DE102009060352A1

DE102009060352A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102009060352A1
Application number: DE102009060352A
Authority: DE
Inventors: Klaus 09235 Schmeckenbecher; Michael 09125 Hinkel; Matthias 09116 Helbig; Sebastian 08132 Schneider; Marko 08134 Winkler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: DE102009060352B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle zur Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors, umfassend die Schritte: – Ausrichten einer Mehrzahl scheibenartiger Nocken (10) mit je einem zentralen, runden, senkrecht zu einer Nockenhauptebene erstreckten Durchbruch (14) derart, dass die Durchbrüche (14) der axial beabstandet angeordneten Nocken (10) miteinander fluchten, – Unterkühlen einer Leerwelle (20) runden Außenprofils relativ zu den Nocken (10), wobei der Außendurchmesser der unterkühlten Leerwelle (20) kleiner und der Außendurchmesser der nicht unterkühlten Leerwelle (20) größer als der Innendurchmesser der Nockendurchbrüche (14) ist, – Einschieben der unterkühlten Leerwelle (20) in die fluchtenden Nockendurchbrüche (14), – Herbeiführen eines Temperaturausgleichs zwischen der Leerwelle (20) und den Nocken (10), sodass die Leerwelle (20) und die Nocken (10) fest zu einer Nockenwelle verbunden werden, wobei die Innenflächen (16) der Nockendurchbrüche (14) und/oder die Außenfläche der Leerwelle (20) in ihren im eingeschobenen Zustand von den Nockendurchbrüchen (14) umgriffenen Abschnitten (22) ein mittels Laserablation erzeugtes Raumuster (30) aufweisen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle zur Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors, umfassend die Schritte:

– Ausrichten einer Mehrzahl scheibenartiger Nocken mit je einem zentralen, runden, senkrecht zu einer Nockenhauptebene erstreckten Durchbruch derart, dass die Durchbrüche der axial beabstandet angeordneten Nocken miteinander fluchten,
– Unterkühlen einer Leerwelle runden Außenprofils relativ zu den Nocken, wobei der Außendurchmesser der unterkühlten Leerwelle kleiner und der Außendurchmesser der nicht unterkühlten Leerwelle größer als der Innendurchmesser der Nockendurchbrüche ist,
– Einschieben der unterkühlten Leerwelle in die fluchtenden Nockendurchbrüche, Herbeiführen eines Temperaturausgleichs zwischen der Leerwelle und den Nocken, sodass die Leerwelle und die Nocken fest zu einer Nockenwelle verbunden werden.

Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der WO 2009/065970 A1 . Das dort offenbarte Verfahren dient insbesondere der Herstellung von Nockenwellen-Zylinderkopfhauben-Modulen für Verbrennungsmotoren. Hierzu wird auf einer Maschinenplattform eine Reihe axial beabstandeter Positionierscheiben fixiert. Jede Positionierscheibe weist eine Aufnahme für einen Nocken auf. Die Nocken werden als scheibenförmige Elemente mit geschliffener Kontur bereitgestellt. Die Außenkontur entspricht einer berechneten Form, die jeweils für den konkreten Einsatzfall, d. h. den konkreten Verbrennungsmotor, in dem das Modul Einsatz finden soll, optimiert ist. Die Scheiben weisen zudem eine runde Durchgangsbohrung senkrecht zu ihrer Scheibenebene auf. In den Positionierscheiben werden die Nocken so zueinander ausgerichtet, dass ihre relative Winkel- und Axiallage der gewünschten Position auf der Nockenwelle entspricht. Dabei werden die Bohrungen durch die Scheibenkörper zueinander fluchtend ausgerichtet. Weiter wird ein Haubenelement so über die ausgerichteten Nocken gestülpt, dass Bohrungen in den Wänden des Haubenelementes mit den Nockenbohrungen fluchten. Eine relativ zu den Nocken und dem Haubenelement stark unterkühlte Leerwelle wird alsdann in die Bohrungen eingeschoben. Der Außendurchmesser der Leerwelle und die Innendurchmesser der Bohrungen sind so dimensioniert, dass sich die Leerwelle in unterkühltem Zustand kräftefrei oder zumindest kräftearm in die Bohrungen einschieben lässt, wohingegen ihr Durchmesser im nicht unterkühlten Zustand geringfügig größer als der Innendurchmesser der Nockenbohrungen und sehr geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Haubenbohrungen ist. Bei derartiger Dimensionierung der Durchmesser führt ein anschließend eingeleiteter Temperaturausgleich zu einer festen Pressverbindung der Leerwelle mit den Nocken und zu einer spielfreien, rotationsbeweglichen Lagerung der Leerwelle in den Haubenbohrungen.
Der Fachmann wird erkennen, dass die exakte Dimensionierung der Durchmesser entscheidend für die Funktion des resultierenden Wellen-Hauben-Moduls ist. Entsprechend hohe Anforderungen werden an die Fertigungspräzision der entsprechenden Elemente gestellt. Je höher die Präzisionsanforderungen desto höher sind die Fertigungskosten. Aus Kostengründen wären daher höhere Toleranzen wünschenswert.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass größere Fertigungstoleranzen möglich werden.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Innenflächen der Nockendurchbrüche und/oder die Außenfläche der Leerwelle in ihren im eingeschobenen Zustand von den Nockendurchbrüchen umgriffenen Abschnitten ein mittels Laserablation erzeugtes Raumuster aufweisen.
Grundgedanke der Erfindung ist es, eine erhöhte Reibung zwischen den Nocken und der Leerwelle zu erzeugen, sodass ein größeres Untermaß der Leerwelle bzw. ein größeres Übermaß der Nockendurchbrüche tolerierbar wird ohne die Festigkeit der Nockenwelle, insbesondere die Verdrehsicherheit der Nocken zu beeinträchtigen. Hierzu wird konkret vorgeschlagen, wenigstens eine der bei der entstehenden Pressverbindung miteinander wechselwirkenden Oberflächen aufzurauen, wobei als Aufraumittel die Laserablation verwendet wird. Die Laserablation hat im Gegensatz zu rein mechanischen Verfahren den Vorteil, dass sie keinem Verschleiß unterliegt und in hohem Maße reproduzierbar, andererseits aber auch sehr flexibel im Hinblick auf die Details des erzeugten Raumusters ist.
Das Raumuster weist vorzugsweise eine Maximalamplitude, d. h. eine maximale radiale Distanz zwischen seien niedrigsten und seinen höchsten Punkten von 2 bis 20 Mikrometer, insbesondere von 4 bis 6 Mikrometer auf. Dabei beträgt die Maximaldifferenz zum Niveau der unbearbeiteten Flächen bevorzugt ± 1 bis 10 Mikrometer, insbesondere ± 2 bis 4 Mikrometer. Diese Werte haben sich bei Versuchen als besonders günstig erwiesen.
Die Erzeugung des Raumusters mittels Laserablation ist besonders geeignet, ein Raumuster zu erzeugen, welches, wie bevorzugt vorgesehen, in beide Richtungen vom Niveau der unbearbeiteten Fläche abweicht. Bei der Laserablation wird nämlich die Oberfläche mit einem Laserstrahl bestrahlt, dessen Energiedichte über der Zerstörschwelle des bearbeiteten Materials liegt. Die konkrete Lage der Zerstörschwelle hängt unter anderem von der Absorptionsfähigkeit des Materials für die gewählte Laserwellenlänge ab. Dem Fachmann sind die Absorptionseigenschaften der unterschiedlichen Materialien bekannt, sodass er die Wahl der geeigneten Laserwellenlänge sowie die Wahl der verwendeten Energiedichte ohne umfangreiche Versuche im jeweiligen Einzelfall ermitteln kann. Bei der Bestrahlung des Materials absorbiert dessen Oberfläche Laserenergie und wird bereichsweise aufgeschmolzen. Dies führt zu einem teilweisen Verdampfen des Materials, z. T. aber auch zum Aufwerfen von Wällen und Kraterrändern im Mikrometerbereich. Die bearbeitete Fläche weist somit Oberflächenpunkte auf, die unterhalb des Flächenniveaus der unbearbeiteten Fläche liegen, als auch Punkte die oberhalb dieses Niveaus liegen. Dies wird als besonders günstig angesehen, da die Leerwelle unabhängig davon, ob das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden soll oder nicht, mit ihrem berechneten Nominalmaß hergestellt werden kann. Gleiches gilt für die Nockendurchbrüche. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt lediglich zu einer Verbesserung des Reibschlusses der Pressverbindungen, erhöht somit die Fertigungstoleranzen. Gleichwohl bedarf der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens keiner Umstellung eines bereits etablierten und eingespielten Produktionsprozesses.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Raumuster in axialer Richtung moduliert. Dies bedeutet, dass dem mikroskopischen Raumuster eine „Streifen-Struktur” variierenden mittleren Höhenniveaus überlagert ist. Die Streifen erstrecken sich bevorzugt in axialer Richtung. Hierdurch wird zusätzlich zur Verbesserung des Reibschlusses durch die Aufrauung eine zahnähnliche Struktur etabliert, die einem an den Nocken angreifenden Drehmoment und somit deren Verdrehung gegenüber der Welle entgegenwirkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zur Verbesserung der Herstellung von separaten Nockenwellen geeignet; insbesondere kann es auch zur Verbesserung es grundsätzlich bekannten, oben bereits erläuterten Verfahrens zur Herstellung von Wellen-Hauben-Modulen verwendet werden.
Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass vor dem Einschieben der Leerwelle ein Haubenelement, relativ zu dem die unterkühlte Leerwelle ebenfalls unterkühlt ist und dessen Wandungen runde Durchbrüche aufweisen, relativ zu den Nocken so ausgerichtet wird, dass die Nockendurchbrüche und die Haubendurchbrüche miteinander fluchten, wobei die Haubendurchbrüche größer als die Nockendurchbrüche sind, dass die Leerwelle im eingeschobenen Zustand sowohl die Nockendurchbrüche als auch die Haubendurchbrüche durchsetzt und dass nach dem Einschieben der Leerwelle ein Temperaturausgleich auch relativ zu der Haube erfolgt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Innendurchmesser der Haubendurchbrüche so bemessen sind, dass nach der Herbeiführung des Temperaturausgleichs die Nockenwelle spielfrei und drehbeweglich in den Haubendurchbrüchen gelagert ist. Hier zeitigt das erfindungsgemäße Verfahren sogar besondere Vorteile: um einen möglichst guten Gleichlauf und geringen Verschleiß der Nockenwelle in der Zylinderkopfhaube zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass insbesondere die Lagerstellen der Welle in den Haubenwandungen von höchster Präzision sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind keine gesonderten Lagerelemente vorgesehen; vielmehr ist die Welle unmittelbar in den Präzisionsbohrungen der Haubenwände gelagert. Dies bedeutet, dass gerade auf diese Schnittstelle bei der Fertigung besonderer Wert gelegt werden muss. Bei evtl. auftretenden Abweichungen von den Nominalwerten müssen solche Wellen und Haubenelemente miteinander kombiniert werden, deren Fertigungsabweichungen einander kompensieren. Die Nocken und deren Bohrungen werden jedoch in einem weiteren, separaten Fertigungsprozess hergestellt. Es würde daher einen ausgesprochenen hohen Aufwand und ggf. hohen Ausschuss bedeuten, wenn auch noch die Nocken einzeln so ausgewählt werden müssten, dass ihre Fertigungsabweichungen ebenfalls zu den Fertigungsabweichungen der Welle und der Haubenelemente „passen”. Der durch die Erfindung erzielte Vorteil einer höheren Fertigungstoleranz gerade bei den Nocken ist daher bei der Fertigung von Wellen-Hauben-Modulen von ganz besonderer Bedeutung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Nockens zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Leerwelle zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
3 eine pseudo-perspektivische Darstellung eines Raumusters auf mikroskopischer Skala.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt einen Nocken 10 zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Nocken 10 hat scheibenförmige Gestalt mit einer geschliffen Außenkontur 12 und einer zentralen Bohrung 14. Auf der Innenfläche 16 der Bohrung 14 ist mittels Laserablation ein Raumuster aufgebracht, dass jedoch in 1 nicht zu erkennen ist.
2 zeigt eine Leerwelle 20 zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei der alternativ oder zusätzlich zu der in 1 gezeigten Aufrauung der Nockenbohrung 14 an verschiedenen axial benachbarten Positionen 22 Raumuster mittels Laserablation auf die Oberfläche der Leerwelle 20 aufgebracht sind. Die Axialpositionen 22 entsprechen denjenigen Positionen, auf denen bei der fertigen Welle die Nocken 10 positioniert sind.
Details des Raumusters in einer bevorzugten Ausführungsform sind in 3 erkennbar. 3 zeigt eine computergenerierte, pseudo-perspektivische Darstellung des Raumusters an den Axialpositionen 22 der Leerwelle 20 und/oder auf der Innenfläche 16 der Nockenbohrung 14. Die mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichneten, vergleichsweise ebenen Musterbereiche entsprechen im Wesentlichen der nicht bearbeiteten Oberfläche. Eine streifenartige Beaufschlagung der Oberfläche mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge und Energiedichte führt zu einer streifenartigen Kraterbildung (34), wobei der längserstreckte Krater 34 von Wällen 36, die durch aufgeschmolzenes und aufgeworfenes Material gebildet werden, flankiert ist. Diese Streifenstruktur stellt eine dem mikroskopischen Raumuster überlagert Modulation dar, wobei die Breite der in 3 gezeigten Streifen jeweils etwa 0,1 mm beträgt. Die mikroskopische Materialaufrauung, insbesondere im Bereich der Kraterstreifen hat charakteristische Dimensionen von einem bis wenigen Mikrometern. Die Höhendifferenz zwischen dem Grund der Krater 34 und den Spitzen der Wälle 36 betragen ca. 5,5 Mikrometer. Die Differenzen zu dem Niveau der unbearbeiteten Streifen 32 beträgt ca. ± 2 bis 3 Mikrometer.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann das konkrete gewählte Raumuster von der hier gezeigten Ausführungsform abweichen. Beispielsweise sind gekreuzte Strukturen oder nicht-modulierte gleichförmige Raumusterstrukturen ebenfalls denkbar. Obgleich die Verwendung eines Nd:YaG-Lasers bevorzugt wird, können auch andere Laserbauarten Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

10: Nocken
12: Außenkontur von 10
14: Bohrung von 10
16: Innenfläche von 14
20: Leerwelle
22: Axialposition auf 20
30: Raumusterprofil
32: unbearbeiteter Streifen
34: Krater
36: Wall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/065970 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle zur Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors, umfassend die Schritte: – Ausrichten einer Mehrzahl scheibenartiger Nocken (10) mit je einem zentralen, runden, senkrecht zu einer Nockenhauptebene erstreckten Durchbruch (14) derart, dass die Durchbrüche (14) der axial beabstandet angeordneten Nocken (10) miteinander fluchten, – Unterkühlen einer Leerwelle (20) runden Außenprofils relativ zu den Nocken (10), wobei der Außendurchmesser der unterkühlten Leerwelle (20) kleiner und der Außendurchmesser der nicht unterkühlten Leerwelle (20) größer als der Innendurchmesser der Nockendurchbrüche (14) ist, – Einschieben der unterkühlten Leerwelle (20) in die fluchtenden Nockendurchbrüche (14), – Herbeiführen eines Temperaturausgleichs zwischen der Leerwelle (20) und den Nocken (10), sodass die Leerwelle (20) und die Nocken (10) fest zu einer Nockenwelle verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen (16) der Nockendurchbrüche (14) und/oder die Außenfläche der Leerwelle (20) in ihren im eingeschobenen Zustand von den Nockendurchbrüchen (14) umgriffenen Abschnitten (22) ein mittels Laserablation erzeugtes Raumuster (30) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumuster (30) eine Maximalamplitude von 2 bis 20 Mikrometer, insbesondere von 4 bis 6 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumuster (30) eine Maximaldifferenz zum Niveau der unbearbeiteten Flächen von ± 1 bis 10 Mikrometer, insbesondere von ± 2 bis 4 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumuster (30) in axialer Richtung moduliert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Einschieben der Leerwelle (20) ein Haubenelement, relativ zu dem die unterkühlte Leerwelle (20) ebenfalls unterkühlt ist und dessen Wandungen runde Durchbrüche aufweisen, relativ zu den Nocken (16) so ausgerichtet wird, dass die Nockendurchbrüche (14) und die Haubendurchbrüche miteinander fluchten, wobei die Haubendurchbrüche größer als die Nockendurchbrüche (14) sind, – die Leerwelle (20) im eingeschobenen Zustand sowohl die Nockendurchbrüche (14) als auch die Haubendurchbrüche durchsetzt und – nach dem Einschieben der Leerwelle (20) ein Temperaturausgleich auch relativ zu der Haube erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendurchmesser der Haubendurchbrüche so bemessen sind, dass nach der Herbeiführung des Temperaturausgleichs die Nockenwelle spielfrei und drehbeweglich in den Haubendurchbrüchen gelagert ist.