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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 47 636 C2 als
bekannt hervorgeht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Montagesystem
zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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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.
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Zur
Erhitzung der Nocken muss Energie aufgewendet werden. Gleichzeitig
muss beim Erhitzen der Nocken eine zu starke Erwärmung der Nocken vermieden
werden, die Veränderungen
der Werkstoffeigenschaften der (bereits gehärteten) Nocken zur Folge hätten, die
sich negativ auf die Verschleißfestigkeit
der Nocken auswirken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Aufschrumpf-Verfahren
zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle in einer solchen Weise
zu verbessern, dass die dabei benötigte Energie stark reduziert
wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zum Aufschrumpfen der
Nocken auf die Welle eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden
Fügepartnern
notwendig ist. Die Temperaturdifferenz bestimmt wesentlich die notwendigen
Passungsqualitäten
beider Fügepartner
und somit auch die Möglichkeit
diese überhaupt
industriell im Serieneinsatz herzustellen. Eine Erwärmung der
Nocken in einem Bereich bis max. 220°C, bei der endbehandelte (gehärtete und
angelassene) Nocken ohne Reduzierung der Oberflächenhärte aufgeschrumpft werden können, setzt
voraus, dass die Innendurchmesser der Nocken innerhalb eines sehr
engen Toleranzbandes liegen; dies erfordert allerdings eine hochgenaue (und
daher kostspielige) Fertigung bzw. Bearbeitung der Nocken. Eine
deutliche Vergrößerung dieses
Toleranzbandes (und somit ein wesentlich unaufwendigeres Fügen der
Nocken auf die Welle) könnte
erreicht werden, wenn man die Nocken zum Fügen auf eine Temperatur von über 250°C erwärmen würde. Dieser
Wert entspricht in etwa der Temperatur, bei der Stahlnocken (im
Nachgang einer Härte-/Wärmebehandlung)
angelassen werden. Erfindungsgemäß werden
daher die Nocken, die im Zuge des Anlassens auf eine Temperatur
von über
2e0°C erwärmt werden,
im warmen Zustand über
die Welle gestreift und dort fixiert.
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Die
Erwärmung
der Nocken, die für
das Auffädeln
der Nocken auf die Welle notwendig ist, stellt also einen Teil einer
Wärmebehandlung
dar, der die Nocken vor der Montage auf der Welle unterzogen werden.
Die Wärmebehandlung
der Nocken umfasst eine Erhitzung, gefolgt von einem schnellen Abschrecken (Härtung),
gefolgt von einem Anlassen. Durch die beim Anlassen erreichte Temperatur
werden die Innendurchmesser der Nocken auf ein Maß vergrößert, dass
die Nocken auf die (auf Raumtemperatur befindliche) Welle aufgestreift
werden können.
Beim Temperaturangleich zwischen raumwarmer Welle und erhitzten
Nocken werden die Nocken auf die Welle aufgeschrumpft, so dass ein
rutschfester Sitz der Nocken auf der Welle erreicht wird.
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Da
beim erfindungsgemäßen Verfahren
die Nocken (nur) auf Anlasstemperatur erwärmt werden, bevor sie auf die
Welle aufgefädelt
werden, kann eine Gefügeänderung
der Nocken ausgeschlossen werden, so dass die durch die vorausgehende
Härtung erreichte
Verschleißfestigkeit
der Nocken beim Fügen
mit der Welle unverändert
erhalten bleibt.
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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, bei höchsten
Passungsgenauigkeiten eine Temperaturdifferenz von mindestens 200°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. Dies kann erreicht werden, indem die Nocken
bei einer Temperatur von etwa 290°C
angelassen werden und nach dem Anlassen (d.h. in warmem Zustand)
sofort auf die (auf Raumtemperatur befindliche) Welle aufgefädelt werden.
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Vorteilhafterweise
werden die Nocken vor dem Anlassen feinbearbeitet; dann ist nach
dem Aufschrumpfen der Nocken auf die Welle keine Feinbearbeitung
der Nockenwelle mehr notwendig.
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Um
sicherzustellen, dass die Nocken in einwandfreiem Zustand und in
der richtigen Ausrichtung auf die Welle aufgeschrumpft werden, empfiehlt
es sich, die Nocken während
oder direkt nach dem Anlassen (d.h. in warmem Zustand) zu messen.
Bei dieser Messung wird der Innendurchmesser des Nockens sowie die
genaue Lage des Nockens nach der Entnahme des Nockens aus dem Anlassofen
bzw. nach der Induktionserwärmung
ermittelt. Vorteilhafterweise kommt dabei ein optisches Messverfahren zum
Einsatz, das eine berührungslose
Messung des heißen
Nockens gestattet.
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Die
Messergebnisse geben Aufschluss darüber, ob der betreffende Nocken
in Ordnung ist (insbesondere, ob sein Innendurchmesser im erwärmten Zustand
groß genug
ist, um den Nocken auf die Welle aufzufädeln). Weiterhin können die
Messergebnisse zur Steuerung einer automatischen Handhabungsvorrichtung
(z.B. des Greifers eines Roboters) genutzt werden, mit deren Hilfe
der erwärmte
Nocken aus dem Anlassofen entnommen und auf der Welle positioniert
wird. Auf diese Weise kann ein sehr schnelles Greifen und Auffädeln des
Nockens erreicht werden, was notwendig ist, um den erhitzten Nocken
(der ja sofort nach der Entnahme aus dem Anlassofen abzukühlen beginnt)
in ausreichend warmem Zustand auf die Welle zu fügen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Welle
mit aufzuschrumpfendem Nocken ...
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1a ...
mit Nocken und Welle auf derselben Temperatur und
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1b ...
mit erwärmtem
Nocken;
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2 eine
schematische Darstellung des Prozessablaufs bei der Herstellung
einer gebauten Nockenwelle;
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3 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Anlassen und Fügen der
Nocken;
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4 eine
schematische Darstellung des Temperaturverlaufs der Nocken nach
Entnahme aus dem Anlassofen.
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1a zeigt
eine schematische Darstellung eines gehärteten Nockens 1 aus
einem Stahlwerkstoff (beispielsweise 100Cr6), der auf eine Hohlwelle 2 aus
einem Stahlwerkstoff (beispielsweise St52-3) 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
TR um eine sogenannte „Überdeckung" 5 geringer als der Außendurchmesser 6 der
Welle 2. Wird der Nocken 1 auf eine Temperatur TH > TR 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 auf Raumtemperatur TR gehaltene Welle 2 aufgeschoben
werden kann (Pfeil 8 in 1b). Beim
Abkühlen
des Nockens 1 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.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prozessablaufs zur Bearbeitung
des Stahlnockens 1 und des anschließenden Aufschrumpfens auf die
Welle 2. In einem ersten Prozessschritt 9 wird
der Nocken 1 (randschicht-)gehärtet. Dabei wird die Oberfläche des
Nockens 1 kurzzeitig auf Härtetemperatur erwärmt und
anschließend
abgeschreckt, damit sich in einer Oberflächenschicht eine Martensitstruktur
bilden kann; der Kern des Nockens bleibt dabei weich und zäh.
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In
einem zweiten Prozessschritt 10 wird der Nocken 1 auf
Endkontur spanend feinbearbeitet. Anschließend wird der Nocken 1 angelassen
(Prozessschritt 11), um die Sprödigkeit des Nockens 1 zu
reduzieren. Die Anlasstemperatur TA ist
abhängig
von der verwendeten Stahlsorte; bei 1000r6 beträgt sie 290° C. Prozessbegleitend zum Anlassen 11 des
Nockens 1 oder direkt nach dem Anlassen 11 kann
in einem Prozessschritt 12 eine Geometriemessung des Nockens 1 erfolgen.
Dabei wird einerseits der Durchmesser 3' des erwärmten Nockens 1 gemessen;
weiterhin wird die exakte Lage der Nockennase 1' ermittelt,
um eine Montagehilfsvorrichtung (z.B. einen Greifer 25 eines
Roboters 24) hochgenau gegenüber dem Nocken 1 positionieren
zu können.
Schließlich wird
in einem Montageschritt 13 der auf Anlasstemperatur erwärmte Nocken 1 auf
die Welle 2 aufgefädelt
und – im
Zuge einer Temperaturangleichung zwischen erwärmtem Nocken 1 und
der Welle 2 – auf
die Welle aufgeschrumpft.
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Das
Anlassen der Nockens 1 erfolgt beispielsweise in einem
Durchlaufofen 19, der schematisch in 3 dargestellt
ist. Alternativ kann das Anlassen auch in einer Laser- oder Induktiv-Erwärmungsanlage
erfolgen. In dieser Anlage 19 werden die Nocken 1 auf
die Anlasstemperatur TA (im vorliegenden
Fall 290° C)
erwärmt
und für
einen vorgegebenen Zeitraum auf dieser Temperatur behalten. Zu Ende
des Anlassprozesses wird jeder (auf Anlasstemperatur TA befindliche)
Nocken 1 mit Hilfe eines optischen Messsystems 20 (mit
einem optischen Sensor 21 und einer Auswerteeinheit 22)
gemessen; dabei wird insbesondere überprüft, ob der Innendurchmesser 3' des betreffenden
Nockens groß genug
ist, so dass ein ausreichend großes Fügemaß 7 zwischen dem erwärmten Nocken
und dem Wellendurchmesser 6 besteht, um den Nocken prozesssicher
auf die Welle 2 auffädeln
zu können.
Ist der Innendurchmesser 3' des
Nockens zu klein, so wird der betreffende Nocken ausgeschleust.
Weiterhin in der Auswerteeinheit 22 wird aus den optischen
Messdaten die genaue Lage des Nockens 1 ermittelt und an eine
Steuereinheit 23 eines (in 3 schematisch dargestellten)
Roboters 24 weitergegeben. Der Roboter 24 trägt einen
Greifer 25, der – entsprechend der
Nockenlage – in
einer solchen Weise gegenüber dem
heißen
Nocken 1 positioniert wird, dass er den Nocken 1 in
einer definierten Ausrichtung aufnehmen und schnell in eine Nockentrommel 14 transferieren kann.
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Alternativ
bzw. zusätzlich
zu der optischen Nockenmessung können
einige oder alle der zu ermittelnden Nockenparameter mit Hilfe einer
taktilen Messung erfasst werden.
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Die
Nockentrommel 14 enthält
mehrere (im Ausführungsbeispiel
der 3 acht) Nockenhalter 15 zur Aufnahme
der Nocken 1. Die Nockentrommel 14 ist um eine
Drehachse 16 drehbar gelagert (Drehbewegung 18).
Der erwärmte
Nocken 1 wird von dem Robotergreifer 25 in einer
Beladestellung 17a der Nockentrommel 14 in vorgegebener
Ausrichtung in den Nockenhalter 15 eingelegt; der Nockenhalter 15 befindet
sich auf der Anlasstemperatur TA, so dass
der Nocken 1 beim Einlegen in die Nockentrommel 14 keine
Abkühlung
erfährt.
Der Nocken 1 wird in der Nockentrommel 14 in eine
Montagestellung 17b gedreht; in dieser Montagestellung
wird die Welle 2, die in einer (in 3 nicht
gezeigten) Wellentrommel gehalten wird, durch die Aussparung 4 des
Nockens 1 hindurch in die Nockentrommel 14 eingeschoben, wobei
der Nocken 1 auf die Welle 2 aufgefädelt wird. Dies
ist möglich,
da der Innendurchmesser 3' des
erwärmten
Nockens 1 den Außendurchmesser 6 der Welle 2 um
das Fügemaß 7 übersteigt.
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Im
Regelfall sind mehrere (hintereinander angeordnete) Nockentrommeln 14 vorhanden,
wobei die Zahl der Nockentrommeln 14 der Zahl der Nocken 1 entspricht,
die auf der Welle 2 montiert werden sollen. Die Nockentrommeln 14 sind
drehbar um die gemeinsame Achse 16 gelagert, wobei ihre
Drehbewegung synchronisiert ist. Benachbarte Nockentrommeln 14 sind
in Achsrichtung 16 in einem Abstand zueinander angeordnet,
der dem gewünschten
Abstand benachbarter Nocken 1 auf der Welle 2 entspricht.
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Sind
die Nocken 1 in der gewünschten
Position und Ausrichtung auf die Welle 2 aufgefädelt, so wird
die Beheizung der Nockenhalter 15 beendet. 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 17c der
Nockentrommel 14 schließlich wird die fertig gefügte Nockenwelle 26 aus
der Nockentrommel 14 entnommen.
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Alternativ
zu dem oben gezeigten zweistufigen Verfahren – bei dem die Nocken 1 in
einer Wärmeanlage 19 angelassen
und anschließend
in die Nockentrommel 14 transferiert werden, mit deren
Hilfe die Nocken 1 auf die Welle 2 aufgefädelt werden – kann das
gesamte Anlassen der Nocken 1 (Prozessschritt 11)
in der Nockentrommel 14 erfolgen, so dass kalte (d.h. auf
Raumtemperatur TR befindliche) Nocken 1 in
der Beladestellung 17a der Nockentrommel 14 eingelegt
werden. Beim Weiterdrehen der Nockentrommel 14 erfolgt
eine Erwärmung
der in den Nockenhaltern 15 fixierten Nocken 1 auf
die Anlasstemperatur TA. Nach einer vorgegebenen
Anlasszeit werden die Nocken 1 – wie oben beschrieben – in der Montagestellung 17b der
Nockentrommel 14 auf die Welle 2 aufgefädelt und
gemeinsam mit der Welle 2 weitergedreht (Drehrichtung 18),
bis – nach
erfolgtem Temperaturausgleich zwischen Nocken 1 und Welle 2 – die fertige
Welle 26 in der Entladestellung 17c aus der Nockentrommel 14 entnommen
wird.
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Weiterhin
ist es möglich,
die Nocken 1 in einer Wärmeanlage 19 anzulassen
und die erwärmten Nocken 1 anschließend mit
Hilfe des Robotergreifers 25 aus der Wärmeanlage 19 zu entnehmen,
auf die Welle 2 aufzufädeln
und dort so lange in der gewünschten
Ausrichtung zu halten, bis der Temperaturausgleich zwischen Welle 2 und
Nocken 1 erfolgt ist. Dies setzt eine sehr schnelle Handhabung
der Nocken 1 durch den Robotergreifer 25 voraus:
Wie aus 4 hervorgeht, die einen typischen
Temperaturverlauf eines Nockens 1 nach der Entnahme aus dem
Härteofen 19 (TA = 290°C)
zeigt, ist der Nocken 1 bereits nach etwa 10 Sekunden in
einer Raumtemperatur-Umgebung (TR = 20°C) auf eine
Temperatur von etwa 270°C
abgekühlt.
Bei dieser Nockentemperatur ist das Fügemaß 7 zwischen Innendurchmesser des
Nockens 1 und Außendurchmesser 6 der
Welle 2 bereits grenzwertig, so dass bei einem weiteren
Abkühlen
des Nockens 1 ein prozesssicheres Auffädeln des Nockens 1 auf
die Welle 2 nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Um
ein zu schnelles Abkühlen
des Nockens 1 nach der Entnahme aus dem Anlassofen zu vermeiden,
kann der Greifer 25 mit einer Thermoisolationsschicht versehen
sein, welche den Wärmeverlust des
Nockens 1 während
des Transports des Nockens 1 reduziert.
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Weiterhin
ist es möglich,
den erwärmten
Nocken 1 auf eine gekühlte
Welle 2 aufzufädeln.
Durch das Abkühlen
wird der Außendurchmesser
der Welle 2 reduziert, wodurch eine Erhöhung des Fügemaßes 7 zwischen Welle 2 und
Nocken 1 erreicht wird. Ein Verfahren zum Fügen eines
erwärmten
Nockens 1 auf eine gekühlte
Welle 2 ist in der (unveröffentlichten Patentanmeldung
102004032587.1) beschrieben, deren Offenbarung hiermit in die vorliegende
Anmeldung übernommen
wird.
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Neben
der bisher beschriebenen Anwendung auf hohle Nockenwellen 26 kann
das Verfahren auch zur Befestigung von Nocken 1 auf Vollwellen verwendet
werden. Zusätzlich
bzw. anstatt der Nocken 1 können auch andere Elemente,
z.B. Lagerringe, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Welle 2 befestigt
werden.