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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit Referenzvorsprüngen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils und einer Welle Tragwelle
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Bei der Herstellung von Nockenwellen werden üblicherweise die einzelnen Bauteile separat von der Tragwelle gefertigt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden diese dann auf der Tragwelle montiert. Zur Aufnahme der Tragwelle weisen die Bauteile hierzu eine rotationssymmetrische Ausnehmung auf, die die Tragwelle aufnimmt. Typischerweise ist diese Ausnehmung zylindrisch. Eine Möglichkeit, die Bauteile auf der Tragwelle zu fixieren, besteht darin die Bauteile auf eine Aufweitung der Tragwelle aufzupressen. Dies ist zum Beispiel in der
WO2012/031770 A1 beschrieben. Andere Montagemöglichkeiten sehen das nachträgliche Aufweiten der hohlen Tragwelle von Innen mittels Hochdruck vor, wie es in der
EP 1 155 770 B1 gezeigt ist.
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Bei allen Montageverfahren ist darauf zu achten, dass das Bauteil in der korrekten Orientierung zur Tragwelle angebracht wird. Normalerweise bedeutet korrekte Orientierung, dass das Bauteil rechtwinklig zur Tragwelle angeordnet ist. Bekanntermaßen wird dabei ausgenutzt, dass die axialen Seitenfläche des Bauteils parallel zueinander sind und hohen Anforderungen an die Ebenheit erfüllen. Die beiden axialen Seitenflächen werden also als Referenzebenen verwendet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung der Bauteile zu vereinfachen, indem auf die hohen Anforderungen an die axialen Seitenflächen, wie Parallelität und Ebenheit, verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauteil mit einer rotationssymmetrischen Ausnehmung zur Aufnahme einer Tragwelle, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine axiale Seitenfläche des Bauteils mindestens drei Vorsprünge umfasst, die eine Referenzebene senkrecht zur Symmetrieachse der Ausnehmung festlegen. Insbesondere ist es ausreichend, wenn die axiale Seitenfläche genau drei Vorsprünge umfasst, da durch drei Punkte eindeutig eine Ebene definiert wird. Bei der Referenzebene handelt es sich nicht um eine physikalische Begrenzungsfläche des Bauteils, sondern um eine mathematische Fläche, die zur späteren Positionierung des Bauteils verwendet wird.
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Im Sinne dieser Anmeldung ist die Referenzebene senkrecht zur Symmetrieachse, wenn die Referenzebene von einer korrekten senkrechten Fläche über den Querschnitt des Bauteils um nicht mehr als 10µm, insbesondere um nicht mehr als 5µm, in axialer Richtung abweicht.
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Anstatt also die axiale Seitenfläche selbst als Referenzebene für den nachfolgenden Montageprozess zu verwenden, wird erfindungsgemäß eine Referenzebene durch die mindestens drei Vorsprünge definiert. Analog zu einer 3-Punkt-Auflage legen drei Vorsprünge die Lage einer Referenzebene im Raum eindeutig fest. Somit müssen lediglich die mindestens drei Vorsprünge hohe Anforderungen an ihre Geometrie einhalten, um die Lage der Referenzebene innerhalb der Spezifikationen festzulegen. Die Anforderungen an die übrigen Bereiche der axialen Seitenfläche können dagegen relaxiert werden. Es ist nicht länger erforderlich, dass auch diese Bereiche hochpräzise entlang einer Ebene verlaufen.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils umfassen beide axialen Seitenflächen des Bauteils jeweils mindestens drei Vorsprünge, die eine Referenzebene senkrecht zur Symmetrieachse der Ausnehmung festlegen. Mit Hilfe der jeweiligen Vorsprünge werden zwei Referenzebenen auf beiden axialen Seiten des Bauteils definiert. Hierdurch ist das Bauteil flexibel einsetzbar. Je nach konkretem Montageprozess wird das Bauteil entweder von rechts oder von links auf die erforderliche Position auf der Tragwelle geschoben. Beim Aufschieben von rechts wird typischerweise die Referenzebene auf der rechten axialen Seite des Bauteils für die Ausrichtung verwendet. Dagegen wird beim Aufschieben von links die Referenzebene auf der linken axialen Seite des Bauteils verwendet. Damit das Bauteil bei beiden Montageprozessen einsetzbar ist, ist es somit vorteilhaft, mittels der Vorsprünge Referenzebenen auf beiden axialen Seiten des Bauteils vorzusehen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Bauteil nicht symmetrisch gegenüber Drehungen ist, bei denen die rechte axiale Seite in die linke axiale Seite überführt wird und umkehrt. Beispielsweise liegt ein solcher Fall häufig bei Nocken vor. Die Nockenkontur ist in dem Fall an die erforderliche Ventilsteuerung angepasst und ist typischerweise nicht symmetrisch. Daher gibt es genau eine richtige Einbauposition für den Nocken. Je nachdem, ob der Nocken von rechts oder von links auf diese Position auf der Tragwelle geschoben wird, findet die rechte oder linke Referenzebene Anwendung. Bei symmetrischen Bauteilen ist es dagegen ausreichend, wenn auf einer axialen Seite eine Referenzebene mittels Vorsprüngen definiert wird. In den Fällen, in denen das Bauteil von rechts auf die Position auf der geschoben werden soll, wird das Bauteil zunächst so gedreht, dass die Vorsprünge nach rechts weisen. Somit liegt die Referenzebene rechts vom Bauteil. Soll das Bauteil dagegen von links aufgeschoben werden, wird das Bauteil zunächst so gedreht, dass die Vorsprünge nach links weisen und die Referenzebene somit links vom Bauteil liegt. Aufgrund der Symmetrie des Bauteils ist die Drehung nicht relevant.
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Selbstverständlich ist die obige Beschreibung nur beispielhaft. So kann es auch Montageprozesse geben, bei denen das Bauteil von rechts auf die erforderliche Position aufgeschoben wird, wobei jedoch eine Referenzebene auf der linken Seite des Bauteils für die Ausrichtung verwendet wird und umgekehrt.
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Bei einigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils berühren die Vorsprünge die jeweilige Referenzebene in Kontaktbereichen. Hierbei weisen die Kontaktbereiche einer Referenzebene in Summe einen Flächeninhalt auf, der kleiner ist als 10% des Flächeninhalts der axialen Seitenfläche. Insbesondere ist der Flächeninhalt kleiner als 5%, bevorzugt kleiner als 2% des Flächeninhalts der axialen Seitenfläche. Die Vorsprünge bilden sozusagen Spitzen in Richtung auf die Referenzebene aus. In einem idealisierten Fall würde jeder Vorsprung genau einen Punkt definieren. Durch die drei Punkte der drei Vorsprünge wäre dann die Lage der Referenzebene eindeutig definiert. In Realität gibt jeder Vorsprung einen kleinen Kontaktbereich vor, der zum Einmessen verwendet wird. Es ist vorteilhaft den Kontaktbereich möglichst klein zu wählen, um möglichst wenig Messpunkte innerhalb des Kontaktbereiches verwenden zu müssen.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform weisen die Vorsprünge eine Ausdehnung in axialer Richtung auf, die kleiner ist als 10%, insbesondere kleiner als 5% der axialen Ausdehnung des Bauteils. Sowohl aufgrund der Montageprozesse als aufgrund von weiteren Motorkomponenten wie zum Beispiel Lager ist der axiale Bauraum bei Nockenwellen meistens knapp bemessen. Daher ist es vorteilhaft, wenn so wenig axialer Bauraum wie nötig zusätzlich beansprucht wird. Aus diesem Grund sind die Vorsprünge erfindungsgemäß so dimensioniert, dass die axiale Ausdehnung um nicht mehr als 10%, bevorzugt 5%, durch Vorsprünge steigt.
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Bei einigen Ausführungsvarianten sind die Vorsprünge zumindest einer axialen Seitenfläche bezüglich des Azimutwinkels im Wesentlichen gleichverteilt. Unter dem Azimutwinkel wird der Polarwinkel verstanden, der sich in einem Polarkoordinatensystem ergibt, dessen Koordinatenursprung durch den Schnittpunkt der Symmetrieachse der Ausnehmung mit der Referenzebene definiert wird. Durch die Gleichverteilung wird erreicht, dass die Vorsprünge gleichmäßig um die Ausnehmung herum angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine geringe Sensitivität der Flächenlage zur Geometrie der Vorsprünge erreicht werden. Wenn die Vorsprünge dicht beieinander liegen führt bereits ein kleiner Fehler in der Geometrie eines Vorsprungs zu einer deutlichen Verkippung der Referenzebene. Je weiter die Vorsprünge dagegen auseinander liegen, umso geringer ist die Verkippung der Referenzebene bei dem gleichen Fehler in der Geometrie des Versprungs. Die Sensitivität ist also geringer. Eine gleichmäßige Verteilung der Vorsprünge um die Ausnehmung herum realisiert solche Abstände zwischen den Vorsprüngen.
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Sofern es sich bei dem Bauteil um einen Nocken mit einer Nockenlaufbahn handelt, hat insbesondere einer der Vorsprünge den gleichen Azimutwinkel wie das Maximum der Nockenlaufbahn. Hierdurch kann ein noch größerer Abstand zwischen den Vorsprüngen realisiert werden. Der entsprechende Vorsprung kann in dem Fall weit von der Symmetrieachse angeordnet werden. Somit hat der Vorsprung auch einen größeren Abstand zu den beiden anderen Vorsprüngen. Hierdurch wird die Sensitivität für die Einstellung der Referenzebene noch weiter verringert.
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Falls das Bauteil ein Nocken mit einer Nockenlaufbahn ist, ergibt sich noch ein weiterer Vorteil, wenn die Nockenlaufbahn senkrecht zur Referenzebene verläuft. Auf diese Weise wird automatisch sichergestellt, dass die Nockenlaufbahn nach Montage parallel zur Drehachse der Tragwelle verläuft. Dies ermöglicht eine fehlerfreie Ventilsteuerung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines vorbeschriebenen Bauteils. Dabei umfasst das Verfahren mindestens die folgenden Schritte:
- a. Herstellen eines Bauteils, dessen mindestens eine axiale Seitenfläche des Bauteils mindestens drei Vorsprünge umfasst
- b. Nachbearbeiten der mindestens drei Vorsprünge, so dass die nachbearbeiteten Vorsprünge eine Referenzebene senkrecht zur Symmetrieachse der Ausnehmung festlegen
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Herstellung des Bauteils in zwei Schritte mit unterschiedlicher Präzision aufgeteilt werden kann. In Schritt a) wird das Bauteil an sich hergestellt, beispielsweise durch ein Warmpressverfahren. Dieses Verfahren ist relativ kostengünstig durchführbar. Allerdings sind weder die axialen Seitenflächen noch die Vorsprünge des so hergestellten Bauteils ausreichend genau definiert, um als Referenzebene für den nachfolgenden Montageprozess zu dienen. Diese Präzision wird in Schritt b) erreicht, indem die Vorsprünge zum Beispiel durch Planschleifen nachbearbeitet werden. Statt also eine gesamte axiale Seitenfläche nachzuarbeiten, damit diese als Referenzebene dienen kann, werden lediglich die Vorsprünge nachgearbeitet. Durch diesen relativ einfachen Schritt kann insgesamt ein kostengünstiges Herstellverfahren realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle, umfassend das Montieren eines oben beschriebenen Bauteils auf einer Tragwelle mittels eines Montagegreifers. Dabei wird das Bauteil während der Montage vom Montagegreifer aufgenommen, wobei die Lage des Bauteils innerhalb des Montagegreifers über die mindestens drei Vorsprünge festgelegt wird. Somit wird indirekt die Referenzebene genutzt, um die Ausrichtung des Bauteils im Montagegreifer zu definieren. Insbesondere geschieht dies, indem die mindestens drei Vorsprünge Kontaktflächen des Montagegreifer berühren und so die Lage des Bauteils innerhalb des Montagegreifers festlegen. Die Kontaktflächen des Montagegreifers fallen dann mit der Referenzebene zusammen. Näher beschrieben wird die Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen
- 1 eine dreidimensionale Darstellung eines Bauteils;
- 2 zwei verschiedene Schnitte des Bauteils;
- 3 eine vergrößerte Darstellung eines Vorsprungs und eines nachbearbeiteten Vorsprungs;
- 4 eine schematische Darstellung eines Montageverfahrens mittels eines Montagegreifers.
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In den 1 und 2 sind drei verschiedene Ansichten des gleichen Bauteils 1 gezeigt. 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Bauteils 1 und 2 zwei Schnitte des Bauteils 1. Im linken Teil von 2 ist eine Ansicht entlang der Symmetrieachse 9 gezeigt im rechten Teil ein Schnitt durch das Bauteil 1 entlang der Linie A-A. Im Folgenden wird der Aufbau unter Zuhilfenahme aller drei Ansichten erläutert.
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Bei dem Bauteil 1 handelt es sich vorliegend um einen Nocken. Das Bauteil 1 weist eine Ausnehmung 3 zur Aufnahme einer Tragwelle auf. Die Ausnehmung 3 ist rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 9. In Richtung der Symmetrieachse 9 besitzt das Bauteil 1 zwei axiale Seitenflächen 5. Bei der in 1 gezeigten Darstellung ist nur die obere axiale Seitenfläche 5 sichtbar. Beide axialen Seitenflächen 5 weisen jeweils drei Vorsprünge 7a, 7b, 7c auf, die eine Referenzebene 11 senkrecht zur Symmetrieachse 9 der Ausnehmung 3 festlegen. Bei der Referenzebene 11 handelt es sich um die mathematische Ebene, die in allen drei Vorsprüngen 7a, 7b, 7c das Bauteil 1 berührt. Der Normalenvektor 13 zur Referenzebene 11 ist parallel zum Richtungsvektor 15 der Symmetrieachse 9. Damit ist die Referenzebene 11 senkrecht zur Symmetrieachse 9. Mit Hilfe der Referenzebene 11 ist es möglich, eine präzise Justage des Bauteils 1 durchzuführen. Anstatt auf die axiale Seitenfläche 5 zur referenzieren, kann bei der Montage auf die Referenzebene 11 Bezug genommen werden. Damit müssen auch ausschließlich die drei Vorsprünge 7a, 7b, 7c präzise gefertigt sein. Die Anforderungen an die axialen Seitenfläche 5 kann dagegen relaxiert werden. Im idealisierten Fall berührt die Referenzebene 11 die drei Vorsprünge 7a, 7b, 7c in jeweils genau einem Punkt, da drei Punkte die Lage einer Ebene im Raum eindeutig definieren. Um diesem Idealfall relativ nahe zu kommen werden die Kontaktbereiche, in denen die Vorsprünge die Referenzebene 11 berühren, möglichst klein gewählt. Typischerweise haben die Kontaktbereiche in Summe einen Flächeninhalt, der kleiner ist als 10% des Flächeninhalts der axialen Seitenfläche.
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Im linken Teil von 2 ist zu erkennen, dass die drei Vorsprünge 7a, 7b, 7c bezüglich des Azimutwinkels im Wesentlichen gleichverteilt sind. Der obere Vorsprung 7a hat einen Azimutwinkel bezogen auf die Symmetrieachse von 0°. Der Vorspung 7c links unten hat einen Azimutwinkel 12c von 120° und der Vorsprung 7b rechts unten einen Azimutwinkel 12b von 240°. Der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 7a, 7b, 7c beträgt also jeweils 120°. Die Vorsprünge 7a, 7b, 7c sind demnach gleichverteilt. Durch die Gleichverteilung wird erreicht, dass die Vorsprünge 7a, 7b, 7c gleichmäßig um die Ausnehmung 3 herum angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine geringe Sensitivität der Flächenlage zur Geometrie der Vorsprünge 7a, 7b, 7c erreicht werden. Wenn die Vorsprünge 7a, 7b, 7c dicht beieinander liegen führt bereits ein kleiner Fehler in der Geometrie eines Vorsprungs 7a, 7b, 7c zu einer deutlichen Verkippung der Referenzebene 11. Je weiter die Vorsprünge dagegen auseinander liegen, umso geringer ist die Verkippung der Referenzebene 11 bei dem gleichen Fehler in der Geometrie des Versprungs 7a, 7b, 7c. Die Sensitivität ist also geringer. Eine gleichmäßige Verteilung der Vorsprünge 7a, 7b, 7c um die Ausnehmung 11 herum realisiert solche Abstände zwischen den Vorsprüngen 7a, 7b, 7c.
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Dieser Abstand zwischen den Vorsprüngen 7a, 7b, 7c kann zumindest teilweise weiter vergrößert werden, indem der Vorsprung 7a einen größeren Abstand zur Symmetrieachse 9 hat als die beiden anderen Vorsprünge 7b und 7c. Dies ist möglich, da der Vorsprung 7a den gleichen Azimutwinkel hat wie das Maximum der Nockenlaufbahn 19.
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3 zeigt eine Detaildarstellung eines Vorsprungs 7. Im linken Teil von 3 ist ein Ausgangszustand des Vorsprungs 7 dargestellt. Diesen Ausgangszustand hat der Vorsprung nach Herstellung des Bauteils 1. Aufgrund des Herstellverfahrens, z.B. Warmpressen, weist die Oberfläche des Bauteils 1 und damit auch der Vorsprung 7 Ungenauigkeiten auf. In axialer Richtung ist die Ausdehnung des Vorsprungs mit 21 bezeichnet. In diesem Zustand sind die mindestens drei Vorsprünge 7 noch nicht geeignet eine Referenzebene 11 senkrecht zur Symmetrieachse 9 festzulegen. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Vorsprünge 9 nachbearbeitet. Hierbei wird insbesondere die Ausdehnung der Vorsprünge 7 in axialer Richtung reduziert. Dies geschieht beispielsweise durch Planschleifen. Der nachbearbeitete Vorsprung 7 ist im rechten Teil der 3 dargestellt. Die Ausdehnung des Vorsprungs 7 in axialer Richtung ist nun mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. Diese Nachbearbeitung kann hochpräzise durchgeführt werden, so dass die nachbearbeiteten Vorsprünge 7 eine Referenzebene 11 senkrecht zur Symmetrieachse 9 der Ausnehmung 3 festlegen. Eine Nachbearbeitung der kompletten axialen Seitenfläche 5 wird hierdurch also vermieden, da nicht die axiale Seitenfläche 5, sondern die Referenzebene 11 für den weiteren Montageprozess als Referenz genutzt wird.
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Selbstverständlich kann es auch Herstellverfahren geben, bei denen die Vorsprünge bereits ohne Nachbearbeiten die erforderliche Genauigkeit aufweisen.
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Insgesamt weisen die Vorsprünge eine Ausdehnung 23 in axialer Richtung auf, die kleiner ist als 10% der axialen Ausdehnung 25 des Bauteils 1 (vgl. 2). Bei einer späteren Montage des Bauteils 1 auf einer Tragwelle ist der axiale Bauraum typischerweise sehr knapp bemessen. Dies kann zum Beispiel daran liegen, dass die Montage in einer Lagergasse vorgenommen wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn so wenig axialer Bauraum wie nötig zusätzlich durch die Vorsprünge 7 beansprucht wird.
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In 4 ist schematisch die Montage eines Bauteils 1 auf einer Tragwelle 27 dargestellt. Vorliegend wird eine Nockenwelle hergestellt, indem ein Nocken 1 auf eine Aufweitung 31 einer Tragwelle 27 aufgepresst wird (durch den Pfeil angedeutet). Das Bauteil 1 weist auf nur einer axialen Seitenfläche 5 drei Vorsprünge 7 auf, die eine Referenzebene senkrecht zur Symmetrieachse der Ausnehmung festlegen. Während der Montage wird das Bauteil 1 von dem Montagegreifer 29 aufgenommen und auf eine Aufweitung 31 der Tragwelle 27 aufgepresst. Damit die Nockenlaufbahn 19, die senkrecht zur Referenzebene 11 verläuft, nach der Montage parallel zur Drehachse der Tragwelle 27 zu liegen kommt, ist es wichtig, dass die Referenzebene 11 senkrecht zur Drehachse der Tragwelle 27 justiert wird. Damit der Montagegreifer 29 dies gewährleisten kann, muss die Lage des Bauteils 1 innerhalb des Montagegreifers 29 festgelegt sein. Dies geschieht mit Hilfe der drei Vorsprünge 7. Diese berühren den Montagegreifer 29 an wohldefinierten Positionen, so dass aus der Position und Orientierung des Montagegreifers 29 eindeutig die Lage des Bauteils 1 bestimmt werden kann.
