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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Bauteils auf einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem nach diesem Verfahren darauf gefügten Bauteil.
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Aus der
DE 199 38 791 B4 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Fügen eines Bauteils, hier eines Nockens, auf einer Welle, hier einer Nockenwelle, bekannt. Das Bauteil wird dabei mittels Längspresssitz auf die Welle aufgeschoben. In Vorschubrichtung des Bauteils gesehen weist dieses an seiner Vorderfläche eine eine Ausnehmung umgebende Nut auf, die keilförmig ausgebildet ist und eine geradlinig oder bogenförmig in Richtung auf die Innenwandung der Ausnehmung verlaufende Schräge aufweist. Um das Aufpressen des Bauteils auf die Welle erleichtern zu können, wird ein Schmiermittel in die Nut eingebracht, das während des Aufschiebeprozesses fortlaufend aus der Nut in die Ausnehmung des Bauteils hineingezogen wird.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Fügeverfahren der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die einerseits die Verwendung einer unbearbeiteten Welle mit größeren Toleranzen erlaubt und zugleich eine höhere Drehmomentübertragung zwischen der Welle und einem darauf gefügten Bauteil ermöglicht, als dies mit üblicherweise über einen Längspresssitz gefügte Bauteile möglich ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Bauteil auf einer Welle, beispielsweise einen Nocken auf einem Nockenwellenrohr, mittels Längspressen aufzuschieben und gleichzeitig das Bauteil zu erwärmen, wodurch nicht nur eine höhere Drehmomentübertragung bei erkaltetem Bauteil möglich wird, sondern zugleich auch aufgrund der Dehnung des Bauteils beim Erwärmen die beim Aufpressen auf die Welle entstehenden Riefen hinsichtlich ihrer Tiefe begrenzt werden können und zudem die Gefahr des Fressens eines Bauteils reduziert wird. Vor allem ist jedoch auch die Verwendung einer unbearbeiteten Welle möglich, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit zum Fügen eines, eine Ausnehmung aufweisenden Bauteils, beispielsweise des besagten Nockens, auf einer Welle, beispielsweise auf dem besagten Nockenwellenrohr, durch Aufpressen des Bauteils mit seiner Ausnehmung auf die Welle verwendet. Hierbei wird zunächst eine Mindestüberdeckung zwischen dem Bauteil und der Welle definiert, welche bei fertig gefügter Bauteil-Welle-Verbindung zur Drehmomentübertragung auf jeden Fall sicher gewährleistet werden soll. Ebenfalls bestimmt wird eine Toleranz der Ausnehmung des Bauteils sowie eine Toleranz der Welle, wobei aus diesen Werten eine Überdeckungswert gebildet wird, der aus der Summe der Toleranzen des Bauteils und der Welle und der Mindestüberdeckung berechnet wird. Unter dem Begriff "Toleranzen" sollen hierbei in erster Linie Fertigungstoleranzen verstanden werden. Anschließend wird das Bauteil in dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit des Überdeckungswertes so stark erhitzt, dass die beim anschließenden Aufpressen des Bauteils auf die Welle entstehenden Riefen eine vordefinierte Tiefe nicht überschreiten und zugleich die Mindestüberdeckung im abgekühlten Bauteil sichergestellt werden kann. Dabei gilt als Maßgabe, dass entstehende Riefen durch einen anschließenden Schleifvorgang weitesgehend entfernt werden, so dass beispielsweise die Oberfläche als Lagerfläche verwendet werden kann, insbesondere dass eventuelle Aufwürfe der Riefe entfernt werden. Durch das Erhitzen des Bauteils vor dem Aufpressen wird die während dem Aufpressvorgang zu überwindende Überdeckung reduziert, da sich das Bauteil beim Erhitzen ausdehnt und dadurch ein Innendurchmesser seiner Ausnehmung vergrößert. Das Vergrößern des Innendurchmessers führt wiederum zu weniger tiefen Riefen, wodurch die Nachbearbeitung der Welle, beispielsweise durch ein Schleifen, vereinfacht werden kann. Insbesondere können die Riefen auch vollständig durch Schleifen entfernt werden. Dabei ist klar, dass das Bauteil auch im erhitzten Zustand nur unter Krafteinwirkung auf die Welle gepresst werden kann, so dass sich dieser Fügevorgang eindeutig vom reinen thermischen Fügen unterscheidet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielmehr eine neuartige Kombination aus dem Längsaufpressen und dem thermischen Fügen, wodurch die Verbindung zwischen dem Bauteil und der Welle gestärkt und damit eine Drehmomentübertragung erhöht und zugleich die mechanischen Belastungen der Welle beim Aufpressen der Bauteile reduziert werden können. Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist darüber hinaus, dass nunmehr ein unbearbeitetes Rohr für die Welle verwendet werden kann, was aufgrund der dabei vorliegenden vergleichsweise großen Toleranzen bisher bei der Herstellung eines herkömmlichen Längspresssitzes nicht möglich war. Generell besitzen unbearbeitete Wellen einen deutlich höheren Toleranzbereich als beispielsweise geschliffene Wellen, weshalb zur Erreichen einer Mindestüberdeckung (Übermaß der Welle zur Ausnehmung des Bauteils im kalten Zustand) eine große maximale Gesamtüberdeckung gewählt werden muss, die es ermöglicht, die in der unbearbeiteten Welle auftretenden Toleranzen sicher ausgleichen zu können. Dies führt unter Umständen dazu, dass die Überdeckung so groß wird, dass das Bauteil nicht mehr gefügt werden kann oder eben die Mindestüberdeckung deutlich kleiner gewählt werden muss, was wiederum dazu führt, dass das übertragbare Drehmoment sinkt. Sollen jedoch die Mindestüberdeckung sicher gewährleistet werden und zugleich die Toleranzen der Welle bzw. des Bauteils Berücksichtigung finden, so muss ein Überdeckungswert gewählt werden, der aus der Summe der Toleranzen der Welle und des Bauteils und der Mindestüberdeckung gebildet wird. Der so berechnete Überdeckungswert ermöglicht unter Umständen noch ein Fügen des Bauteils mittels Längspresssitz, wobei jedoch die beim Aufpressen des Bauteils auf die Welle entstehenden Riefen so tief werden, dass diese nur aufwändig oder gar nicht durch ein späteres Schleifen der Welle wieder entfernt werden können. Auch besteht die erhöhte Gefahr des Fressens, insbesondere wenn mehrere Bauteile hintereinander auf die Welle gefügt werden. Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, indem es dem Längspresssitz den aus der Summe der Toleranzen des Bauteils und der Welle sowie der Mindestüberdeckung berechneten Überdeckungswert zugrunde legt und zugleich das Bauteil so stark erhitzt wird, dass die beim Aufpressen des Bauteils auf die Welle entstehenden Riefen eine vordefinierte Tiefe nicht überschreiten und damit beispielsweise tolerierbar sind oder aber in einem nachfolgenden Schleifprozess problemlos entfernt werden können und zugleich die gewünschte Mindestüberdeckung bei abgekühltem Bauteil sichergestellt werden kann. Das Fügespiel beim Aufpressen des Bauteils auf die Welle ist dabei aber immer kleiner Null, so dass auch das erwärmte bzw. erhitzte Bauteil nur mit Kraft auf die Welle aufgeschoben werden kann. Es findet somit kein thermisches Fügen im klassischen Sinne statt, sondern es werden vielmehr ebenfalls Riefen auf der Welle beim Aufpressen des Bauteils entstehen, die jedoch innerhalb einer tolerierbaren Grenze liegen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit mehrere Vorteile erzielt werden. Zum einen kann eine unbearbeitete Welle mit vergleichsweise großen Herstellungs- bzw. Fertigungstoleranzen verwendet werden, was die Kosten deutlich reduziert. Durch das Berücksichtigen der Toleranzen und der zuvor gewählten Mindestüberdeckung wird zum anderen das mindestens zu übertragende Drehmoment zwischen Welle und Bauteil sichergestellt. Durch das Erwärmen des Bauteils beim Aufpressen auf die Welle lassen sich darüber hinaus die hierbei entstehenden Riefen hinsichtlich ihrer Tiefe begrenzen, so dass diese sich entweder in einem tolerierbaren Maß befinden oder aber mittels eines nachträglichen Schleifens leicht entfernt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Ausnehmung des Bauteils, insbesondere eines Nockens und/oder der Außendurchmesser der Welle vor dem Fügen vermessen. So kann beim Fügen des Bauteils die Fügetemperatur entsprechend der Paarung des Außendurchmessers der Welle zur Ausnehmung des Bauteils eingestellt werden. Dadurch kann der Prozess sicherer auf die Einhaltung der Mindestüberdeckung und die Sicherstellung maximal zulässigen Pressung eingestellt werden. Dies erfolgt selbstverständlich umso genauer wenn beide Fügepartner vermessen wurden. Wurde nur einer der Fügepartner vorab vermessen kann immerhin noch eine Steigerung der Sicherheit erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante wird nur der Außendurchmesser der Welle vermessen und dann ein Bauteil mit passend gefertigter Ausnehmung zum Fügen bereitgestellt. Somit kann ebenfalls eine Verbesserung des Fügeprozesses erreicht werden und auch Toleranzausreißer der eventuell nicht weiter vorbearbeiteten Welle sicher abgefangen werden.
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Zweckmäßig wird das Bauteil auf eine Temperatur erhitzt, die zumindest 30° höher liegt als die der Welle. Bereits diese 30° ermöglichen ein erleichtertes Aufpressen des Bauteils auf die Welle und zugleich sowohl die Verwendung einer unbearbeiteten Welle als auch das Sicherstellen der für die geforderte Drehmomentübertragung erforderlichen Mindestüberdeckung. An dieser Stelle sei zusätzlich noch erwähnt, dass zusätzlich oder alternativ zum Erhitzen des Bauteils selbstverständlich auch eine Kühlung der Welle in Betracht kommt, welche es ebenfalls ermöglicht, die erforderliche Mindestüberdeckung und damit die geforderte Drehmomentübertragung sicherzustellen und gleichzeitig die Tiefen der beim Aufpressen des Bauteils auf die Welle entstehenden Riefen zu begrenzen. Üblicherweise werden jedoch die Bauteile erhitzt, da dies beispielsweise mittels spezieller Induktionsheizungen deutlich einfacher möglich ist, als beispielsweise das Kühlen der Welle. Beachtet werden muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich, dass die im Bauteil entstehenden Spannungen nach dessen Abkühlen auf der Welle nur so groß werden dürfen, dass diese auch langfristig beim Betrieb ertragen werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden/wird die fertig gefügte Welle und/oder die Bauteile geschliffen. Durch einen dem Aufpressen der Bauteile auf die Welle nachfolgenden Schleifvorgang, bei welchem die Bauteile, beispielsweise Nocken, und/oder die Welle geschliffen werden, kann die Qualität der beispielsweise Nockenwelle deutlich erhöht und an die Anforderung innerhalb der Brennkraftmaschine angepasst werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schmiermittel zum Längsaufpressen des zumindest einen Bauteils auf die Welle verwendet. Der Einsatz eines derartigen Schmiermittels erleichtert den Aufpressvorgang erheblich und verringert zudem die Gefahr eines Verkantens des Bauteils während des Aufpressens.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Bauteil auszustatten, welches nach dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren auf eine Welle der Nockenwelle aufgebracht ist. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Nocken, ein Signalrad, ein Geberrad, ein Zahnrad, ein Riemenrad oder aber auch einen Lagerring handeln. Um das Aufpressen des Bauteils zu erleichtern, kann dieses im Bereich seiner Ausnehmung, beispielsweise seiner Bohrung, ein Fase aufweisen, die die Bohrung bzw. die Ausnehmung ringförmig umgibt und keilförmig ausgestaltet ist. Eine derartige Fase ermöglicht ein leichteres darüber hinweggleiten des Bauteils über eventuelle Unebenheiten auf der Welle.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Nockenwelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit darauf gefügten Bauteilen,
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2 eine Schnittdarstellung durch die Nockenwelle gemäß der 1,
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3 unterschiedliche Schnittdarstellungen durch eine Welle der Nockenwelle sowie einen Nocken in kaltem und erhitztem Zustand.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Nockenwelle 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine zumindest ein Bauteil 2 auf, welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren auf einer Welle 3 der Nockenwelle 1 gefügt ist. Das Bauteil 2 kann beispielsweise ein Nocken 4, ein Signalrad 5, ein Geberrad, ein Zahnrad 6 bzw. ein Riemenrad oder ein Lagerring 7 sein. Die Bauteile 2 werden erfindungsgemäß mittels einem kombinierten Fügeverfahren auf der Welle 3 der Nockenwelle 1 fixiert, wobei das Verfahren eine Kombination aus einem thermischen Fügen und einem Aufpressen darstellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen des eine Ausnehmung 8, beispielsweise eine Nockenbohrung aufweisenden Bauteils 2 auf der Welle 3, wird zunächst eine Mindestüberdeckung Ümin zwischen dem Bauteil 2 und der Welle 3 definiert. Die Mindestüberdeckung Ümin ist dabei dasjenige Maß, um welches ein Außendurchmesser Rw der Welle 3 größer ist als ein Innendurchmesser NK des Bauteils 2 im kalten Zustand (vgl. 3). Um darüber hinaus eine unbearbeitete Welle 3 verwenden zu können, werden zunächst die Toleranzen des Bauteils ΔNK und der Welle ΔRW bestimmt. Anschließend wird ein Überdeckungswert Ü aus der Summe der Toleranzen ΔRW und ΔNK sowie der Mindestüberdeckung Ümin gebildet. Das Bauteil 2 selbst wird nun in Abhängigkeit des ermittelten Überdeckungswertes Ü erwärmt bzw. so stark erhitzt, dass die beim anschließenden Aufpressen des Bauteils 2 auf die Welle 3 entstehenden Riefen 9 eine vordefinierte Tiefe in Radialrichtung nicht überschreiten und zugleich die Mindestüberdeckung Ümin bei abgekühltem Bauteil 2 sichergestellt ist. Durch das zusätzliche Erwärmen bzw. Erhitzen des Bauteils 2 kann einerseits die Tiefe der Riefen 9 beim Aufpressen des Bauteils 2 auf die Welle 3 reduziert werden, zum anderen aber kann eine vergleichsweise hohe Mindestüberdeckung Ümin und damit auch vergleichsweise hohe Drehmomentübertragung gewährleistet werden.
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Soll beispielsweise die Mindestüberdeckung Ümin zwischen Bauteil 2 und Welle 3 0,040 mm betragen, so muss sichergestellt sein, dass diese auch nicht durch die Toleranzen ΔRW der Welle 3 bzw. die Toleranzen ΔNK des Bauteils 2 aufgehoben wird. Beträgt beispielsweise die Fertigungstoleranz der Welle 3 ΔRW = 0,1 mm und die Toleranz ΔNK des kalten Bauteils 2 0,015 mm, so ermittelt sich hieraus ein Überdeckungswert Ü von Ü = Ümin + ΔRW + ΔNK = 0,040 mm + 0,1 + 0,015 = 0,155 mm. Wird die Mindestüberdeckung Ümin erhöht, beispielsweise zur Steigerung der übertragbaren Drehmomente, so würde dies auch eine Steigerung des Überdeckungswertes Ü bedeuten, was einerseits die Kraft zum Aufpressen des Bauteils 2 auf die Welle 3 deutlich erhöhen würde und andererseits deutlich größere Schäden in Form von tiefen Riefen 9 auf der Welle 3 verursachen würde. Um nun auch in diesem Fall noch das Fügen des Bauteils 2 auf der Welle 3 zu ermöglichen, wird das Bauteil 2 erfindungsgemäß so stark erhitzt, dass zum einen die Mindestüberdeckung Ümin bei abgekühltem Bauteil 2 sichergestellt ist, zum anderen aber die Riefen 9 eine vordefinierte und tolerierbare Tiefe nicht überschreiten. Derart tolerierbare Riefen 9 können beispielsweise bei einem nachfolgenden Schleifvorgang eliminiert werden.
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Das Bauteil 2 wird dabei selbstverständlich nur deshalb erwärmt, um den Durchmesser N der Ausnehmung 8, beispielsweise der Nockenbohrung, zu vergrößern. Selbst bei erhitztem Bauteil 2 ist das Fügespiel jedoch immer < 0, so dass das Bauteil 2, beispielsweise der Nocken 4, auch im erhitzten Zustand auf die Welle 3 der Nockenwelle 1 aufgepresst werden muss.
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Um eine gewünschte Drehmomentübertragung zwischen der Welle 3 und dem Bauteil 2 sicher gewährleisten zu können, liegt die Mindestüberdeckung Ümin zwischen 0,01 und 0,7 mm. Die obere Grenze wird hierbei maßgeblich durch die Teilfestigkeit des Bauteils 2 sowie dessen Geometrie und Werkstoff bestimmt. Für die Welle 3 kann prinzipiell ein unbearbeitetes Rohr oder aber ein zumindest einfach oder mehrfach gezogenes Rohr verwendet werden. Bei der Wahl eines billigeren und daher unter Umständen auch schlechter tolerierten Rohres muss dann zum Erreichen des gewünschten übertragbaren Drehmoments das Bauteil 2 entsprechend stark erwärmt werden. So kann für jeden Anwendungsfall die passende Paarung zwischen der Tiefe der Riefen 9, der Mindestüberdeckung Ümin und der Temperatur des erhitzten Bauteils 2 gewählt werden.
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Die Welle 3 wird üblicherweise mit einer Fertigungstoleranz von +/–0,06 mm, insbesondere sogar mit einer Fertigungstoleranz von lediglich +/–0,01 mm gefertigt. Zum Längsaufpressen des zumindest einen Bauteils 2 auf die Welle 3 kann darüber hinaus ein Schmiermittel verwendet werden, welches die Gleitbewegung des Bauteils 2 auf der Welle 3 erleichtert. Dieses Schmiermittel ist üblicherweise hochtemperaturfest, um nicht von einem stark erhitzten Bauteil 2 geschädigt zu werden. Selbstverständlich ist auch die alternative oder zusätzliche Kühlung der Welle 3 denkbar, womit rein theoretisch derselbe Effekt erzielbar ist. Denkbar ist auch die Verwendung einer geschliffenen Welle, wobei jedoch ein Teil des Vorteils verloren geht, da die Überdeckung nicht zu groß gewählt werden darf, um größere Beschädigungen auf der Oberfläche der Welle 3, das heißt Riefen 9, zu vermeiden. Der Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt in dem Wegfall des Nachschleifens der Welle 3. Generell kann am Bauteil 2 zusätzlich eine die Ausnehmung 8 einfassende Fase 10 vorgesehen sein, welche den Aufschiebevorgang auf die Welle 3 zusätzlich erleichtert.
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Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass die Welle 3 einen Außendurchmesser RW aufweist, wogegen die Ausnehmung 8 des Bauteils 2 im kalten Zustand eine Durchmesser NK und im warmen Zustand einen Durchmesser NW besitzt. Die Differenz zwischen NW und NK beschreibt den durch das Erhitzen des Bauteils 2 erzielbaren Dehnungseffekt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine Kombination eines Aufpressen und eines thermischen Fügens erzielen, wobei einerseits die auf der Welle 3 aufpressen des Bauteils 2 entstehende Riefen 9 weniger tief sind, andererseits jedoch aufgrund der vorbestimmten Mindestüberdeckung Ümin ein vorgebbares Drehmoment sicher übertragen werden kann. Durch die Kombination des thermischen Fügens mit dem Längsaufpressen ist auch die Verwendung eines unbearbeiteten Rohres für die Welle 3 möglich, durch beispielsweise die Fertigung einer Nockenwelle 1 deutlich kostengünstiger möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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