DE102011079584A1

DE102011079584A1 - Nockenwelle und zugehöriger Nocken

Info

Publication number: DE102011079584A1
Application number: DE102011079584A
Authority: DE
Inventors: Antonio Menonna; Falk Schneider; Stefan Steichele; Thomas Flender; Michael Kreisig
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24
Also published as: US20130019824A1; US9222374B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Welle (2) und zumindest einem damit gefügten Nocken (3), der über eine nockenseitige Fügefläche (8) mit einer wellenseitigen Fügefläche (7) verbunden ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Welle (2) als gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr ausgebildet ist. Hierdurch ist insbesondere die Fertigung von Nutzfahrzeugnockenwellen kostengünstiger darstellbar, da diese nicht zusätzlich geschliffen oder gedreht werden müssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Nocken für eine derartige Nockenwelle.
Nockenwellen sind fester Bestandteil vieler Brennkraftmaschinen. Dabei weist die Nockenwelle eine Welle auf, die mit zumindest einem Nocken gefügt ist. Zum Fügen der Welle und des Nockens kommen dabei in der Regel thermische Fügeverfahren zum Einsatz. Dabei ist die Verbindung der Welle und des Nockens über eine nockenseitige Fügefläche, die in der Regel in einer Nockenbohrung angeordnet ist, und einer wellenseitigen Fügefläche gewährleistet. Nachteilig dabei ist, dass das über die Nockenwelle übertragbare Moment durch die Reibung zwischen der nockenseitigen Fügefläche und der wellenseitigen Fügefläche begrenzt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine gattungsgemäße Nockenwelle eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein vereinfachtes Herstellungsverfahren auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Welle einer Nockenwelle als präzise gezogenes, jedoch nicht zusätzlich nachbearbeitetes, beispielsweise geschliffenes, Rohr auszubilden. Durch den Entfall des bisher erforderlichen Dreh- bzw. Schleifvorgangs kann die erfindungsgemäße Nockenwelle insgesamt kostengünstiger hergestellt werden. Die am Außendurchmesser vorhandene Toleranz sollte 0,07 mm nicht überschreiten, so dass ein zugehöriger Nocken mit derselben Toleranz hinsichtlich seiner Nockenbohrung gefertigt werden kann, wie bisher und trotzdem mittels eines Schrumpfsitzes fest mit der Welle verbindbar ist. Selbstverständlich kann der Nocken zusätzlich, insbesondere im Bereich der Nockenbohrung, geschliffen oder gedreht sein. Der Begriff Nocken steht hierbei generell auch für andere, beispielsweise mittels eines Schrumpfsitzes, auf eine Welle fügbare Bauteile. Ein Außendurchmesser der Welle ist somit geringfügig größer als ein Durchmesser einer Nockenbohrung des Nockens.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind eine nockenseitige Fügefläche eines Nockens der Nockenwelle und alternativ oder zusätzlich eine wellenseitige Fügefläche der gezogenen Welle mit einer vordefinierten Rauheit versehen. Der Nocken und/oder die Welle sind also derart ausgebildet, dass die durch die Verbindung der Welle mit dem Nocken zusammenwirkenden Flächen, d.h. die nockenseitige Fügefläche und die wellenseitige Fügefläche, jeweils oder einzeln eine vorgegebene Rauheit aufweisen. Die Erfindung nutzt dabei die Kenntnis, dass eine für die Verbindung und somit für den Zusammenhalt der Welle mit dem Nocken verantwortliche Reibung zwischen der nockenseitigen Fügefläche und der wellenseitigen Fügefläche erhöht werden kann, indem die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche aufgeraut werden. Durch die Erhöhung der Reibung zwischen den beiden Fügeflächen wird somit die Verbindung zwischen der Welle und dem Nocken verstärkt und dadurch das durch die Nockenwelle übertragbare Moment erhöht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, weist die nockenseitige Fügefläche eine Rauheit auf, die durch ein Strahlverfahren hergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich weist die wellenseitige Fügefläche eine vordefinierte Rauheit auf, die auch durch ein Strahlverfahren hergestellt ist. Als ein Strahlgut beim Strahlverfahren zur Aufrauung der nockenseitigen Fügefläche und/oder der wellenseitigen Fügefläche kommen dabei vorzugsweise Glasbruch bzw. Glasbruchteile zum Einsatz. Weitere vorteilhafte Formen des Strahlguts sind Gusspartikel sowie Korund. Auch ein Strahlgut bestehend aus einer Mischung der vorher genannten Strahlgute sowie aus anderen teilchenförmigen Strahlgüter und beliebigen anderen Mischungen sind vorstellbar.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind/ist die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche mittels eines optischen Verfahrens aufgeraut. Die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche sind also beispielsweise mittels eines Lasers aufgeraut. Auch sind nockenseitige Fügeflächen und/oder wellenseitige Fügeflächen vorstellbar, die mittels einer Chemikalie, insbesondere durch Ätzen, aufgeraut sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass Nockenwellen, die mehrere derartige Nocken, also Nocken mit einer vorgegebenen Rauheit der nockenseitigen Fügefläche und/oder einer vorgegebenen Rauheit der zugehörigen wellenseitigen Fügefläche aufweisen, ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung gehören. Dabei müssen nicht zwingend alle nockenseitigen Fügeflächen bzw. alle wellenseitigen Fügeflächen eine derartige Rauheit aufweisen. Es sind Ausführungsformen vorstellbar, bei denen jeweils eine der zusammenwirkenden Fügeflächen oder beide zusammenwirkende Fügeflächen mindestens einer Fügefläche aufgeraut sind.
Derartige Nockenwellen bzw. Nocken und/oder Wellen werden dabei vorzugsweise mit dem im Folgenden beispielhaft beschriebenen Verfahren bzw. den unterschiedlichen Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt:
Bei einem derartigen Verfahren wird zweckmäßig die Fügefläche eines Nockens, also die nockenseitige Fügefläche und/oder die Fügefläche der Welle, also die wellenseitige Fügefläche, aufgeraut. Dabei wird beispielsweise ein Strahlverfahren verwendet, bei dem die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche mit einem Strahlgut gestrahlt werden/wird. Als Strahlgut beim Strahlen werden dabei beispielsweise Glasbruch oder Glasbruchteile verwendet. Dabei wird das Strahlgut auf die nockenseitige Fügefläche und/oder auf die wellenseitige Fügefläche geschleudert. Es sind auch Ausführungsformen des Verfahrens vorstellbar, bei denen der Strahl derart ausgerichtet wird, dass der Strahl und somit das Strahlgut die entsprechende Fügefläche streifen. Als alternative oder zusätzliche Strahlgüter sei hier exemplarisch auf Gusspartikel und Korund hingewiesen. Dabei kann auch eine Mischung aus diesen Strahlgütern oder andere Strahlgüter gemischt mit diesen Strahlgütern beim Strahlverfahren verwendet werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche durch den Einsatz elektromagnetischer Wellen gezielt aufgeraut. Dabei werden vorzugsweise Laser verwendet, die eine hohe Leistung zur Verfügung stellen und eine große Präzision erlauben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens werden die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche durch den Einsatz von Chemikalien aufgeraut. In einem derartigen chemischen Verfahren wird die entsprechende Fügefläche also insbesondere durch Ätzen aufgeraut.
Die aufgeraute wellenseitige Fügefläche bzw. die aufgeraute nockenseitige Fügefläche werden nun gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens durch ein thermisches Fügeverfahren miteinander verbunden. Als Beispiel für ein derartiges thermisches Fügeverfahren sei auf einen Schrumpfsitz hingewiesen.
Bei thermischen Fügeverfahren ist dabei zweckmäßig auf eine entsprechende Dimensionierung der Welle und des Nockens, insbesondere einer Nockenbohrung des Nockens, zu achten. Dabei können unterschiedliche Nocken der Nockenwelle durch unterschiedliche Verfahren mit der zugehörigen Welle verbunden sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine gezielte, vordefinierte Aufrauung der nockenseitigen Fügefläche und/oder der wellenseitigen Fügefläche auch durch eine Kombination aus den hier beschriebenen Verfahrensformen sowie eine Kombination der beschriebenen Verfahrensformen mit anderen Verfahrensvarianten ebenfalls zielführend sind und somit zum Umfang dieser Erfindung gehören. Es sei ferner bemerkt, dass die hier erwähnte Verbesserung der Verbindung zwischen der Nocke und der Welle sowie das zugehörige Verfahren leicht auf die Verbindung zwischen der Welle mit anderen gefügten Bauteilen übertragbar ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 eine perspektivische Ansicht einer Nockenwelle mit einer welle und zwei Nocken,
2 eine perspektivische Ansicht der Welle,
3 eine Ansicht eines Nockens.
Entsprechend der 1, weist eine Nockenwelle 1 eine Welle 2 sowie zumindest einen Nocken 3 auf. Die hier gezeigte Ausführungsform umfasst dabei zwei Nocken 3, die eine exzentrische Form aufweisen, wobei beide Nocken 3 identisch ausgebildet sind. Die Welle 2 weist eine zylindrische Form auf und ist erfindungsgemäß als ausschließlich gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr ausgebildet, wobei ein Außendurchmesser 4 der Welle 2 geringfügig größer ist als ein Durchmesser 5 einer Nockenbohrung 6 der jeweiligen Nocken 3 (vgl. 3). Um ein thermisches Fügen des Nockens 3 mit der Welle 2 zu gewährleisten, wird die bei der Welle 2 zulässige Toleranz beim Außendurchmesser 4 auf vorzugsweise ca. 0,07 mm begrenzt. Der Nocken 3 kann dadurch mit gleicher Toleranz gefertigt werden, wie bisher übliche Standardnocken und trotzdem mittels eines einfachen Schrumpfsitzes auf der Welle 2 befestigt werden.
Beim thermischen Fügen werden die Welle 2 und die Nocken 3 über jeweils eine wellenseitige Fügefläche 7 der Welle 2 und jeweils eine nockenseitige Fügefläche 8 der Nocken 3 zusammengefügt. Wie weiter in 2 gezeigt ist, ist die Welle 2 derart ausgebildet, dass die den nockenseitigen Fügeflächen 8 zugeordneten wellenseitigen Fügeflächen 7 eine vorgegebene Rauheit, die durch eine gezielte Aufrauung dieser Fügeflächen 7 hergestellt ist, aufweisen. Weiter sind die Nocken 3, wie exemplarisch für einen der Nocken 3 in 3 gezeigt ist im Bereich ihrer Fügeflächen 8 aufgeraut.
Somit ist die Reibung zwischen den wellenseitigen Fügeflächen 7 und den zugehörigen nockenseitigen Fügeflächen 8 erhöht, was zu einer Verstärkung der Verbindung zwischen der Welle 2 und dem zugehörigen Nocken 3 führt. Damit wird ein durch die Nockenwelle 1 maximal übertragbares Moment, also insbesondere ein Drehmoment bzw. ein Impuls, erhöht.
Als besonderer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Nockenwelle 1 kann jedoch gesehen werden, dass ein einfach aber präzise gezogenes Rohr für die Welle 2 verwendet werden kann, ohne dass die Welle 2 noch nachbearbeitet, insbesondere geschliffen oder gedreht, werden müsste. Hierdurch können diese bisher erforderlichen Arbeitsschritte entfallen, wodurch die Nockenwelle 1 insgesamt kostengünstiger hergestellt werden kann. Unter einem präzisen Ziehen der Welle 2 soll ein Ziehen derselben mit einer vorgegebenen Maximaltoleranz hinsichtlich des Außendurchmessers 4 von insbesondere 0,07 mm verstanden werden.
Generell kann die Welle 2 als Vollwelle oder als Hohlwelle ausgebildet sein, wobei der Begriff „Rohr“ nicht auf eine Hohlwelle beschränkt ist, sondern prinzipiell auch eine Vollwelle umfassen kann.

Claims

Nockenwelle (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Welle (2) und zumindest einem, insbesondere thermisch, damit gefügten Nocken (3), der über eine nockenseitige Fügefläche (8) mit einer wellenseitigen Fügefläche (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) als gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr ausgebildet ist.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) am Außendurchmesser (4) eine Toleranz von maximal +/– 0,07 mm aufweist.
Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (1) als Nutzfahrzeugnockenwelle ausgebildet ist.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenseitige Fügefläche (8) und/oder die wellenseitige Fügefläche (7) eine vordefinierte Rauheit aufweisen/aufweist.
Nockenwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Rauheit der nockenseitigen Fügefläche (8) und/oder der wellenseitigen Fügefläche (7) durch ein Strahlverfahren hergestellt ist.
Nockenwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlgut beim Strahlen der nockenseitigen Fügefläche (8) und/oder der wellenseitigen Fügefläche (7) Gusspartikel, Korund, Glasbruch oder eine Mischung daraus aufweist.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenseitige Fügefläche (8) und/oder die wellenseitige Fügefläche (7) mittels Laser oder mittels chemischen Verfahren aufgeraut sind/ist.
Nocken (3), insbesondere für eine Nockenwelle (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenseitige Fügefläche (8) eine vordefinierte Rauheit aufweist.