlichen kreisförmigen Querschnitt aus Metall hergestellt und Exzenterelemente aus Kunststoff auf der Hauptwelle aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Exzenterelemente Einlegeteile aus Metall auf die Hauptwelle aufgesetzt und anschließend mit Kunststoff umspritzt werden.