DE102015007374A1

DE102015007374A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor und Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015007374A1
Application number: DE102015007374.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Eppinger; Frank Kricke; Swen Schuller; Sven Ullrich; Thomas Böhl; Christian Elsner; Dirk Even; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle (10) für einen Verbrennungsmotor durch einen Pressverband zwischen einer Trägerwelle (12) und zumindest einer Funktionsgruppe (30), bei dem die zumindest eine Funktionsgruppe (30) vor dem Fügen zumindest abschnittsweise erwärmt und/oder die Trägerwelle (12) vor dem Fügen zumindest abschnittsweise gekühlt wird, und bei dem vor dem Fügeprozess auf dem außenumfangseitigen Fügebereich (26) der Trägerwelle (12) und/oder auf dem innenumfangseitigen Fügebereich (44) der zumindest einen Funktionsgruppe (30) zumindest in einem Abschnitt des Fügekontaktbereiches eine Oberflächenstrukturierung (25, 45) vorliegt und bei dem die mindestens eine Funktionsgruppe (30) mindestens einen Nocken (31, 32) und mindestens ein Radiallager (33, 34) aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Nockenwelle (10) für einen Verbrennungsmotor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor sowie eine Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor.
Pressverbindungen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 10 2009 060 352 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, bei welchem fertig bearbeitete Nockenscheiben mittels eines Querpressverbunds an eine Trägerwelle gefügt werden. Dabei werden jeweilige Innenflächen der Nockenscheiben und/oder Außenflächen der Trägerwelle mittels eines Lasers mit einer Oberflächenstrukturierung versehen. Eine derartige Pressverbindung kann auch als eine Art Welle-Nabe-Verbindung zwischen der Trägerwelle und den Nockenscheiben verstanden werden. Derartige Pressverbindungen sind einfach und kostengünstig, insbesondere im Vergleich zu formschlüssigen Verbindungen, herstellbar. Allerdings muss eine Überdeckung zwischen den Bauteilen umso größer gewählt werden, je höher die zu übertragenden Kräfte bzw. Momente sein sollen. Dies erhöht die Fügekräfte und den Aufwand beim Fügen und verschlechtert die Rundlaufgenauigkeit sowie Zentrizität der Bauteile zueinander.
Bei hohen Überdeckungsgraden und/oder einer langen Einpressstrecke erhöht sich zudem die Gefahr, dass Späne, Oberflächenbeschädigungen, Riefen und dergleichen auftreten, was zum Teil zum so genannten „Fressen” der Pressverbindung führen kann. Je dünnwandiger und weicher die mittels der Pressverbindung miteinander verbundenen Bauteile sind, umso größer ist die Gefahr, dass sich der Pressverband negativ auf die Maßhaltigkeit auswirkt. Dies ist insbesondere bei Nockenwellen, mittels welchen ein variabler Ventilhub einstellbar ist, von erheblichem Nachteil. Denn bei derartigen Nockenwellen besteht eine Genauigkeitsanforderung im Mikrometerbereich, sodass gegebenenfalls weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere Schleifbearbeitungsschritte, zur Einhaltung der geforderten Maßhaltigkeit erforderlich sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor sowie eine Nockenwelle bereitzustellen, mittels welchen eine besonders gute Maßhaltigkeit bei gleichzeitig hoher Drehmomentübertragbarkeit und geringem Herstellaufwand erzielbar ist. Gleichermaßen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwelle bereitzustellen, die mindestens eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle sowie durch eine Nockenwelle mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor werden eine Trägerwelle und zumindest ein wellenförmiges Bauteil, im Folgenden Funktionsgruppe genannt, bereitgestellt. Diese mindestens eine Funktionsgruppe weist mindestens eine Lagerstelle zum radialen Lagern der Nockenwelle und mindestens einen Nocken zur Ventilsteuerung auf. An zumindest einem Abschnitt eines außenumfangsseitigen Fügebereichs der bereitgestellten Trägerwelle und/oder an zumindest einem Abschnitt eines innenumfangsseitigen Fügebereichs der bereitgestellten Funktionsgruppe wird eine Oberflächenstrukturierung hergestellt. Danach erfolgt zumindest ein teilweises Abkühlen des außenumfangsseitigen Fügebereichs auf eine Abkühltemperatur und/oder zumindest ein teilweises Erwärmen des innenumfangsseitigen Fügebereichs auf eine Erwärmungstemperatur. Danach wird ein Pressverband unter Ausbildung der Nockenwelle hergestellt, indem der außenumfangsseitige Fügebereich der Trägerwelle und der innenumfangsseitigen Fügebereich der Funktionsgruppe zueinander gepaart werden.
Der außenumfangsseitige Fügebereich der Trägerwelle befindet sich dabei vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, an einem in Längsrichtung der Trägerwelle gesehenen Endbereich der Trägerwelle. Dieser Endbereich kann im Wesentlichen den gleichen, einen geringeren oder einen größeren Durchmesser als die restliche Trägerwelle aufweisen. Ferner kann an einem weiteren Endbereich der Trägerwelle in analoger Weise ein weiterer außenumfangsseitiger Fügebereich ausgebildet werden, wobei an diesem außenumfangsseitigen Fügebereich ein weitere Funktionsgruppe gleicher oder ähnlicher Bauart wie die andere Funktionsgruppe ebenfalls mittels eines Pressverbands angeordnet wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also eine Art Welle-Nabe-Verbindung in Form eines Pressverbands hergestellt, wobei die Trägerwelle als Welle und die Funktionsgruppe als Nabe dient. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle erfolgt vorzugsweise eine Querpressverbindung in Kombination mit einer Oberflächenstrukturierung. Der Pressverband kann aber grundsätzlich auch Wesensmerkmale einer Längspressverbindung aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Widerstandserhöhung gegen ein Verdrehen bzw. Verschieben der Funktionsgruppe gegenüber der Trägerwelle erzielt. Die Oberflächenstrukturierung der Trägerwelle und/oder der Funktionsgruppe an den entsprechenden Fügebereichen führt zu einem besonders stabilen Fügeprozess, der nur zu minimalen Maßänderungen im Pressverband führt, bzw. der zu sehr reproduzierbaren Maßänderungen führt, sodass diese Maßänderungen fertigungstechnisch vorgehalten werden können. Die Oberflächenstrukturierung von zumindest einem der Fügebereiche – der Trägerwelle und/oder der Funktionsgruppe – ermöglicht zudem, dass die Trägerwelle und/oder die Funktionsgruppe bereits vor dem Herstellen des Pressverbands mechanisch fertig bearbeitet werden können und nach dem Herstellen des Pressverbands nicht mehr weiter mechanisch nachbearbeitet werden müssen.
Durch die Oberflächenstrukturierung kann bei gleichzeitig verringerter Bauteilüberdeckung zwischen Trägerwelle und Funktionsgruppe der gleiche Widerstand gegen ein Verdrehen bzw. Verschieben wie im Falle von nicht strukturierten Bauteilpaarungen mit entsprechend größerer Überdeckung erreicht werden. Diese verringerte Überdeckung führt wiederum zu geringeren bleibenden Bauteilverformungen an der Trägerwelle und/oder an der Funktionsgruppe im erfindungsgemäß realisierten Pressverband, was wiederum die Basis dafür bildet, dass die vorzugsweise mechanisch fertig bearbeitete Trägerwelle und die vorzugsweise mechanisch fertig bearbeitete Funktionsgruppe unter Einhaltung vorgegebener geometrischer Gesamttoleranzen gefügt werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung mittels eines Lasers hergestellt wird. Dadurch kann eine besonders exakte Formgebung der Oberflächenstrukturierung prozesssicher und wiederholgenau hergestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Lagerstelle an der Funktionsgruppe und der zumindest eine an der Funktionsgruppe angeordnete Nocken vor dem Herstellen des Pressverbands mechanisch fertig bearbeitet wird. Die Lagerstelle und der Nocken können dadurch besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Denn eine mechanische Bearbeitung der Lagerstelle und/oder des Nockens nach dem Herstellen des Pressvorgangs wäre insgesamt deutlich kostspieliger. Wenn beispielsweise die Welle jeweils an beiden Enden der Trägerwelle fest fixierte Funktionsgruppen aufweist und in Wellenmitte weitere, variabel bewegliche Nockenstücke vorliegen, wäre eine Fertigbearbeitung einer solchen Welle erst im gefügten beziehungsweise montierten Zustand stark risikobehaftet, da ein hoher Qualitätsaufwand zur Restschmutzbeseitigung anfallen würde.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die gesamte Außenoberfläche der Funktionsgruppe vor dem Herstellen des Pressverbands vollständig mechanisch fertig bearbeitet wird. Dadurch kann insgesamt der Herstellaufwand der gesamten Nockenwelle erheblich reduziert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die gesamte Trägerwelle mit etwaigen Anbauteilen ebenfalls vor der Herstellung des Pressverbands komplett mechanisch fertig bearbeitet wird. Dadurch kann die gesamte Nockenwelle besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da keine mechanischen Bearbeitungsschritte mehr nach dem Herstellen des mindestens einen Pressverbands auftreten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass vor dem Herstellen des Pressverbands an der Trägerwelle wenigstens eine Lagerstelle zum radialen Lagern der Nockenwelle hergestellt und/oder ein Nocken zur Ventilsteuerung an der Trägerwelle angeordnet wird. Der Nocken kann dabei sowohl relativbeweglich in Längsrichtung der Trägerwelle als auch unbeweglich bezüglich der Trägerwelle an dieser angeordnet werden. Vorzugsweise erfolgt die mechanische Fertigbearbeitung der Lagerstelle und/oder des Nockens ebenfalls vor der Herstellung des Pressverbands. Dabei kann es zudem auch vorgesehen sein, dass die gesamte Trägerwelle mechanisch fertig bearbeitet wird, bevor die Trägerwelle und die Funktionsgruppe miteinander gefügt werden. Eine nachfolgende mechanische Bearbeitung der Trägerwelle mitsamt Anbauteilen und Lagerstellen kann somit nach Herstellung des Pressverbands entfallen, sodass die gesamte Nockenwelle besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, da kein nachträglicher Bearbeitungsaufwand mehr notwendig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass beim Herstellen des Pressverbands ein erster Teil des außenumfangsseitigen Fügebereichs der Trägerwelle in Form eines Querpressverbands mit einem ersten korrespondierenden Teil des innenumfangsseitigen Fügebereichs der Funktionsgruppe und ein zweiter Teil des außenumfangsseitigen Fügebereichs der Trägerwelle in Form eines Längspressverbands mit einem zweiten korrespondierenden Teil des innenumfangsseitigen Fügebereichs der Funktionsgruppe gefügt wird. Vorzugsweise wird dabei ausschließlich der erste Teil des außenumfangsseitigen Fügebereichs und/oder der erste Teil des innenumfangsseitigen Fügebereichs mit der Oberflächenstrukturierung versehen. Der Längspressverband stellt dabei vorzugsweise die Zentrizität der Trägerwelle zur Funktionsgruppesicher, trägt aber nur wenig zur Übertragung von Kräften bzw. Momenten bei. Dadurch ergibt sich eine geringe Belastung und Verformung der Trägerwelle und der Funktionsgruppe beim Fügen der beiden Bauteile. Im Bereich des Längspressverbands erfolgt dabei also vorzugsweise keine Oberflächenstrukturierung. Im Bereich des Querpressverbands, also dem Teil der Trägerwelle und der Funktionsgruppe, welche zuvor gekühlt bzw. erwärmt werden, bevor diese in Form des Querpressverbands miteinander gefügt werden, kann eine erhöht Reibung zwischen den Fügepartnern realisiert werden. Aufgrund der Oberflächenstrukturierung im Bereich des Querpressverbands kann eine relativ geringe Überdeckung in diesem Bereich gewählt werden, da jeweilige Spitzen der Oberflächenstrukturierung beim Schrumpfen der Funktionsgruppe und/oder beim Aufweiten der Trägerwelle eine verbesserte kraftschlüssige Verbindung ermöglichen. Bei einer hinreichend hohen Vorwärmung der Funktionsgruppe und/oder durch ein ausreichend starkes Abkühlen der Trägerwelle können die Spanbildung und das „Fressen” während des Einpressvorgangs unter Umständen auch vollständig unterbleiben, insbesondere wenn eine entsprechende Kontaktsituation zwischen der Funktionsgruppe und der Trägerwelle erst in einer vorgesehenen Endposition im Zuge eines Temperaturausgleichs eingestellt wird. Vorzugsweise erfolgt die Oberflächenstrukturierung dabei an demjenigen Fügepartner, welcher an sich eine größere Härte als der andere Fügepartner aufweist oder zumindest unter Wärmeeinfluss starker als der andere Fügepartner aufhärtet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Oberflächenstrukturierung in Form von durchgängigen Linien und/oder in Form von aus einzelnen Elementen bestehenden Linienzügen hergestellt wird. Die Linien und/oder die Linienzüge werden dabei vorzugsweise mit einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 20° und 160°, bezogen auf die Umfangsrichtung der Nockenwelle hergestellt. Dabei sind auch sich kreuzende Linien und/oder Linienzüge möglich. Andere Formgebungen, wie beispielsweise bienenwabenartige Strukturen, punktförmige Strukturen und dergleichen, sind ebenfalls möglich. Im Prinzip wird die Oberflächenstrukturierung von ihrer Formgebung belastungsangepasst gewählt und hergestellt. Eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 1 und 100 μm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm, bei der Oberflächenstrukturierung hat sich dabei als besonders vorteilhaft gezeigt, um bei einer relativ geringen Überdeckung der Fügepartner trotzdem eine hohe Übertragbarkeit von Kräften bzw. Momenten zu ermöglichen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das zumindest teilweise Erwärmen des innenumfangsseitigen Fügebereichs der Funktionsgruppe unter Schutzgas oder im Vakuum durchgeführt wird. Dadurch können insbesondere unerwünschte Gefügeänderungen durch den Erwärmungsvorgang an der Funktionsgruppe reduziert oder unterbunden werden. Die Erwärmung erfolgt dabei vorzugsweise über den innenumfangsseitigen Fügebereich, bei welchem es sich vorzugsweise um eine Bohrung handelt, also nicht von außen. Denn eine außenseitige Erwärmung der Funktionsgruppe könnte unter Umständen zu einer erhöhten und unerwünschten thermischen Beanspruchung der Außenoberfläche der Funktionsgruppe führen. Insbesondere wenn die Funktionsgruppe gehärtet werden sollte, kann durch diese Erwärmung gleichzeitig ein unerwünschtes Anlassen der gehärteten Außenoberfläche und somit eine unter Umständen unerwünschte Härtereduzierung und/oder ein unerwünschter Verzug einsetzen. Erfolgt die Temperatureinbringung hingegen auf der Innenseite, also innerhalb des innenumfangsseitigen Fügebereichs, wird die Funktionsgruppe in diesem Bereich trotz einer hohen effektiven Aufweitung des betreffenden Fügebereichs vergleichsweise gering thermisch belastet. Dadurch können unerwünschte Härtereduzierungen und/oder Bauteilverzüge vermieden bzw. unterdrückt werden.
Die erfindungsgemäße Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Trägerwelle sowie mindestens eine Funktionsgruppe, an welcher wenigstens eine Lagerstelle zum radialen Lagern der Nockenwelle ausgebildet und wenigstens ein Nocken zur Ventilsteuerung angeordnet ist. Des Weiteren kann die Funktionsgruppe weitere Funktionselemente wie beispielsweise einen Flansch, einen Pumpennocken, eine Axiallagerstelle, ein Bauelement zur Montagehilfe, ein geometrisches Merkmal zum Rotationsbezug sowie eine mindestens Komponente zugehörig zu einem Nockenwellenversteller aufweisen. Zumindest ein Abschnitt eines außenumfangsseitigen Fügebereichs der Trägerwelle und/oder zumindest ein Abschnitt eines innenumfangsseitigen Fügebereichs der Funktionsgruppe weist dabei eine Oberflächenstrukturierung auf, wobei der außenumfangsseitige Fügebereich der Trägerwelle im innenumfangsseitigen Fügebereich der Funktionsgruppe in Form eines Pressverbands angeordnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Nockenwelle anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht einer Funktionsgruppe mit einem innenumfangseitigen Fügebereich und einer Trägerwelle mit einem außenumfangseitigen Fügebereich, bevor diese Bauteile zu einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor gefügt werden;
2 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht nach dem Fügen der Funktionsgruppe und der Trägerwelle, wobei diese Bauteile in Form eines Pressverbands miteinander gefügt worden sind;
3 schematische Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H der Trägerwelle jeweils vor dem Zusammenfügen mit der Funktionsgruppe
4 schematische, teilweise geschnittene Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen 4A, 4B, 4C, 4D der Funktionsgruppe jeweils vor dem Zusammenfügen mit der Trägerwelle
5 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen möglichen Formgebungen für eine Oberflächenstrukturierung der jeweiligen Fügebereiche von Trägerwelle und Funktionsgruppe.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Trägerwelle 12 sowie eine Funktionsgruppe 30 vor dem Zusammenfügen dieser Bauteile 12, 30 sind in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht in 1 gezeigt. Der eine Endbereich 21 der Trägerwelle 12 weist einen außenumfangseitigen Fügebereich 26 auf. Die Funktionsgruppe 30 dient als eine Art Nabe, in welche der Fügebereich 26 der Trägerwelle 12 aufgenommen werden kann. Die Funktionsgruppe 30 umfasst im exemplarisch dargestellten Fall zwei Nocken 31, 32 zu Ventilsteuerung, welche außenumfangsseitig an der Funktionsgruppe 30 angebracht sind. Die Funktionsgruppe kann auch nur einen Nocken oder mehr als zwei Nocken aufweisen. Darüber hinaus weist die Funktionsgruppe 30 mindestens eine Lagerstelle 33, 34 auf. Des Weiteren umfasst die Funktionsgruppe 30 einen innenumfangsseitigen Fügebereich 44, welcher korrespondierend zum außenumfangsseitigen Fügebereich 26 der Trägerwelle 12 ausgebildet ist. Der innenumfangsseitige Fügebereich 44 ist vorliegend als Bohrung ausgestaltet. Ferner umfasst die Funktionsgruppe 30, wie in der vorliegend gezeigten Ausführungsform, optional einen Flansch 35.
In 2 sind die Trägerwelle 12 und die Funktionsgruppe 30 im zusammengebauten Zustand gezeigt, wobei die Trägerwelle 12 und die Funktionsgruppe 30 Teil einer Nockenwelle 10 für einen Verbrennungsmotor ausbilden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der Nockenwelle 10 näher erläutert. Zunächst werden die Trägerwelle 12 und die Funktionsgruppe 30 bereitgestellt. An der Funktionsgruppe 30 wird zuvor die wenigstens eine Lagerstelle 33, 34 zum radialen Lagern der Nockenwelle 10 hergestellt und es werden die beiden Nocken 31, 32 zur Ventilsteuerung ebenfalls zuvor an der Funktionsgruppe 30 angeordnet. Grundsätzlich kann die Funktionsgruppe einstückig vorliegen oder aber auch in einer sogenannten gebauten Form vorliegen.
An zumindest einem Teilbereich des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 der Funktionsgruppe 30 wird optional eine Oberflächenstrukturierung 45 aufgebracht. Besonders vorteilhaft wird diese Oberflächenstrukturierung 45 mittels eines Lasers hergestellt. Die Oberflächenstrukturierung 45 wird dabei gemäß einer vorgegebenen Belastung der herzustellenden Nockenwelle 10 gewählt, wobei die Oberflächenstrukturierung 45 vorzugsweise eine Rautiefe zwischen 1 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 μm, aufweist. Die Oberflächenstrukturierung 45 kann dabei beispielsweise in Form von Linien und/oder Linienzügen mit einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 20° und 160°, bezogen auf eine Umfangsrichtung der Nockenwelle 10 hergestellt werden. Dabei sind auch sich kreuzende Linien oder Linienzüge möglich. Aber auch andere Formgebungen, wie beispielsweise bienenwabenartige Strukturen und dergleichen, sind für die Oberflächenstrukturierung 45 möglich.
Alternativ oder zusätzlich zur Oberflächenstrukturierung 45 an zumindest einem Teilbereich des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 der Funktionsgruppe 30 wird an zumindest einem Teilbereich des außenumfangsseitigen Fügebereichs 26 der Trägerwelle 12 eine Oberflächenstrukturierung 25 aufgebracht. Besonders vorteilhaft wird diese Oberflächenstrukturierung 25 mittels eines Lasers hergestellt. Die Oberflächenstrukturierung 25 wird dabei gemäß einer vorgegebenen Belastung der herzustellenden Nockenwelle 10 gewählt, wobei die Oberflächenstrukturierung 25 vorzugsweise eine Rautiefe zwischen 1 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 μm, aufweist. Die Oberflächenstrukturierung 25 kann dabei beispielsweise in Form von Linien und/oder Linienzügen mit einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 20° und 160°, bezogen auf eine Umfangsrichtung der Nockenwelle 10 hergestellt werden. Dabei sind auch sich kreuzende Linien oder Linienzüge möglich. Aber auch andere Formgebungen, wie beispielsweise bienenwabenartige Strukturen und dergleichen, sind für die Oberflächenstrukturierung 25 möglich.
Nach dem Herstellen der Oberflächenstrukturierung 25 wird der außenumfangsseitige Fügebereich 26 der Trägerwelle 12 zumindest teilweise auf eine vorgegebene Abkühltemperatur abgekühlt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass nach dem Herstellen der Oberflächenstrukturierung 45 der innenumfangsseitige Fügebereich 44 der Funktionsgruppe 30 zumindest teilweise auf eine vorgegebene Erwärmungstemperatur erwärmt wird. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass nur ein Abschnitt des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 der Funktionsgruppe 30 erwärmt wird.
Durch das Abkühlen des außenumfangsseitigen Fügebereichs 26 der Trägerwelle schrumpft dessen Durchmesser, wobei durch das Erwärmen des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 der Funktionsgruppe 30 ein Aufweiten des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 die Folge ist. Durch derartige Maßänderungen, einzeln oder in Kombination, können der außenumfangsseitige Fügebereich 26 der Trägerwelle 12 und der innenumfangseitige Fügebereich 44 ohne beziehungsweise mit einem verringerten Widerstand zueinander gefügt werden.
Nach der zumindest teilweisen Temperierung des außenumfangsseitigen Fügebereichs 26 der Trägerwelle 12 und/oder des innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 der Funktionsgruppe 30 wird ein Pressverband hergestellt, indem der außenumfangsseitige Fügebereich 26 der Trägerwelle 12 mit dem innenumfangsseitigen Fügebereich 44 der Funktionsgruppe 30 gepaart werden. Mit anderen Worten wird also ein Pressverband in Form einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen der Trägerwelle 12 und der Funktionsgruppe 30 hergestellt. Falls die Fügebereiche von Trägerwelle 12 und Funktionsgruppe 30 nur abschnittsweise temperiert werden, können sich abhängig von der geometrischen Gestaltung von Trägerwelle 12 und Funktionsgruppe 30 örtlich Merkmale eines Querpressverbundes und/oder eines Längspressverbundes realisieren lassen.
Vorzugsweise werden dabei sowohl die Trägerwelle 12 als auch die Funktionsgruppe 30 noch vor dem Herstellen des Pressverbands vollständig mechanisch fertig bearbeitet. Falls der innenumfangsseitige Fügebereich 44 der Funktionsgruppe 30 zumindest teilweise erwärmt wird, erfolgt das Erwärmen vorzugsweise unter Schutzgas oder im Vakuum. Dadurch kann eine unerwünschte Gefügeänderung an der Funktionsgruppe 30 reduziert oder unterbunden werden. Die Erwärmung als solche erfolgt dabei vorrangig über den innenumfangsseitigen Fügebereich 44, also innerhalb des als Bohrung 40 ausgebildeten innenumfangsseitigen Fügebereichs 44, und nicht von außerhalb. Dadurch können ebenfalls unerwünschte Gefügeveränderungen der Funktionsgruppe 30 unterbunden oder zumindest verringert werden.
Bislang wurde ein Pressverband zwischen der Trägerwelle 12 und einer Funktionsgruppe 30 beschrieben. Gleichermaßen ist es auch möglich, mehr als eine Funktionsgruppe 30 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Trägerwelle 12 zu verbinden. Wenngleich in den Figuren nicht abgebildet, sind im Falle der mindestens einen weiteren Funktionsgruppe 30' die wesensgleichen Merkmale wie bei der Funktionsgruppe 30 gemeint. Besonders vorteilhaft ist es, an beiden Wellenenden 21, 22 der Trägerwelle 12 eine Funktionsgruppe 30, 30' zu fügen. Weist eine Funktionsgruppe 30, 30' eine durchgehende Bohrung 40 auf, kann eine solche Funktionsgruppe 30, 30' auch an Nichtendbereichen der Trägerwelle angeordnet werden.
In 3A bis 3H sind exemplarisch verschiedene Ausführungsformen der Trägerwelle 12 dargestellt. Die in den 3A bis 3H dargestellten Trägerwellen 12 sind jeweils zumindest im Bereich des außenumfangseitigen Fügebereichs 26 zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächenstrukturierung 25 versehen. In den konkreten Abbildungen 3A bis 3H sind diese außenumfangseitigen Fügebereiche 26 und die Oberflächenstrukturierung 25 exemplarisch an einem Wellenende 21 dargestellt. Diese außenumfangseitigen Fügebereiche 26 sowie die Oberflächenstrukturierung 25 können aber alternativ oder zusätzlich an anderen außenumfangseitigen Zonen platziert sein, beispielsweise am anderen Wellenende 22, aber auch an Nicht-Endbereichen der Trägerwelle.
Die Ausführungsart 3A zeigt eine Trägerwelle 12 mit im Wesentlichen über die Bauteillänge gleichem Durchmesser.
Die Ausführungsart 3B zeigt eine Trägerwelle 12, die an einem Wellenende 21 einen Hohlbereich 27 aufweist. Ein solcher Hohlbereich kann sich, wenngleich in 3B nicht dargestellt, alternativ oder zusätzlich auch am anderen Wellenende 22 befinden. Der Hohlbereich 27 kann dabei, wie in 3B dargestellt kürzer sein als der außenumfangseitige Fügebereich 26. Der Hohlbereich 27 kann auch im Wesentlichen so tief sein wie der außenumfangseitige Fügebereich 26.
Der Hohlbereich 27 kann auch tiefer sein als der außenumfangseitige Fügebereich 26, wie in 3C dargestellt.
Grundsätzlich kann die Trägerwelle 12 auch durchgängig hohl sein, wie in 3D gezeigt. Wenngleich in den Figuren nicht dargestellt, kann die Trägerwelle 12 auch teilweise geschlitzt sein.
Die Trägerwelle 12, unabhängig davon ob massiv, teilweise oder vollständig hohl, kann sowohl einen über die Bauteillängsachse im Wesentlichen gleichen Außendurchmesser aufweisen oder einen unterschiedlichen Außendurchmesser zeigen.
Exemplarisch sind solche Ausführungsformen in den 3E, 3F und 3G gezeigt. 3E zeigt eine Trägerwelle 12, die im Bereich des Wellenendes 21 einen kleineren Außendurchmesser als das restliche Wellenstück aufweist. 3F zeigt eine Trägerwelle 12, die im Bereich des Wellenendes 21 einen größeren Außendurchmesser als das restliche Wellenstück aufweist. 3G zeigt eine Trägerwelle 12, welche an einem Wellenende 21 eine abgestufte Geometrie aufweist. Die für die 3E, 3F und 3G dargestellten Geometriemerkmale können sich, wenngleich in den Figuren nicht dargestellt, alternativ oder zusätzlich auch am andern Wellenende 22 befinden.
Die Ausführungsbeispiele in 3E, 3F und 3G sind als massive Trägerwellen 12 dargestellt. Die getroffenen Aussagen zu den Außendurchmessern gelten sinngemäß auch für teilweise oder durchgehend hohle, sowie auch für zumindest teilweise geschlitzte Trägerwellen 12.
3H zeigt exemplarisch eine Trägerwelle 12, die außerhalb des Fügebereiches zur Funktionsgruppe 30 mindestens einen Nocken 70 und/oder mindestens eine Radiallagerstelle 71 aufweist. Dieser mindestens eine Nocken 70 kann festsitzend oder in Richtung der Trägerwellenlängsachse verschiebbar ist. Das Ausführungsbeispiel in 3H ist als massive Trägerwelle 12 mit im Wesentlichen über die Wellenlängsachse gleichem Außendurchmesser dargestellt. Wie zuvor erwähnt, kann gleichermaßen auch die Trägerwelle 12 in 3H teilweise oder vollständig hohl sein. Des Weiteren kann die Trägerwelle einen durchgängig gleichen oder ungleichen Außendurchmesser aufweisen.
In 4A bis 4D sind exemplarisch verschiedene Ausführungsformen der Funktionsgruppe 30 dargestellt. Die jeweils dargestellten Tiefen der Bohrung 40 der Ausführungsformen in 4A bis 4D ist beispielhaft zu sehen. Diese Bohrung 40 kann in Form einer Sacklochbohrung oder, wenngleich auch nicht in den Figuren dargestellt, vollständig durchgehend vorliegen. Die Wandung dieser Bohrung 40 stellt den innenumfangseitigen Fügebereich 44 der Funktionsgruppe 30 dar. Der innenumfangseitigen Fügebereich 44 der Funktionsgruppe 30 in 4A bis 4D kann abschnittsweise oder vollständig mit einer Oberflächenstrukturierung 45 versehen sein. Grundsätzlich weisen alle Funktionsgruppen 30 zumindest einen Nocken 31, 32 sowie mindestens ein Radiallager 33, 34 auf. Wenngleich nicht abgebildet, kann die Funktionsgruppe 30 auch mehr als zwei Nocken aufweisen. Zusätzlich, kann jede der im Folgenden beschriebenen Funktionsgruppen 30 in 4A bis 4D weitere Funktionselemente wie beispielsweise mindestens einen Flansch 35, eine Axiallagerstelle 36, mindestens einen Pumpennocken 37, mindestens ein Bauelement zur Montagehilfe 38, mindestens ein geometrisches Merkmal zum Rotationsbezug sowie mindestens eine Komponente zugehörig zu einem Nockenwellenversteller aufweisen.
Die Anordnung der erwähnten Funktionselemente auf der Funktionsgruppe 30 ist beispielhaft zu sehen.
Die Ausführungsart 4A und die Ausführungsart 4B zeigen jeweils eine Funktionsgruppe 30, deren Bohrung 40 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser 41 über die Länge der Bohrung 40 aufweist.
Bei der Ausführungsart 4C weist die Funktionsgruppe 30 eine Bohrung 40 mit unterschiedlichen Durchmessern 41, 42 auf. Besonders vorteilhaft ist es beispielsweise, Bereiche unter einem Nocken teilweise oder vollständig dadurch zu entlasten, dass dort ein größerer Durchmesser 42 als der sonstige Durchmesser 41 gewählt wird. In einem solchen Fall trägt der innenumfangsseitigen Fügebereichs 44 im Bereich des Durchmessers 42 wenig oder nicht zum Pressverband bei. Alternativ können auch mehr als die zwei dargestellten Durchmesserbereiche vorliegen.
Bei der Ausführungsart 4D weist die Funktionsgruppe 30 eine Bohrung mit gestuften Durchmessern 41, 42 auf. Alternativ können auch mehr als die zwei dargestellten Durchmesserbereiche vorliegen.
In 5 sind zehn unterschiedliche mögliche Ausführungsformen der Oberflächenstrukturierungen 25, 45 schematisch dargestellt. Die Formgebungen der unterschiedlichen Ausführungsformen der Oberflächenstrukturierungen 25, 45 sind dabei bezogen auf die Fügerichtung 62 kenntlich gemacht. Die Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise linienförmig und parallel zur Fügerichtung 62 verlaufen, um beispielsweise vorwiegend Torsionsmomente zwischen der Trägerwelle 12 und der Funktionsgruppe 30 übertragen zu können.
Es ist aber auch möglich, dass die linienförmige Oberflächenstrukturierung 25, 45 senkrecht zur Einpressrichtung 62 verläuft, um beispielsweise überwiegend Zug- und/oder Druckkräfte entlang der Längsachse der Nockenwelle 10 auch bei einer Biegebelastung zu übertragen.
Es ist auch möglich, dass die Oberflächenstrukturierung 25, 45 in Form eines Kreuz- bzw. Rändelmusters aufgebracht wird, um insbesondere unterschiedlichsten gemischten Belastungsfällen Rechnung zu tragen.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Oberflächenstrukturierung 25, 45 in Form einer Art Punktstruktur hergestellt wird, wodurch insbesondere die Eingrabung der Oberflächenstrukturierung 25, 45 bei dem korrespondierenden Bauteilpartner verstärkt wird, insbesondere in Verbindung mit einem Querpressverband.
Darüber hinaus sind auch im Wesentlichen beliebige Mischformen zwischen Kreuz- bzw. Rändelstrukturen und Linienstrukturen denkbar.
Ferner können, wie in der unteren Reihe in 5 – von links nach rechts gesehen – die ersten vier unterschiedlichen Ausführungsformen der Oberflächenstrukturierung 25, 45 auch nicht-vollflächige Oberflächenstrukturierungen vorgesehen werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass eine linienförmige, beispielsweise diagonale, Oberflächenstrukturierung mit einer bestimmten Vorzugsrichtung hergestellt wird. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Oberflächenstrukturierung 25, 45 beispielsweise bienenwabenförmig hergestellt wird. Im Wesentlichen wird die Formgebung der Oberflächenstrukturierung 25, 45 an eine vorgegebene Belastung zwischen der Trägerwelle 12 und der Funktionsgruppe 30 angepasst und hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009060352 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle (10), insbesondere einer Nockenwelle (10) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, durch einen Pressverband zwischen einer Trägerwelle (12) und zumindest einer Funktionsgruppe (30), bei dem die zumindest eine Funktionsgruppe (30) vor dem Fügen zumindest abschnittsweise erwärmt und/oder die Trägerwelle (12) vor dem Fügen zumindest abschnittsweise gekühlt wird, und bei dem vor dem Fügeprozess auf dem außenumfangseitigen Fügebereich (26) der Trägerwelle (12) und/oder auf dem innenumfangseitigen Fügebereich (44) der zumindest einen Funktionsgruppe (30) zumindest in einem Abschnitt des Fügekontaktbereiches eine Oberflächenstrukturierung (25, 45) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsgruppe (30) mindestens einen Nocken (31, 32) und mindestens ein Radiallager (33, 34) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsgruppe (30) vor dem Fügeprozess zusätzlich einen Flansch (35) und/oder mindestens eine Axiallagerstelle (36) und/oder mindestens einen Pumpennocken (37) und/oder mindestens ein Bauelement zur Montagehilfe 38 und/oder mindestens ein geometrisches Merkmal zum Rotationsbezug und/oder mindestens eine Komponente zugehörig zu einem Nockenwellenversteller beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nocken (31, 32) und das mindestens eine Radiallager (33, 34) der zumindest einen Funktionsgruppe (30) vor dem Fügeprozess mechanisch fertigbearbeitet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsgruppe (30) vor dem Fügeprozess zumindest auf der Außenoberfläche vollständig mechanisch fertigbearbeitet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Wellenenden (21, 22) der Trägerwelle (12) jeweils eine Funktionsgruppe (30, 30') gefügt wird, wobei zumindest die Nocken (31, 32) und die Radiallager (33, 34) beider Funktionsgruppen (30, 30') vor dem Fügeprozess mechanisch fertigbearbeitet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (12) zumindest abschnittsweise hohl ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (25, 45) auf der Trägerwelle (12) und/oder auf der Funktionsgruppe (30) aus einzelnen Punkten, aus durchgehenden geraden oder gekrümmten Linienzügen oder aus Linienscharen besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (25, 45) auf der Trägerwelle (12) und/oder auf der Funktionsgruppe (30) mit Hilfe eines Lasers dargestellt wird.
Nockenwelle (10), insbesondere Nockenwelle (10) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, welche an mindestens einem Bereich der Trägerwelle (12) eine Funktionsgruppe (30) aufweist, wobei der Fügeverbund mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde.
Nockenwelle (10), insbesondere Nockenwelle (10) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, welche an beiden Endbereichen (21, 22) der Trägerwelle (12) jeweils eine Funktionsgruppe (30, 30') aufweist, wobei die Fügeverbunde mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurden.