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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle.
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Beim thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr steigen die Kundenanforderungen an die Maßhaltigkeit der Nocken in der letzten Zeit stark an. Hierbei müssen insbesondere die axiale und die Winkelgenauigkeit gewährleistet werden. Üblicherweise wird beim thermischen Fügen von Nocken der erhitzte Nocken auf einem ausgerichteten Balkon bzw. einer ausgerichteten Auflage abgesetzt und/oder mittels eines Greifers festgehalten. Der Greifer dient auch dazu, den Nocken bezüglich seiner Nockenspitze und schlussendlich bezüglich der Winkellage auf dem Nockenwellenrohr auszurichten. Die hierfür verwendeten Greifer haben eine ausreichend hohe Genauigkeit, um die Ausrichtung zu bewerkstelligen.
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Im thermischen Fügeprozess findet im Idealfall eine absolut gleichmäßige Abkühlung des Nockens auf dem Nockenwellenrohr statt. Dies ist aber in der Realität leider oftmals nicht der Fall. Durch Formfehler und Maßtoleranzen und Ausrichtfehler in dem Greifer trifft der noch warme Nocken an einer nicht näher definierbaren Stelle als Erstes in Kontakt mit dem Nockenwellenrohr. An diesem Kontakt wird an dieser Stelle massiv Wärmeenergie vom Nocken in das Nockenwellenrohr eingeleitet und der Nocken quasi dort „hin gezogen“. Geschieht dies nicht in einer winkelneutralen Position, also nicht in einer durch die Nockenspitze bzw. Nockenbohrungsmitte verlaufenden Gerade, kann sich der Nocken aus der Winkelausrichtung herausdrehen. Dies lässt sich auch durch eine entsprechende Einspannung nicht verhindern bzw. würde dann zu Spannungen führen, die ebenfalls nicht erwünscht sind.
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Aus der
DE 10 2011 001 499 B3 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen zwei Bauteilen bekannt, bei welchem wenigstens ein erstes Bauteil auf eine Vorwärmtemperatur eingestellt wird, wenigstens ein damit zu fügendes zweites Bauteil auf eine Temperatur, die geringer ist, als die Vorwärmtemperatur, und wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der Vorwärmtemperatur und der zweiten Temperatur ein Fügen der Bauteile ermöglicht wird. Nach dem Aufeinanderschieben der Bauteile wird dann das Bauteil mit der geringeren Temperatur erwärmt und dadurch die Stromverbindung hergestellt. Hierbei wird jedoch die gesamte Fügestelle erhitzt, um eine Verbesserung der Fügeverbindung zu erreichen. Dies ist jedoch nachteilig, da dadurch viel Energie in das System eingebracht wird und Gefügeänderungen auftreten können, die absolut unerwünscht sind. Zudem ist die von der Fügevorrichtung zu ertragende Wärmebelastung hoch, so dass diese wiederum aufwändig und teuer gekühlt werden muss.
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Aus der
US 4,616,389 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle bekannt, bei dem der zumindest eine Nocken erwärmt und das Nockenwellenrohr durch eine Ausnehmung des Nockens geschoben wird.
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Aus der
DE 10 2011 005 408 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr bekannt, wobei eine erste und/oder zweite Fügeflächen in Bezug auf eine Achse konisch ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch reduzierte Taktzeiten zulässt.
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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, beim thermischen Fügen von Nocken auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle den thermisch gefügten Nocken an zumindest einer Stelle aktiv zu kühlen und damit den Schrumpfprozess zu beschleunigen und reproduzierbar zu gestalten. Durch das aktive Kühlen des Nockens an zumindest einer Stelle kann erreicht werden, dass der noch erhitzte Nocken gezielt an einer vordefinierten Stelle zur Erstanlage gebracht wird und dadurch reproduzierbar seine Lage beim Abkühlen einnimmt. Zudem kann durch eine gezielte Abkühlung der Nocken früher zur Anlage gebracht werden, was zu einer kürzeren Haltezeit führt und damit die Taktzeit reduziert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum thermischen Fügen eines Nockens auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle wird somit zunächst der zumindest eine Nocken in bekannter Weise erhitzt und anschließend das Nockenwellenrohr durch die Ausnehmung des Nockens geschoben. Hat der Nocken sowohl seine axiale Endlage als auch seine Winkelendlage erreicht, wird der thermische Schrumpfsitz durch einen Temperaturausgleich herbeigeführt. Zur Unterstützung bzw. zur Beschleunigung des Herstellens des thermischen Schrumpfsitzes und zugleich zur exakten Fixierung des Nockens in der gewünschten Lage wird der zumindest eine Nocken nach dem Durchschieben des Nockenwellenrohrs an zumindest einer Stelle aktiv gekühlt. Wie bereits erwähnt, kann durch das aktive Kühlen an zumindest einer Stelle erzwungen werden, dass der noch heiße Nocken gezielt an genau jener Stelle zur Erstanlage mit dem Nockenwellenrohr gebracht wird und dadurch reproduzierbar seine endgültige Axiallage bzw. Winkellage einnimmt bzw. beibehält. Im Vergleich zu einem normalen Herstellen eines thermisches Schrumpfsitzes, bei welchem der Temperaturausgleich ohne künstliche Temperatureinwirkungen erfolgt, kann durch die gezielte Abkühlung der Nocken früher zur Anlage gebracht und dadurch die Taktzeit reduziert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumindest eine Nocken im Bereich eines Nockenberges und eines gegenüberliegenden Grundkreises gekühlt. Eine derartige aktive Kühlung stellt den Idealfall dar, bei welchem eine Winkelverdrehung des Nockens beim Abkühlen nahezu ausgeschlossen werden kann. Hierdurch lassen sich die besonders hohen Anforderungen an die Winkelgenauigkeit erfüllen.
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Erfindungsgemäß wird der Nocken durch Anspritzen mit einem Kühlmedium, beispielsweise mit Kühlschmierstoff oder Stickstoff, gekühlt. In diesem Fall erfolgt somit der Nocken eine direkte Kühlung, beispielsweise eine extreme direkte Kühlung durch Anspritzen bzw. Ansprühen von Stickstoff, oder eine hierzu mildere Abkühlung durch Bespritzen mit Kühlschmierstoff. Alternativ hierzu kann der aktiv zu kühlende Nocken selbstverständlich auch indirekt gekühlt werden, indem beispielsweise ein den Nocken während des Fügevorgangs fixierender Greifer gekühlt wird. Selbstverständlich sollte auch dieser an genau jenen Stellen gekühlt werden, die für eine winkelgenaue Lage bzw. Fixierung des Nockens auf dem Nockenwellenrohr verantwortlich zeichnen.
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Erfindungsgemäß wird ein Nocken mit einer konischen Nockenbohrung verwendet. Eine derartige konische Nockenbohrung ermöglicht ein ebenfalls kontrolliertes Fügen des Nockens auf dem Nockenwellenrohr, da eine kontrollierte Erstanlage geschaffen wird, wobei zum Herstellen des thermischen Fügesitzes bei einer entsprechenden konischen Nockenbohrung eine vergleichsweise schwache aktive Kühlung ausreicht, um den jeweiligen Nocken bereits fest auf dem Nockenwellenrohr zu fixieren. Der dabei verwendete Konus der Nockenbohrung ist extrem klein und nur ca. 5-10 µm größer als der mittlere Durchmesser der Nockenbohrung. Die kontrollierte Erstanlage sollte auf der Seite des Nockens angeordnet sein, auf der die axiale Bemaßung des Nockens erfolgt. Damit wird die axiale Positionierung insbesondere die erreichbaren Toleranzen deutlich verbessert. Weiter erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zu fügende Nocken auf einem Haltebalkon aufliegt und dass über Kühldüsen einer Kühleinrichtung von unten Kühlmittel durch eine Öffnung des Haltebalkons auf den konisch engsten Durchmesser des Nockens gesprüht wird, wodurch eine Erstanlage des Nockens am Nockenwellenrohr im Bereich des Haltebalkons erfolgt.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Vorrichtung zum thermischen Fügen zumindest eines Nockens auf einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle anzugeben, wobei die Vorrichtung zumindest einen Greifer zum Halten des wenigstens einen Nocken während des Fügevorgangs aufweist, ebenso wie einen verfahrbaren Führungsschlitten für das Nockenwellenrohr zum Durchschieben desselben durch die Ausnehmung des Nockens. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kühleinrichtung zum aktiven Kühlen des wenigstens einen Nockens nach dem Durchschieben des Nockenwellenrohrs auf, wobei die Kühleinrichtung insbesondere zur partiellen, beispielsweise punktuellen, Kühlung des jeweiligen Nockens ausgebildet ist. Das partielle bzw. punktuelle Kühlen kann dabei beispielsweise durch ein Anspritzen des Nockens nach dem thermischen Fügen mittels Kühlschmierstoff oder im Extremfall sogar Stickstoff erfolgen, wodurch eine nahezu schlagartige Abkühlung erzielt werden kann. Durch eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich bisher nicht beherrschbare Winkelungenauigkeiten aufgrund eines unkontrollierten Abkühlvorgangs nahezu gänzlich eliminieren und zugleich die Taktzeiten reduzieren, so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung höhere Taktraten und damit geringere Fertigungskosten realisierbar 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 Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Fügen eines Nockens auf einem Nockenwellenrohr mit einer Kühleinrichtung zum aktiven Kühlen,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Kühleinrichtung,
- 3 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich eines Haltebalkons.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum thermischen Fügen eines Nockens 2 auf einem Nockenwellenrohr 3 einer Nockenwelle 4 einen Greifer 5 zum Halten des Nockens 2 (vgl. die 1 und 2) oder alternativ einen Haltebalkon 6, auf welchem der zu fügende Nocken 2 aufliegt. Gemäß der 3 ist darüber hinaus ein verfahrbarer Führungsschlitten 7 für das Nockenwellenrohr 3 zum Durchschieben desselben durch Ausnehmungen 8 der Nocken 2 dargestellt. Erfindungsgemäß an der Vorrichtung 1 ist jedoch die Kühleinrichtung 9 zum aktiven Kühlen des wenigstens einen Nockens 2 nach dem Durchschieben des Nockenwellenrohrs 3. Die Kühleinrichtung 9 ist dabei zum zumindest partiellen, insbesondere zum punktuellen, Kühlen des Nockens 2 ausgebildet und ermöglicht dadurch nicht nur eine Beschleunigung der Herstellung des thermischen Fügesitzes, sondern auch eine gezielte Abkühlung und dadurch eine winkelgetreue Fixierung des Nockens 2 auf dem Nockenwellenrohr 3.
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Betrachtet man dabei die Kühleinrichtungen 9 der 1 und 3, so kann man an diesen Kühldüsen 10 zum Anspritzen des Nockens 2 mit einem Kühlmedium, beispielsweise mit Kühlschmierstoff oder im Extremfall sogar mit Stickstoff, erkennen. Alternativ hierzu kann die Kühleinrichtung 9, wie dies gemäß der 2 gezeigt ist, auch zum Kühlen des Greifers 5 ausgebildet sein und dadurch eine lediglich indirekte Kühlung des Nockens 2 ermöglichen. Um die Kühlung besonders effektiv auszugestalten können mehrere Bohrungen in dem Greifer 5 ausgebildet sein, die durch ein Kühlmedium durchflossen werden. Es können auch von der Oberseite oder von der Unterseite des Greifers 5 eingebrachte Kühlschleifen eingearbeitet sein, die dann durch einen Deckel verschlossen werden und ebenfalls durch ein Kühlmedium durchflossen werden.
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Der Greifer 5 weist dabei rollenförmige Halteelemente 11 auf, die eine winkelexakte Lage des Nockens 2 im Greifer 5 und damit auch ein winkelexaktes Greifen des Nockens 2 bzw. Fixieren desselben während des Fügevorgangs erlauben.
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Betrachtet man die Kühleinrichtung 9 gemäß der 1, so weist diese insgesamt vier Kühldüsen 10 auf, wodurch der Nocken 2 im Wesentlichen an gegenüberliegenden Stellen, beispielsweise im Bereich eines Nockenberges 12 sowie eines gegenüberliegenden Grundkreises 13 kühlbar sind. Bei dem verwendeten Begriff „Nockenberg“ soll dabei selbstverständlich verstanden werden, dass der Nocken 2 vorzugsweise an einer Stelle 14 aktiv mittels der Kühleinrichtung 9 kühlbar ist, die unterhalb des Nockenberges 12 in direktem Kontakt zum Nockenwellenrohr 3 liegt. Selbstverständlich ist dabei auch eine Kühlung lediglich im Bereich des Rundkreises 13 denkbar, wie dies beispielsweise gemäß der 2 dargestellt ist.
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Um den thermischen Fügevorgang zusätzlich zu beschleunigen und zu vereinfachen, kann die Ausnehmung 8 des Nockens 2, das heißt respektive die Nockenbohrung, konisch ausgebildet sein und dadurch nicht nur ein Durchschieben des Nockenwellenrohrs 3 erleichtern, sondern zusätzlich auch eine einseitige Erstanlage des Nockens 2 am Nockenwellenrohr 3 erzwingen. Betrachtet man dabei beispielsweise die 3, so kann man aufgrund der dort abgebildeten, konischen Ausnehmung 8 erkennen, dass die Erstanlage des Nockens 2 am Nockenwellenrohr 3 im Bereich des Haltebalkons 6 erfolgt, wodurch dies zusätzlich dadurch unterstützt wird, dass die Kühldüsen 10 von unten Kühlmittel durch die Öffnung des Haltebalkons 6 auf den konisch engsten Durchmesser des Nockens 2 sprühen. Selbstverständlich ist dabei der Konus der Ausnehmung 8 extrem klein und beispielsweise nur 5-10 µm größer als der mittlere Durchmesser der Ausnehmung 8.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein gezieltes Abkühlen des Nockens 2 an individuell vorbestimmten Stellen erfolgen, wodurch sowohl eine axiale und insbesondere auch eine Winkelgenauigkeit der Fügeverbindung zwischen Nocken 2 und Nockenwellenrohr 3 gesteigert werden kann. Durch das aktive Kühlen der Nocken bei nach dem thermischen Fügen auf dem Nockenwellenrohr 3 kann auch die Taktzeit reduziert und damit die Herstellungskosten gesenkt werden.
