DE102006036850A1

DE102006036850A1 - Welle wie Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006036850A1
Application number: DE102006036850A
Authority: DE
Inventors: Matthias Derse; Manfred Vogel; Thomas Winkler; Matthias Bechtold
Original assignee: Neumayer Tekfor Holding GmbH
Current assignee: Neumayer Tekfor Holding GmbH
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle, wie Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Description

Bei Brennkraftmaschinen werden zur Steuerung der Gaswechselventile Nockenwellen eingesetzt. Hierbei drehen die Nockenwellen bei einem Vier-Tackt-Motor mit der halben Motordrehzahl. Als Steuerelemente zur Bewegung der Gaswechselventile werden Nocken, bestehend aus Grundkreisbereichen und Erhebungsbereichen eingesetzt. Des Weiteren können an der Nockenwelle beispielsweise ein Endstück zur Aufnahme des Ketten- oder Zahnrades oder eines Sensonades und weitere Elemente vorgesehen sein.
Die Nocken sind funktionsbedingt in der Längsachse in der Nockenwelle verdreht angebracht. Dadurch ist die Nockenwelle insgesamt mit einer Unwucht behaftet, was zumindest in bestimmten Drehzahlbereichen zu zusätzlichen unerwünschten Motorvibrationen führen kann.
Außerdem rufen die gesamten rotierenden Massen des Motors Vibrationen hervor. Zumindest einige dieser Vibrationserscheinungen können ausgeglichen werden, indem praktisch Gegenunwuchten aufgebracht werden. Diese Gegenunwuchten können durch Auswuchtgewichte an der Nockenwelle sein und/oder es werden eigens für diesen Zweck so genannte Ausgleichswellen vorgesehen.

Bei Nockenwellen ist es durch die DE 4030568 C2 , und DE 4336809 C2 bekannt geworden Ausgleichsgewichte vorzusehen. Bei der DE 4030568 C2 sind zum Ausgleich von Unwuchten in einem Ausführungsbeispiel bei einer massiv ausgeführten Nockenwelle Ausgleichsmassen zur Drehachse exzentrisch versetzt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind Ausgleichsmassen in Form von rohrförmigen Abschnitten ebenfalls exzentrisch zur Rotationsachse versetzt. Derartige Wellen sind teuer in der Herstellung und beschränkt im Einsatzgebiet.

Die DE 4336809 sind auf einem Wellengrundkörper zu befestigende, eine Bohrung aufweisende Nocken vorgeschlagen, die auf der Welle befestigt sind. Die Nocken weisen auf der Nockenerhebung gegenüberliegenden Seite des Nockens einen Fortsatz in Form eines axialen Ansatzes auf, nämlich eine einstückig mit dem Nocken ausgebildete Halbschale als Ausgleichsmasse. Die Einsatzmöglichkeit solcher Nockenwellen ist ebenfalls beschränkt, da die Position von Nocken und Ausgleichsgewicht von vorne herein zueinander festgelegt sind und nicht varriert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, insbesondere Nockenwellen bzw. Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, bei denen die Herstellung einfacher und preiswerter erfolgen kann und bei denen die Wucht-/Unwuchtverteilung präziser als bisher vorgenommen werden kann. Außerdem sollen die Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten von Nockenwellen erweitert werden und die Massenverteilung auch von anderen auf der Welle befestigten oder zu befestigenden Bauteilen berücksichtigt werden können.

Dies wird bei einer Welle, wie insbesondere bei der Nockenwelle mit auf einem Wellenkörper vorgesehenenen Funktionskörper, wie Nocken, dadurch erzielt, dass die Ausgleichsmassen sowohl als von den Funktionselementen, wie Nocken, als auch von der Welle getrennt hergestellte und auf der Welle, wie z.B. der Nockenwelle, befestigte Elemente sind. Derartige Elemente können sowohl am Nocken selbst als auch am Wellengrundkörper festgelegt werden.

Eine besonders vorteilhafte Art und Weise der Anbringung dieser Elemente kann durch axiales Aufpressen derselben erfolgen, so dass diese Elemente axial und drehfest auf der Welle festgelegt sind. Dabei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn sowohl die Nocken, als auch die Ausgleichs- bzw. Wuchtelemente bzw. Gewichte durch axiales Aufpressen festgelegt sind, und zwar in einer Weise, wie dies in zumindest einer der DE-OS'en 4030568C2, 4336809C2 und 3803383C2 – deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung integriert sei – beschrieben ist.

Wuchtgewichte bzw. -elemente, die durch axiales Aufpressen an einem Wellengrundkörper befestigt werden, sind zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet und weisen einen Wuchtbereich mit größerer Masse und einen Haltebereich mit kleinerer Masse auf. Der Haltebereich kann gegenüber dem gegenüber die größere Masse aufweisenden Wuchtbereich eine geringere axiale Erstreckung aufweisen als der Wuchtbereich. Der Haltebereich kann auch in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene unsymmetrisch zum Wuchtbereich vorgesehen sein.

Die Wuchtelemente können auch zumindest annähernd halbschalenartig ausgebildet und auf dem Wellenkörper befestigt sein. Das Befestigen kann durch Laserstrahlschweißen, aber auch durch Löten oder Kleben erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Befestigung über ein Kondensator-Entladungsschweißen, weil damit verzugsfrei aufgeschweißt werden kann und praktisch keine Erwärmung der Umgebung der Schweißstelle vorliegt. Zur Befestigung mittels Schweißen kann es vorteilhaft sein, wenn die Wuchtelemente wenigstens eine nach innen gerichtete Kontur aufweisen; diese Kontur kann auch durch einen zumindest achsparallelverlaufenden Wulst gebildet werden, der beim Schweißen die Verbindung zur Nockenwelle bzw. zum Nockenwellengrundkörper ergibt.

Es können auf ein- und derselben Nockenwelle Wuchtelemente bzw. Wuchtgewichte unterschiedlicher Massen aufgebracht werden.

Durch die Funktionstrennung von Nockensteuerung und Massenausgleich mittels getrennt hergestellter Wuchtelemente bzw. Ausgleichsmassen, ist auch ein modularer Aufbau der Nockenwelle möglich Dabei kann je nach Erfordernis und Einsatz der gleiche Nockenwellengrundkörper mit unterschiedlichen Nocken und entsprechenden Ausgleichsmassen eingesetzt werden. Dadurch können auch Werkzeugkosten in erheblichem Maße eingespart werden.

Durch die Erfindung ist es auch in besonders einfacher und vorteilhafter Weise möglich, durch die Anzahl und Lage der Schwerpunkte der Wuchtelemente auch die Masse der weiteren auf der Welle festgelegten oder noch festzulegenden Elemente, wie z.B. eines Sensors, eines Antriebsrades oder dergleichen zu berücksichtigen.

Weiterhin ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Wuchtgewichte bzw. -element in einer Weise auf der Welle vorzusehen, dass die Welle selbst eine Unwucht aufweist, die jedoch Schwingungen, die durch andere rotierende Massen erzeugt werden, ausgleichen oder egalisieren.

Ein weiterer erfinderischer Gedanke bezieht sich auf die Herstellung von so genannten gefügten Wellen mit unrunden Funktionskörpern, also z.B. Nockenwellen, bei denen Nocken durch axiales Aufpressen auf einen Wellengrundkörper befestigt werden. Es hat sich gezeigt, das bei solchen Nockenwellen, bei denen die Nocken erst auf ihre Sollkontur geschliffen und die anschließend aufgepresst werden, die Außenform der Nocken von der Sollkontur derart abweicht das die Motorsteuerung negativ beeinflusst wird. Dabei wird nicht nur der zylinderförmige Befestigungsbereich verformt, sonder auch im Erhebungsbereich des Nockens gibt es Deformationen. Demgemäß lag dem vorliegenden weiteren Erfindungsgedanken die Aufgabe zu Grunde, derartige Verformungen zu vermeiden und insbesondere Nockenwellen zu schaffen, bei denen die Außenkontur der Funktionskörper, also z.B. der Nocken, auch in verbautem Zustand der bestimmungsgerechten Kontur entspricht. Dies wird dadurch erzielt, dass beim Schleifen der Außenkontur eine Aufspannung des Nockens über seine Innenbohrung mittels eines Spannelemenles, z.B. eines hydraulischen oder mechanischen Spanndornes erfolgt, wobei eine Aufwertung des Nockens erzeugt wird, die derjenigen Aufweiung entspricht, welche nach dem Fügen des Nockens auf die Nockenwelle entspricht. Dadurch kann die Außenkontur exakt nach der Zielkontur hergestellt werden.

Ein anderer erfinderischer Gedanke bezieht sich auf die Ausgestaltung von Funktionskörpern, wie insbesondere von Nocken für eine gefügte Nockenwelle. Diesem Teil der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, Material einzusparen, Nockenwellen zu verbilligen und die Unwucht bei Nockenwellen zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Nocken im Bereich der Nockenerhebung eine in Achsrichtung den Nocken zumindest teilweise durchdringende Auskehlung eingebracht ist. Diese Auskehlung kann in Achsrichtung durchgehend sein oder eventuell den Nocken lediglich teilweise durchdringen. Die Auskehlung – in Richtung auf die Frontseite des Nockens gesehen – kann mondsichelförmige und lediglich an einer Seite, jedoch auch von beiden Seiten her eingebracht werden. Die Auskehlung kann aber auch eine durchgehende, auch zumindest annähernd kreisförmige Ausnehmung sein.

Es ist ersichtlich, dass ein nicht unerheblicher Teil des teueren Materiales, das ansonsten bei vollen Nocken eingesetzt wird, eingespart werden kann.

Anhand der 1 bis 10 sei die Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigt 1 eine so genannte gefügte Nockenwelle 1 mit einem Wellengrundkörper 2, der aus einem rohrförmigen Abschnitt 2a besteht, und einem daran z.B. durch Schweigen, Reibschweißen oder dergleichen befestigten, teilweise hohl ausgebildeten Stutzen 2b. Der Stutzen 2b kann durch Massivumformen hergestellt werden, und ist bei 2c durch die bereits genannten Verfahren mit dem Rohr 2a verbunden. Der Ansatz 2b weist an seiner der Verbindungsstelle abgekehrten Seite einen Flansch 3 auf, nach dem Verbinden von Rohrabschnitt 2a und Stutzen 2b wird die Oberfläche des wellenförmigen Grundkörpers vom Endbereich 4 bis zum Beginn des Bundes 5 feinbearbeitet und zum axialen Aufpressen der Nocken N1 bis N8 und der Wuchtgewichte vorbereitet. Danach werden diese in entsprechender Folge axial aufgepresst, und zwar in einer in den bereits genannten DE-OS'en beschriebenen Weise. In gleicher Weise kann auch das Sensonad 10 aufgebracht sein. Die Hohlwelle 2a ist an ihrem Ende 4 durch eine Dichtkappe 11 abgeschlossen, um das Eindringen von Öl und damit das Erzeugen einer Unwucht zu vermeiden.
Das Wuchtgewicht 6, das entspechend einer Ansicht nach den Pfeil II-II der 1 in 2 in Ansicht dargestellt ist, ist weiterhin in 3 entsprechend einem Schnitt nach der Linie III-III der 2 gezeigt. Es weist einen teilweise als zylindrischen Abschnitt ausgebildeten Halteabschnitt 12 auf und einen Bereich 13 mit radial größerer Erstreckung und damit größerer Masse.
Das in 4 in Ansicht entsprechend den Pfeilen IV-IV dargestellte Ausgleichselement 7 ist – wie in 5 entsprechend einem Schnitt der Linie V-V der 4 – ersichtlich, in der zur Rotationsachse senkrechten Ebene unsymmetrisch ausgebildet. Dieses Ausgleichsgewicht bzw. diese Ausgleichsmasse 7 weist ebenfalls einen teilweise zylinderförmig ausgebildeten Haltebereich 14 und einen Bereich 15 mit größerer Masse. Um den Massenschwerpunkt X axial näher in den Bereich des Haltebereiches 14 zu verlagern, ist der Bereich 15 mit größerer Masse kegelförmig ausgebildet, also axial vom ringfönnigen Haltebereich weg mit geringer werdender Masse versehen. Die kegelförmig verlaufende Ausgestaltung ist mit 16 bezeichnet.
In 6 ist das Wuchtelement 9 in einer Ansicht entsprechend den Pfeilen VI-VI gezeigt. 7 zeigt das Ausgleichselement 9 entsprechend einem Schnitt der Linie VII-VII der 6, das weist wiederum einen teilweise zylinderförmig ausgebildeten Haltebereich 17 auf und einen Bereich 18 mit größerer Masse. Auch hier ist – wie in 5 – die radiale und die axiale Erstreckung des Bereiches 18 erheblich größer als die des Bereiches 17.
Anstatt wenigstens einzelne der Wuchtelemente 6–9 können aber auch Wuchtgewichte gemäß 9 auf dem Wellengrundkörper befestigt werden. Die Wuchtelemente 30 sind zumindest annähernd halbschalenartig ausgebildet und besitzen im radial inneren Bereich eine zumindest annähernd dem Wellengrundkörper angepasste Kontur 31. Von dieser Kontur ragen zwei Schweißwulste 32 radial nach innen, so dass die Wuchtelemente 30 durch Schweißen, wie Kondensatorentladungsschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen auf dem Wellengrundkörper befestigt werden können, wobei beide Schweißwulste 32 am Wellengrundkörper anschmelzen.
9 zeigt den Nocken N2 in Ansicht entsprechend der Linie IX-IX der 1 und 10 einen Schnitt gemäß der Linie X-X der 9.
Der Nocken 3 weist eine Bohrung 60 auf und einen teilweisende zylindrischen Bereich 61, der in einen erhabenen Bereich 62 übergeht. Im erhabenen Nockenbereich 62 ist eine Auskehlung 63 zur Material- und Gewichtseinsparung eingebracht. Die Auskehlung 63 kann auch in Achsrichtung durchgehend ausgebildet sein.
Derartige Nocken werden durch entsprechende Bearbeitung, nämlich Schmieden, gegebenenfalls Strahlen, Drehen der Bohrung 60, Hartdrehen der Bohrung auf das Fügemaß, Schleifen der Umfangskontur und gegebenenfalls abschließendes Gleitschleifen auf ihr Endmaß gefertigt. Beim axialen Aufpressen der Nocken über ihre Bohrung 60 verändert sich jedoch die Außenform der Nocken gegenüber der vorgegebenen Sollkontur, und zwar nicht nur im zylindrischen Bereich 61, sondern auch im Erhebungsbereich 62. Um eine exakt der Sollkontur entsprechende Form des Nockens auch bei aufgepresstem Nocken zu gewährleisten, ist der Nocken 3 beim Schleifen der Außenkontur 64 über seine kreisförmige Innenbohrung 60 auf einer Spannvorrichtung aufgenommen, die den Nocken auf eine gleiche Weise aufweitet wie dies beim axialen Aufpressen der Fall ist. Hierfür kann dann der Nocken auf einem mechanischen oder hydraulischen Spannelement aufgenommen werden, das die gleiche Art Überdeckung erzeugt wie beim auf die Welle aufgepressten Nocken. Dadurch kann die Außenkontur exakt nach der Zielkontur gefertigt werden, nach dem Entspannen des Elementes liegt eine nicht bestimmungsgerechte Form vor, jedoch nach dem Montieren des Nockens wieder die Zielform.

Claims

Welle, insbesondere Nockenwelle, mit auf einem Wellenkörper vorgesehenen Funktionskörpern wie Nocken, auf der weiterhin Ausgleichsmassen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmassen sowohl von den Funktionselementen, wie den Nocken, als auch von der Welle getrennt hergestellte, und auf der Welle, wie der Nockenwelle, befestigte Elemente sind.
Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Nocken, als auch die Ausgleichselemente durch axiales Aufpressen axial- und drehfest auf einem Wellengrundkörper befestigt sind.
Welle, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, dass die Ausgleichselemente ringförmig sind und einen Wuchtbereich mit größerer Masse und einen Haltebereich mit kleinerer Masse aufweisen.
Welle, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltebereich eine geringere axiale Erstreckung aufweist als der Bereich mit größerer Masse.
Welle, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltebereich in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene unsymmetrisch ist zu dem Bereich mit größerer Masse.
Welle, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente zumindest annähernd halbschalenartig ausgebildet, und auf dem Wellenkörper befestigt sind.
Welle, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente auf die Welle aufgeschweißt sind.
Welle, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente an ihrer Innenkontur wenigstens eine nach innen gerichtete Kontur aufweisen.
Welle, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur ein zumindest annähernd achsparallel verlaufender Wulst ist.
Welle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente durch Schweißen auf der Welle befestigt sind.
Welle, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente durch Widerstandsschweißen auf der Welle befestigt sind.
Welle, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente durch Kondensatorentladungsschweißen auf der Welle befestigt sind.
Welle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente auf ein und derselben Nockenwelle unterschiedliche Massen aufweisen.
Welle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Schwerpunkte-Ausgleichselemente auch die Massen von weiteren, auf der Welle festgelegten, oder noch festzulegenden Elemente berücksichtigt.
Welle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente in einer Weise auf der Welle vorgesehen sind, dass die Welle selbst eine Unwucht aufweist.
Welle, insbesondere nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Nocken als auch die Wuchtgewichte nach einem der in den DE OS'en 198 31 333, 199 38 791 oder 101 01 539 beschriebenen Verfahren darauf befestigt sind.
Welle, insbesondere Nockenwelle, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken an seinem Erhebungsbereich eine in Achsrichtung verlaufende Auskehlung aufweist.
Welle, insbesondere nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskehlung axial durchgehend ist.
Verfahren zur Fertigung von auf Wellen axial aufzupressenden Funktionskörpern mit von der Kreisform abweichenden Form, wie Nocken für eine Nockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken zum Schleifen der endgültigen Funktionsform über ihre Innenbohrung auf einem Dom aufgespannt und dort während des Schleifens in einer dem auf die Nockenwelle aufgebrachten Zustand entsprechenden Zustand verformt werden.