DE102011001543B4

DE102011001543B4 - Nockenwelle in Leichtbauweise

Info

Publication number: DE102011001543B4
Application number: DE102011001543.4A
Authority: DE
Inventors: Alex Meier
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: DE102011001543A1

Abstract

Nockenwelle (1) mit einer Steuerwelle (10), auf der wenigstens ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken (11) angeordnet ist, wobei unterhalb der Nockenkuppe (12) des Bandnockens (11) ein Zwischenraum (13) zwischen dem Bandnocken (11) und der Steuerwelle (10) ausgebildet ist, in dem ein Stützelement (14) eingebracht ist, und wobei das Stützelement (14) als Federelement mit einem elastischen Bereich ausgebildet ist, das zwischen der Steuerwelle (10) und der Innenseite (15) des Bandnockens (11) elastisch verspannt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (14) ein Federstahlmaterial aufweist und als Stanz-Biege-Element mit einer Grundplatte (16) und mit zwei an der Grundplatte (16) angeformten sich gegenüberstehenden Federarmen (17) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwelle mit einer Steuerwelle, auf der wenigstens ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken angeordnet ist, wobei unterhalb der Nockenkuppe des Bandnockens ein Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle ausgebildet ist, in dem ein Stützelement eingebracht ist, und wobei das Stützelement als Federelement mit einem elastischen Bereich ausgebildet ist, das zwischen der Steuerwelle und der Innenseite des Bandnockens elastisch verspannt angeordnet ist.
In den letzten Jahren haben Weiterentwicklungen von Nockenwellen in Leichtbauweise stattgefunden, und Nockenwellen, die zuvor aus Vollmaterial bestanden haben und durch Guss- oder Schmiedeverfahren hergestellt wurden, werden gemäß neuerer Bauart zur Gewichtsreduktion als gebaute Nockenwellen hergestellt. Hierzu können die Komponenten der Nockenwelle einzeln hergestellt und anschließend gefügt werden. Beispielsweise kann die Steuerwelle als Rohrkörper bereitgestellt werden, auf der anschließend die Nocken einzeln angeordnet werden. Auch die bisweilen aus einem Vollmaterial hergestellten Nocken sind bereits als Bandnocken verfügbar, und können aus einem Flachmaterial hergestellt werden, beispielsweise aus einem Stahlblech. Beispielsweise können die Bandnocken in die Nockenform mit der Nockenkuppe gebracht werden, und der Blechstreifen kann anschließend im Stoßbereich geschweißt werden. Weiterhin können Bandnocken als abgelängtes Stück eines profilierten Rohrkörpers hergestellt werden, wodurch die Herstellung des Bandnockens weiter vereinfacht wird. Folglich kann sowohl die Steuerwelle als auch der Nocken aus einem Rohr- bzw. einem Flachmaterial hergestellt werden.
STAND DER TECHNIK
Aus der WO 03/012262 A1 ist eine Nockenwelle mit einer Steuerwelle bekannt, auf der wenigstens ein aus einem Blechmaterial ausgebildeter Bandnocken angeordnet ist. Zur Anordnung des Bandnockens werden mehrere Fügemöglichkeiten aufgezeigt, und gemäß einer gezeigten Ausführungsform kann im Zwischenraum zwischen der Bandnocke und der Steuerwelle unterhalb der Nockenkuppe ein Stützelement eingebracht werden, das beispielsweise an der Innenseite des Bandnockens angeschweißt wird, um anschließend den Bandnocken mit dem Stützelement auf der Steuerwelle zu montieren. Neben den aufwendigen Fügeverfahren ergibt sich bei einer derartigen Anordnung weiterhin der Nachteil, dass der Bandnocken mit dem Stützelement sowohl in Axialrichtung als auch in Rotationsrichtung der Steuerwelle fest auf dieser angeordnet werden muss. Zwar wird vorgeschlagen, nasenartige Erhebungen oder Vertiefungen in die Innenseite des Bandnockens einzubringen, jedoch ergibt sich durch die starre Anordnung des Bandnockens und des Stützelementes keine zuverlässige, sowohl mechanisch als auch thermisch belastbare Verbindung zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle.
Die WO 88/08934 A1 zeigt eine Nockenwelle mit einer Steuerwelle, auf der wenigstens ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken angeordnet ist, wobei unterhalb der Nockenkuppe des Bandnockens ein Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle ausgebildet ist, in dem ein Stützelement eingebracht ist. Die Verspannung der auf der Steuerwelle angeordneten Bandnocken mit dem Stützelement erfolgt dabei durch ein Innenhochdruckumformen der Steuerwelle nach dem Fügeprozess, sodass der Durchmesser der Steuerwelle wenigstens an den Setzstellen der Bandnocken vergrößert wird. Erst dadurch wird der Bandnocken mit dem unter der Nockenkuppe angeordneten Stützelement auf der Steuerwelle verspannt, sodass ein aufwendiger und sehr spezieller Verspannungsvorgang die Grundlage für die Verspannung des Bandnockens auf der Steuerwelle bildet.
Die WO89/01581A1 zeigt eine Nockenwelle mit einer Steuerwelle, auf der wenigstens ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken angeordnet ist, wobei unterhalb der Nockenkuppe des Bandnockens ein Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle ausgebildet ist, in dem ein Stützelement eingebracht ist. Damit baut die Lehre der Druckschrift auf der Lehre der WO88/08934 A1 auf, wobei zusätzlich zum lokal angeordneten Stützelement noch ein Zwischenglied vorgeschlagen wird, das sich zwischen der Steuerwelle und dem Bandnocken befindet. Das Zwischenglied befindet sich dabei nicht unter der Nockenkuppe und umschließt lediglich das Stützelement.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwelle in Leichtbauweise zu schaffen, die die Nachteile des vorstehend bezeichneten Standes der Technik überwindet und insbesondere eine verbesserte Anordnung eines Bandnockens auf der Steuerwelle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Nockenwelle in Leichtbauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Stützelement ein Federstahlmaterial aufweist und als Stanz-Biege-Element mit einer Grundplatte und mit zwei an der Grundplatte angeformten sich gegenüberstehenden Federarmen gebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Stützelementes als Federelement entsteht der Vorteil, dass das Federelement zwischen der Oberfläche der Steuerwelle und der Innenseite des Bandnockens unter einer Vorspannung angeordnet werden kann. Durch die Ausbildung des Stützelementes als Federelement weist dieses einen großen elastischen Bereich auf, und mit der Verspannung des Stützelementes zwischen der Steuerwelle und dem Bandnocken erhält der Bandnocken eine feste, mechanisch belastbare Anordnung auf der Steuerwelle. Durch die Bildung eines Federelementes kann die Steuerwelle, der Bandnocken und auch das Stützelement gewichtsoptimiert ausgeführt werden, sodass die Leichtbauweise der Nockenwelle weiter optimiert werden kann.
Dabei weist das Stützelement erfindungsgemäß ein Federstahlmaterial auf, und das Stützelement ist als Stanz-Biege-Element hergestellt. Das Federstahlmaterial kann beispielsweise das Material C75S umfassen, das als Vergütungsstahl bekannt ist, und beispielsweise eine Härte von wenigstens 500 HV nach Vickers aufweisen kann. Ein derartiges Stützelement kann mit besonderem Vorteil durch Stanz-Biege-Prozesse hergestellt und beispielsweise anschließend gehärtet werden, etwa durch einen Vergütungsvorgang.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Stützelement weist dieses eine Grundplatte auf, an die zwei sich gegenüberstehende Federarme angeformt sind, sodass das Stützelement insbesondere ein U-Profil bildet. Die Grundplatte kann eine plane Erstreckung aufweisen, von der die Federarme etwa 90° abgewinkelt abragen. Das Stützelement kann im Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle so angeordnet werden, dass die Federarme endseitig gegen die Steuerwelle abgestützt sind, während die Grundplatte gegen die Innenseite des Bandnockens abgestützt ist. Durch das mit der Grundplatte und den Federarmen gebildete U-Profil, welches in abgewandelter Form auch einem C-Profil entsprechen kann, kann zwischen der Abstützung des Stützelementes gegen die Oberfläche der Steuerwelle und der Abstützung des Stützelementes gegen die Innenseite des Bandnockens eine mechanische Elastizität im Stützelement gebildet werden, indem das U-Profil beziehungsweise das C-Profil entsprechend auffedert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Stützelementes kann die Grundplatte Druckflächen aufweisen, über die die Grundplatte des Stützelementes gegen die Innenseite des Bandnockens abgestützt ist. Insbesondere können die Federarme an ihrer Druckkante zur Anlage gegen die Steuerwelle eine Zahnkontur aufweisen. Die Grundplatte kann eine etwa rechteckförmige Gestalt besitzen, und die Druckflächen können an zwei Längskanten der Grundplatte angebracht sein. Dabei können die Druckflächen durch eine Brechung der Kanten der Grundplatte gebildet werden, und die Druckflächen sind unter einem Winkel gegenüber der planen Erstreckung der Grundplatte geneigt, der es erlaubt, dass die Druckflächen mit der Innenseite der entsprechend gekrümmten Bandnocke im Wesentlichen eine Plananlage bilden. Damit ergibt sich mit besonderem Vorteil ein flächiger Kontakt zwischen dem Stützelement und der Innenseite des Bandnockens, sodass sich im Betrieb der Nockenwelle durch die periodische Pressung zwischen dem Bandnocken und dem Stützelement keine mikroplastischen Verformungen bilden. Insbesondere kann sich die Grundfläche nicht in die Oberfläche der Innenseite des Bandnockens einarbeiten. Alternativ kann die Grundplatte jedoch auch ungebrochene Kanten aufweisen, sodass zwischen dem Stützelement und der Innenseite des Bandnockens ein Linienkontakt entsteht. Die Kanten zur Bildung des Linienkontaktes und insbesondere die gebrochenen Kanten mit den Druckflächen zur Anlage gegen die Innenseite des Bandnockens können durch zwei sich gegenüberliegende Kanten der rechteckförmigen Grundplatte gebildet werden, sodass der Kontakt zwischen dem Stützelement und der Innenseite des Bandnockens zwei Kontaktbereiche umfasst.
Die Druckkanten an den Enden der Federarme des Stützelementes zur Anlage gegen die Oberfläche der Steuerwelle können gekrümmt sein, und die Krümmung kann dem Durchmesser der Steuerwelle angepasst sein, und zwischen den Druckkanten der Federarme und der Oberfläche der Steuerwelle entsteht ebenfalls ein Linien- bzw. Flächenkontakt. Ist die Druckkante mit einer Zahnkontur ausgestattet, so trägt der jeweilige Kopfbereich der Zähne den Kraftfluss zwischen dem Stützelement und der Steuerwelle, und zur Sicherstellung einer mechanisch belastbaren Anordnung des Stützelementes auf der Oberfläche der Steuerwelle kann es sogar erwünscht sein, dass sich die Zähne der Zahnkontur leicht in die Oberfläche der Steuerwelle einarbeiten, um neben einem Reibschluss einen Formschlussanteil zu erhalten.
Mit weiterem Vorteil kann die Steuerwelle in der Setzposition des Bandnockens einen Setzbereich mit wenigstens einem Einstich aufweisen, der einen gegenüber dem Grunddurchmesser der Steuerwelle verringerten Setzdurchmesser aufweist. Bei einer Anzahl von Bandnocken, die auf der Steuerwelle aufgesetzt werden können, kann eine zugeordnete Anzahl von Setzbereichen vorgesehen sein, die jeweils durch wenigstens einen Einstich im Durchmesser verringert werden können. Insbesondere muss die Außenoberfläche der Steuerwelle nicht über der gesamten Länge mechanisch bearbeitet werden, und es ist hinreichend, die Steuerwelle lediglich in den Setzpositionen der Bandnocken zu bearbeiten. Der Einstich kann über der gesamten Breite der Setzposition vorgesehen werden, oder es sind beispielsweise zwei Einstiche vorgesehen, die die Setzposition in der Breite axial begrenzen. Die Breite der Einstiche kann so gewählt werden, dass die Federarme des Stützelementes mit ihren Druckkanten in die Einstiche eingreifen können.
Im Übergang vom Grunddurchmesser zum Setzdurchmesser können in axiale Richtung der Steuerwelle weisende Stirnflächen vorgesehen sein, gegen die die Federarme des Stützelementes zur Anlage gebracht sind. Zur Montage der Nockenwelle kann der Bandnocken zunächst an die Setzposition auf der Steuerwelle angeordnet werden, um anschließend das Stützelement in den Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle einzuclipsen. Durch die elastische Federwirkung des Stützelementes, insbesondere der Federarme an der Grundplatte, können durch das Einclipsen des Stützelementes in den Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle die Druckkanten der Federarme in die Einstiche an den Randbereichen des Setzbereiches oder in den entsprechend breit ausgeführten Einstich einrasten, und die Federarme sind axial gegen die Stirnflächen der Einstiche beziehungsweise des Einstiches abgestützt. Durch den oder die Einstiche kann mit besonderem Vorteil die axiale Position der Bandnocke auf der Steuerwelle vorgegeben werden, und die Einstiche können auf der Steuerwelle vollumfänglich ausgebildet sein. Ferner wird sichergestellt, dass das Stützelement im Betrieb der Nockenwelle aufgrund des Formschlusses zwischen den Federarmen und den axialen Stirnflächen nicht aus der Anordnung im Zwischenraum gelangen kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Setzbereich zur Anordnung des Bandnockens und/oder wenigstens der Bereich zur Anordnung des Stützelementes auf der Steuerwelle gehärtet ist. Das Härten des Materials der Steuerwelle kann insbesondere durch ein Laserstrahlhärten oder ein induktives Härten erfolgen, wobei nach dem Härten das Material angelassen und anschließend spanend endbearbeitet werden kann. Die Härte des Materials der Steuerwelle im Setzbereich der Bandnocke kann beispielsweise wenigstens 50 HRC nach Rockwell betragen. Die Wandstärke der als Rohrkörper ausgebildeten Steuerwelle kann beispielsweise 2 mm umfassen, sodass die Nockenwelle als Rohr-Nockenwelle ausgeführt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer Steuerwelle, auf der an einer Setzposition zumindest ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken angeordnet wird, wobei ein Stützelement eingebracht ist, das als Federelement mit einem elastischen Bereich ausgebildet ist und wobei die Herstellung wenigstens die folgenden Schritte umfasst: Anordnen des Bandnockens an der Setzposition auf der Steuerwelle und Anordnen eines Stützelementes unterhalb der Nockenkuppe des Bandnockens in einen Zwischenraum zwischen der Innenseite des Bandnockens und der Steuerwelle unter elastischer Verspannung des Stützelementes, wofür das Stützelement aus einem Federmaterial als Stanz-Biege-Element mit einer Grundplatte und mit zwei an der Grundplatte angeformten sich gegenüberstehenden Federarmen gebildet ist, wobei die Federarme endseitig gegen die Steuerwelle und die Grundplatte gegen die Innenseite des Bandnocken abgestützt werden.
Der Vorgang der Anordnung des Bandnockens und des Stützelementes wird gemäß der erforderlichen Anzahl der Nocken auf der Steuerwelle entsprechend häufig vorgenommen, um die Bandnocken anschließend in den jeweiligen Setzpositionen anzuordnen. Zur Anordnung des Stützelementes in den Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle kann eine Montagevorrichtung vorgesehen sein, mit der das Stützelement in den Zwischenraum eingepresst wird.
Die Steuerwelle kann vor dem Anordnen des Bandnockens an der Setzposition mittels einer Bearbeitungsoperation wenigstens teilweise von einem Grunddurchmesser auf einen Setzdurchmesser reduziert werden. Die Bearbeitungsoperation kann beispielsweise einen Außenrund-Schleifprozess umfassen, wobei der geringere Setzdurchmesser entweder über der gesamten Breite des Setzbereiches der Steuerwelle reduziert wird, oder der Setzbereich wird lediglich durch zwei Einstiche mit geringerem Setzdurchmesser gebildet, um die Federarme des Stützelementes beim Einclipsen in den Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle in den Einstichen zu verrasten.
Mit weiterem Vorteil kann der Setzbereich der Steuerwelle zur Anordnung des Bandnockens und/oder wenigstens der Bereich zur Anordnung des Stützelementes auf der Steuerwelle vor und insbesondere nach der Bearbeitungsoperation, beispielsweise der spanenden Bearbeitung, gehärtet werden. Das Härten kann beispielsweise mittels eines Laserstrahlhärtens oder mittels eines Induktionshärtens erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in der Steuerwelle zur Anordnung des Bandnockens wenigstens eine insbesondere plan ausgeführte Setzebene oder ein radial nach innen ausgebildeter Sattelbereich durch ein Umformverfahren gebildet werden, auf der beziehungsweise auf dem das Stützelement angeordnet werden kann. Die plan ausgeführte Setzebene kann mittels eines Stempels in die rohrförmige Steuerwelle eingedrückt werden, und wenn das Stützelement auf der plan ausgeführten Setzebene aufsitzt, ergeben sich Vorteile bei der periodischen Krafteinleitung zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle. Der Sattelbereich kann den gleichen Krümmungsradius aufweisen wie auch die Oberfläche der Steuerwelle, jedoch kann der Sattelbereich durch ein Durchsetzumformen gebildet werden, sodass der Sattelbereich einen geringeren Abstand zur Rotationsachse der Steuerwelle aufweist, sodass der Sattelbereich radial nach innen ausgebildet ist. Wird das Stützelement auf dem Sattelbereich angeordnet, so kann die Steuerwelle ebenfalls nicht unter dem Stützelement und folglich im Bandnocken durchrutschen, sodass auch mit einem Sattelbereich zur Anordnung des Stützelementes höhere Drehmomente zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle übertragbar sind.
Um den Bandnocken auf besonders kostensparende Weise bereitzustellen, kann ein Rohrkörper vorgesehen sein, wobei der Bandnocken durch ein Abtrennen eines Rohrabschnittes vom Rohrkörper bereitgestellt wird. Insbesondere kann der Rohrkörper eine Querschnittsform aufweisen, die der Kontur des Bandnockens bereits entspricht, insbesondere kann die Querschnittsform bereits die Nockenkuppe des Bandnockens umfassen. Wird ein Rohrabschnitt vom Rohrkörper abgetrennt, beispielsweise durch ein Sägeverfahren, ein Wasserstrahlschneidverfahren, ein adiabatisches Trennverfahren und insbesondere durch ein Laserschneidverfahren, so ergeben sich lediglich geringe Nachbearbeitungen zur endgültigen Bereitstellung des Bandnockens. Ist der Bandnocken auf der Steuerwelle angeordnet und mit dem Stützelement sowohl in der axialen als auch in der rotatorischen Position auf der Steuerwelle endgültig fixiert, kann als letzter Bearbeitungsschritt eine Schleifbearbeitung der Außenfläche des Bandnockens erfolgen.
Der Bandnocken kann in wenigstens einem Teilbereich einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der Grunddurchmesser der Steuerwelle und der insbesondere kleiner ist als der Setzdurchmesser im Setzbereich der Steuerwelle, wobei der Bandnocken unter elastischer Verformung auf dem Setzbereich angeordnet wird und wobei die elastische Verformung nach Anordnung des Bandnockens auf dem Setzbereich rückgeführt wird. Beispielsweise kann der Durchmesser im Teilbereich des Bandnockens, durch den später die Steuerwelle hindurchgeführt wird, kleiner sein, als der Grunddurchmesser oder auch kleiner sein als der Setzdurchmesser der Steuerwelle. Die Aufweitung des Durchmessers des Bandnockens kann erfolgen, indem eine Kraft beispielsweise aus Richtung der Nockenkuppe auf den Bandnocken aufgebracht wird, sodass sich der Durchmesser leicht aufweiet. Im aufgeweiteten Zustand des Bandnockens wird dieser auf die Steuerwelle geführt, bis der Bandnocken in die Setzposition gebracht ist, wobei der Bandnocken gleichzeitig in Rotationsrichtung ausgerichtet wird. Wird anschließend die Kraft vom Bandnocken wieder gelöst, so kann die elastische Verformung im Bandnocken zurückgeführt werden, und der Bandnocken kann bereits aufgrund seiner elastischen Eigenspannung auf dem Setzbereich der Steuerwelle halten, ohne die genaue axiale und rotatorische Position auf der Steuerwelle zu verlieren. Anschließend kann mit einer entsprechenden Vorrichtung das Stützelement in den Zwischenraum zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle eingeclipst werden.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1a, 1b eine isometrische Darstellung und eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung eines Bandnockens auf der Steuerwelle einer Nockenwelle,
2a, 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Bandnockens auf einer Steuerwelle zur Bildung einer Nockenwelle in einer isometrischen Darstellung und in einer Seitenansicht, wobei im Setzbereich auf der Steuerwelle Einstiche vorgesehen sind,
3a, 3b ein weiteres Ausführungsbeispiel der Nockenwelle mit einer Setzebene zur Anordnung eines Stützelementes zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle,
4a, 4b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Nockenwelle mit einem Sattelbereich zur Anordnung eines Stützelementes zwischen dem Bandnocken und der Steuerwelle,
5a, 5b, Querschnittsansichten der Nockenwelle mit einem Stützelement, wobei in 5a ein Linienkontakt und in
5b ein Flächenkontakt zwischen dem Stützelement und der Innenseite des Bandnockens gezeigt ist und
6 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Stützelementes.
In den 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Nockenwelle 1 mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung in einer isometrischen Darstellung und in einer quergeschnittenen Seitenansicht gezeigt. Die Nockenwelle 1 weist eine Steuerwelle 10 auf, die abschnittsweise lediglich in dem Bereich beispielhaft gezeigt ist, in dem ein Bandnocken 11 in einer Setzposition angeordnet ist. Die Steuerwelle 10 ist aus einem Rohrkörper gebildet, der einen kreisrunden Querschnitt aufweist und beispielhaft eine Wandstärke von 2 mm besitzt. Der Bandnocken 11 ist aus einem Flachmaterial hergestellt, und umschließt die Steuerwelle 10 vollumfänglich. Der Bandnocken 11 weist eine Nockenkuppe 12 auf, sodass sich zwischen der Nockenkuppe 12 und der Steuerwelle 10 ein Zwischenraum 13 bildet. In den Zwischenraum 13 ist ein Stützelement 14 eingebracht, das den Bandnocken 11 auf der Steuerwelle 10 verspannt. Erfindungsgemäß ist das Stützelement 14 als Federelement ausgebildet, und wird zwischen der Steuerwelle 10 und der Innenseite 15 des Bandnockens 11 elastisch vorgespannt angeordnet. Das Stützelement 14 kann in einer Vorrichtung in den Zwischenraum 13 eingeclipst werden, wobei sich das Stützelement 14 derart elastisch verformt, dass der Bandnocken 11 auf der Steuerwelle 10 einsatzfertig verspannt wird.
Das Stützelement 14 weist ein Federstahlmaterial auf und ist als Stanz-Biege-Element hergestellt. Der Bandnocken 11 kann aus einem Rohrkörper hergestellt werden, der eine Querschnittsform aufweist, die der Kontur des Bandnockens 11 bereits entspricht, und wenn ein Rohrabschnitt vom Rohrkörper abgetrennt wird, beispielsweise durch ein Laserstrahlschneiden, so kann auf einfache Weise der Bandnocken 11 in der entsprechenden Breite bereitgestellt werden. Im Ergebnis ergibt sich eine Nockenwelle 1 in einer Leichtbauweise, die vollständig aus Elementen besteht, die als Flachmaterialien und/oder als Blechmaterialien hergestellt sind. Damit ergibt sich ein weiterentwickelter Leichtbau, da keine massiven Bauteile mehr als Bestandteil der Nockenwelle 1 Verwendung finden, die beispielsweise in einem Schmiede- und/oder in einem Gussverfahren hergestellt werden müssen. Die Nockenwelle 1 kann besonders bevorzugt zur Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen Verwendung finden.
Auf der Nockenwelle 1 können mehrere Setzpositionen vorgesehen sein, auf denen mehrere Bandnocken 11 mit einer entsprechend zugeordneten Anzahl von Stützelementen 14 angeordnet werden. Vor der Anordnung der Bandnocken 11 mit den Stützelementen 14 kann der Außenumfang der Steuerwelle 10 in den Setzpositionen im Durchmesser reduziert werden, sodass der Grunddurchmesser D₀ der Steuerwelle 10 auf einen kleineren Setzdurchmesser D_S der Steuerwelle 10 beispielsweise durch ein Außenrund-Schleifverfahren reduziert wird. Durch die damit gebildeten Setzbereiche 20 zur Anordnung der Bandnocken 11 mit den Stützelementen 14 ist die genaue axiale Position der Bandnocken 11 in Längsrichtung der Steuerwelle 10 vorgegeben, und die Setzbereiche 20 mit verringertem Setzdurchmesser D_S können die Bandnocken 11 mit den Stützelementen 14 axial fixieren. In den folgenden Figuren werden mehrere Ausführungsbeispiele zur Anordnung der Bandnocken 11 auf der Steuerwelle 10 angegeben.
In 2a und 2b ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Bandnockens 11 mittels eines Stützelementes 14 auf einer Steuerwelle 10 zur Bildung einer Nockenwelle 1 in Leichtbauweise gezeigt, und 2a zeigt die Nockenwelle 1 abschnittsweise in einer isometrischen Darstellung und 2b in einer quergeschnittenen Seitenansicht. 2b zeigt weiterhin einen vergrößerten Detailbereich, der die Anordnung des Stützelementes 14 auf der Steuerwelle 10 genauer darstellt. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die Steuerwelle 10 im Setzbereich 20 zur Anordnung des Bandnockens 11 zwei beabstandet zueinander eingebrachte Einstiche 21, in die das Stützelement 14 eingreifen kann. Das Stützelement 14 ist im gezeigten Querschnitt etwa C-förmig ausgeführt, und wenn das Stützelement 14 zwischen der Innenseite 15 des Bandnockens 11 und der Außenseite der Steuerwelle 10 verspannt wird, wird das Stützelement 14 elastisch verformt, sodass der C-förmige Querschnitt leicht auffedert. Die Grundfläche der Einstiche 21 besitzt den Setzdurchmesser D_S, der geringer ist als der Grunddurchmesser D₀ der Steuerwelle 10. Durch die Durchmesserdifferenz entsteht in axialer Richtung der Steuerwelle 10 eine umlaufende Stirnfläche 22, gegen die sich das Stützelement 14 in gegenüberliegender Weise abstützen kann. Wird das Stützelement 14 in den Zwischenraum 13 zwischen dem Bandnocken 11 und der Steuerwelle 10 eingeclipst, so erfolgt die elastische Verformung des Stützelementes 14 derart, dass dieses in die Einstiche 21 eingedrückt werden kann, bis die Endbereiche des Stützelementes 14 gegen die sich gegenüberstehenden äußeren Stirnflächen 22 der Einstiche 21 verrasten. Im Ergebnis ergibt sich eine selbsthaltende Anordnung des Stützelementes 14 unter gleichzeitiger Verspannung des Bandnockens 11 in einer Weise, dass dieser auch im Betrieb der Nockenwelle 1 die geforderte Anordnung beibehält.
Die 3a und 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung des Bandnockens 11 mittels des Stützelementes 14 auf der Steuerwelle 10, wobei 3a eine isometrische Darstellung und 3b eine quergeschnittene Seitenansicht zeigt. Die Steuerwelle 10 ist in einem Abschnitt eines Setzbereiches 20 zur Anordnung des Bandnockens 11 gezeigt, und gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel besitzt die Steuerwelle 10 in dem Bereich, in diesem das Stützelement 14 auf der Oberfläche der Steuerwelle 10 angeordnet wird, eine Setzebene 23. Die Setzebene 23 bildet eine plane Fläche im Außenumfang der Steuerwelle 10, auf der das Stützelement 14 aufgesetzt und abgestützt werden kann. Ist das Stützelement 14 unter der Nockenkuppe 12 des Bandnockens 11 angeordnet und verspannt, so kann die Umfangsposition des Bandnockens 11, insbesondere der Nockenkuppe 12, sichergestellt werden. Ferner kann der Zwischenraum 13 zwischen der Setzebene 23 und der Innenseite 15 des Bandnockens 11 vergrößert werden, sodass das Stützelement 14 in seiner Struktur mit einem größeren elastischen Bereich ausgeführt werden kann. Das Stützelement 14 weist auf der Druckkante zur Anlage gegen die Setzebene 23 eine Zahnkontur 19 auf, sodass ein verbesserter Halt des Stützelementes 14 auf der Oberfläche der Setzebene 23 erreicht werden kann. Die Setzebene 23 kann beispielsweise mit einem Blechumformverfahren hergestellt werden, insbesondere, indem ein Stempel mit einer Planfläche verwendet wird, die in einem Umformschritt als Setzebene 23 auf der Oberfläche der Steuerwelle 10 abgebildet wird. Dabei kann die Setzebene 23 auf den Umfangsbereich der Steuerwelle 10 beschränkt sein, auf dem das Stützelement 14 angeordnet wird, und der übrige Umfangsbereich, durch den der Setzbereich 20 zur Anordnung des Bandnockens 11 gebildet wird, kann durch einen der Breite des Setzbereiches 20 entsprechenden Einstich 21 aufweisen, gezeigt im unteren Querschnittsbereich des Bandnockens 11 in Anordnung auf der Steuerwelle 10 (3b).
Die 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Bandnockens 11 auf der Steuerwelle 10 mittels eines Stützelementes 14 zur Bildung einer Nockenwelle 1. Der Bereich der Steuerwelle 10, auf dem das Stützelement 14 angeordnet wird, weist in der Steuerwelle 10 einen Sattelbereich 24 auf, der mittels einem Durchdrückverfahren in die Oberfläche der Steuerwelle 10 eingebracht ist. Dabei kann der Krümmungsradius des Sattelbereiches 24 den gleichen Krümmungsradius aufweisen, wie auch der Außenumfang der Steuerwelle 10. Durch einen umformtechnischen Druckvorgang ist der Sattelbereich 24 in der rohrförmigen Steuerwelle 10 radial nach innen durchgedrückt, wobei das Durchdrückmaß beispielsweise 1/5 bis 1/2 der Wanddicke der rohrförmigen Steuerwelle 10 entsprechen kann. Dabei kann die Druckkante des Stützelementes 14 zur Anlage gegen die Oberfläche der Steuerwelle 10 wiederum eine Zahnkontur 19 aufweisen, die sich insbesondere sogar leicht in die Oberfläche der Steuerwelle 10 eindrücken kann, um einen Formschluss zwischen dem Stützelement 14 und der Steuerwelle 10 zu schaffen. Durch den durchgedrückten Sattelbereich 24 ergeben sich in Umfangsrichtung der Steuerwelle 10 weisende Stirnflächen 22, gegen die das Stützelement 14 zur Anlage gebracht und damit in Umfangsrichtung formschlüssig abgestützt ist.
Die 5a und 5b zeigen in jeweiligen quergeschnittenen Seitenansichten die Nockenwelle 1 mit der Steuerwelle 10, auf der ein Bandnocken 11 angeordnet ist. Unter der Nockenkuppe 12 ist im Zwischenraum 13 zwischen der Innenseite 15 des Bandnockens 11 und der Oberfläche der Steuerwelle 10 jeweils ein Stützelement 14 angeordnet. Das Stützelement 14 weist eine Grundplatte 16 auf, an der Federarme 17 angeformt sind. Die Grundplatte 16 besitzt eine etwa plane Erstreckung, von der die Federarme 17 etwa 90° abgewinkelt abragen, wobei die Federarme endseitig gegen die Steuerwelle 10 abgestützt sind, und wobei die Grundplatte 16 gegen die Innenseite 15 des Bandnockens 11 abgestützt ist. Die Druckkante der Federarme 17 zur Anlage gegen die Steuerwelle 10 besitzt die Zahnkontur 19, wobei die Kontur der Druckkante der Krümmung der Steuerwelle 10 angepasst ist.
In 5a ist die Anordnung der Nockenwelle 1 mit einem Stützelement 14 gezeigt, das eine rechteckförmige Grundplatte 16 aufweist, und die Grundplatte 16 besitzt zwei sich gegenüberliegende Kanten, die mit der Innenseite 15 des Bandnockens 11 einen Linienkontakt 25 bilden. Das in 5b gezeigte Stützelement 14 besitzt hingegen Druckflächen 18 zum Kontakt gegen die Innenseite 15 des Bandnockens 11, sodass sich zwischen den Druckflächen 18 und der Innenseite des Bandnockens 11 ein Flächenkontakt 26 ausbildet. Ein mit Druckflächen 18 in der Grundplatte 16 ausgebildetes Stützelement 14 ist in 6 perspektivisch dargestellt.
6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Stützelement 14 zur Anordnung im Zwischenraum 13 zwischen der Innenseite 15 eines Bandnockens 11 und einer Steuerwelle 10 zur Bildung einer Nockenwelle 1. Das Stützelement 14 weist eine Grundplatte 16 auf, die etwa rechteckig ausgeführt ist und beispielsweise etwa eine plane Erstreckung aufweist. An zwei sich gegenüberliegenden Kanten sind Federarme 17 an der Grundplatte 16 angeformt, die etwa 90° abgewinkelt von der Grundplatte 16 abragen. Die Druckkanten der Federarme 17 besitzen eine Krümmung, sodass die Druckkanten zur Anlage gegen die zylinderförmige Steuerwelle 10 ausgebildet sind, wobei die Druckkanten der Federarme 17 eine jeweilige Zahnkontur 19 aufweisen, um den Kontakt zur Oberfläche der Steuerwelle 10 zu verbessern. An den Seitenkanten der rechteckförmigen Grundplatte 16, die 90° diametral zu den angeformten Federarmen 17 ausgebildet sind, besitzt das Ausführungsbeispiel des Stützelementes 14 Druckflächen 18 zum Kontakt gegen die Innenseite 15 des Bandnockens 11. Dabei sind die Druckflächen 18 derart angeschrägt zur planen Erstreckung der Grundplatte 16 ausgebildet, dass die Druckflächen 18 einen flächigen Kontakt mit der Innenseite 15 des Bandnockens 11 ermöglichen. Das gezeigte Stützelement 14 kann als Stanz-Biege-Element aus einem Federstahlmaterial hergestellt werden, welches beispielsweise anschließend vergütet werden kann. Insbesondere kann das Stützelement 14 einen C75S-Federstahl aufweisen, der eine Härte von etwa 500 HV nach Vickers oder mehr besitzen kann. Damit ist das Stützelement 14 aus einem hochelastischen Federstahlmaterial gebildet, um die Verspannung der Bandnocke 11 gegen die Steuerwelle 10 zu ermöglichen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlichen Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere können in den einzelnen Ausführungsbeispielen gezeigte Merkmale auch in anderen Ausführungsbeispielen Verwendung finden. Beispielsweise kann die Zahnkontur 19 des Stützelementes 14 in jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele am Stützelement 14 vorgesehen sein. Ferner kann der Setzbereich 20 auf der Steuerwelle 10 in jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele einen Setzdurchmesser D_S der Steuerwelle 10 besitzen, der kleiner ist als der Grunddurchmesser D₀ der Steuerwelle 10 und der beispielsweise mit einem Außenrund-Schleifverfahren in die Oberfläche der Steuerwelle 10 eingebracht wird. Für jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele kann ein Verfahren zur Herstellung, insbesondere zur Montage der Nockenwelle 1 angewendet werden. Insbesondere kann der Bandnocken 11 aus Richtung der Nockenkuppe 12 elastisch vorgespannt werden, um den Bandnocken 11 auf die Steuerwelle 10 aufzuschieben. Hat der Bandnocken 11 die gewünschte Setzposition im Setzbereich 20 erreicht, so wird die Vorspannungskraft auf die Nockenkuppe 12 entnommen, und der Bandnocken 11 kann bereits selbsthaltend im Setzbereich 20 auf der Steuerwelle 10 angeordnet werden, um beispielsweise erst anschließend das Stützelement 14 in den Zwischenraum 13 zwischen der Innenseite 15 des Bandnockens 11 und der Steuerwelle 10 einzupressen. Das Einpressen kann durch seitliches Einführen des Stützelementes 14 aus axialer Richtung der Steuerwelle 10 erfolgen, bis die Federarme 17, insbesondere mit der Zahnkontur 19, in den oder in die Einstiche 21 einrasten.

Claims

Nockenwelle (1) mit einer Steuerwelle (10), auf der wenigstens ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken (11) angeordnet ist, wobei unterhalb der Nockenkuppe (12) des Bandnockens (11) ein Zwischenraum (13) zwischen dem Bandnocken (11) und der Steuerwelle (10) ausgebildet ist, in dem ein Stützelement (14) eingebracht ist, und wobei das Stützelement (14) als Federelement mit einem elastischen Bereich ausgebildet ist, das zwischen der Steuerwelle (10) und der Innenseite (15) des Bandnockens (11) elastisch verspannt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (14) ein Federstahlmaterial aufweist und als Stanz-Biege-Element mit einer Grundplatte (16) und mit zwei an der Grundplatte (16) angeformten sich gegenüberstehenden Federarmen (17) gebildet ist.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (14) mit der Grundplatte (16) und mit den zwei sich gegenüberstehenden Federarmen (17) ein U-Profil bildet.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (16) eine plane Erstreckung aufweist, von der die Federarme (17) etwa 90° abgewinkelt abragen, wobei die Federarme (17) endseitig gegen die Steuerwelle (10) abgestützt sind und wobei die Grundplatte (16) gegen die Innenseite (15) des Bandnocken (11) abgestützt ist.
Nockenwelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (16) Druckflächen (18) aufweist, über die die Grundplatte (16) des Stützelementes (14) gegen die Innenseite (15) des Bandnocken (11) abgestützt ist und/oder dass die Federarme (17) an ihrer Druckkante zur Anlage gegen die Steuerwelle (10) eine Zahnkontur (19) aufweisen.
Nockenwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (10) in der Setzposition des Bandnocken (11) einen Setzbereich (20) mit wenigstens einem Einstich (21) aufweist, der einen gegenüber dem Grunddurchmesser (D₀) der Steuerwelle (10) verringerten Setzdurchmesser (D_S) aufweist.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang vom Grunddurchmesser (D₀) zum Setzdurchmesser (D_S) in axiale Richtung der Steuerwelle (10) weisende Stirnflächen (22) gebildet sind, gegen die die Federarme (17) des Stützelementes (14) zur Anlage gebracht sind.
Nockenwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (10) im Setzbereich (20) eine insbesondere plan ausgeführte Setzebene (23) oder einen radial nach innen durchgedrückten Sattelbereich (24) aufweist, auf der bzw. auf dem das Stützelement (14) anordbar ist.
Nockenwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbereich (20) zur Anordnung des Bandnockens (11) und/oder wenigstens der Bereich zur Anordnung des Stützelementes (14) auf der Steuerwelle (10) gehärtet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle (1) mit einer Steuerwelle (10), auf der an einer Setzposition zumindest ein aus einem Flachmaterial ausgebildeter Bandnocken (11) angeordnet wird, wobei ein Stützelement (14) vorgesehen ist, das als Federelement mit einem elastischen Bereich ausgebildet ist, und wobei die Herstellung wenigstens die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen des Bandnockens (11) an der Setzposition auf der Steuerwelle (10), – Anordnen eines Stützelementes (14) unterhalb der Nockenkuppe (12) des Bandnockens (11) in einen Zwischenraum (13) zwischen der Innenseite (15) des Bandnockens (11) und der Steuerwelle (10) unter elastischer Verspannung des Stützelementes (14), wofür das Stützelement (14) aus einem Federstahlmaterial als Stanz-Biege-Element mit einer Grundplatte (16) und mit zwei an der Grundplatte (16) angeformten sich gegenüberstehenden Federarmen (17) gebildet ist, wobei – die Federarme (17) endseitig gegen die Steuerwelle (10) und die Grundplatte (16) gegen die Innenseite (15) des Bandnocken (11) abgestützt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwelle (10) vor dem Anordnen des Bandnockens (11) an der Setzposition mittels einer Bearbeitungsoperation wenigstens teilweise von einem Grunddurchmesser (D₀) auf einen Setzdurchmesser (D_S) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbereich (20) der Steuerwelle (10) zur Anordnung des Bandnockens (11) und/oder wenigstens der Bereich zur Anordnung des Stützelementes (14) auf der Steuerwelle (10) vor oder nach der Bearbeitungsoperation gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 09 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerwelle (10) zur Anordnung des Bandnockens (11) wenigstens eine insbesondere plan ausgeführte Setzebene (23) oder ein radial nach innen ausgebildeter Sattelbereich (24) durch ein Umformverfahren gebildet wird, auf der bzw. auf dem das Stützelement (14) anordbar ist.
Verfahren nach Anspruch 09 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrkörper vorgesehen ist, der insbesondere eine Querschnittsform aufweist, die der Kontur des Bandnocken (11) entspricht, wobei der Bandnocken (11) durch ein Abtrennen eines Rohrabschnittes vom Rohrkörper bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 09 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandnocken (11) in wenigstens einem Teilbereich einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Grunddurchmesser (D₀) der Steuerwelle (10) und der insbesondere kleiner ist als der Setzdurchmesser (D_S) im Setzbereich (20) der Steuerwelle (10), wobei der Bandnocken (11) unter elastischer Verformung auf dem Setzbereich (20) angeordnet wird und wobei die elastische Verformung nach Anordnung des Bandnocken (11) auf dem Setzbereich (20) rückgeführt wird.