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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer für eine Brennkraftmaschine bestimmten Nockenwelle bestehend aus einer Welle und darauf in einer definierten Winkellage festzulegenden Formteilen, insbesondere Nocken, Zahnrädern, Lagerschalen oder dergleichen, bei dem die Formteile mit ihren Durchbrechungen oder Ausnehmungen auf der Welle positioniert und in einer definierten Winkellage insbesondere kraftschlüssig mit der Welle verbunden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein solches Verfahren sowie eine solche Vorrichtung beschreibt bereits die
DE 10 2007 056 638 A1 , die sich insbesondere auf die Montage eines Verbunds aus einer Nockenwelle und einem Gehäuse bezieht. Die Vorrichtung verfügt über Positioniereinrichtungen, die als Negativprofile der Formteile diese formschlüssig umfassen, wobei die Formteile zusätzlich durch eine an den Positioniereinrichtungen aufgebrachte Haltekraft, beispielsweise mittels eines Unterdrucks, in ihrer Fügeposition fixiert werden. Nach erfolgter Positionierung der Formteile wird die Welle durch Öffnungen in den Formteilen eingeschoben und bevorzugt mittels thermischen Umformens, beispielsweise Kaltdehnens, mit den Formteilen kraftschlüssig verbunden.
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Die
DE 101 50 092 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem die Teile in einer Montageeinrichtung außerhalb einer Innenhochdruckumformpresse (IHU-Presse) lage- und funktionsgerecht positioniert werden. Das Zusammensetzen der Welle mit den auf ihr aufzubringenden Nockenringen wird aus dem Takt ausgegliedert, indem in einer separaten Montageeinrichtung alle zu dem kompletten Werkstück gehörenden Teile in ihrer funktionsgerechten Lage positioniert eingelegt werden. Im Oberteil der Montageeinrichtung angebrachte Klemmen oder Saugeinrichtungen sorgen dafür, dass alle Teile, wie insbesondere eine Hohlwelle, Nockenringe oder Antriebselemente, fixiert sind. Danach werden die positionierten Teile gegen unzulässige Lageveränderungen gesichert von der Montageeinrichtung in das geöffnete Werkzeug der IHU-Presse transportiert. Die zweiteilige Montageeinrichtung hat die gleichen Formnester für die Aufnahme von Nocken und anderen zu montierenden Bauteilen wie das Werkzeug der IHU-Presse. Um eine Lageveränderung während des folgenden Transports der Montageeinrichtung in die IHU-Presse auszuschließen, wird über Kanäle bzw. Schläuche ein Unterdruck erzeugt, der die Nockenringe und die Hohlwelle im Oberteil ansaugt und festhält. Ferner ist allgemein durch die
DE 32 47 636 C2 ein Herstellungsverfahren für Nockenwellen mittels Aufschrumpfens von Formteilen wie Nocken und Lagerringen auf eine Welle bekannt. Möglichkeiten für eine präzise Positionierung und Fixierung der Formteile sind hierbei nicht offenbart.
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Der Stand der Technik soll beim Fügen der Bestandteile einer Nockenwelle eine weitgehend präzise Positionierung der Formteile auf der Welle ermöglichen, bei der Abweichungen der Formteile von ihrer relativ zueinander vorbestimmten Winkellage, beispielsweise durch unbeabsichtigte Impulse beim Einschieben der Welle, größtenteils ausgeschlossen werden.
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Nachteilig ist bei den bekannten Lösungsansätzen, dass die Präzision bei der Positionierung und Fixierung der Formteile von den auf die Formteilkonturen zugeschnittenen Negativprofilen abhängt. Somit müssen individuelle Hilfswerkzeuge hergestellt werden, die zusätzlich noch aufwendig manuell oder durch ein komplexes Einlegesystem mit den Formteilen bestückt werden müssen. Dabei erschweren in der Praxis geringe Toleranzen der Negativprofile das Einlegen der Formteile. Abweichungen von der Soll-Position können jedoch beim Schließen der Werkzeughälften zu einer erheblichen Beschädigung derselben führen.
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Daher wird oftmals eine praxisgerechte Toleranz bei der Positionierung vorgesehen, die dazu führt, dass die Formteile nach dem Fügeprozess mit der Welle hinsichtlich ihrer Winkellage oder ihrer allgemeinen relativen Position auf der Welle nachbearbeitet werden müssen.
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Eine nachträgliche, flexible Anpassung der Formteilaufnahme an die jeweilige Gestalt und an die relative Orientierung der Formteile zur Welle oder zu anderen Formteilen ist entweder nicht oder nur eingeschränkt möglich, sodass die jeweils hergestellte Vorrichtung oft nur für einen bestimmten Bautyp der Nockenwelle anwendbar ist.
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Ferner sind bei den bekannten Lösungsansätzen zusätzliche Haltekräfte, beispielsweise durch Unterdruckerzeugung, magnetische Kräfte oder Klammern, erforderlich, sodass hierfür zusätzliche Bauteile an den Aufnahmen für die Formteile berücksichtigt werden müssen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und flexibles Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das universell für verschiedene Formen und Winkellagen der Formteile auf der Welle einsetzbar ist, das eine individuelle Anpassung an verschiedene Bauarten von Nockenwellen mit geringem Aufwand ermöglicht, das die Option für einen automatisierten Ablauf der Nockenwellenherstellung eröffnet und das eine präzise Positionierung der zu fügenden Bestandteile ohne zusätzliche Haltekraftsysteme und ohne nachträgliche Korrekturen sicherstellt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Formteile zunächst auf der Welle relativ zueinander um die Mittellängsachse der Welle schwenkbeweglich aufgebracht werden und bei dem anschließend eine Relativdrehung jedes Formteils gegenüber der Welle eingeleitet wird, bis für jedes Formteil zumindest eine durch einen Anschlag vorbestimmte Winkellage erreicht ist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise durch die Drehung der Formteile eine exakte Positionierung auf der Welle erreicht, bis diese gegen einen definierten Anschlag anliegen. Das in der Praxis aufwendige exakte Positionieren der Formteile in einer Negativform entfällt. Vielmehr genügt ein Anschlag, der als bloße Kontaktfläche oder als Negativform eines Umfangsbereichs des jeweiligen Formkörpers ausgeführt sein kann. Hierbei kann problemlos eine Einstellbarkeit des Anschlags vorgesehen werden, beispielsweise zur Anpassung an unterschiedliche Nockenwellentypen oder auch zum Ausgleich von Toleranzen. Dabei hat sich bereits gezeigt, dass eine Nachbearbeitung der Nockenwelle aufgrund des erfindungsgemäßen präzisen Verfahrens weitgehend vermieden werden kann. Bei der Montage zur Herstellung der Nockenwelle werden die Formteile nacheinander auf der Nockenwelle in einem gewünschten Abstand zueinander und um die Mittellängsachse der Welle bzw. des jeweiligen Wellenabschnitts schwenkbeweglich angeordnet, wobei die Schwenkbeweglichkeit gegebenenfalls auch entgegen eines Reibwiderstands vorgesehen ist. Die gewünschte Winkellage jedes Formteils wird daher insbesondere ohne eine Änderung der axialen Position auf der Welle durch eine Drehbewegung des Formteils bis zu einem individuellen Anschlag eingestellt. Insbesondere erfolgt also eine Relativdrehung des Formteils gegenüber der Welle derart, dass für jedes Formteil zumindest eine vorbestimmte Winkellage dadurch eingestellt wird, dass die Schwenkbewegung des Formteils durch einen zugeordneten Anschlag begrenzt wird. Alternativ kann auch das die Drehbewegung einleitende Werkzeug gegen einen Anschlag verfahren werden. Das Werkzeug liegt dabei vorzugsweise nicht nur umfangsseitig gegen das Formteil an, sondern hat darüber hinaus auch zwei die axiale Position festlegende Kontaktflächen. Weiterhin können für solche Formteile, die in mehreren Winkelstellungen angeordnet werden können, wie dies beispielsweise für ein Zahnrad zutrifft, alternative Anschläge vorgesehen sein. Hier kann die Bewegung und Positionierung beispielsweise durch eine Gegenzahnung eingeleitet werden, die umfangsseitig gegen das Zahnrad verfahren wird und dieses sowohl verschwenkt als auch in der vorbestimmten Position fixiert.
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Die Relativdrehung könnte durch einen Mitnahmeeffekt bei der Drehung der Welle erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn ein oder mehrere Formteile mittels eines gemeinsamen Antriebs verschwenkt werden. Hierbei kann die Welle zunächst in einer vorbestimmten Winkellage, beispielsweise entsprechend einem nicht rotationssymmetrischen Flansch oder einer Ausformung der Welle, fixiert werden und anschließend die Formteile entsprechend auf der Welle gedreht werden. Die Drehbewegung der Formteile kann hierbei gleichzeitig oder in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander erfolgen.
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Die Drehbewegung kann weggesteuert erfolgen, bis die Anschlagsposition erreicht bzw. die Anschlagsposition mittels einer Sensorik erfasst wird. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Schwenkbewegung insbesondere mittels eines Federelements kraftgesteuert eingeleitet wird. Hierdurch werden die Formteile mit einer geeigneten, insbesondere einheitlichen Vorspannkraft gegen den Anschlag bewegt, sodass die Anschlagsposition zuverlässig erreicht und gehalten wird. Diese Vorspannkraft kann auch bis zur abschließenden Fixierung der Formteile auf der Welle erhalten werden. Selbstverständlich können anstelle einer Federkraft auch pneumatische oder hydraulische Spannmittel eingesetzt werden, die in einfacher Weise für alle oder mehrere Formteile mit einem übereinstimmenden Druck beaufschlagt werden können.
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Die zur Einstellung der Winkellage der Formteile auf der Welle erforderliche Schwenkbeweglichkeit, gegebenenfalls auch entgegen eines Reibwiderstands, wird gemäß einer besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung des Verfahrens dadurch erreicht, dass die Schwenkbeweglichkeit der Formteile auf der Welle durch thermisches Schrumpfen der Welle oder thermisches Weiten der Formteile erreicht wird, sodass der anschließende Temperaturausgleich zu einer zuverlässigen und dauerhaften, insbesondere unlösbaren Fixierung der Formteile führt. Hierzu wird also die Welle gekühlt und/oder die Formteile erwärmt, wobei die Temperaturdifferenz so gewählt wird, dass sich eine relative Drehbeweglichkeit ergibt.
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Bei einer anderen, ebenfalls vorteilhaft realisierbaren Abwandlung der Erfindung werden die Durchbrechungen der Formteile relativ zu dem Wellendurchmesser derart bemessen, dass sich eine Drehbeweglichkeit auch bei ausgeglichener Temperatur durch die Geometrie ergibt.
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Nach dem Erreichen der vorbestimmten Sollposition werden die Formteile auf der Welle lagerichtig festgelegt. Hierzu eignen sich prinzipiell alle nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn die Fixierung der Formteile auf der Welle durch anschließende Verformung der Welle, insbesondere nach dem Innenhochdruckumformverfahren, erfolgt.
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Der wesentliche Gedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Winkelstellung der Formteile relativ zueinander. Besonders praxisgerecht ist es hingegen auch, wenn die Formteile relativ zu der Welle ausgerichtet werden. Hierzu wird die Welle beispielsweise in einem ersten Verfahrensschritt in die gewünschte Soll-Position gedreht, wobei ebenfalls eine Drehung der Welle bis zu einem Anschlag durchgeführt werden kann, sofern die Welle eine nicht-rotationssymmetrische Ausformung aufweist oder zumindest vorübergehend mit einer solchen verbunden wird.
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Vorzugsweise wird der Anschlag zur Anpassung an unterschiedliche Typen der Nockenwelle eingestellt. Hierzu wird der Anschlag um eine jeweilige Achse verschwenkt oder translatorisch zur Welle zugestellt. Dabei kann der Anschlag seinerseits beispielsweise mittels eines Federelements gegen ein Einstellmittel, beispielsweise eine Stellschraube mit einem Konus, vorgespannt sein, um so durch eine Drehbewegung der Stellschraube eine Position des Anschlags in gewünschter Weise anpassen zu können.
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Nach der Fixierung der Formteile auf der Welle werden gemäß einer besonders sinnvollen Ausgestaltung des Verfahrens alle Anschläge gemeinsam von einer Arbeitsposition in eine Ruheposition bewegt, insbesondere verschwenkt, um die Entnahme der fertig gestellten Nockenwelle zu erleichtern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß noch mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, wobei die Vorrichtung eine Aufnahme für eine Welle sowie darauf in einer definierten Winkellage festzulegende Formteile, insbesondere Nocken, Zahnräder, Lagerschalen oder dergleichen, sowie eine Antriebseinheit mit einem Antrieb und einer Anlagefläche für ein oder mehrere Formteile zur Einleitung einer Schwenkbewebung um die Welle und zur Einstellung der gewünschten Winkellage des jeweiligen Formteils aufweist.
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Hierdurch werden die Formteile nicht etwa wie beim Stand der Technik in einem ersten Schritt lagerichtig in einer jeweiligen Halterung positioniert und anschließend die Welle durch die Durchbrechungen oder Ausnehmungen der Formteile hindurchgeführt. Vielmehr werden die Formteile lediglich hinsichtlich des gewünschten axialen Abstands auf der Welle positioniert und gegebenenfalls gegen axiales Abgleiten gesichert. Die für die herzustellende Nockenwelle entscheidende Genauigkeit der Winkellage der Formteile wird anschließend durch den Antrieb gesteuert eingestellt. Vorzugsweise ist jedem Formteil eine separate Antriebseinheit mit einem unabhängigen Antrieb sowie einer jeweiligen Anlagefläche zugeordnet.
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Hierzu ist es besonders sinnvoll, wenn die Vorrichtung einen insbesondere einstellbaren Anschlag zur Begrenzung der Schwenkbewegung entsprechend einer gewünschten Winkellage des Formteils aufweist. Die Formteile werden daher zur Einstellung der Winkellage gegen den Anschlag verschwenkt und dort beispielsweise mit einer definierten Vorspannkraft gehalten, um so eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung sowie reproduzierbare Herstellungsergebnisse sicherzustellen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Anschlag zur Einstellung oder Anpassung an unterschiedliche Bauformen schwenkbeweglich oder translatorisch beweglich, insbesondere also radial zur Welle zustellbar, ausgeführt ist.
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Zudem kann der Anschlag gemäß einer besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung mittels eines Federelements gegen ein Einstellmittel vorgespannt sein. Hierzu eignet sich als Einstellelement beispielsweise eine Stellschraube mit einem Konus.
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Weiterhin kann der Anschlag von einer Arbeitsposition in eine Ruheposition beweglich, insbesondere schwenkbeweglich ausgeführt sein, um die Entnahme der fertig gestellten Nockenwelle zu erleichtern. Zudem erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn die Anlagefläche oder die Anschläge an einer austauschbaren Aufnahme der Vorrichtung angeordnet sind, sodass diese zur Anpassung an unterschiedliche Bauformen entsprechend austauschbar an der Aufnahme sind. Die jeweiligen Antriebe können dabei unabhängig von der Bauform für unterschiedliche Anlageflächen verwendet werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Antriebseinheiten;
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2 eine Antriebseinheit in einer Seitenansicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert, wobei 1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung 1 mit mehreren Antriebseinheiten 2 und 2 eine Seitenansicht einer der Antriebseinheiten 2 zeigt. Bei der Montage einer für eine Brennkraftmaschine bestimmten, nicht gezeigten Nockenwelle bestehend aus einer Welle 3 und darauf in einer definierten Winkellage festzulegenden Formteilen 4, insbesondere Nocken, Zahnrädern, Lagerschalen oder dergleichen, ist es notwendig, die Winkellage aller Formteile 4 relativ zueinander und zu einer Ausrichtnut der Welle 3 herzustellen. Hierzu werden die Formteile 4 zunächst in einer Aufnahme 5 der Vorrichtung 1 abgelegt und die Welle 3 durch die Durchbrechungen des jeweiligen Formteils 4 hindurch in die vorbestimmte axiale Position eingeschoben. Um das Einlegen der Formteile in die Vorrichtung 1 zu erleichtern, wird eine von der Sollposition der Formteile 4 auf der Welle 3 wesentlich abweichende Einlegeposition gewählt. Anschließend wird die Welle 3 in einer vorbestimmten Winkellage in einer Spannvorrichtung 6 mittels Klemmbacken 7 fixiert. Danach werden die Formteile 4 in einem durch Erwärmung thermisch gedehnten Zustand durch Einleitung eines Drehmoments an den Formteilen 4 gegen einen feststehenden, aber einstellbaren Anschlag 8 gedreht. Hierzu hat die Vorrichtung 1 eine einem jeweiligen Formteil 4 zugeordnete Antriebseinheit 2 mit einem Antrieb 10 und einer Anlagefläche 11 zur Übertragung des Drehmoments von dem Antrieb 10 auf das jeweilige Formteil 4. In der dargestellten Ausführungsform hat der Antrieb 10 ein vorgespanntes Federelement 12, durch das eine Zahnstange 13 gegenüber einem Gehäuse 14 der Antriebseinheit 2 vorgespannt ist. Wird nun eine Blockierung des Federelements 12 gelöst, wird die translatorische Bewegung der Zahnstange 13 mittels eines Zwischenzahnrads 15 auf einen Achsrichtring 16 übertragen, mit dessen Anlagefläche 11 das Formteil 4 auf der Welle 3 um die Wellenachse verschwenkt wird. Selbstverständlich kann auch auf das Zwischenzahnrad 15 verzichtet werden, um so die Kraft von der Zahnstange 13 unmittelbar auf den Achsrichtring 16 zu übertragen. Zur Begrenzung der Schwenkbewegung hat die Vorrichtung 1 einen einstellbaren Anschlag 8, welcher an einem entgegen einer durch ein weiteres Federelement 17 aufgebrachten Rückstellkraft schwenkbeweglichen Anschlaghebel 18 als eine an die Kontur des Formteils 4 angepasste Ausformung ausgeführt ist. Die Schwenkbewegung des Anschlaghebels 18 ist durch einen konischen Abschnitt 9 einer Gewindespindel 19 begrenzt, welcher in der Arbeitsposition zur Begrenzung der Schwenkbewegung des Formteils 4 gegen einen Vorsprung 20 des Anschlaghebels 18 anliegt. Durch den so einstellbaren Anschlag 8 kann die Vorrichtung 1 problemlos an unterschiedliche Bauformen der Nockenwelle angepasst werden. Zugleich gestattet die Anordnung des Anschlags 8 an dem Anschlaghebel 18 ein einfaches Verschwenken des Anschlaghebels 18 aus dem Arbeitsraum heraus, um so die Entnahme der fertig gestellten Nockenwelle zu erleichtern. Weiterhin sind die Aufnahmen 5 sowie die Antriebseinheit 2 der Vorrichtung 1 an einer gemeinsamen Halterung 21 der Vorrichtung 1 als eine austauschbare Baueinheit angeordnet, sodass eine flexible Fertigung unterschiedlicher Nockenwellen bei wesentlich reduzierten Rüstzeiten ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- Welle
- 4
- Formteil
- 5
- Aufnahme
- 6
- Spannvorrichtung
- 7
- Klemmbacken
- 8
- Anschlag
- 9
- konischer Abschnitt
- 10
- Antrieb
- 11
- Anlagefläche
- 12
- Federelement
- 13
- Zahnstange
- 14
- Gehäuse
- 15
- Zwischenzahnrad
- 16
- Achsrichtring
- 17
- Federelement
- 18
- Anschlaghebel
- 19
- Gewindespindel
- 20
- Vorsprung
- 21
- Halterung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007056638 A1 [0002]
- DE 10150092 C1 [0003]
- DE 3247636 C2 [0003]
