DE102006022401A1

DE102006022401A1 - Verfahren zur Verbindung einer Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102006022401A1
Application number: DE102006022401A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dipl.-Ing. Golovatai-Schmidt
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2007-11-15
Also published as: WO2007131865A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung einer Nockenwellen (2) mit einem Verbindungsbereich (8) eines Nockenwellenverstellers. Erfindungsgemäß wird der Verbindungsbereich (8) im Bereich einer innenliegenden Mantelfläche (9) mit einer Spielpassung gegenüber einer außenliegenden Mantelfläche (10) der Nockenwelle (2) über die Nockenwelle geschoben. Ein Rollierwerkzeug (15) wird in eine Ausnehmung der Nockenwelle (2) eingeführt und weitet die Nockenwelle (2) radial nach außen derart auf, dass die Nockenwelle (2) mit der Mantelfläche (10) zur Anlage an die Mantelfläche (9) des Verbindungsbereichs (8) kommt und eine feste Verbindung ausbildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller.
Hintergrund der Erfindung
Für den Fall, dass im Betrieb einer Brennkraftmaschine eine Verstellung der Steuerzeiten, beispielsweise zur Beeinflussung des Leistungskennfeldes der Brennkraftmaschine, der Abgaswerte und/oder des Verbrauchs, erwünscht ist, ist in dem Steuertrieb zwischen Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle ein Nockenwellenversteller angeordnet, der ein Antriebselement besitzt, welches über ein Zugmittel wie eine Kette oder einen Riemen von der Kurbelwelle angetrieben ist. Gegenüber dem Antriebselement ist relativ nach Maßgabe einer Steuerbewegung ein Abtriebselement beweglich, welches in einem Verbindungsbereich, beispielsweise im Bereich einer Nabe, drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Zur Gewährleistung einer derartigen drehfesten Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich und der Nockenwelle findet, bei spielsweise gemäß DE 199 55 507 C2 oder DE 199 62 981 A1 , eine zentrale, stirnseitige Schraubverbindung Einsatz, über die ein Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers mit der Nockenwelle verspannt ist. Auch DE 199 58 629 A1 offenbart den Einsatz einer Zentralschraube zur Befestigung eines Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers an einer Nockenwelle. Weiterhin ist es, beispielsweise zur Einsparung von axialem Bauraum und/oder zur Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers und der Nockenwelle, bekannt, den Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers mit der Nockenwelle zu verschweißen.
GB 2 050 207 offenbart die Herstellung einer Nockenwelle, die als Hohlwelle ausgebildet ist und durch mechanisches Aufweiten mit den Außenmantel der Nockenwelle umgebenden Bauteilen verbunden wird. Für ein derartiges Aufweiten bewegt sich ein Dorn axial durch eine Durchgangsbohrung der Nockenwelle.
Insbesondere für so genannte "gebaute Nockenwellen" haben sich ein axiales Aufschieben von Nocken auf erhabene Abschnitte einer Hohlwelle, beispielsweise entsprechend DE 41 21 951 C1 , sowie ein hydraulisches Aufweiten entsprechend US 3,977,068 als wirtschaftliche Verfahren durchgesetzt. Weiterhin ist es bekannt, endseitige Anbauteile, wie Zahnräder oder Kettenräder bei Nockenwellen, mittels des jeweils angewendeten Aufweitverfahrens, sei es ein hydraulisches Aufweitverfahren oder ein mechanisches Aufweitverfahren, bei der Herstellung der Nockenwelle in einem Arbeitsgang mit zu befestigen.
Druckschrift DE 101 60 246 C1 hat erkannt, dass es vielfach erforderlich sein kann, dass endseitige Anbauteile, wie Kettenräder, Zahnräder oder Nockenwellen-Verstelleinrichtungen erst mit der Nockenwelle verbunden werden können, wenn diese bereits im Motorblock eingebaut ist. In derartigen Fällen findet ein Verschrauben und/oder ein Verkeilen des Anbauteils mit der Nockenwelle statt, s. bspw. DE 19 28 283 U1 . Als nachteilig kann sich dabei herausstellen, dass sehr aufwändige Befestigungseinrichtungen dann eingesetzt werden müssen, wenn die Anbauteile, beispielsweise ein Nockenwellenversteller, noch mit hyd raulischen Anschlüssen durch die Nockenwelle versehen werden müssen. Weiterhin ist nachteilig, dass nur wenig Raum für Hydraulikkanäle verbleibt sowie eine meistens verwendete zentrale Befestigungsschraube hochgradig belastet ist. Beim Verspannen von außen besteht des Weiteren die Gefahr, dass das endseitig angebrachte Anbauteil nur einseitig verspannt wird, wodurch örtlich überhöhte Druckspannungen auftreten und sich das Anbauteil nach einer kurzen Laufzeit lockern kann.
Aus GB 1 117 816 ist es bekannt, bei auf Hohlwellen aufgebrachten Bauteilen vor dem Zusammenpressen der vorgenannten Elemente den Mantel der Hohlwelle oder die Bohrung der Hohlwelle in verschiedenster Weise zu profilieren. Diese Profilierungen müssen allerdings sehr stark ausgebildet werden, da nach dem genannten Stand der Technik eine plastische Verformung der Oberfläche erfolgt. Bei dem Anbringen von Bauteilen entsprechend DE 19 28 283 U1 ist eine derartige Vorbereitung der Oberflächen nicht üblich.
Aus DE 38 33 326 ist es weiterhin bekannt, einen "Formstopfen" als Aufweitwerkzeug für eine mechanische Verformung eines Rohrs zu verwenden und dieses anschließend als verlorenes Werkzeug in dem Rohr zu belassen.
DE 101 25 498 A1 offenbart eine gebaute Nockenwelle. Eine Zentralwelle eines Nockenwellenverstellers ist auf die Nockenwelle aufgeschrumpft. Alternativ ist es möglich, dass die Nockenwelle in die Zentralwelle des Nockenwellenverstellers eingepresst ist. Ölkanäle zur Versorgung des Nockenwellenverstellers werden durch Längsnuten in der Zentralwelle oder auf der Nockenwelle gebildet.
DE 103 33 850 B4 offenbart eine kraftschlüssige Befestigung einer Ölverteilerhülse auf einer gebauten Nockenwelle auf einem plastisch aufgeweiteten Abschnitt der Nockenwelle, wobei zur Erzeugung der Aufweitung eine hydraulische Druckbeaufschlagung einer Innenbohrung der Nockenwelle erfolgt.
DE 39 21 923 C2 sowie DE 39 43 427 C1 betreffen ebenfalls gebaute Nockenwellen, wobei in DE 39 21 923 C2 eine Anbindung eines Nockenwellenverstel lers auf an sich bekannte Weise angesprochen ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Befestigung eines Nockenwellenverstellers an einer Nockenwelle vorzuschlagen. Hierbei sind insbesondere

– der Verfahrensaufwand für die Herstellung der Verbindung,
– eine erzielbare Montagegenauigkeit für die Lage und Orientierung des Nockenwellenverstellers gegenüber der Nockenwelle,
– eine Dauerfestigkeit der erzielten Verbindung und/oder
– die Einbauverhältnisse

Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich entsprechend den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Verbindung eines Nockenwellenverstellers beliebiger Bauart mit einer Nockenwelle. Beispielsweise ist der Nockenwellenversteller als Nockenwellenversteller in Drehflügel-Bauweise, Flügelzellen-Bauweise, als Nockenwellenversteller mit einem Überlagerungsgetriebe, wie beispielsweise einem ein- oder mehrstufigen 3-Wellengetriebe, mit einem Mehrgelenk- oder Koppelgetriebe, beispielsweise in Form eines Taumelscheibengetriebes, eines Exzentergetriebes, eines Planetengetriebes, eines Wellgetriebes, eines Kurvenscheibengetriebes, eines Mehrgelenkgetriebes, eines Koppelgetriebes, oder als eine Kombination der vorgenannten Bauformen bei einer mehrstufigen Ausbildung ausgestaltet.
Die Verbindung erfolgt in einem für ein Antriebsmittel des Steuertriebs zugänglichen Bereich der Nockenwelle, der im Folgenden als "Endbereich" bezeichnet wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst eine Fertigung einer Bohrung eines Verbindungsbereichs, beispielsweise eine Nabe oder ein Rotor, des Nockenwellenverstellers durchgeführt, wobei eine derartige Bohrung beispielsweise durch nachträgliches Einbringen derselben durch ein Material abtragendes Verfahren gefertigt werden kann oder unmittelbar mit Herstellung zumindest des Verbindungsbereichs, beispielsweise in einem Umformprozess. Weiterhin wird die Nockenwelle mit einer äußeren Mantelfläche im Bereich des Endbereichs gefertigt. Die Mantelfläche des Verbindungsbereichs und die Mantelfläche der Nockenwelle sind hinsichtlich ihrer Abmessungen oder Durchmesser derart aneinander angepasst, dass ein Fügen des Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers auf die Nockenwelle möglich ist. Hierzu kommt beispielsweise eine Passung zum Einsatz, die als Spielpassung oder Übergangspassung ausgebildet ist. Denkbar ist weiterhin auch die Ausbildung der Passung derart, dass ein Fügen unter veränderter Temperatur erfolgen kann.
Die Nockenwelle kann zusätzlich mit einer axialen stirnseitigen Ausnehmung gefertigt werden, wobei die Ausnehmung beispielsweise als Sacklochbohrung ausgebildet sein kann oder aber als Durchgangsbohrung der Nockenwelle, s. den eingangs genannten Stand der Technik. Die Fertigung der Ausnehmung kann hierbei vor oder nach der Durchführung der zuvor genannten Verfahrensschritte erfolgen oder gleichzeitig mit diesen.
Nach Durchführung der zuvor erläuterten Fertigungsschritte erfolgt ein Fügen des Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers und der Nockenwelle, wobei durch die das Fügen ermöglichende Passung ein einfaches "Überstreifen" des Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers über die Nockenwelle gewährleistet ist, wobei auch eine feinfühlige Anpassung der axialen Lage des Verbindungsbereichs relativ zu der Nockenwelle sowie der Winkelorientie rung des Verbindungsbereichs gegenüber der Nockenwelle möglich ist.
Nach dem Fügen wird zwischen dem Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers und dem Endbereich der Nockenwelle eine feste, dauerhafte Verbindung hergestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung einer derartigen festen Verbindung mit einem Aufweiten des Endbereichs der Nockenwelle unter Einsatz eines "Rollierverfahrens".
Unter einem Rollierverfahren wird hierbei ein Fertigungsverfahren verstanden, bei dem unter Ausbildung einer radialen Anpresskraft mindestens ein Wälzkörper zur Anlage an eine der Mantelflächen gebracht wird und in Rotation um die Längsachse der Mantelfläche versetzt wird. Hierbei tritt unter Wirkung der Radialkraft eine wälzende Bewegung auf, die zu einer Durchmesserveränderung der Mantelfläche führt. Vereinfacht gesprochen kann das erfindungsgemäße Rollieren des Materials mit dem Rollen eines Pizzateigs verglichen werden, mit dem eine Längung des Materials erfolgt. Für die hier vorliegenden Körper mit kreisringförmigem Querschnitt bedeutet eine derartige Längung eine Vergrößerung der Umfangserstreckung, was mit einer Vergrößerung des Durchmessers korreliert.
Für einige dargestellte Ausführungsbeispiele erfolgt der zuvor erwähnte Wälzkontakt des Rollierverfahrens im Bereich einer inneren Mantelfläche im Bereich einer stirnseitigen Ausnehmung der Nockenwelle. Infolge des Rollierverfahrens kommt es zu einer Veränderung des Durchmessers der äußeren Mantelfläche der Nockenwelle, welcher damit an die Mantelfläche des Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers gepresst wird zur Herstellung einer festen Verbindung. Es ist allerdings ebenfalls möglich, dass mit dem Rollierverfahren eine äußere Mantelfläche der Nockenwelle bearbeitet wird, was eine Verringerung einer inneren Mantelfläche im Bereich einer Ausnehmung der Nockenwelle zur Folge hat, die damit an einen von beispielsweise einem Zapfen gebildeten Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers, der sich im Inneren der Ausnehmung erstreckt, angepresst werden kann, ohne dass hierdurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Weiterhin möglich ist ein Zusam menpressen eines buchsenförmigen Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers über ein Rollierverfahren auf einer äußeren Mantelfläche der Nockenwelle.
Während übliche, an sich bekannte Rollierverfahren eine Behandlung der unmittelbar mit den Wälzkörpern eines Rollierkopfs in Wirkverbindung tretenden Flächen zum Gegenstand haben, wird erfindungsgemäß das Rollierverfahren ausschließlich oder auch eingesetzt, um über das Rollierverfahren abseits von der Kontaktfläche, an der die Wälzkörper anliegen, nämlich radial innenliegend oder außenliegend, eine Verformung herbeizuführen. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass das mit dem Rollierverfahren unmittelbar bearbeitete Bauelement gegen das hieran anzubindende Bauelement gepresst wird, zwischen Wälzkörper und diesem anzubindenden Bauelement verspannt wird und "kompaktiert" wird, wobei das anzubindende Bauelement als "Widerlager" dient.
Der Einsatz eines Rollierverfahrens führt zu folgenden alternativen oder kumulativen Vorteilen:

– Im Gegensatz zu der Befestigung des Nockenwellenverstellers an der Nockenwelle über eine Zentralschraube kann axialer Bauraum eingespart werden.
– Weiterhin bleibt u. U. durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Stirnseite der Nockenwelle frei von einer Zentralschraube, so dass hier eine Verbindung mit weiteren Bauelementen erfolgen kann, beispielsweise mit einem über die Nockenwelle angetriebenen Aggregat wie eine Pumpe o. ä.
– Im Gegensatz zu einem Verschweißen zwischen dem Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers und der Nockenwelle müssen erfindungsgemäß keine hohen Temperaturen auf die zu verbindenden Bauelemente aufgebracht werden, die Gefügeveränderungen, einen Materialverzug u. ä. zur Folge haben und sich auf unerwünschte Weise in be nachbarte Bereiche, beispielsweise in den Bereich von Lagern, fortpflanzen können.
– Für eine Aufweitung mit einem Dorn werden die zur Herstellung der festen Verbindung eingesetzten Kontaktflächen relativ zueinander bewegt, woraus sich Abrieb ergeben kann, der sich unerwünscht in dem Kontaktbereich ablagern kann und auch zu einem Abtrag von Rauhigkeitsspitzen führen kann. Abweichend hierzu werden für das erfindungsgemäße Rollierverfahren die Kontaktpunkte zwischen den zu verbindenden Bauelementen vorrangig durch radiale Aufweitung erzeugt. Dies hat zur Folge, dass mit der Herstellung der Verbindung plastisch verformtes Material im Mikro-Bereich in Rauhigkeiten des anzubindenden Bauelements eintreten kann, so dass eine "Verzahnung" gebildet ist, die den Verbund erhöht, wodurch eine besonders dauerfeste Verbindung gewährleistet ist. Eine Neigung zur Ausbildung von Abriebpartikeln ist zumindest vermindert.
– Durch den Einsatz des Rollierverfahrens können u. U. bestehende Fertigungstoleranzen hinsichtlich Lage und Orientierung der zu verbindenden Bauelemente auf einfache Weise ausgeglichen werden.
– Ein weiterer Vorteil eines Rollierverfahrens ist, dass mehrere Wälzkörper gleichmäßig über den Umfang verteilt zum Einsatz kommen können. Dies hat zur Folge, dass sich im Bereich der Wälzkörper erzeugte Kontaktkräfte, die zur Erzeugung der gewünschten lokalen plastischen Verformungen verhältnismäßig groß sein müssen, insgesamt gegenseitig aufheben, so dass auf die zu verbindenden Bauelemente keine resultierende Kraft ausgeübt wird. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein sowohl für eine Herstellung der Verbindung für eine separate Anbindung des Nockenwellenverstellers an die Nockenwelle als auch für eine Herstellung der Verbindung zwischen Nockenwellenversteller und Nockenwelle für den Fall, dass die Nockenwelle bereits in der Brennkraftmaschine montiert ist.
– Eine Verbindung zwischen Nockenwellenversteller und Nockenwelle über eine Verschweißung ist gänzlich unmöglich für den Fall, dass die Nockenwelle bereits mit der Brennkraftmaschine montiert ist zum Zeitpunkt der Herstellung der Verbindung. In diesem Fall kann jedoch problemlos das erfindungsgemäße Rollierverfahren eingesetzt werden.

Aus DE 10 2004 009 074 B3 ist bereits der Einsatz eines Rollierverfahrens im Zusammenhang mit der Fertigung eines Mehrfachnockens für eine Nockenwelle bekannt. Allerdings wird hierbei mit dem Rollierverfahren in demontiertem Zustand der zu verbindenden Nockenelemente eine Durchmessererweiterung im Bereich der Nockenwelle erzeugt, auf die dann die Nockenelemente unter Aufbringung hoher Axialkräfte aufgepresst werden müssen. Zusätzlich soll eine Verschweißung erfolgen. DE 43 07 994 A1 offenbart ebenfalls den Einsatz eines Rollierverfahrens, allerdings für die Verbindung einer Welle mit einem Kurbelhebel einer Mischanlage eines Kraftfahrzeugs. Hierbei besitzt die Welle eine umlaufende Ringnut, im Bereich welcher eine Nabe des Kurbelhebels angeordnet ist. Mit dem Rollierverfahren wird für diesen Stand der Technik Material der Nabe in die Ringnut der Welle gepresst, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht. Die vorliegende Erfindung schlägt erstmals den Einsatz des Rollierverfahrens für die Herstellung einer Verbindung zwischen einem Nockenwellenversteller und einer Nockenwelle vor.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die mit dem Rollierverfahren unmittelbar bearbeitete Mantelfläche als Funktionsfläche für ein weiteres Bauelement verwendet. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem Rollierverfahren eine gute verdichtete Oberfläche, insbesondere eine geglättete Oberfläche und eine harte Oberfläche, beispielsweise mit einem hohen Verschleißschutz, hergestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass im Bereich einer mittels Rollieren bearbeiteten Oberfläche eine Veränderung der Oberflächenstruktur und eine Verdichtung mit einer veränderten Abbott-Kurve erstellt wird, was zu einer glänzenden und äußert glatten Oberfläche führen kann. Hierbei sind unter normalen Bedingungen insbesondere Rauhtiefen im Bereich von R_max 1,6 erreichbar, wobei in Ausnahmefällen auch Werte von R_Z = 0,8 erzielt werden können. Eine derart verbesserte Oberfläche kann vorteilhaft als Funktionsfläche für weitere Bauelemente wie beispielsweise ein Steuerventil genutzt werden, indem gegenüber einer derartigen Funktionsfläche ein Steuerkolben gleitet oder ein Gehäuse des Steuerventils, welches abgedichtet werden muss, an einer derartigen Funktionsfläche gelagert und abgedichtet wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Herstellung der festen Verbindung durch das Rollierverfahren in einer definierten Winkellage zwischen dem Verbindungsbereich des Nockenwellenverstellers und der Nockenwelle, die damit dem Einsatz in der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Hierbei ermöglicht die genannte Wahl der Passung eine Ausrichtung zwischen Verbindungsbereich und Nockenwelle. Eine derartige definierte Winkellage kann a priori vorgegeben werden, so dass eine Verbindung zwischen Nockenwelle und Nockenwellenversteller als eine Baueinheit erfolgen kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung erfolgt das Fügen und Herstellen der festen Verbindung durch das Rollierverfahren im Montagebereich der Nockenwelle und des Nockenwellenverstellers an einer Brennkraftmaschine. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für bereits erfolgte Montage zwischen Nockenwelle und Nockenwellenversteller unabhängig von der Brennkraftmaschine die Fertigungstoleranzen dazu führen können, dass sich für unterschiedliche Brennkraftmaschinen Veränderungen der Steuerzeiten von bis zu 4-5° ergeben können, was eine ungünstige Auslegung hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Abgaswerten zur Folge haben kann. Derartige Toleranzen können lediglich dadurch ausgeglichen werden, dass ein Ausgleich mit Schritten entsprechend der Größe der Zahnabstände eines Antriebsrads für ein Zugmittel zwischen Kurbelwelle und Nockenwellenversteller erfolgen. Erfindungsgemäß ist eine wesentlich feinere Einstellung ermöglicht: für bereits mit der Brennkraftmaschine montierte Nockenwelle kann eine definierte Winkellage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, beispielsweise ein Totpunkt, gewählt werden. Für diesen Zustand wird für einen ebenfalls definierten Stellwinkel des Nockenwellenverstellers der Steuertrieb vervollständigt dadurch, dass der Verbindungsbe reich des Nockenwellenverstellers mit der Nockenwelle gefügt wird und das Zugmittel in definierten Positionen in Wirkverbindung sowohl mit einem Antriebsrad der Kurbelwelle als auch mit einem Antriebselement des Nockenwellenverstellers gebracht wird. In dieser definierten Winkellage kann dann ohne Vorgabe einer "Stufung" für eine Verbindungsmöglichkeit eine exakte Befestigung des Verbindungsbereichs des Nockenwellenverstellers an der Nockenwelle über das Rollierverfahren erfolgen. Hierdurch kann auf einfache Weise beispielsweise eine Minimierung von Winkelfehlern von ± 5° auf weniger als ± 1° herbeigeführt werden, was insbesondere für Hochleistungsmotoren von Vorteil sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die über das Rollierverfahren miteinander verbundenen Mantelflächen mit einer Rauhigkeit R_A im Bereich von 2-3 μm gefertigt. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Rauhigkeit R_A einen guten Kompromiss einerseits hinsichtlich der Fertigungsanforderungen und andererseits hinsichtlich der guten Verbindung und der zuvor erwähnten Verzahnung der zu verbindenden Bereiche darstellt.
Weiterhin haben Untersuchungen im Zusammenhang mit der Erfindung gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Rollierverfahren Passungen mit Abmaßen von ⁵/₁₀₀-stel Millimetern überbrückt werden können und eine gute, feste und dauerhafte Verbindung hergestellt werden kann.
Besondere Anforderungen werden an das Verbindungsverfahren gestellt für den Fall, dass in dem Verbindungsbereich von dem Bereich der Nockenwelle Druckmittelkanäle angeordnet sind. Für derartige Ausgestaltungen ist beispielsweise eine Aufweitung entsprechend dem Stand der Technik über Hydraulikmittel nicht möglich, da ein Hydraulikdruck über die Druckmittelkanäle entweichen könnte. Die Erfindung ist auch für derartige Ausgestaltungen einsetzbar, wobei Wälzkörper, die in dem Rollierwerkzeug eingesetzt sind, Öffnungen der Druckmittelkanäle "überrollen" können. Hierbei hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Erstreckung der Wälzkörper des Rollierwerkzeugs in deren axialer Richtung mehr als doppelt so groß ist wie die Erstreckung der Öffnungen in diese Richtung, da für eine derartige Bemessung Sorge dafür getragen ist, dass die Wälzkörper zumindest noch über ihre halbe Länge eine Kontaktkraft auf eine mit dem Rollierverfahren bearbeitete Mantelfläche aufbringen.
Für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Verbindung der zuvor erläuterten Maßnahmen mit den aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannten Ausführungsformen dahingehend, dass über das Rollierverfahren nicht lediglich der Nockenwellenversteller an eine Nockenwelle angebunden wird, sondern in anderen axialen Bereichen der Nockenwelle auch weitere Bauelemente, wie beispielsweise Nocken oder weitere Aggregate, fest mit der Nockenwelle verbunden werden.
Eine vereinfachte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich ergeben, wenn die Nockenwelle und/oder der Verbindungsbereich zumindest einen axialen Anschlag aufweist. Ein derartiger Anschlag kann einerseits während des Fügens des Verbindungsbereichs mit der Nockenwelle eine axiale Bewegung begrenzen und somit eine Endposition vorgeben. Ebenfalls möglich ist, dass ein Anschlag eine axiale Bewegung eines Rollierwerkzeugs begrenzt, um eine Beanspruchung des mit dem Rollierverfahren bearbeiteten Materials über Gebühr zu vermeiden.
Für eine Dimensionierung der von dem Rollierwerkzeug aufzubringenden Kräfte und die herbeiführbaren Verformungen infolge des Rollierverfahrens sind die von dem Rollierverfahren betroffenen Werkstoffe, die Geometrien der Bauelemente sowie eine Oberflächenfeinstruktur zu berücksichtigen. Zusätzlich kann eine Beeinflussung einerseits der während des Rollierverfahrens aufzubringenden Kräfte und der resultierenden Verformungen und andererseits der für ein Lösen der hergestellten Verbindung erforderlichen Kräfte dadurch erfolgen, dass im Bereich der herzustellenden Verbindung gezielt Schwächungen der mit dem Rollierverfahren behandelten Querschnitte vorgesehen werden. Bei derartigen Schwächungen kann es sich beispielsweise um Nuten, Ausnehmungen oder Einschnitte, insbesondere in axialer Richtung, handeln. Alternativ oder kumulativ kann über die vorgenannten Schwächungen der Materialfluss während des Rollierverfahrens in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft, ohne dass diese zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
1 einen Endbereich einer Nockenwelle mit einem darauf angeordneten Nockenwellenversteller in einem Längsschnitt;
2 ein Rollierwerkzeug in einer schematischen Seitenansicht;
3 den Nockenwellenversteller mit Nockenwelle gemäß 1 mit in einer Ausnehmung der Nockenwelle angeordnetem Rollierwerk zeug in einem Querschnitt III-III;
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung einer Verbindung eines Verbindungsbereichs eines Nockenwellenverstellers mit einer Nockenwelle über ein Rollierverfahren in einem Längsschnitt und
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung einer Verbindung eines Verbindungsbereichs eines Nockenwellenverstellers mit einer Nockenwelle über ein Rollierverfahren in einem Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen Endbereich 1 einer Nockenwelle 2. Die Nockenwelle 2 besitzt eine stirnseitige Ausnehmung 3, die in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Koaxial zu einer Längsachse 4-4 der Nockenwelle 2 ist in dem Endbereich 1 ein Nockenwellenversteller 5 angeordnet, wobei lediglich beispielhaft zu Illustrationszwecken ein Nockenwellenversteller 5 in Flügelzellenbauweise ausgewählt ist. Der Nockenwellenversteller 5 ist in an sich bekannter Weise mit einem von einem Zugmittel des Steuertriebs angetriebenen Stator 6 und einem relativ gegenüber dem Stator 6 um die Längsachse 4-4 verdrehbaren Rotor 7 ausgebildet, wobei der Rotor 7, hier einstückig ausgebildet, einen Verbindungsbereich 8 besitzt. Eine relative Verdrehung des Rotors 7 gegenüber dem Stator 6 erfolgt in ebenfalls an sich bekannter Weise über hydraulische Druckräume, die in Umfangsrichtung von Flügeln begrenzt sind.
Der Verbindungsbereich 8 besitzt eine radial innenliegende, hohlzylinderförmige Mantelfläche 9. In dem Befestigungsbereich für den Nockenwellenversteller 5 besitzt die Nockenwelle 2 eine außenliegende, zylinderförmige Mantelfläche 10. Die Mantelflächen 9 und 10 bilden eine Passung, insbesondere eine Spielpas sung, bevor ein Rollierverfahren Einsatz gefunden hat. Sowohl die Nockenwelle 2 als auch der Rotor 7 besitzen miteinander in Druckmittelverbindung stehende radial orientierte Bohrungen 11, 12 sowie 13, 14, wobei die Bohrungen 11, 12 sowie 13, 14 in axial versetzten Querebenen angeordnet sind und gegenüberliegenden Kammern des Nockenwellenverstellers 5 in Flügelzellenbauweise zugeordnet sind.
2 zeigt schematisch ein Rollierwerkzeug 15. Das Rollierwerkzeug 15 besitzt einen konusförmigen Endbereich 16, um den in Umfangsrichtung gleichmäßig mehrere Wälzkörper, beispielsweise drei Wälzkörper 17, verteilt sind, die hier kegelförmig ausgebildet sind mit einer Öffnung der Kegelform derart, dass die Außenflächen der Wälzkörper 17 parallel zueinander orientiert sind. Über ein Betätigungselement 18 kann über einen geeigneten Aktuator der Endbereich 16 nach links oder nach rechts verlagert werden, wobei für eine Bewegung nach links die Wälzkörper 17 infolge eines Rückhalteelements 19 in ihrer vorherigen axialen Position gehalten werden. Eine derartige Bewegung geht mit einer Ausübung einer Radialkraft nach außen und einem Bestreben der Wälzkörper 17 hinsichtlich einer Bewegung radial nach außen einher. Für eine Bewegung in 2 nach rechts kann die zuvor erwähnte Radialkraft verringert werden und können die Wälzkörper 17 radial nach innen verlagert werden.
Für eine Verbindung des Nockenwellenverstellers 5 mit der Nockenwelle 2 wird zunächst der Verbindungsbereich 8, beispielsweise lediglich der Rotor 7 oder der gesamte Nockenwellenversteller 5, auf die Nockenwelle 2 aufgeschoben, was durch die Spielpassung zwischen den Mantelflächen 9 und 10 ermöglicht ist. Bei einem derartigen Fügen wird dafür Sorge getragen, dass sowohl eine vorbestimmte Axialposition des Verbindungsbereichs 8 gegenüber der Nockenwelle 2 als auch ein definierter Drehwinkel des Nockenwellenverstellers gegenüber der Nockenwelle 2 mit ihren Nocken erreicht wird. Ist eine gewünschte Zielstellung erreicht, kann eine Vorfixierung erfolgen, beispielsweise durch zusätzliche temporäres oder permanentes Befestigungselement zwischen Verbindungsbereich 8 und Nockenwelle 2, ein Verklemmen o. ä. Anschließend wird das Rollierwerkzeug 15 in die Ausnehmung 3 der Nockenwelle 2 eingeführt. Unter Rotation des Rollierwerkzeugs 15 um die Längsachse 4-4 wird der Endbereich 16 des Rollierwerkzeugs 15 nach links bewegt, so dass die Wälzkörper 17 radial außenliegend zur Anlage kommen an die die Ausnehmung 3 begrenzende Mantelfläche 20 der Nockenwelle 2. Mit zunehmender Beaufschlagung des Endstücks 16 nach links werden Radialkräfte 21 (vgl. 1) auf die Mantelfläche 20 aufgebracht, die zu einer Verformung des Endbereichs 1 der Nockenwelle 2 radial nach außen führen, bis die Mantelfläche 10 eine feste Verbindung mit der Mantelfläche 9 eingeht und damit der Verbindungsbereich 8 an der Nockenwelle 2 befestigt ist.
3 zeigt einen Querschnitt mit in die Ausnehmung 3 der Nockenwelle 2 eingesetztem Rollierwerkzeug 15.
Lediglich beispielhaft sind in den 4 und 5 weitere Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt:
Gemäß 4 wirkt das Rollierwerkzeug 15 radial innenliegend von Wälzkörpern auf eine äußere Mantelfläche 22 eines Verbindungsbereichs 23 ein, so dass abweichend zu der zuvor erläuterten Ausführungsform infolge des Rollierens keine Aufweitung eines Querschnitts erfolgt, sondern vielmehr der Verbindungsbereich 23 radial zusammengepresst wird und auf die Nockenwelle 2a gepresst wird.
Für die in 5 dargestellte Ausführungsform ist der Verbindungsbereich 8 des Nockenwellenverstellers 5 als ein Zapfen 24 ausgebildet, der sich in die Ausnehmung 3b der Nockenwelle 2b erstreckt. Das Rollierwerkzeug erzeugt in diesem Fall Radialkräfte 21b, die auf die außenliegende Mantelfläche 10b der Nockenwelle 2b wirken zur Herbeiführung einer Verringerung des Innendurchmessers der Nockenwelle 2b derart, dass diese zur Herstellung einer festen Verbindung auf den Zapfen 24 gepresst wird.
Für eine verschränkte Anordnung der Wälzkörper gegenüber dem Endbereich 16 kann mit einer rein rotorischen Antriebsbewegung ein Eigenvorschub des Rollierwerkzeugs 15 erzeugt werden. Bei einem Rollierverfahren einsetzbare Geschwindigkeiten liegen beispielsweise im Bereich von 60-150 m/min. Es ist allerdings auch eine Über- oder Unterschreitung derartiger Geschwindigkeiten möglich. Zur Schmierung während des Rollierverfahrens kann ein dünnflüssiges Öl oder eine fette Emulsion eingesetzt werden.

1: Endbereich
2: Nockenwelle
3: Ausnehmung
4: Längsachse
5: Nockenwellenversteller
6: Stator
7: Rotor
8: Verbindungsbereich
9: Mantelfläche
10: Mantelfläche
11: Bohrung
12: Bohrung
13: Bohrung
14: Bohrung
15: Rollierwerkzeug
16: Endbereich
17: Wälzkörper
18: Betätigungselement
19: Rückhalteelement
20: Mantelfläche
21: Radialkraft
22: Mantelfläche
23: Verbindungsbereich
24: Zapfen

Claims

Verfahren zur Verbindung einer Nockenwelle (2) mit einem Nockenwellenversteller (5) in einem Endbereich (1) der Nockenwelle (2) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Fertigen eines Mantelfläche (9) eines Verbindungsbereichs (8) des Nockenwellenverstellers (5) und einer Mantelfläche (10) der Nockenwelle (2) mit einer ein Fügen ermöglichenden Passung, b) Fügen des Verbindungsbereichs (8) des Nockenwellenverstellers (5) und der Nockenwelle (2), c) Herstellen einer festen Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich (8) des Nockenwellenverstellers (5) und dem Endbereich (1) der Nockenwelle (2) mit einer Veränderung eines Durchmessers einer Mantelfläche (9, 10) unter Einsatz eines Rollierverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Rollierverfahren unmittelbar bearbeitete Mantelfläche (20; 22; 10b) als Funktionsfläche für ein weiteres Bauelement verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen und Herstellen der festen Verbindung durch das Rollierverfahren in einer definierten Winkellage zwischen dem Verbindungsbereich (8) und der Nockenwelle (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen und Herstellen der festen Verbindung durch das Rollierverfahren im Bereich der Montage der Nockenwelle (2) und des Nockenwellenverstellers (5) mit einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Rollierverfahren miteinander verbundenen Mantelflächen (9, 10) mit einer Rauhigkeit R_A im Bereich von 2-3 μm gefertigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Fügen ermöglichende Passung zwischen den über das Rollierverfahren miteinander verbundenen Mantelflächen (9, 10) kleiner ist als ⁵/₁₀₀ Millimeter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) und der Verbindungsbereich (8) des Nockenwellenverstellers (5) radial orientierte Bohrungen (11, 12; 13, 14) für Druckmittelkanäle aufweisen mit einer Öffnung im Bereich der von dem Rollierverfahren bearbeiteten Mantelfläche (20; 22; 10b), wobei eine axiale Erstreckung von Wälzkörpern (17) eines Rollierwerkzeugs (15) mehr als doppelt so groß ist wie eine axiale Erstreckung der Öffnungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Nockenwellenversteller (5) weitere Bauelemente über ein Rollierverfahren fest mit der Nockenwelle (2) verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) und/oder der Verbindungsbereich (8) zumindest einen axialen Anschlag aufweist/aufweisen, durch den während des Fügens eine axiale Bewegung begrenzt wird und/oder eine axiale Be wegung eines Rollierwerkzeugs begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) und/oder der Verbindungsbereich (8) im Bereich der mit dem Rollierverfahren bearbeiteten Mantelfläche(n) eine Schwächung aufweist.