DE102004032587A1

DE102004032587A1 - Verfahren und Montagesystem zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle

Info

Publication number: DE102004032587A1
Application number: DE102004032587A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Quaas
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2006-02-09
Also published as: US20060005385A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Montagesystem zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle (9) aus einer metallischen Welle (2) mit aufgeschrumpften Nocken (1). Dabei werden die Nocken (1) zunächst erwärmt, in erwärmtem Zustand in eine vorgegebene Position auf der Welle (2) aufgefädelt und anschließend durch Aufschrumpfen infolge des Abkühlens auf der Welle (2) befestigt. Vor dem Auffädeln der Nocken (1) wird die Welle (2) abgekühlt, so dass die Nocken (1) auf der Welle (2) infolge einer Temperaturangleichung aufgeschrumpft werden, welche eine Aufwärmung der Welle (2) und eine Abkühlung der Nocken (1) umfasst. DOLLAR A Das Montagesystem umfasst mehrere Trommeln, in denen die zu fügenden Wellen (2) und Nocken (1) aufgenommen und abgekühlt bzw. angewärmt werden. Die Kühlung der Wellen (2) erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Kühllanze (13), die in einen Hohlraum (14) der Welle (2) eingeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle aus einer metallischen Welle mit aufgeschrumpften Nocken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 32 47 636C2 als bekannt hervorgeht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Montagesystem zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der DE 32 47 636 C2 ist ein Aufschrumpf-Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle aus einer metallischen Hohlwelle und mehreren Nocken beschrieben. Dabei werden die Nocken erwärmt, mit einer gegenüber der Welle erhöhten Temperatur auf die Welle aufgefädelt und dort mit Hilfe einer Positioniereinrichtung in die richtige Lage gebracht. Durch die nachfolgende Temperaturangleichung zwischen den Nocken einerseits und der metallischen Welle andererseits wird eine formschlüssige Schrumpfverbindung zwischen den Nocken und der Welle erreicht.

Um die Nocken auf die Welle auffädeln und dort hochgenau positionieren zu können, müssen die Nocken allerdings auf eine Temperatur erhitzt werden, die höher ist als die Anlasstemperatur des Nockenwerkstoffs. Diese starke Erhitzung hat Veränderungen der Werkstoffeigenschaften der (bereits gehärteten) Nocken zur Folge, die sich negativ auf die Verschleißfestigkeit der Nocken auswirken und daher unerwünscht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Aufschrumpf-Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle in einer solchen Weise zu verbessern, dass die Werkstoffeigenschaften der Nocken nicht beeinträchtigt werden. Weiterhin soll ein Montagesystem vorgeschlagen werden, das eine kostengünstige und großserienfähige Herstellung solcher Nockenwellen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.

Danach wird die Welle vor dem Auffädeln der erwärmten Nocken abgekühlt. Die Temperaturdifferenz, die für einen rutschfesten Sitz der Nocken auf der Welle notwendig ist, wird also nicht alleine durch Erhitzen der Nocken, sondern durch eine Abkühlung der Welle gepaart mit einer Erwärmung der Nocken erzeugt. Die Temperatur, auf die die Nocken erwärmt werden müssen, hängt von der gewählten Kühlungstemperatur der Welle ab und kann daher in einen Temperaturbereich gelegt werden, der unterhalb der Anlasstemperatur der Nocken liegt. Auf diese Weise kann eine Gefügeänderung der Nocken ausgeschlossen werden, so dass die Verschleißfestigkeit der Nocken beim Fügen mit der Welle unverändert erhalten bleibt.

Dies ist besonders bei Nutzfahrzeug-Nockenwellen mit Bremsnocken vorteilhaft, die im Betrieb hohen Kräften ausgesetzt sind: So ist beispielsweise bei durchgehärteten Nocken aus 100Cr6, die auf eine Hohlwelle aus St52-3 aufgeschrumpft werden sollen, eine deutliche Temperaturdifferenz (von mindestens 150°C) zwischen Nocken und Welle notwendig, um einerseits ein Auffädeln der Nocken auf die welle während der Herstellung zu ermöglichen, andererseits im Betrieb eine hohe Überdeckung der Nocken auf der Welle zu realisieren. Werden die gehärteten Nocken auf Temperaturen oberhalb 200°C er hitzt, so hat dies allerdings ein signifikantes „Aufweichen" der Nockenhärtung zur Folge. Daher wird zum Auffädeln und Positionieren der Nocken auf die Welle erfindungsgemäß die Welle stark abgekühlt, während die gehärteten Nocken – je nach erforderlichem Fügemaß bzw. gewünschter Überdeckung – nur auf Temperaturen zwischen 150°C und 200°C erwärmt werden. Auf diese Weise kann das notwendige Fügemaß erreicht, eine optimale Überdeckung der Nocken auf der Welle gewährleistet und gleichzeitig eine Gefügeänderung der gehärteten Nocken wirksam vermieden werden.

Wird das Verfahren zur Herstellung hohler Nockenwellen verwendet, so empfiehlt es sich, die Kühlung der Welle mit Hilfe einer Kühllanze durchzuführen, die in den Innenraum der Welle eingeführt wird.

Zur Herstellung der Nockenwellen kommt ein Montagesystem zum Einsatz, das drehbar gelagerte Trommeln zur Aufnahme der zu fügenden Wellen, der Kühllanzen und der Nocken umfasst. In diesen Trommeln erfolgt die Erwärmung der Nocken und die Abkühlung der Wellen. Die Trommeln sind in einer solchen Weise zueinander angeordnet, dass ihre Drehachsen parallel verlaufen; ihre Drehbewegungen sind so aufeinander abgestimmt, dass zum Montagezeitpunkt die Achse der zu fügenden Welle, die Achsen der auf diese Welle aufzufädelnden Nocken sowie die Achse der Kühllanze kollinear zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise umfasst das Montagesystem einen axial verschiebbaren Gegenhalter, mit dessen Hilfe die Welle bzw. die in die Welle eingeführte Kühllanze bei Axialverschiebungen de Welle – insbesondere beim Auffädeln der Nocken auf die Welle – hochgenau geführt werden kann. Dieser Gegenhalter kann auch in einer drehbar gelagerten Trommel aufgenommen sein, deren Drehachse kollinear zu der Drehachse der Lanzentrommel ausgerichtet ist. Dieses Montagesystem ermöglicht eine Nockenwel len-Herstellung im Durchlaufbetrieb und eignet sich für einen kostengünstigen Großserieneinsatz; Beladung, Abkühlung der Welle, Erwärmung der Nocken, Montage, Temperaturausgleich und Entnahme der fertigen Nockenwellen erfolgt zeitlich überlappend, so dass ein hoher Durchsatz an Nockenwellen erreicht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Welle mit aufzuschrumpfendem Nocken ...

1a ... mit Nocken und Welle auf derselben Temperatur und

1b ... mit erwärmtem Nocken und gekühlter Welle;

2 eine schematische Darstellung ausgewählter Prozessschritte bei der Herstellung einer gebauten Nockenwelle:

2a: Einführen einer Kühllanze in die Welle;

2b: Vorschub eines Gegenhalters;

2c: Einführen der gekühlten Welle in die vorpositionierten erwärmten Nocken;

2d: Temperaturausgleich zwischen Nocken und Welle und

2e: Entnahme der fertigen Nockenwelle.

3 eine Detaildarstellung eines Kontaktbereiches zwischen einer Kühllanze und einem Gegenhalter (Bereich III in 2b);

4 eine schematische Aufsicht auf ein Montagesystem zur Herstellung gebauter Nockenwellen;

5 schematische Schnittansichten des Montagesystems der 4 gemäß ausgewählter Schnitte in 4:

5a: Schnitt Va-Va (Lanzentrommel)

5b: Schnitt Vb-Vb (Achstrommel)

5c: Schnitt Vc-Vc (Nockentrommel)

5d: Schnitt Vd-Vd (Gegenhaltertrommel);

6 eine Detaildarstellung zweier Nockenhalterscheiben gemäß dem Ausschnitt VI in 4.

1a zeigt eine schematische Darstellung eines gehärteten Nockens 1, der auf eine Hohlwelle 2 aufgeschrumpft werden soll. Um einen sicheren Halt des Nockens 1 auf der Hohlwelle 2 zu gewährleisten, ist der Innendurchmesser 3 einer Nockenöffnung 4 bei Raumtemperatur T_R um eine sogenannte „Überdeckung" 5 geringer als der Außendurchmesser 6 der Welle 2. Wird die Welle 2 auf eine Temperatur T_L < T_R abgekühlt, so reduziert sich ihr Außendurchmesser auf einen Wert 6' (siehe 1b); wird der Nocken 1 auf eine Temperatur T_H > T_R erwärmt, so vergrößert sich der Innendurchmesser 3' der Nockenöffnung 4 – mit der Folge, dass der Innendurchmesser 3' der Nockenöffnung 4 nun um ein sogenanntes „Fügemaß" 7 größer ist als der Außendurchmesser 6' der Welle 2, so dass der erwärmte Nocken 1 auf die gekühlte Welle 2 aufgeschoben werden kann (Pfeil 8 in 1b). Beim Abkühlen des Nockens 1 bzw. Erwärmen der Welle 2 erfolgt mit der Temperaturangleichung ein Aufschrumpfen des Nockens 1 auf der Welle 2, bei dem die „Überdeckung" 5 ein Verrutschen des Nockens 1 auf der Welle 2 verhindert.
2a–2e zeigen eine schematische Darstellung der Prozessschritte bei Durchführung des erfindungsgemäßen Aufschrumpfverfahrens. Dabei wird aus einer Hohlwelle 2 aus St52-3 und mehreren Nocken 1 aus 100Cr6 eine gebaute Nockenwelle 9 hergestellt. Hierzu werden die Nocken 2 in Nockenhalter 10 eingelegt, mit deren Hilfe die Nocken 2 in der gewünschten Relativlage und -winkelposition zueinander gehalten werden, und in diesen Nockenhaltern 10 erwärmt. Die Hohlwelle 2 wird in einer solchen Weise gegenüber den Nockenhaltern 10 ausgerichtet, dass die Wellenachse 11 kollinear zu den Achsen 12 der Öffnungen 4 der in den Nockenhaltern 10 gelagerten Nocken 1 ausgerichtet ist (siehe 2a). In dieser Position wird eine mit einem fluiden Kühlmittel 18 gekühlte Kühllanze 13 in einen Innenraum 14 der Hohlwelle 2 eingeschoben (Pfeil 15 2b), wodurch die Hohlwelle 2 eine Abkühlung erfährt, die mit einer Schrumpfung der Welle 2 einhergeht. Gleichzeitig wird von der gegenüberliegenden Seite der Nockenhalter 10 her ein Gegenhalter 16 durch die Nockenöffnungen 4 hindurchgeschoben (Pfeil 17 in 2b). Der Gegenhalter 16 ist – wie aus der Detaildarstellung der 3 ersichtlich – endseitig mit einer Aufnahmeöffnung 19 versehen, welche formschlüssig in einen endseitigen Vorsprung 20 auf der Kühllanze 13 eingreift. So wird eine hochgenaue Positionierung des Gegenhalter-Endes 19 gegenüber dem Kühllanzenende 20 erreicht, was wiederum eine hochgenaue axiale Ausrichtung der Kühllanze 13 und des Gegenhalters 16 ermöglicht. Die beiden ineinandergreifenden Enden 19, 20 können dabei auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein.
Hat die Welle 2 eine ausreichende Abkühlung erfahren, so wird die gekühlte Welle 2 in die Nockenhalter 10 mit den darin gehaltenen erwärmten Nocken 1 eingefahren (Pfeil 15 2c). Der Gegenhalter 16 weicht dabei zurück Pfeil 17'. Er stellt dabei sicher, dass die Wellenachse 11 hochgenau gegenüber der Nockenachse 12 ausgerichtet ist, so dass die gekühlte Welle 2 die erwärmten Nocken 1 nicht berührt. Befindet sich die Welle 2 in der gewünschten Position, so werden die Nocken 1 auf die Welle 2 aufgeschrumpft; dies erfolgt zunächst (aufgrund der Abkühlung der Nocken 1 durch die ambiente Raumtemperatur T_R) langsam und später (aufgrund des Temperaturausgleichs zwischen der Welle 2 und den Nocken 1) schneller (siehe 2d). In der nun folgenden Entladephase wird die Kühllanze 13 aus der Welle 2 hinausgezogen und die fertig gefügte Nockenwelle 9 aus den Nockenhaltern 10 entnommen (2e).
Um eine wirtschaftliche Großserienproduktion von gebauten Nockenwellen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gewährleisten, werden zu fügenden Wellen 2 und die zu fügenden Nocken 1 in drehbaren Magazinen („Trommeln") gehalten, in denen sie dem Montageort zugeführt werden. Ein solches Montagesystem 34 ist 4 in einer schematischen Aufsicht und in den Schnittansichten der 5a–d am Beispiel von Trommeln zur simultanen Aufnahme von acht Wellen 2 gezeigt:
Eine erste Trommel 21 (Achstrommel) enthält acht Röhren 22 zur Aufnahme von Hohlwellen 2 und dient der Aufnahme und Zuführung der Hohlwellen 2 an den Montageort, der in 4 durch die Wellenachse 11 und die Nockenachse 12 angedeutet ist. Die Hohlwellen 2 werden in einer Winkelposition 21a in die Achstrommel 21 eingelegt (siehe hierzu die Schnittansicht der 5b). Nach Weiterdrehen der Achstrommel (Pfeilrichtung 23) wird in der Winkelposition 21b die Kühllanze 13 in den Innenraum 14 der Hohlwelle 2 eingeführt und verbleibt für die anschließende Kühlphase (während derer sich die Trommel bis zur Winkelposition 21c dreht) in der Hohlwelle 2. In der Winkelposition 21c ist die Montagestellung erreicht, in der die Welle 2 gemeinsam mit der Kühllanze 13 aus der Achstrommel 21 hinaus durch die Nocken 1 hindurchgeschoben wird (vgl. 2c und 2d). Anschließend erfolgt der Temperaturausgleich zwischen Welle 2 und Nocken 1, bis die Kühllanze 13 aus dem Innenraum 14 der Welle 2 zurückgezogen wird (vgl. 2e). Die Röhre 22 kann dann (in Winkelstellung 21a) mit einer neuen Welle 2 bestückt werden.
Eine Lanzentrommel 24 ist in der Schnittansicht der 5a dargestellt, und eine Gegenhaltertrommel 25 in der Schnittansicht der 5d. Jede dieser Trommeln 24, 25 enthält jeweils acht Röhren 26, 27 zur Aufnahme von Kühllanzen 13 bzw. Gegenhaltern 16 und rotiert synchron mit der Achstrommel 21 (Pfeilrichtungen 28, 29) um eine gemeinsame Achse 30, 30'. In einer Winkelstellung 24b, die der Winkelstellung 21b der Achstrommel 21 entspricht, wird die Kühllanze 13 in die in der Achstrommel 21 gehaltene Hohlwelle 2 eingefahren (siehe 2a). In der Montagestellung wird die Kühllanze 13 zusammen mit der Welle 2 durch die Nocken 2 hindurchgeschoben und anschließend aus der fertigen Nockenwelle 9 zurückgezogen. – In einer vor der Montagestellung 25c gelegenen Winkelstellung 25b der Gegenhaltertrommel 25 wird der Gegenhalter 16 ausgefahren und an die Spitze 20 der Kühllanze 13 angedockt (siehe 2b). Nach erfolgter Montage in der Montagestellung 25c wird der Gegenhalter 16 zurückgezogen.
Wie aus 4 und 5c ersichtlich, ist axial versetzt gegenüber der Achstrommel 21 eine Nockentrommel 31 angeordnet, die mehrere Nockenhalterscheiben 32 mit je acht Nockenhaltern 10 zur Aufnahme von Nocken 1 enthält. Die Nockentrommel 31 ist um eine Drehachse 35 drehbar gelagert. Die Zahl der Nockenhalterscheiben 32 entspricht der Zahl der Nocken 1, die auf der Welle 2 montiert werden sollen. Die Drehung 33 der Nockentrommel 31 ist mit der Drehung 23 der Achstrommel 21 synchronisiert. Das bedeutet, dass zum Montagezeitpunkt (wenn sich eine vorgegebene Welle 2 in der Montagestellung 21c der Achstrommel 21 befindet und die zugehörigen Nocken 1 sich in einer Montagestellung 31c der Nockentrommel 31 befinden) die Achsen 12 der Nocken 1 kollinear zur Wellenachse 11 ausgerichtet sind. Die Nocken 1 werden in einer der Montagestellung 31c gegenüberliegenden Beladestellung 31a in vorgegebener Ausrichtung in die Nockenhalter 10 der Nockenhalterschei ben 32 eingelegt (siehe Detaildarstellung der 6). Beim Weiterdrehen der Nockentrommel 31 erfolgt eine Erwärmung der in den Nockenhaltern 10 fixierten Nocken 1. In der Montagestellung 31c wird die Welle 2 durch die Nocken 1 hindurch in die Nockentrommel 31 eingeschoben (vgl. 2c und 2d). Beim anschließenden Weiterdrehen der Nockentrommel 31 erfolgt der oben beschriebene Temperaturausgleich zwischen Nocken 1 und Welle 2, durch den die Nocken 1 auf die Welle 2 aufgeschrumpft werden. In der Entladestellung 31d der Nockentrommel 31 schließlich wird die fertig gefügte Nockenwelle 9 aus der Nockentrommel 31 entnommen.
Im Ausführungsbeispiel der 4 und 5 wurde ein Montagesystem 34 mit acht Röhren 22, 26, 27 bzw. acht Nockenhaltern 10 gezeigt; selbstverständlich kann das Montagesystem auch eine größere bzw. kleinere Zahl von Röhren bzw. Nockenhaltern beinhalten.
Zusätzlich bzw. anstatt der Nocken 1 können auch andere Elemente, z.B. Lagerringe, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Hohlwelle 2 befestigt werden.
Neben der bisher beschriebenen Anwendung auf hohle Nockenwellen 2 kann das Verfahren auch zur Befestigung von Nocken 1 auf Vollwellen verwendet werden. In diesem Fall kann die Welle allerdings nicht mit Hilfe einer Kühllanze 13 abgekühlt werden, die in den Innenraum 14 der Welle 2 eingeführt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle (9) aus einer metallischen Welle (2) mit aufgeschrumpften Nocken (1), bei welchem Verfahren die Nocken (1) – zunächst erwärmt werden, – in erwärmtem Zustand in eine vorgegebene Position auf der Welle (2) aufgefädelt werden, – und anschließend durch Aufschrumpfen infolge des Abkühlens auf der Welle (2) befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) vor dem Auffädeln der Nocken (1) abgekühlt wird, so dass die Nocken (1) auf der Welle (2) infolge einer Temperaturangleichung aufgeschrumpft werden, welche eine Aufwärmung der Welle (2) und eine Abkühlung der Nocken (1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) auf eine Temperatur zwischen 0°C und -120°C abgekühlt wird, und dass die Nocken (1) auf eine Temperatur zwischen 150°C und 200°C erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Welle (2) mit Hilfe einer von einem Kühlmedium (18) durchströmten Kühllanze (13) erfolgt, die in einen Innenraum (14) der Welle (2) eingeführt wird.
Montagesystem (34) zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle (9) aus einer metallischen Welle (2) mit aufgeschrumpften Nocken (1), – mit einer drehbar gelagerten Achstrommel (21) zur Aufnahme der Welle (2), – mit einer drehbar gelagerten Lanzentrommel (24) zur Aufnahme einer axial verschiebbaren Kühllanze (13), – und mit einer drehbar gelagerten Nockentrommel (31) zur Aufnahme der Nocken (1), – wobei die Drehachsen (30) der Achstrommel (21) und der Lanzentrommel (24) kollinear verlaufen und parallel zur Drehachse (35) der Nockentrommel (31) ausgerichtet sind, – und wobei die Drehbewegungen der Trommeln (21, 24, 31) in einer solchen Weise aufeinander abgestimmt sind, dass zu einem Montagezeitpunkt die Achsen (11, 12) der Welle (2), der Nocken (1) und der Kühllanze (13) kollinear zueinander ausgerichtet sind.
Montagesystem (34) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagesystem (34) einen axial verschiebbaren Gegenhalter (16) umfasst, der endseitig mit einem Fixierelement (19) versehen ist, welches formschlüssig in ein endseitig auf der Kühllanze (13) vorgesehenes gment (20) eingreift.
Montagesystem (34) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagesystem (34) eine drehbar gelagerte Gegenhaltertrommel (25) zur Aufnahme des Gegenhalters (16) um fasst, wobei die Drehachse (30') der Gegenhaltertrommel (25) kollinear zur Drehachse (30) der Lanzentrommel (24) ausgerichtet ist.