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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Nocken für eine derartige Nockenwelle.
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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.
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Aus der
DE 10 2007 023 087 A1 ist eine gattungsgemäße Nockenwelle mit einer Welle sowie mehreren Nocken bekannt. Die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche werden hierbei zur Erzeugung einer vordefinierten Rauheit kugel- oder sandgestrahlt.
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Aus der
DE 10 2009 060 352 A1 ist eine Nockenwelle mit einer Welle und einem Nocken beschrieben, die miteinander gefügt sind. Hierbei wirkt eine nockenseitige Fügefläche mit einer wellenseitigen Fügefläche zusammen, die jeweils eine vordefinierte Rauheit aufweisen.
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In der
DE 102 30 542 A1 wird ein Verfahren zum Bearbeiten von aneinander gleitenden Oberflächen beschrieben, wobei hierzu Strahlverfahren, Laserverfahren sowie chemische Verfahren zum Einsatz kommen.
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Aus der
DE 10 2007 012 756 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von gebauten Nockenwellen beschrieben, bei dem eine Welle mit einem Nocken mittels eines Presssitzes verbunden wird. Dabei wird die Welle als gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr oder als gezogenes und anschließend geschliffenes Rohr hergestellt.
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Aus der
DE 10 2009 018 407 A1 sind eine Welle und ein damit gefügter Nocken bekannt. Eine Fügefläche des Nockens ist derart gewalzt, dass sie eine vordefinierte Rauheit aufweist.
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Aus der
DE 10 2009 018 408 A1 ist eine Nockenwelle mit einer Welle und zumindest einem damit gefügten Nocken bekannt. Dabei sind/ist die nockenseitige Fügefläche und/oder die wellenseitige Fügefläche mit einer Beschichtung versehen, die Hartstoffpartikel aufweist.
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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 erhöhtes übertragbares Moment auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine nockenseitige Fügefläche eines Nockens einer Nockenwelle, insbesondere einer Nutzfahrzeugnockenwelle, und alternativ oder zusätzlich eine wellenseitige Fügefläche der Welle der Nockenwelle zumindest partiell mit einer vordefinierten Aufrauhung/Rauheit zu versehen, das heißt aufzurauen. 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 Aufrauhung/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/wird. 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. Als Welle kann dabei ein lediglich gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr oder aber ein nachbearbeitetes, insbesondere ein gedrehtes oder geschliffenes Rohr, verwendet werden. Bei der Verwendung eines lediglich gezogenen Rohrs sollte eine Toleranzbreite hinsichtlich des Außendurchmessers unterhalb von 0,07 mm liegen. Erfindungsgemäß weist die Aufrauhung/Rauheit der nockenseitigen Fügefläche und/oder der wellenseitigen Fügefläche ein definiertes Muster auf, wobei das Muster einen Schriftzug und/oder eine Zahlenfolge und/oder einen Bar-/Strichcode und/oder einen 2-dimensionalen Flächencode und/oder einen 3-dimensionalen Code aufweist.
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Generell können dabei anstelle der Nocken auch beliebige andere Bauteile in gleicher Weise mit der Welle gefügt werden.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist eine Ausführungsform eine Welle und zumindest einen Nocken auf, die über jeweilige Fügeflächen miteinander gefügt sind. Der Nocken ist nun derart ausgebildet, dass die nockenseitige Fügefläche vor dem Fügeverfahren aufgeraut wird. Dabei befindet sich die nockenseitige Fügefläche üblicherweise innerhalb einer Nockenbohrung des Nockens. Alternativ oder zusätzlich ist die wellenseitige Fügefläche, also insbesondere der mit dem Nocken zusammenwirkende Oberflächenbereich der Welle aufgeraut. Als Fügeverfahren kommen dabei üblicherweise thermische Fügeverfahren, beispielsweise ein Schrumpfsitz, zum Einsatz. Das Fügeverfahren an sich spielt jedoch eine untergeordnete Rolle beim Erfindungsgedanken. Andere Fügevarianten, beispielsweise ein Klebverfahren, sind daher ebenfalls zielführend.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die nockenseitige Fügefläche mittels Strahlverfahren aufgeraut. Alternativ oder zusätzlich weist die wellenseitige Fügefläche eine vordefinierte Aufrauhung/Rauheit auf, die auch durch ein Strahlverfahren hergestellt ist. Als Strahlgut beim Strahlverfahren zur Aufrauhung der nockenseitigen Fügefläche und/oder der wellenseitigen Fügefläche kommt 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 ist vorstellbar.
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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.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Nockenwellen, die mehrere derartige Nocken, also Nocken mit einer vorgegebenen Aufrauhung/Rauheit der nockenseitigen Fügefläche und/oder einer vorgegebenen Aufrauhung/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 Aufrauhung/Rauheit aufweisen. Es sind Ausführungsformen vorstellbar, bei denen jeweils eine der zusammenwirkenden Fügeflächen oder beide zusammenwirkende Fügeflächen mindestens einer Fügefläche aufgeraut sind.
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Da die Aufrauhung der nockenseitigen Fügefläche einen ausgeprägten Effekt bei der Steigerung der Reibung zwischen den zusammenwirkenden Fügeflächen spielt, gehören einzelne Nocken mit einer vordefinierten Aufrauhung/Rauheit der nockenseitigen Fügefläche ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung.
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Derartige Nockenwellen bzw. Nocken und/oder Wellen werden dabei vorzugsweise mit dem im Folgenden beispielhaft beschriebenen Verfahren bzw. den unterschiedlichen Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt.
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Beispielsweise wird zweckmäßig die Fügefläche eines Nockens, also die nockenseitige Fügefläche und/oder die Fügefläche der Welle, also die wellenseitige Fügefläche, aufgeraut. Aufrauhung/Rauheitswerte Rz größer 3 µm, insbesondere Rz größer 6,3 µm erweisen sich als besonders vorteilhaft. 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 wird dabei beispielsweise Glasbruch oder Glasbruchteile verwendet. Dabei wird der Strahl aus dem Strahlgut etwa auf die entsprechende nockenseitige Fügefläche und/oder auf die wellenseitige Fügefläche gerichtet. 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.
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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.
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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.
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Nockenseitige Fügeflächen werden im Allgemeinen spanend durch Drehen hergestellt. Dadurch entsteht ein Drall auf der nockenseitigen Fügefläche, also eine Oberflächenstruktur mit einer Vorzugsrichtung. Durch das Herstellen der vordefinierten Aufrauhung/Rauheit auf der nockenseitigen Fügefläche, durch Laser, chemische Verfahren und insbesondere durch ein Strahlverfahren wird dem Drall eine ungerichtete Oberflächenstruktur überlagert. Die Vorzugsrichtung der Oberflächenstruktur, wird durch die Überlagerung ungerichteter Oberflächenstrukturen ganz oder zumindest teilweise zerstört. Hierdurch wird neben der vordefinierten Aufrauhung/Rauheit auch eine besonders vorteilhafte Aufrauhung der nockenseitigen Fügefläche erreicht.
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Im Produktionsprozess werden zudem Nocken und/oder Nockenwellen häufig mit einem Code versehen um die Bauteile nach verschiedenen Kriterien unterscheiden zu können. So können individuelle Messwerte wie vermessene Durchmesser und/oder Teilenummern und/oder Chargenkennzeichnungen in die Bauteile eingebracht werden. Dies kann beispielhaft durch ein Laserverfahren durchgeführt werden. Die Codes können als Zeichenfolge und/ oder Ziffernfolge und/oder als 1-dimensionaler Strichcode und/oder als 2-dimensionaler Flächencode insbesondere als QR-Code und/oder als 3-dimensionaler Code, bei dem neben der flächenhaften Information noch die Tiefe eines einzelnen Codepunktes als Informationsebene genutzt wird, ausgestaltet sein.
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Werden die Codierungen nur für das Fügeverfahren benötigt, beispielsweise um die richtigen einzelnen Bauteile wie Nockenwelle und Nocken zu paaren, kann der Code in die nockenseitigen Fügeflächen und/oder wellenseitige Fügefläche eingebracht werden um hiermit die durch den Code zwangsläufig entstehende Aufrauhung zur Verbesserung des übertragbaren Moments zwischen Nocken und Nockenwelle zu nutzen.
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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.
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Bei thermischen Fügeverfahren ist dabei zweckmäßig auf eine entsprechende Dimensionierung der Welle und des Nockens, insbesondere einer Nockenbohrung, zu achten. Auch ist ein Fügeverfahren vorstellbar, bei dem die Welle und der Nocken miteinander verklebt werden. Dabei können unterschiedliche Nocken der Nockenwelle durch unterschiedliche Verfahren mit der zugehörigen Welle verbunden sein. Generell gehören jedoch Fügeverfahren aller Art zum Umfang der Erfindung.
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine gezielte, vordefinierte Aufrauhung 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 dem Nocken und der Welle sowie das zugehörige Verfahren leicht auf die Verbindung zwischen der Welle mit anderen gefügten Bauteilen übertragbar sind.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Nockenwelle mit einer Welle und zwei Nocken,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Welle,
- 3 eine Seitenansicht eines Nockens.
- 4 eine Schrägansicht auf einen Nocken mit in der Nockenfügefläche liegendem Code,
- 5 eine geschnittene Ansicht einer Nockenwelle mit einer Welle und einem Nocken und mit auf der Wellenfügefläche angeordnetem Code,
- 6a,b eine Darstellung zweier möglicher Codes.
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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 besitzen, wobei beide Nocken 3 identisch ausgebildet sind. Die Welle 2 weist eine zylindrische Form auf, wobei ein Außendurchmesser 4 der Welle 2 geringfügig größer ist als ein Durchmesser 5 einer Nockenbohrung 6 der jeweiligen Nocken 3. Somit kann die Welle 2 durch ein thermisches Fügeverfahren mit den Nocken 3 verbunden werden, wobei die Welle 2 die Nockenbohrungen 6 der Nocken 3 durchsetzt. Damit sind 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. Die jeweiligen Nocken 3 sind dabei derart mit der Welle 2 gefügt, dass sie bezüglich ihrer exzentrischen Form in unterschiedliche Richtungen zeigen.
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Wie weiter in 2 gezeigt ist, ist die Welle 2 derart ausgebildet, dass die den nockenseitigen Fügeflächen 8 zugeordneten wellenseitigen Fügeflächen 7 eine vorgegebene Aufrauhung/Rauheit 9, die durch eine gezielte Aufrauhung dieser Fügeflächen 7 hergestellt ist, aufweisen. Weiter sind die Nocken 3, wie exemplarisch für einer der Nocken 3 in 3 gezeigt, derart ausgebildet, dass ihre Fügeflächen 8 eine vorgegebene Aufrauhung/Rauheit 9, die durch eine gezielte Aufrauhung dieser Fügeflächen 8 hergestellt ist, aufweisen. Somit ist die Reibung zwischen den wellenseitigen Fügeflächen 7 und den zugehörigen nockenseitigen Fügeflächen 8 erhöht, was zu einer Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit 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.
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4 zeigt einen Nocken 3 mit einer definierten Aufrauhung/Rauheit 9 der nockenseitigen Fügefläche 8 in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Aufrauhung/Rauheit 9 weist hierbei Muster 10 auf, die beispielsweise Codierungen 11,12 mit einer Information über den Nocken 3 tragen können und im montierten Zustand auf der Nockenwelle 1 zwischen der wellenseitigen Fügefläche 7 und der nockenseitigen Fügefläche 8 die Reibung erhöhen und damit zu einer Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit zwischen der Welle 2 und dem zugehörigen Nocken 3 führen. Das Muster 10 bzw. die Codierungen 11,12 können dabei die Aufrauhung/Rauheit 9 bilden oder aber auch nur ein Bestandteil derselben sein.
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5 zeigt wie diese Muster 10, respektive Codierungen 11,12 auch auf der nockenseitigen Fügefläche 8 auf der Welle 2 aufgebracht werden können und somit neben einer Kennzeichungsfunktion auch zu einer Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit beiträgt.
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6 zeigt beispielhaft, wie solch eine Codierung 11,12 ausgestaltet sein kann. In 6 a) wird ein sogenannter 2-dimensionaler QR-Code 12 abgebildet, der mit beliebigen Informationen versehen sein kann. Ebenso kann der in 6 b) dargestellte eindimensionale Barcode 11 für die Nutzung als Informationsträger und zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit verwendet werden.
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Generell kann die wellenseitige und/oder die nockenseitige Fügefläche 7,8 vor dem Aufrauen noch gedreht oder geschliffen werden.
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Die Welle 2 der Nockenwelle 1 kann entweder als präzise gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr ausgebildet ist, oder als gezogenes und anschließend geschliffenes Rohr ausgebildet sein. Ist die Welle 2 als gezogenes und nicht weiter bearbeitetes Rohr ausgebildet, sollte am Außendurchmesser 4 eine Toleranz von maximal +/- 0,07 mm eingehalten werden. Generell kann die Nockenwelle 1 in Kraftfahrzeugen aller Art, das heißt sowohl bei Nutzfahrzeugen als auch bei Personenkraftfahrzeugen eingesetzt 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.
