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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Funktionsbaugruppe, umfassend eine Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und zumindest eine gebaute Verbundwelle, die eine Hohlwelle mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen umfasst und an der Rahmenstruktur gelagert ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine derartige Funktionsbaugruppe, die insbesondere als Motorenbaugruppe, beispielsweise als Nockenwellenbaugruppe, Zylinderkopfbaugruppe, Massenausgleichsbaugruppe oder in ähnlicher Weise ausgestaltet sein kann.
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Ein ähnliches Verfahren ist aus der
DE 10 2010 045 047 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren dient zum Zusammenbau eines Moduls für einen Kraftfahrzeugmotor, welches zumindest eine Zylinderkopfhaube mit Lageraufnahmen und eine in den Lageraufnahmen gelagerte Nockenwelle umfasst, wobei die Nockenwelle im Zuge des Zusammenbaus des Moduls aus einer Tragwelle und mit der Tragwelle zu verbindenden Bauteilen gebaut wird, und wobei die Bauteile Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Tragwelle aufweisen. Ferner werden die Bauteile, die auf der Tragwelle zu befestigen sind, derart in einer vorbestimmten Reihenfolge in der Zylinderkopfhaube so positioniert, dass Durchgangsöffnungen der Bauteile fluchtend zu den Lageraufnahmen der Zylinderkopfhaube angeordnet sind. Die Tragwelle wird axial zugeführt, wobei ein Verpressen der Tragwelle mit den Bauteilen erfolgt, das auf Basis des thermischen Fügens durchgeführt wird, wobei die Tragwelle abgekühlt sowie die auf dieser zu befestigenden Bauteile erwärmt werden.
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Das bekannte Verfahren ist insofern vorteilhaft, als dass sogenannte ”geschlossene” nicht geteilte Zylinderkopfbaugruppen mit entsprechenden nicht geteilten Lageraufnahmen mit Nockenwellen bestückbar sind. Dies erlaubt eine integrale Gestaltung der Zylinderkopfhaube und reduziert insbesondere Fertigungskosten und Montagekosten, die bei mehrteiligen Zylinderkopfhauben nicht vermeidbar sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Fügeverfahren, auf dem die
DE 10 2010 045 047 A1 beruht, technologischen Grenzen unterworfen ist. Ein Pressverbund erfordert üblicherweise eine definierte axiale und/oder radiale Überdeckung zwischen den miteinander zu fügenden Teilen, um das aufzunehmende Teil, etwa den Nocken, hochgenau in der gewünschten Axialposition, Winkellage und insbesondere zur Drehmitnahme geeignet auf der Tragwelle zu befestigen. Insbesondere bei Bauteilen, die zumindest teilweise zur Drehmomentübertragung genutzt werden, wie etwa bei Zahnrädern, Nocken, Riemenscheiben und dergleichen, muss sichergestellt werden, dass im Betrieb der Nockenwelle keine Relativverdrehungen zwischen den Bauteilen und der Tragwelle auftreten können. Derartige Fehler können nämlich zu beträchtlichen Schäden am Zylinderkopf und ggf. sogar zu Totalschäden des Motors führen.
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Somit muss bei der Auslegung einer thermisch zu verpressenden Nockenwelle einerseits eine notwendige Fügepassung, die das Verpressen als solches überhaupt ermöglicht, beachtet werden. Ferner muss die nach dem Verpressen (theoretisch) verbleibende Überdeckung zwischen den Bauteilen sichergestellt werden, die die Lagefixierung ermöglicht. Das thermische Verfügen macht sich dabei zunutze, dass die verwendeten Werkstoffe, insbesondere Metallwerkstoffe, einer bestimmten Wärmedehnung unterliegen.
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Somit kann etwa ein Fügedurchmesser der Tragwelle durch Abkühlen verringert werden. Ferner kann ein Fügedurchmesser der auf dieser zu befestigenden Bauteile durch Erwärmen vergrößert werden. Hierbei müssen jedoch Temperaturgrenzen beachtet werden. Ein übermäßiges Erwärmen der zu befestigenden Bauteile kann deren Eigenschaften negativ beeinflussen, etwa zu einem Härteverlust oder gar zu Gefügeveränderungen führen. Gleichermaßen kann sich ein übermäßiges Abkühlen der Trägerwelle negativ auswirken.
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Im Hinblick auf das Abkühlen sind ferner Grenzen zu beachten, die wirtschaftlich einsetzbare Kühlverfahren mit sich bringen. Beispielsweise können Bauteile mit flüssigem Stickstoff bis auf ungefähr –176° (Grad Celsius) abgekühlt werden. Somit kann einerseits das Montagespiel nicht beliebig groß und andererseits auch die (theoretische) Überdeckung der Bauteile bei Raumtemperatur nicht beliebig groß ausgewählt werden. Dies kann einerseits problematisch für die Montage sein, da die Genauigkeitsanforderungen umso mehr steigen, je kleiner das Fügespiel ist. Andererseits kann eine nur relativ geringe Überdeckung nach dem Fügen die Funktionssicherheit der Nockenwelle beeinträchtigen.
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Aus der
DE 10 2011 117 849 A1 ist ein Verfahren zur Fertigung einer Nockenwelle bekannt, wobei ein Funktionselement mit einer vorgebbaren ersten Winkelstellung in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse in eine Haltevorrichtung eingebracht wird, wobei eine Welle durch die Aussparung des Funktionselements geführt wird, und wobei die Welle und/oder das Funktionselement derartig um die Längsachse gedreht werden/wird, dass das das Funktionselement eine zweite vorgebbare Winkelstellung einnimmt. Das Verfahren umfasst ferner ein Fügen des Funktionselements mit der Welle mittels Pressen. Weitere Verfahren zur Erzeugung von Nockenwellenmodulen sind aus der
DE 10 2012 016 357 A1 sowie aus der
DE 10 2012 206 499 A1 bekannt.
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Aus der
DE 42 21 962 A1 ist ein IHU basiertes Verfahren allgemeiner Art zur Herstellung einer Nockenwelle bekannt. Aus der
DE 100 24 768 A1 ist ein Montageverfahren bekannt, bei dem Elemente innerhalb eines Gehäuses mit einer Welle gefügt werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Fügen von Funktionsbaugruppen anzugeben, das insbesondere für Funktionsbaugruppen mit nicht geteilten Gehäusen bzw. nicht geteilten Lagergassen geeignet ist und somit die Erzeugung integral gestalteter Funktionsbaugruppen erlaubt. Vorzugsweise kann das Verfahren zur Verringerung der Fertigungskosten, insbesondere zur Verringerung der Fügekosten, beitragen. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Fügeverfahren zur Erhöhung der Prozesssicherheit beiträgt und insbesondere die Herstellung von Funktionsbaugruppen mit gebauten Verbundwellen erlaubt, die mit zur Drehmitnahme ausgebildeten Anbauteilen versehen sind, die die Übertragung von Drehmomenten, die sich im Betrieb der Funktionsbaugruppe ergeben können, mit hoher Funktionssicherheit und Ausfallsicherheit erlauben können. Ferner erlaubt das Fügeverfahren vorzugsweise eine Verringerung des Einsatzes an Hilfs- und Betriebsstoffen sowie des Energieeinsatzes beim Fügen der Funktionsbaugruppe. Vorzugsweise erlaubt das Verfahren ein Fügen der Funktionsbaugruppe bei Raumtemperatur.
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Ferner soll im Rahmen dieser Offenbarung eine Funktionsbaugruppe angegeben werden, die gemäß zumindest einigen Grundprinzipien des Verfahrens erzeugbar ist.
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Das Verfahren betreffend wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Fügen einer Funktionsbaugruppe, umfassend eine Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und zumindest eine gebaute Verbundwelle, die eine hohle Welle mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen umfasst und an der Rahmenstruktur gelagert ist, gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellung einer Rahmenstruktur, insbesondere eines Lagerrahmens oder eines Gehäuses, die eine Lagergasse mit zumindest einem umfänglich geschlossenen Lagersitz definiert,
- – Bereitstellung zumindest zweier Anbauteile, insbesondere einer Mehrzahl von Anbauteilen,
- – Bereitstellung einer Hohlwelle, die zumindest einen Tragabschnitt für die Anbauteile aufweist, wobei die Anbauteile einen an den Tragabschnitt angepassten Aufnahmesitz aufweisen,
- – Zuführen der Anbauteile in die Lagergasse in einer ersten Zuführrichtung,
- – Zuführen der Hohlwelle in die Lagergasse in einer zweiten Zuführrichtung, die von der ersten Zuführrichtung verschieden ist, wobei die Hohlwelle in den jeweiligen Aufnahmesitz der zumindest zwei Anbauteile eingeführt wird, und
- – nach dem Zuführen der Anbauteile und der Hohlwelle in die Lagergasse, zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung der zumindest zwei Anbauteile mit ihren Aufnahmesitzen am jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle, wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt wird, und wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile elastisch verformt werden, wobei die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle an ihrer Außenkontur mittels abtragender Bearbeitungsverfahren endbearbeitet werden und Abmessungen aufweisen, die unter Beachtung der nach dem Aufweiten der Hohlwelle verbleibenden elastischen Verformung definiert sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollständig gelöst.
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Erfindungsgemäß können nämlich die mit dem thermischen Fügen einhergehenden Nachteile vermieden werden, indem die Hohlwelle, die allgemein auch als Trägerwelle bezeichnet werden kann, in einem vormontierten Zustand (plastisch) verformt wird, um die auf dieser zu befestigenden Anbauteile verliersicher und zur Momentenübertragung geeignet festzulegen.
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Ferner ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass die Hohlwelle mit Anbauteilen bestückt werden kann, die eigentlich zu groß für die Lagersitze der Rahmenstruktur sind, um durch diese axial hindurch zugeführt zu werden. Somit muss bei der Gestaltung der Lagersitze keine besondere Rücksicht auf die Abmessungen der Anbauteile genommen werden.
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Das Aufweiten der Hohlwelle kann derart erfolgen, dass die Hohlwelle in Bereichen, die innerhalb der Anbauteile angeordnet sind, durch innere Druckaufgabe plastisch radial aufgeweitet wird, so dass die Anbauteile in bleibendem Presssitz auf der Hohlwelle festgelegt werden. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die
EP 1 334 784 A2 verwiesen, die sich mit dem sogenannten Innenhochdruckumformen von rohrartigen Bauteilen, insbesondere von Hohlwellen befasst. Innenhochdruckumformverfahren werden allgemein auch als IHU-Verfahren bezeichnet.
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Ein wesentlicher Vorteil des Fügeverfahrens besteht darin, dass der Verbund aus Anbauteilen und Hohlwelle im Wesentlichen einstufig erzeugt werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, die zu fügenden Elemente thermisch zu behandeln und zusätzlich miteinander zu verpressen. Idealerweise liegt im nicht miteinander verpressten Zustand zwischen den Anbauteilen und der Hohlwelle ein hinreichend großes Fügespiel vor, das ein Ausrichten und vormontieren der Elemente ohne wesentliche Fügekräfte ermöglicht.
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Das Aufweiten der Hohlwelle zur Erzeugung des Presssitzes hat den weiteren Vorteil, dass grundsätzlich hohe Überdeckungen erzielt werden können, die einen hochbelastbaren Verbund erzeugen können. Bei Verfahren, die ein thermisches Fügen beinhalten, sind häufig weitere Maßnahmen erforderlich, um etwa Reibwerte zwischen den zufügenden Bauteilen zu erhöhen. Es sind Anwendungen bekannt, bei denen nur auf diese Art und Weise die gewünschte Tragfähigkeit und Festigkeit der Verbindung erzeugt werden kann. Derartige Maßnahmen können bei Fügeverfahren, die die Wärmedehnung der Fügepartner ausnutzen, weitere Bearbeitungsgänge erforderlich machen, wie etwa die Erzeugung reibwerterhöhender Strukturen und/oder entsprechender Beschichtungen.
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Im Gegensatz dazu ermöglicht das Fügen auf Basis einer plastischen Aufweitung der Hohlwelle hochbelastbare Verbindungen. Dies kann im Vergleich zu bekannten thermischen Fügeverfahren etwa dazu führen, dass Anbauteile geringerer Breite verwendbar sind. Häufig müssen Anbauteile, die für das thermische Fügen ausgelegt sind, eine Mindestbreite (axiale Erstreckung) aufweisen, um gewünschte Übertragungsmomente bereitstellen zu können. Dies kann jedoch bei IHU-basierten Verfahren bereits durch die potentiell größere Überdeckung erzielt werden, so dass eine entsprechende Reduzierung der Breite ermöglicht ist. Dies kann etwa zur Gewichtsreduzierung der Verbundwelle beitragen.
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Im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind unter dem Begriff Hohlwelle sowohl Trägerwellen zu verstehen, die durchgängig mit einer Ausnehmung versehen sind, also durchgängig ”hohl” gestaltet sind. Ferner sind unter dem Begriff Hohlwelle auch Trägerwellen zu verstehen, die zumindest abschnittsweise mit einem Hohlprofil bzw. einer entsprechenden Ausnehmung versehen sind. Mit anderen Worten können im Sinne dieser Offenbarung auch Trägerwellen als Hohlwellen bezeichnet werden, die teilweise geschlossene Profilabschnitte aufweisen. Gleichwohl ist es bevorzugt, wenn die Hohlwelle vollständig rohrartig gestaltet ist.
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Vorzugsweise weist die Hohlwelle vor dem Aufweiten ein einheitliches, durchgehendes Hohlprofil oder Ringprofil auf, so dass sich über die Längserstreckung der Hohlwelle im Wesentlichen keine Durchmesserabweichungen, also etwa keine Abstufungen oder dergleichen ergeben. Gleichwohl ist es vorstellbar, dass die Hohlwelle zumindest abschnittsweise mit Verjüngungen, Einstichen und Ähnlichem versehen sein kann. Es sind jedoch auch Gestaltungen denkbar, bei denen die Hohlwelle zumindest an ihrem Außenumfang gestuft gestaltet ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Rahmenstruktur um eine einteilig gefertigte oder zumindest integral gefertigte Rahmenstruktur. Mit anderen Worten ist die Rahmenstruktur vorzugsweise nicht geteilt, also nicht aus zwei oder mehr Elementen (Rahmenhälften) zusammengesetzt. Demgemäß kann es sich bei dem umfänglich geschlossenen Lagersitz insbesondere um einen Lagersitz mit einer einzigen umlaufenden Passfläche für ein Lager handeln. Mit anderen Worten ist die Lagergasse der Rahmenstruktur für die Hohlwelle nicht radial passierbar. Die Hohlwelle kann demgemäß lediglich axial in die Lagergasse eingeführt werden. Die Lagergasse der Rahmenstruktur wird üblicherweise durch eine Mehrzahl von miteinander fluchtend ausgerichteten (konzentrisch angeordneten) Lagersitzen definiert.
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Die drehsteife Fixierung der Anbauteile an der Hohlwelle erlaubt insbesondere eine Drehmomentübertragung zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen. Mit anderen Worten sind die Anbauteile verdrehsicher an der Hohlwelle aufgenommen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weisen die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle eine Endkontur auf, die insbesondere nachbearbeitungsfrei ist, und mit einem Außenumfang versehen sind, der Ist-Abmessungen aufweist, die funktionsseitig vorgegebenen Soll-Abmessungen des Außenumfangs entsprechen. Dies hat den Vorteil, die Verbundwelle, die ja der Rahmenstruktur gefügt ist, also etwa im Gehäuse, keiner weiteren materialabtragenden Bearbeitung unterzogen werden braucht. Eine solche Nachbearbeitung würde zu deutlich erhöhtem Aufwand führen, da die Verbundwelle ja bereits ”verbaut” ist. Dies wäre unter anderem durch die schlechte Zugänglichkeit der Verbundwelle bzw. der Anbauteile und die mit der Nachbearbeitung einhergehende Verschmutzung der Funktionsbaugruppe bedingt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, sind die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle unter Vorspannung mit ihren Tragabschnitten verpresst, wobei die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle eine Außenkontur aufweisen, die kleiner als eine funktionsseitig vorgegebene Soll-Außenkontur ist, und wobei die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle eine Ist-Außenkontur aufweisen, die der funktionsseitig vorgegebenen Soll-Außenkontur entspricht. Mit anderen Worten kann die verbleibende elastische Verformung der Anbauteile antizipiert und bei den noch nicht gefügten Anbauteilen vorgehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass die Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle die gewünschten Abmessungen aufweisen. die erforderliche Außenkontur der Anbauteile vor dem Fügen kann durch Berechnungen, Simulationen und/oder durch Versuche ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind zumindest einige der Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle an ihrer Außenkontur mit Funktionsflächen, insbesondere mit umlaufenden Laufflächen versehen, deren Oberfläche endbearbeitet ist. Es wird in diesem Zusammengang nochmals betont, dass ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens darin besteht, dass keine abtragende Nachbearbeitung der gefügten Anbauteile erforderlich ist. Auch wenn sich die Abmessungen der Außenkontur der Anbauteile durch das Aufweiten der Hohlwelle verändern, so bleibt doch die Oberflächegüte im Wesentlichen erhalten. Dies beruht insbesondere darauf, dass die relative Verformung nur sehr gering ist. Würden die Anbauteile hingegen gemäß allgemein bekannter Verfahren zum Fügen mittels Innenhockdruckumformung gefügt werden, wäre eine spanende Nachbearbeitung zur Erzeugung der gewünschten Oberflächengüte erforderlich. Dies würde den Aufwand und die Kosten deutlich erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle an ihrer Außenkontur mittels abtragender Bearbeitungsverfahren endbearbeitet und weisen Abmessungen auf, die unter Beachtung der nach dem Aufweiten der Hohlwelle verbleibenden elastischen Verformung definiert sind. Die Anbauteile werden also bewusst, etwas ”zu klein” gefertigt, um nach dem Aufweiten maßhaltig zu sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist der Schritt des Zuführens der Anbauteile ferner Folgendes auf:
- – Ausrichten der Anbauteile, wobei zumindest zwei der Anbauteile in einer Füge-Soll-Orientierung angeordnet werden, die eine relative Orientierung der Anbauteile zueinander erzeugt, die von einer Soll-Orientierung der Anbauteile zueinander im gefügten Zustand abweicht.
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Dies kann etwa bedeuten, dass mehrere oder sämtliche als Nocken ausgeführte Anbauteile die gleiche Füge-Soll-Orientierung aufweisen. Dies kann die Handhabung und das Zuführen der Anbauteile deutlich vereinfachen. Ferner kann die Ausrichtung der Anbauteile vereinfacht werden, da etwa der Aufwand zur Bereitstellung geeigneter Positionieraufnahmen sinkt.
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Gemäß einer weitern Ausgestaltung weist das Verfahren nach dem Zuführen der Hohlwelle in die Lagergasse Folgendes auf:
- – axiales Ausrichten der Hohlwelle,
- – Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle in Bezug auf zumindest ein Anbauteil, und
- – abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen Anbauteils am zugeordneten Tragabschnitt der Hohlwelle.
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Dies hat den Vorteil, dass die Winkelausrichtung der Anbauteile zueinander mittelbar durch das Ausrichten der Hohlwelle folgen kann. Mehrere Anbauteile können daher nach dem Zuführen die gleiche Füge-Soll-Orientierung aufweisen, obwohl sie im final gefügten Zustand eine hiervon abweichende Soll-Orientierung aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verfahren ferner ein sequentielles Abarbeiten der folgenden Schritte für eine Mehrzahl von Anbauteilen auf:
- – Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle in Bezug auf zumindest ein nächstes Anbauteil,
- – Aufweiten eines nächsten Tragabschnitts der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen nächsten Anbauteils,
wobei sich durch das sequentielle Ausrichten und Aufweiten eine gewünschte Relativlage, insbesondere eine gewünschte relative Winkelausrichtung, zwischen den Anbauteilen ergibt.
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Damit kann ein sequentielles Fügen realisiert werden. Ferner kann jedes Anbauteil die gewünschte Winkelorientierung im Verbund aufweisen, indem die Hohlwelle entsprechend vor dem jeweiligen Fügen ausgerichtet wird. Ein weiterer denkbarer Vorteil des sequentiellen Fügens besteht darin, dass der Fügedruck bei jeder Abarbeitung neu angepasst werden kann. Somit kann definiert werden, wie stark der jeweilige Abschnitt der Hohlwelle aufgeweitet werden soll. Die nach dem Fügen vorhandene (gedachte) Überdeckung zwischen dem Tragabschnitt und dem Anbauteil kann variiert werden. Auf diese Weise können Fügekräfte bzw. Haltekräfte beeinflusst werden. So kann es beispielsweise bei Anbauteilen in Form von Nocken erforderlich sein, hohe Haltekräfte zu erzeugen, um ein Verdrehen oder Verrutschen der Nocken sicher zu verhindern. Andere Anbauteile, etwa Sensorräder aus Sintermetall oder ähnlichen Werkstoffen mit verringerter Festigkeit bzw. Elastizität, können ein Fügen durch Aufweiten mit reduziertem Fügedruck erforderlich machen, um Beschädigungen der Anbauteile zu vermeiden.
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Allgemein kann der erforderliche Fügedruck, mit dem ein Trägerabschnitt aufgeweitet wird, von der Funktion, den Abmessungen und/oder dem Werkstoff der Anbauteile abhängig sein. Der Fügedruck kann als der Druck verstanden werden, mit dem die jeweiligen Tragabschnitte der Hohlwelle von innen aufgeweitet werden. Dabei kann es sich etwa um den Druck des Fluids handeln, mit dem von innen auf die Innenseiten der Tragabschnitte eingewirkt wird.
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Es versteht sich, dass das sequentielle Fügen ein separates Fügen jedes Anbauteils umfassen kann. Alternativ ist es vorstellbar, zumindest bei einigen Abarbeitungen eine Mehrzahl von Anbauteilen gemeinsam zu fügen. Dies kann etwa ein Nockenpaar mit einem Einlassnocken und einem Auslassnocken betreffen. Allgemein können Anbauteile betroffen sein, die einander axial benachbart mit der Hohlwelle zu fügen sind.
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Sofern im Rahmen dieser Offenbarung von einer Verbundwelle die Rede ist, soll darunter eine Baugruppe verstanden werden, die aus mehreren Elementen, insbesondere aus einer Trägerwelle und entsprechenden Anbauteilen, besteht. Dies umfasst nicht notwendigerweise, dass die Elemente der Verbundwelle aus verschiedenartigen Werkstoffen bestehen. Üblicherweise bestehen die wesentlichen Elemente der Verbundwelle aus Metallwerkstoffen, insbesondere aus Stahlwerkstoffen.
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Bei der Funktionsbaugruppe handelt es sich vorzugsweise um eine vormontierte Nockenwellenbaugruppe, die beispielsweise ein Gehäuse, entsprechende Lager sowie eine darin aufgenommene Nockenwelle umfasst. Die Verbundwelle muss jedoch nicht unbedingt als Nockenwelle gestaltet sein. Es ist auch vorstellbar, die Verbundwelle etwa als Ausgleichswelle, allgemein als Steuerwelle oder in ähnlicher Weise zu gestalten.
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In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn die Funktionsbaugruppe als Motorenbaugruppe, insbesondere als Nockenwellenbaugruppe oder Zylinderkopfbaugruppe, ausgestaltet ist, wobei die mit der Hohlwelle versehene Verbundwelle im gefügten Zustand als Steuerwelle, insbesondere als Nockenwelle, ausgebildet ist. Andere Anwendungen können etwa Steuerwellen zur Nockenwellenverstellung, Massenausgleichswellen, Steuerwellen für Einspritzsysteme oder Ähnliches umfassen. Vorzugsweise ist die Verbundwelle mittelbar oder unmittelbar einem Ventiltrieb, Massenausgleichstrieb oder Kurbeltrieb eines Verbrennungsmotors zugeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sind die Anbauteile aus der Gruppe ausgewählt, die aus Folgendem besteht: Nocken, Flansche, Lagerhülsen, Impulsgeber, Zahnräder, Distanzhülsen und Kettenräder. Vorzugsweise ist die Hohlwelle mit einer Mehrzahl entsprechender Anbauteile bestückt, die verschiedenen der vorgenannten Typen entsprechen können. Üblicherweise weist etwa eine Nockenwelle eine Mehrzahl von Nockenpaarungen auf (Einlassnocken, Auslassnocken). Ferner ist regelmäßig zumindest ein Zahnrad oder Kettenrad zum Antrieb der Nockenwelle vorgesehen. Zur Erfassung einer Drehlage der Nockenwelle sind beispielsweise Impulsgeber oder ähnliche Drehgeber aufgenommen. Selbstverständlich sind auch andere Anbauteile denkbar.
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In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass nicht zwangsläufig jedes Anbauteil, das an der Hohlwelle aufgenommen ist, durch plastisches Aufweiten der Hohlwelle mit dieser gefügt werden muss. Beispielhaft sind Anbauteile vorstellbar, die nicht zur Drehmomentübertragung eingesetzt werden. Hierbei kann es sich etwa um Distanzhülsen, Innenringe von Lagern und ähnliche Bauteile handeln. Es ist daher vorstellbar, dass zumindest einige Anbauteile in einfacher Weise auf die Hohlwelle aufgepresst werden. Jedoch ist es bevorzugt, wenn zumindest Nocken, Zahnräder und ähnliche zur Drehmomentübertragung ausgebildete Anbauteile durch plastisches Aufweiten auf der Hohlwelle fixiert sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist dieses ferner, vor dem Zuführen der ein Anbauteile und der Hohlwelle zur Rahmenstruktur, den Schritt der Bearbeitung zumindest eines Tragabschnitts der Hohlwelle oder des zugeordneten Aufnahmesitzes der Anbauteile zur Erzeugung eines definierten Montagespiels zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen auf. Vorzugsweise erfolgt eine Bearbeitung sowohl des Tragabschnitts als auch des zugeordneten Aufnahmesitzes. Idealerweise werden dabei also ein Außendurchmesser der Hohlwelle und ein Innendurchmesser des Anbauteils derart aneinander angepasst, dass sich ein definierter Montagespalt ergibt, der ein hinreichend großes Montagespiel ermöglicht, um eine einfache Vormontage ohne großen Kraftaufwand zu erlauben. Dies erfolgt insbesondere durch axiales Einführen der Hohlwelle in die Lagergasse, in der bereits die Anbauteile bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist das definierte Montagespiel deutlich geringer als bei allgemein im Stand der Technik bekannten IHU-Verfahren gewählt. Insbesondere kann das Montagespiel wenige Promille (‰) des Fügedurchmessers zwischen der Hohlwelle und dem jeweiligen Anbauteil betragen.
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Ein relativ kleiner Montagespalt kann verschiedene Vorteile mit sich bringen. Ein wesentlicher Vorteil kann darin gesehen werden, dass sich beim Aufweiten der Hohlwelle aufgrund des geringen zu überwindenden Spaltes zum Fügen der Hohlwelle mit dem Anbauteil nur ein äußerst geringer Verzug bei der Hohlwelle und den Anbauteilen ergibt. Auf diese Weise kann auf eine Nachbearbeitung der gefügten Verbundwelle verzichtet werden. Eine solche Nachbearbeitung wäre angesichts der Tatsache, dass die gefügte Verbundwelle bereits zwangsläufig in der Rahmenstruktur aufgenommen ist, mit großem Aufwand verbunden.
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Allgemein erlaubt ein geringes definiertes Montagespiel ein sicheres Fügen der Hohlwelle mit den Anbauteilen bei einem relativ geringen Umformgrad der Hohlwelle. Auf diese Weise kann auch eine übermäßige Versprödung der Hohlwelle vermieden werden. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass der geringe Montagespalt, der beim Fügen überwunden werden muss, dazu beiträgt, dass kein massiver Gegenhalter für die Anbauteile erforderlich ist, der diese umfänglich abstützt. Mit anderen Worten kann eine sich ergebende Verformung am Umfang des Anbauteils, die durch das Aufweiten der Hohlwelle induziert wird, hinreichend präzise vorhergesagt und/oder während des Fügens oder unmittelbar im Anschluss danach festgestellt werden. Die zu erwartende Verformung/Ausdehnung ist äußerst gering.
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Auf diese Weise wird eine In-Prozess-Überwachung oder eine nahezu In-Prozess-Überwachung ermöglicht. Dies kann insbesondere bei Anbauteilen, die als Nocken ausgestaltet sind, wesentlich sein, da entsprechende Auswirkungen auf Steuerzeiten von Verbrennungsmotoren das Betriebsverhalten des Motors wesentlich beeinflussen können. Da jedoch kein massiver Gegenhalter (Matrize oder Gesenk) für das jeweilige Anbauteil erforderlich ist, kann gewissermaßen bereits während des Aufweitens die Außenkontur, insbesondere die Lauffläche, des Nockens überwacht werden. Idealerweise kann demgemäß bereits während des Aufweitens eine Rückkopplung zwischen der Überwachung der Außenkontur und der zum Aufweiten genutzten Vorrichtung erfolgen. Demgemäß können Prozessparameter des Umformvorgangs in Abhängigkeit der sich ergebenden Außenkontur des Nockens beeinflusst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Montagespiel zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen maximal 150 μm (Mikrometer), vorzugsweise maximal 100 μm, weiter bevorzugt maximal 50 μm. Beispielsweise können die Tragabschnitte der Hohlwelle und die Aufnahmesitze der diesen zugeordneten Anbauteile derart gefertigt und berabeitet sein, dass sich ein Fügespiel im Bereich zwischen 20 μm bis 75 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 30 μm bis 50 μm ergibt.
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Bekannte IHU-Verfahren, etwa gemäß der
EP 1 334 784 A2 , gehen allgemein von einem wesentlich größeren Fügespalt aus, der durch die Umformung der Hohlwelle überwunden werden muss. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Fügevorgang als solcher einfacher erfolgen kann. Auch eine Vorbearbeitung der entsprechenden Fügeflächen der Hohlwelle und des Anbauteils kann mit weniger Aufwand und weniger Präzision durchgeführt werden. Jedoch geht damit häufig der Nachteil einher, dass nach dem Fügevorgang aufgrund der Verformungen bzw. des Verzugs der Hohlwelle bzw. des Anbauteils Nachbearbeitungen erforderlich sind. Häufig umfasst die Nachbearbeitung sogar ein Richten der gefügten Welle, da die Verformungen schlichtweg zu groß sind. Dies wird gemäß der vorliegenden Offenbarung durch eine hinreichend genaue Bearbeitung vor dem Fügen und den deutlich verringerten Fügespalt vermieden.
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Die Hohlwelle wird beim Aufweiten zumindest teilweise plastisch verformt. Dies beinhaltet jedenfalls während der tatsächlichen Krafteinwirkung (Umformkraft) ein teilweises elastisches Verformen, wobei eine plastische Verformung verbleibt, wenn die Umformkraft nicht mehr auf die Hohlwelle einwirkt. Die verbleibende plastische Verformung verformt wiederum das jeweilige Anbauteil. Die Verformung es Anbauteils ist vorzugsweise im Wesentlichen elastisch. Die plastische Aufweitung der Hohlwelle bewirkt demgemäß eine bleibende elastische Aufweitung des Anbauteils, etwa des Nockens. Mit anderen Worten ist das gefügte Anbauteil nach dem Fügevorgang an seinem Umfang etwas größer als vor dem Fügen. Die verbleibende Aufweitung kann beispielhaft im Bereich von 25 μm bis 75 μm, vorzugsweise im Bereich von 40 μm bis 60 μm liegen und weiter bevorzugt etwa 50 μm betragen.
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Diese Aufweitung kann jedoch bei der Fertigung und Endbearbeitung des Anbauteils vor dem Fügen berücksichtigt bzw. vorgehalten werden. Die Aufweitung kann durch Berechnungen, Simulationen und/oder ergänzende Versuche bestimmt bzw. vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann das Anbauteil bewusst etwas ”zu klein” gefertigt werden, so dass sich nach dem Fügen und dem damit verbundenen elastischen Aufweiten die gewünschten Abmessungen bzw. die gewünschte Gestalt ergibt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner, vor dem Zuführen der Hohlwelle zur Rahmenstruktur, den Schritt des Bearbeitens, vorzugsweise des Fertigbearbeitens, zumindest eines Lagerabschnitts der Hohlwelle, der im gefügten Zustand einem Lagersitz der Lagergasse zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn die Hohlwelle bereits vor dem Einführen in die Lagergasse vollständig bearbeitet ist, so dass nach dem Einführen und dem Fügen keinerlei weitere Bearbeitung erforderlich ist. Dies erhöht zwar in gewissem Umfang den Aufwand für die Bearbeitung vor dem Fügevorgang, vermeidet jedoch nachgelagerte Bearbeitungsgänge.
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Idealerweise ist die Hohlwelle durchgehend oder im Wesentlichen durchgehend mit einem einheitlichen Außendurchmesser versehen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Anbauteilen auf dieser aufgenommen sein. Zumindest einige der Anbauteile, insbesondere Lager und ähnliche nicht zur Drehmomentübertragung ausgebildete Anbauteile, können axial aufgepresst werden. Andere Teile, die zur Drehmomentübertragung ausgebildet sind, können durch radiales Aufweiten und Aufpressen drehfest an der Hohlwelle festgelegt werden. Es versteht sich, dass auch eine gestufte Gestaltung der Hohlwelle denkbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden der zumindest eine Lagerabschnitt und der zumindest eine Tragabschnitt der Hohlwelle im Wesentlichen gleichartig bearbeitet, wobei vorzugsweise der zumindest eine Lagerabschnitt und der zumindest eine Tragabschnitt den gleichen Durchmesser aufweisen. Idealerweise trifft dies zumindest auf benachbarte Tragabschnitte und Lagerabschnitte zu. Dies kann ferner beinhalten, dass die Bearbeitung des Lagerabschnitts und des Tragabschnitts derart erfolgt, dass beide das gleiche Nennmaß und beide das gleiche Toleranzfeld umfassen. Ferner können beide die gleiche Oberflächenrauheit aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Fügens zumindest eines Lagerelements, das eine Relativverdrehung zwischen der Hohlwelle und der Rahmenstruktur erlaubt, insbesondere ein Anordnen zumindest eines Lagerelements zwischen einem Lagerabschnitt der Hohlwelle und einem zugeordneten Lagersitz der Lagergasse. Ferner kann das Verfahren auch den Schritt des Bearbeitens, vorzugsweise des Fertigbearbeitens, des zumindest eines Anbauteils vor dem Zuführen der Hohlwelle umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst dieses ferner die Schritte:
- – nicht-axiales Zuführen, vorzugsweise radiales Zuführen des zumindest einen Anbauteils in die Lagergasse,
- – axiales Zuführen der Hohlwelle in die Lagergasse, und
- – Ausrichtung des zumindest einen Anbauteils in der Lagergasse in einer definierten Relativlage
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Zu diesem Zweck kann etwa eine Positionieraufnahme vorgesehen sein, die die gewünschte Relativlage des Anbauteils zur Hohlwelle, insbesondere zu weiteren Anbauteilen für die Hohlwelle, festlegt. Die Relativlage kann einerseits eine axiale Position der Anbauteile zueinander und in Bezug auf die Hohlwelle umfassen. Ferner kann die Relativlage eine Winkelposition der Anbauteile relativ zueinander und relativ zur Hohlwelle umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt des Aufweitens der Hohlwelle ferner
- – Einführen eines lanzenartigen oder dornartigen Umformwerkzeugs in die Hohlwelle, und
- – sequentielles oder simultanes Aufweiten mehrerer Tragabschnitte der Hohlwelle, die jeweiligen Anbauteilen zugeordnet sind, wobei vorzugsweise das Aufweiten zumindest eines der Tragabschnitte (78) ohne Gegenhaltung durch eine äußere Matrize erfolgt.
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Diese Schritte können sequentiell durchgeführt werden, wobei die Hohlwelle in Einzelabschnitten plastisch aufgeweitet wird, die einzelnen oder mehreren Anbauteilen zugeordnet sind. Demgemäß kann der Fügevorgang Stück für Stück erfolgen. Es wäre jedoch auch vorstellbar, dass die verschiedenen Tragabschnitte der Hohlwelle simultan aufgeweitet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Aufweiten zumindest eines der Tragabschnitte ohne Gegenhaltung durch eine äußere Matrize. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es von Vorteil, wenn zumindest eines der Anbauteile keinen massiven Gegenhalter aufweist, der etwa sich durch das Aufweiten der Hohlwelle ergebende Deformationen beim Anbauteil steuern soll. Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten der Hohlwelle derart, dass nur geringe Deformationen bzw. Aufweitungen des Anbauteils damit einhergehen. Sofern diese Deformationen hinreichend vorhersagbar sind, kann das Anbauteil derart ausgelegt werden, dass sich nach dem Aufweiten der Hohlwelle die gewünschte Endkontur mit hoher Sicherheit und hinreichend engen Toleranzen ergibt.
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Im Sinne dieser Offenbarung ist eine Matrize oder ein Gegenhalter ein massives Gesenk, das eine sich ergebende Außenkontur des Anbauteils definiert. Derartige Gesenke sind häufig bei konventionellen IHU-Verfahren erforderlich. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn das Fügen der Hohlwelle mit den Anbauteilen gesenkfrei oder matrizenfrei erfolgt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner ein Fügen zumindest eines Lagerelements, das eine Relativverdrehung zwischen der Hohlwelle und der Rahmenstruktur erlaubt, zwischen zwei axial zueinander versetzten Tragabschnitten der Hohlwelle, wobei das Fügen des zumindest einen Lagerelements vorzugsweise vor dem Aufweiten der beiden benachbarten Tragabschnitte erfolgt. Das Zuführen des Lagerelements kann grundsätzlich auch radial erfolgen. Es ist jedoch auch vorstellbar, Lagerelemente axial in die Lagergasse zuzuführen, da diese üblicherweise an Lagersitze der Lagergasse angepasst sind. Auch kombinierte radial-axiale Zuführbewegungen sind denkbar.
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Die oben genannten Aspekte des Verfahrens beziehen sich ausdrücklich auch auf eine Verfahrensgemäß gefertigte Verbundwelle, die in einer Funktionsbaugruppe aufgenommen ist oder aufnehmbar ist.
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Die Funktionsbaugruppe betreffend wird die Aufgabe der Erfindung ferner gelöst durch eine Funktionsbaugruppe, insbesondere eine Nockenwellenbaugruppe, mit einer Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und mit zumindest einer gebauten Verbundwelle, die an der Rahmenstruktur gelagert ist und eine Hohlwelle und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile umfasst, wobei die Rahmenstruktur eine radial geschlossene Lagergasse aufweist, vorzugsweise eine für die Hohlwelle radial unzugängliche Lagergasse, wobei die Anbauteile Aufnahmesitze aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle angepasst sind, wobei der Tragabschnitt der Hohlwelle aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil drehsteif an der Hohlwelle zu fixieren, wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt ist, wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten verpresst sind, und wobei die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle unter Vorspannung mit ihren Tragabschnitten verpresst sind, wobei die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle eine Außenkontur aufweisen, die kleiner als eine funktionsseitig vorgegebene Soll-Außenkontur ist, und wobei die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle eine Ist-Außenkontur aufweisen, die der funktionsseitig vorgegebenen Soll-Außenkontur entspricht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Funktionsbaugruppe, insbesondere eine Nockenwellenbaugruppe, mit einer Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und mit zumindest einer gebauten Verbundwelle, die an der Rahmenstruktur gelagert ist und eine Hohlwelle und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile umfasst, wobei die Rahmenstruktur eine radial geschlossene Lagergasse aufweist, vorzugsweise eine für die Hohlwelle radial unzugängliche Lagergasse, wobei die Anbauteile Aufnahmesitze aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle angepasst sind, wobei der Tragabschnitt der Hohlwelle aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil drehsteif an der Hohlwelle zu fixieren, wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt ist, wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten verpresst sind, und wobei die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle an ihrer Außenkontur mittels abtragender Bearbeitungsverfahren endbearbeitet sind und Abmessungen aufweisen, die unter Beachtung der nach dem Aufweiten der Hohlwelle verbleibenden elastischen Verformung definiert sind.
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Vorzugsweise ist die Funktionsbaugruppe gemäß zumindest einigen Aspekten des oben beschriebenen Verfahrens gefertigt oder gefügt. Der Tragabschnitt ist insbesondere plastisch aufgeweitet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Funktionsbaugruppe ist die Lagergasse für die gebaute Verbundwelle axial unzugänglich. Dies kann etwa bedeuten, dass zumindest eines der drehsteif an der Hohlwelle fixierten Anbauteile schlichtweg ”zu groß” ist, um etwa durch einen Lagersitz der Lagergasse hindurchgeführt zu werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Funktionsbaugruppe ist zumindest ein Lagerelement vorgesehen, das einen Lagerabschnitt der Hohlwelle und einen zugeordneten Lagerabschnitt der Rahmenstruktur miteinander verbindet, wobei das Lagerelement zwischen zwei benachbarten aufgeweiteten Tragabschnitten angeordnet ist, an denen jeweils ein Anbauteil drehfest aufgenommen ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung 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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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer gebauten Verbundwelle, die als Nockenwelle gestaltet ist;
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2 eine schematische Explosionsdarstellung der Nockenwelle gemäß 1;
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3 eine perspektivische vereinfachte Ansicht eines Gehäuses, das etwa als Nockenwellengehäuse gestaltet ist und das zwei Nockenwellen beherbergt;
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4 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Lagerrahmens, an dem zwei Nockenwellen aufgenommen sind;
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5 eine an die Gestaltung des Lagerrahmens gemäß 4 angelehnte perspektivische Darstellung eines nicht bestückten Lagerrahmens;
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6 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf eine als Nockenwelle ausgeführte gebaute Verbundwelle, die an einer Rahmenstruktur aufgenommen ist, während eines Fügevorgangs;
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7 eine Seitenansicht der Nockenwelle gemäß 6, wobei auf die Darstellung der Rahmenstruktur verzichtet wurde, und wobei ein Umformwerkzeug in einer Außer-Eingriff-Stellung dargestellt ist;
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8 eine vereinfachte schematische Teilansicht eines zu fügenden Verbundes aus einer Hohlwelle und einem Anbauteil in einem nicht gefügten Zustand;
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9 eine der Darstellung gemäß 8 ähnliche Schnittansicht einer mit einem Anbauteil zu fügenden Hohlwelle, wobei ein Umformwerkzeug in die Hohlwelle eingeführt ist, um einen Tragabschnitt der Hohlwelle aufzuweiten;
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10, 11, 12 und 13 schematische, stark vereinfachte perspektivische Ansichten einer als Nockenwelle ausgeführten Verbundwelle zur Veranschaulichung von Aspekten beispielhaften Fügevorgangs; und
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14 eine schematische Blockdarstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Verfahrens zum Fügen einer Funktionsbaugruppe gemäß zumindest einigen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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Anhand der 1, 2 und 3 wird eine beispielhafte Gestaltung einer gebauten Welle 10 veranschaulicht, die etwa als Nockenwelle 12 ausgestaltet sein kann. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Welle auch als Verbundwelle 10 bezeichnet werden. Neben Nockenwellen 12 können grundsätzlich auch andere Wellen, die etwa bei Verbrennungsmotoren zur Anwendung kommen, als gebaute Verbundwellen 10 gestaltet sein. Nachfolgend wird einheitlich der Begriff Nockenwelle 12 verwendet, dies soll jedoch nicht einschränkend verstanden werden.
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Die Nockenwelle 12 weist ein Halbzeug auf, das auch als Tragwelle 14 bezeichnet werden kann. Insbesondere kann es sich bei der Tragwelle 14 um eine Hohlwelle 16 handeln. Die Hohlwelle 16 ist zumindest abschnittsweise mit einem Hohlprofil 18 versehen, vorzugsweise durchgängig entlang ihrer gesamten Längserstreckung. Nachfolgend wird einheitlich der Begriff Hohlwelle 16 verwendet, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.
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Die Nockenwelle 12 ist in 1 in einem gebauten, gefügten Zustand und in 2 in einem explodierten Zustand dargestellt. An der Hohlwelle 16 ist eine Mehrzahl von Anbauteilen 20 aufgenommen, vgl. 1. Bei den Anbauteilen 16 kann es sich etwa um Nocken 22, Zahnräder 24 (vgl. insbesondere 3), Hülsen 26, Lager oder Lagerringe 28, Flansche 30 und dergleichen handeln. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend primär der Begriff Nocken 22 verwendet, auch wenn es sich bei den Anbauteilen 20 grundsätzlich um andere Teile handeln kann. Zumindest einige der Anbauteile 20, insbesondere die Nocken 22 und die Zahnräder 24, müssen derart fest auf der Hohlwelle 16 fixiert werden, dass eine Drehmomentübertragung sicher ermöglicht ist. Eine Relativverdrehung zwischen den Nocken 22 bzw. den Zahnrädern 24 und ihrer Hohlwelle 16 muss mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden können. Die Nocken 22 weisen Funktionsflächen in Form umlaufender Laufflächen 32 auf, die üblicherweise feinbearbeitet sind.
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Im Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, Nocken
22 und ähnliche Anbauteile durch sogenannte Innenhochdruckumformverfahren (IHU-Verfahren) mit Hohlwellen
16 zu fügen, um gebaute Nockenwellen
12 zu erzeugen. In diesem Zusammenhang wird erneut auf die
EP 1 3344 784 A2 und den darin grundsätzlich beschriebenen Verfahrensablauf sowie die darin grundsätzlich beschriebenen Vorrichtungen verwiesen.
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Ein weiterer Trend in der Fertigungstechnik, insbesondere bei der Fertigung von Modulbaugruppen oder Funktionsbaugruppen für Verbrennungsmotoren, geht dahin, Gehäuseteile, Rahmenstrukturen und Ähnliches möglichst integral zu fertigen, um aufwändige Bearbeitungsprozesse und/oder Fügeprozesse zu vermeiden. In diesem Zusammenhang zeigen beispielhaft die 3 und 4 Funktionsbaugruppen 40, die integral gestaltete Rahmenstrukturen 42 umfassen. Unter einer Rahmenstruktur 42 sollen im Sinne der vorliegenden Offenbarung etwa ein Gehäuse 44 (vgl. 3), ein Lagerrahmen 46 (vgl. 4 und 5) und ähnliche Strukturelemente zur Aufnahme von Nockenwellen 12 (allgemein von gebauten Verbundwellen 10) verstanden werden. Daher wird nachfolgend vereinheitlichend von dem Begriff Rahmenstruktur 42 ausgegangen.
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Die integrale, insbesondere die zumindest weitgehend einstückige Fertigung der Rahmenstruktur 42 kann wesentliche Vorteile mit sich bringen. Insbesondere lassen sich im Vergleich zu mehrteiligen Rahmenstrukturen Fügevorgänge vermeiden. Das Fügen mehrteiliger Rahmenstrukturen erfordert einerseits die entsprechenden Fügearbeiten und andererseits eine entsprechende Vorbehandlung der Fügeflächen. Es ist daher von wesentlichem Vorteil, die Rahmenstrukturen 42 einteilig ausführen zu können.
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Die als Gehäuse 44 ausgebildete Rahmenstruktur 42 gemäß 3 weist eine Gehäusewandung 50, Seitenstege 52 und Zwischenstege 54 auf. Allgemein definiert die Rahmenstruktur 42 zumindest eine Lagergasse 56, vgl. insbesondere 5. Die Lagergasse 56 weist eine Mehrzahl von Lagersitzen 58 auf, die in der Rahmenstruktur 42 ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet sind. Lagersitze 58 sind insbesondere in den Seitenstegen 52 sowie in den Zwischenstegen 54 ausgebildet. 3 zeigt, dass die Gehäusewand 50 des Gehäuses 44 die Seitenstege 52 und die Zwischenstege 54 miteinander verbindet. 4 zeigt, dass die Seitenstege 52 und die Zwischenstege 54 durch Längsstege 60 miteinander verbunden sind. Sowohl das Gehäuse 44 (3) als auch der Lagerrahmen 46 (4) sind einstückig gestaltet, wobei auch Einbauelemente vorgesehen sein können, wie etwa Einpresshülsen, Gewindeeinsätze, Passhülsen oder dergleichen.
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In 5 ist ferner durch einen mit 64 bezeichneten Doppelpfeil eine erste Richtung oder Zuführrichtung angedeutet, die auch als radiale Zuführrichtung bezeichnet werden kann.
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Ferner ist durch einen mit 66 bezeichneten Doppelpfeil eine zweite Zuführrichtung angedeutet, die auch als axiale Zuführrichtung beschrieben werden kann. Die axiale Zuführrichtung 66 ist üblicherweise parallel oder konzentrisch mit der Längserstreckung der durch die Lagersitze 58 definierten Lagergasse 56. Die radiale Zuführrichtung 64 ist üblicherweise im Wesentlichen senkrecht zur Lagergasse 56 orientiert.
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Mit besonderem Verweis auf 2 und 5 wird ferner ein Zuführkonzept für die Hohlwelle 16 sowie daran oder darauf zu befestigende Anbauteile 20 veranschaulicht. Insbesondere die Nocken 22 sind vorzugsweise in ihrer radialen Erstreckung (oder: ihrer Silhouette) größer als zumindest einige der Lagersitze 58 der Lagergasse 56. Dies heißt mit anderen Worten, der entsprechende Nocken 22 oder ein ähnliches Anbauteil 20 kann eben nicht durch den Lagersitz 58 hindurch axial in die Lagergasse 56 eingeführt werden. Somit werden zumindest die Nocken 22 in der ersten Zuführrichtung 64 radial in Richtung auf die Lagergasse 56 zugeführt. Gleiches kann für zumindest einige der übrigen Anbauteile 20 zutreffen.
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Es ist grundsätzlich auch vorstellbar, zumindest einige der Anbauteile 20 axial in der zweiten Zuführrichtung 66 zuzuführen, so etwa diejenigen Lager 28, die im Lagersitz 58 des Seitenstegs 52 aufgenommen oder eingepresst sind. Diejenigen Lager 28, die etwa zwischen zwei Nocken 22 an der Hohlwelle 16 aufgenommen sind, werden beispielhaft durch eine kombinierte Bewegung zunächst in der ersten Zuführrichtung 64 zugeführt und ferner in der zweiten Zuführrichtung 66 in einen entsprechenden Lagersitz 58 eines Zwischenstegs 54 eingebracht.
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Die in den 3 bis 5 gezeigten Rahmenstrukturen 42 sind für die Hohlwelle 16 in der ersten Zuführrichtung (radiale Zuführrichtung) 64 nicht zugänglich. Dies ist in erster Linie dadurch bedingt, dass zumindest einige der Lagersitze 58 als umlaufende oder geschlossene Lagersitze ausgeführt sind. Mit anderen Worten kann die Hohlwelle 16 nicht einfach radial durch die Zwischenstege 54 oder Seitenstege 52 in Richtung auf ihre gewünschte Endlage in der Lagergasse 56 geführt werden. Somit muss die Hohlwelle 16 axial in der zweiten Zuführrichtung 66 zugeführt werden. Ein Verbund der Nockenwelle kann daher erst in der Rahmenstruktur 42 erzeugt werden. Die gefügte Nockenwelle 12 ist im fertig montierten oder gefügten Zustand verliersicher in der Rahmenstruktur 42 aufgenommen und kann nicht zerstörungsfrei demontiert oder ausgebaut werden.
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Ein beispielhafter Fügevorgang für die Nockenwelle 12 wird nachfolgend anhand der 6 bis 9 veranschaulicht und näher erläutert.
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6 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch eine zumindest vormontierte Nockenwelle 12. Die Nockenwelle 12 ist in eine Lagergasse 58 einer Rahmenstruktur 42 eingeführt und über Lager 28 an entsprechenden Lagersitzen 58 von Seitenstegen 52 und Zwischenstegen 54 drehbar aufgenommen. Die Nockenwelle 12 weist eine mit einem durch gestrichelte Linien angedeuteten Hohlprofil 18 versehene Hohlwelle 16 auf, an der eine Mehrzahl von Anbauteilen 20, insbesondere Nocken 22, aufgenommen ist. Ferner weist die Nockenwelle 12 ein Kettenrad oder Zahnrad 24 auf, das an einem der beiden Enden der Hohlwelle 16 aufgenommen ist. Die Nocken 22 und das Zahnrad 24 sind verdrehfest an der Hohlwelle 16 aufgenommen.
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6 zeigt beispielhaft eine Orientierung in der ”von oben” oder ”von unten” auf die entsprechende Funktionsbaugruppe 40 geblickt wird. 7 zeigt einen weiteren schematisch stark vereinfachten Längsschnitt durch die Nockenwelle 12 mit einer gegenüber der Orientierung in 6 um 90° gedrehten Orientierung. Die Ansichtsebene von 7 ist senkrecht zur Ansichtsebene von 6 orientiert. In 7 wurde aus Veranschaulichungsgründen auf eine Darstellung der Rahmenstruktur 42 verzichtet.
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Wie vorstehend bereits beschrieben, erfolgt ein Zuführen oder Einführen der Hohlwelle 16 in axialer Zuführrichtung 66. Bevor jedoch die Hohlwelle 16 in die Lagergasse eingeführt wird, werden die Anbauteile 20, insbesondere die Nocken 22, entsprechend in die Lagergasse 56 eingeführt, so dass die Hohlwelle 16 diese durchdringen kann. Die Nocken 22 können daher im Wesentlichen ”von oben” oder ”von unten” radial in der ersten Zuführrichtung 64 in die Lagergasse eingebracht und dort mit der Hohlwelle 16 zumindest vorgefügt oder vormontiert werden. Ein (finales) Fügen der Hohlwelle 16 mit den Nocken 22, dem Zahnrad 24 oder sonstigen Anbauteilen 20 erfolgt vorzugsweise durch Aufweiten, insbesondere durch lokales Aufweiten, der Hohlwelle 16, vgl. mit 80 bezeichnete Doppelpfeile in 7.
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Das Aufweiten kann etwa mittels eines Umformwerkzeugs 70 durchgeführt werden, das an das Hohlprofil 18 der Hohlwelle 16 angepasst ist. Das Umformwerkzeug 70 weist einen Dorn 72 auf, der auch als Schaft oder Lanze bezeichnet werden kann. Der Dorn 72 weist beispielhaft zumindest einen Umformabschnitt 74 auf, vgl. 7. Der Umformabschnitt 74 ist üblicherweise durch eine Dichtungsanordnung 76 (axial) begrenzt. In diesem Zusammenhang wird ergänzend auf 9 verwiesen. Beispielhaft ist im Umformwerkzeug 70 zumindest ein Kanal 82 für ein Fluid ausgebildet, das zum Aufweiten der Hohlwelle 16 mit hohem Druck an den Umformabschnitt 74 herangeführt wird. Nach außen hin ist der Umformabschnitt 74 durch die Dichtungsanordnung 76 abgedichtet, wenn das Umformwerkzeug 70 entsprechend in die Hohlwelle 16 eingeführt ist. Demgemäß kann lokal mit einem sehr hohen Druck abschnittsweise radial auf die Hohlwelle 16 eingewirkt werden, um diese aufzuweiten. Demgemäß kann eine plastische Verformung der Hohlwelle 16 induziert werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten der Hohlwelle 16 jeweils zumindest in Tragabschnitten 78, die Anbauteilen 20, insbesondere Nocken 22 und Zahnräder 24, zugeordnet sind. Erneut wird in diesem Zusammenhang auf die mit 80 bezeichneten Doppelpfeile in 7 verwiesen, die aufgeweitete oder aufzuweitende Bereiche der Hohlwelle 16 beschreiben. Die Hohlwelle 16 kann ferner sogenannte Lagerabschnitte 84 aufweisen, bei denen Lager 28 aufgenommen sind, die nicht unbedingt mit derart hoher Vorspannung mit der Hohlwelle 16 verpresst werden müssen. Demgemäß muss in den Lagerabschnitten 84 nicht unbedingt eine entsprechende Aufweitung der Hohlwelle 16 durch das Umformwerkzeug 70 erfolgen. Gleichwohl ist es vorstellbar, dass etwa durch Aufweiten zumindest Innenringe eines Lagers 28 an oder auf der Hohlwelle 16 fixiert werden. Es ist auch vorstellbar, direkt auf der Hohlwelle 16 Laufflächen für Lager 28 auszubilden, so dass Lagerinnenschalen eingespart werden können.
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Grundsätzlich wäre es vorstellbar, das Umformwerkzeug 70 derart auszuführen, dass sämtliche Tragabschnitte 78 in einem Durchgang aufgeweitet werden. Demgemäß müsste der Dorn oder Schaft 72 des Umformwerkzeugs 70 an die Gesamterstreckung der Hohlwelle 16 und die darauf definierten Tragabschnitte 78 angepasst und mit mehreren Umformabschnitten 74 versehen sein. Es wäre jedoch auch vorstellbar, die Tragabschnitte 78 Stück für Stück sequentiell aufzuweiten.
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In 7 ist ferner mit 88 eine Positionieraufnahme für einen Nocken 22 angedeutet. Diese Positionieraufnahme ist dazu ausgebildet, eine Fügeposition des Nockens 22 hinreichend genau vorzugeben, um zu gewährleisten, dass der Nocken 22 in seiner gewünschten Lage und Orientierung relativ zur Hohlwelle 16 bzw. zu den übrigen Nocken 22 fest mit dem Tragabschnitt 78 gefügt wird, wenn eine entsprechende Aufweitung des Tragabschnitts 78 erfolgt. Die Positionieraufnahme 88 kann einem Nocken 22, ferner jedoch einer Mehrzahl von Nocken 22 zugeordnet sein. Die Positionieraufnahme 88 ist in erster Linie dazu ausgebildet, eine Drehlage oder Winkellage des Nockens festzulegen. Die Positionieraufnahme 88 dient insbesondere nicht als Gegenhalter oder Matrize für den Nocken 22, wenn dieser durch Aufweiten des entsprechenden Lagerabschnitts 84 an der Hohlwelle 16 fixiert wird. Da der Nocken 22 nicht zwingend durch einen Gegenhalter (eine Matrize, ein Gesenk oder dgl.) abgestützt werden muss, ist die Lauffläche des Nockens für Messmittel zugänglich, um das Aufweiten bzw. den Fügevorgang zu überwachen.
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8 zeigt eine Detaildarstellung der Hohlwelle 16 beim Einführen oder Einfädeln in die Rahmenstruktur 42. Ein Zuführen erfolgt axial, vgl. die zweite Zuführrichtung 66. Demgemäß kann die Hohlwelle 16 mit einem ersten Ende, an dem beispielhaft eine Verjüngung 92 ausgebildet ist, durch ein Lager 28 durchgeführt werden, das an einem Lagersitz 58 eines Seitenstegs 52 oder Zwischenstegs 54 aufgenommen ist. Ferner zeigt 8 einen Nocken 22, der ein Größtmaß 98 aufweist, das größer als ein Innendurchmesser 96 des Lagersitzes 58 ausgebildet ist. Demgemäß kann der Nocken 22 nicht axial in der zweiten Zuführrichtung 66 durch den Lagersitz hindurch zugeführt werden. Stattdessen wird der Nocken 22 in der ersten Zuführrichtung 64 radial in Richtung auf die Lagergasse 56 zugeführt.
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Vorzugsweise erfolgt der Fügevorgang zwischen der Hohlwelle 16 und den daran zu befestigenden Anbauteilen eben nicht durch thermisches Fügen unter Ausnutzung der Wärmeausdehnung der Hohlwelle 16 und/oder der Anbauteile 20. Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten des Tragabschnitts 78 zum Fügen des Tragabschnitts 78 mit dem Aufnahmesitz 90 des Anbauteils 20 oder Nockens 22, ohne dass eine Matrize oder ein entsprechender Gegenhalter am Außenumfang des Anbauteils 20 oder Nockens 22 ausgebildet ist. Da das Fügespiel (Außendurchmesser 100 – Innendurchmesser 102) nur sehr klein ist, muss nur eine geringe Aufweitung der Hohlwelle 16 erfolgen, um einen hinreichend festen Sitz des Anbauteils 20 zu gewährleisten. Dies erfolgt vorteilhaft mit nur geringen Formänderungen bzw. Gestaltänderungen am Außenumfang des Anbauteils 20 oder Nockens 22. Somit kann auf eine aufwändige Fixierung durch eine Matrize oder einen entsprechend gestalteten Gegenhalter (auch: Gesenk) verzichtet werden.
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Zur Vormontage der Hohlwelle 16 ist es wünschenswert, dass ein Innendurchmesser 102 des Aufnahmesitzes 90 zumindest leicht größer als ein Außendurchmesser 100 der Hohlwelle 16, insbesondere des Tragabschnitts 78 ist, der dem Aufnahmesitz 90 zugeordnet ist. Jedoch ist es bevorzugt, wenn das resultierende Fügespiel gleichwohl möglichst gering ist. Auf diese Weise kann nämlich bereits durch eine relativ geringe Aufweitung der Hohlwelle 16 ein hinreichend fester Sitz des Nockens 22 am Tragabschnitt 78 gewährleistet werden.
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Mit Verweis auf 10, 11, 12 und 13 wird ein beispielhafter Montagevorgang zum Fügen einer Nockenwelle 12 in einer Rahmenstruktur bzw. einem Gehäuse 44 erläutert. Das Gehäuse 44 ist aus Veranschaulichungsgründen lediglich blockartig angedeutet. Ferner wurde wiederum aus Veranschaulichungsgründen auf die Blockdarstellung des Gehäuses 44 in den 11, 12 und 13 verzichtet.
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10 veranschaulicht einen Zustand, in dem bereits Anbauteile, insbesondere Nocken 22, dem Gehäuse 44 zugeführt und dort etwa in Positionieraufnahmen 88 ausgerichtet wurden. Dies ist in 10 nicht explizit dargestellt. Eine Hohlwelle 16 kann nun axial (seitlich) eingeführt werden und Aufnahmesitze 90 der Nocken 22 durchdringen, vgl. hierzu einen mit 104 bezeichneten Pfeil zur Veranschaulichung einer axialen Fügerichtung sowie auch die Darstellung in 8. Beispielhaft weist die zu fügende Nockenwelle 12 insgesamt vier Nockenpaare auf. 11 zeigt, dass die Nocken 22 durch Positionieraufnahmen 88 derart ausgerichtet sind, dass Ihre Aufnahmesitze 90 fluchtend angeordnet sind, um mit der Hohlwelle 16 gefügt werden zu können. Jedem der Nockpaare ist beispielhaft eine separate Positionieraufnahme 88-1, 88-2, 88-3 und 88-4 zugeordnet.
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Positionieraufnahme 88-1 ist einem ersten Nockenpaar, Positionieraufnahme 88-2 einem zweiten Nockenpaar, Positionieraufnahme 88-3 einem dritten Nockenpaar und Positionieraufnahme 88-4 einem vierten Nockenpaar zugeordnet. Es versteht sich, dass auch eine einzige Positionieraufnahme 88 vorgesehen sein kann, die sämtliche Nockenpaare entsprechend ausrichtet.
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Neben der fluchtenden Ausrichtung bewirken die Positionieraufnahmen 88-1, 88-2, 88-3 und 88-4 eine definierte Winkelorientierung sämtlicher Nocken 22 der Nockenpaare. Insbesondere wird anhand der 10 und 11 ersichtlich, dass dies zunächst eine gleichartige Winkelausrichtung sämtlicher Nocken 22 oder Nockenpaare umfassen kann. Diese Lage entspricht nicht der gewünschten Relativausrichtung der Nocken 22 im final gefügten Zustand. Das Fügen der Hohlwelle 16 mit den Nocken 22 erfolgt in vorstehend bereits beschriebener Weise durch abschnittsweise plastisches Aufweiten der Hohlwelle 16, vgl. auch 9. Zu diesem Zweck wird ein Umformwerkzeug 70 in die Hohlwelle 16 eingeführt.
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Beim Übergang zwischen den Zuständen gemäß 11 und 12 ist bereits das erste Nockenpaar, das vormals durch die Positionieraufnahme 88-1 ausgerichtet war, durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 mit dieser drehsteif verpresst oder fixiert worden. Dies kann beispielsweise in der in 11 gezeigt ausgerichteten Orientierung in der Positionieraufnahme 88-1 erfolgen, wenn die Hohlwelle 16 entsprechend ausgerichtet ist. Bevor die Hohlwelle 16 anschließend mit dem zweiten Nockenpaar gefügt werden kann, dass durch die Positionieraufnahme 88-2 ausgerichtet ist, erfolgt nun eine Winkelausrichtung der Hohlwelle 16 relativ zum zweiten Nockenpaar, um die gewünschte Ausrichtung zwischen dem ersten Nockenpaar und dem zweiten Nockenpaar zu bewirken. Dies erfolgt durch ein definiertes Verdrehen der Hohlwelle, vgl. einen mit 106 bezeichneten gekrümmten Pfeil in 12. Anschließend kann das zweite Nockenpaar durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 gefügt werden.
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13 deutet an, dass gleichermaßen das dritte Nockenpaar gefügt werden kann, dass in 12 noch durch die Positionieraufnahme 88-3 ausgerichtet ist. Demgemäß erfolgt wiederum ein definiertes Ausrichten der Hohlwelle 16, um die gewünschte Winkelorientierung zwischen dem dritten Nockenpaar und den bereits gefügten Nockenpaaren herbeizuführen. Gleichermaßen kann auch das vierte Nockenpaar gefügt werden. Insgesamt ergibt sich ein sequentieller Montageablauf, der eine wiederholte Abfolge des Ausrichtens und Fügens umfasst.
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Es versteht sich, dass der anhand der 10 bis 13 gezeigte sequentielle Montageablauf auch jedes einzelne Anbauteil 20, insbesondere jeden einzelnen Nocken 22, betreffen kann. Demgemäß kann jeder Nocken 20, auch jeder Nocken eines Nockenpaares, separat durch Verdrehen der Hohlwelle 16 (mittelbar) ausgerichtet und durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 gefügt werden. Eine solche Ausführung weist gegenüber anhand der 10 bis 13 veranschaulichten Ausgestaltung der weiteren Vorteil auf, dass die Positionieraufnahme 88 bzw. deren Teilelemente noch einfacher gestaltet sein kann/können. Ferner kann sich der Vorteil ergeben, dass jeweils nur ein sehr kurzer axialer Abschnitt der Hohlwelle 16 aufgeweitet werden muss, vgl. den Tragabschnitt 78 in 6.
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14 zeigt eine stark vereinfachte schematische Blockdarstellung eines denkbaren Ablaufs eines Fügeverfahrens, das von zumindest einigen Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung Gebrauch macht. Es versteht sich, dass das Verfahren fakultative Schritte enthalten kann und dass ferner Ergänzungen des Verfahrens durch weitere Schritte oder alternative Schritte denkbar sind, ohne von wesentlichen Kernaspekten der Erfindung abzuweichen.
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Das Verfahren kann verschiedene Bereitstellungsschritte S10, S12, S14, S16 umfassen. Ein Schritt S10 kann die Bereitstellung einer Rahmenstruktur umfassen, insbesondere einer Rahmenstruktur, die eine geschlossene Lagergasse ausbildet. Die Rahmenstruktur kann etwa als Gehäuse oder Lagerrahmen ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Rahmenstruktur ein einteilig gefertigtes Gehäuse oder Rahmenteil umfassen, das eine Lagergasse mit einer Mehrzahl von Lagersitzen ausbildet, die geschlossen umlaufend ausgebildet sind.
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Der Schritt S12 kann die Bereitstellung zumindest eines Lagers umfassen, beispielsweise zumindest eines Wälzlagers und/oder Gleitlagers. Üblicherweise sind Nockenwellen oder ähnliche gebaute Wellen über mehrere Lager an der Rahmenstruktur aufgenommen.
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Der Schritt S14 kann die Bereitstellung von Anbauteilen umfassen, die gemeinsam mit einem etwa als Hohlwelle ausgestalteten Halbzeug (auch: Trägerwelle) eine gebaute Verbundwelle bilden. Bei den Anbauteilen kann es sich etwa um Nocken, Zahnräder, Kettenräder, Flansche und ähnliche Bauteile handeln. Vorzugsweise sind zumindest einige der Bauteile dazu ausgebildet, drehsteif zur Drehmitnahme an der Hohlwelle aufgenommen zu werden.
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Der Schritt S16 kann demgemäß die Bereitstellung eines Halbzeugs umfassen, das auch als Trägerwelle bezeichnet werden kann. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Schritt S16 die Bereitstellung einer mit einem Hohlprofil versehenen Hohlwelle umfasst. Die Hohlwelle kann insbesondere rohrartig gestaltet sein. Die Hohlwelle kann auch abgestufte Abschnitte aufweisen.
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An die Bereitstellungsschritte S10, S14 und S16 können sich Bearbeitungsschritte S20, S22, S24 anschließen. Der Schritt S20 kann die Bearbeitung zumindest eines Lagersitzes der durch die Rahmenstruktur definierten Lagergasse umfassen. Auf diese Weise kann eine geeignete Aufnahme für das oder die in Schritt S12 bereitgestellten Lager an der Rahmenstruktur geschaffen werden.
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Der Schritt S22 kann die Bearbeitung zumindest eines Aufnahmesitzes eines Anbauteils umfassen. Der Schritt S24 kann die Bearbeitung zumindest eines Tragabschnitts der Hohlwelle bzw. der Trägerwelle umfassen.
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Idealerweise sind die Schritte S22 und S24 derart aufeinander abgestimmt, dass etwa ein Innendurchmesser, der im Schritt S22 hergestellt wird, an einen Außendurchmesser angepasst ist, der im Schritt S24 erzeugt wird. Idealerweise werden die in den Schritten S22, S24 erzeugten Innendurchmesser und Außendurchmesser derart aneinander angepasst, dass etwa bei Raumtemperatur in einfacher Weise ein Fügen (Einfädeln) der Trägerwelle durch den Aufnahmesitz des Anbauteils ermöglicht ist. Im Schritt S24 kann die gesamte Trägerwelle bearbeitet werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Trägerwelle lediglich abschnittsweise im Bereich ihrer Tragabschnitte zu bearbeiten. Das Fügespiel, das durch die Schritte S22 und S24 erzeugt wird, ist vorzugsweise derart minimiert, dass schon ein leichtes Aufweiten der Trägerwelle in einem nachfolgenden Schritt eine feste, insbesondere eine drehfeste, Verbindung zwischen der Trägerwelle und den Anbauteilen erfolgen kann.
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Es kann sich ein erster Fügeschritt S30 anschließen, der das Bestücken der Rahmenstruktur mit den im Schritt S12 bereitgestellten Lagern umfasst.
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Es kann sich ein weiterer Schritt S32 anschließen, der insbesondere ein Zuführen der im Schritt S14 bereitgestellten Anbauteile in die Lagergasse der Rahmenstruktur beinhalten kann. Dies kann insbesondere eine definierte (Grob-)Ausrichtung und (Grob-)Positionierung der Anbauteile beinhalten. Idealerweise sind die zugeführten Anbauteile mit ihren Aufnahmesitzen fluchtend mit den Lagersitzen der Lagergasse ausgerichtet. Zumindest einige der Anbauteile werden radial zugeführt.
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Der Schritt S32 umfasst gemäß einer Ausgestaltung ein Ausrichten zumindest einiger der Anbauteile. Dies kann einerseits ein Ausrichten einiger oder sämtlicher Anbauteile in ihrer gewünschten Relativlage zueinander umfassen, die sie auch im Endzustand aufweisen sollen. Beispielsweise müssen Nocken von Nockenwellen winkelmäßig hochgenau zueinander ausgerichtet sein, um die gewünschten Steuerzeiten des Ventiltriebs erzielen zu können. Die betrifft einerseits die Relativlage zwischen Einlass- und Auslassnocken eines Nockenpaares, ferner jedoch auch die Ausrichtung von Nockenpaaren untereinander.
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Andererseits ist es gemäß einer alternativen Ausgestaltung vorstellbar, die Anbauteile zwar definiert auszurichten, aber gerade nicht in ihrer finalen Relativlage zueinander. Dies kann beinhalten, dass die Anbauteile, etwa sämtliche Nocken oder zumindest eine Untermenge der Nocken, in einer gemeinsamen Winkellage auszurichten, etwa in einer gemeinsamen Positionieraufnahme.
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Als Zwischenstufe wäre es etwa vorstellbar, Einlassnocken und Auslassnocken jedes Nockenpaares einer Mehrzahl von Nocken bereits im Schritt S32 definiert zueinander auszurichten, etwa in einer gemeinsamen Positionieraufnahme, die einen gewünschten Winkelversatz bewirkt. Die gewünschte finale Relativlage zwischen den einzelnen Nockenpaaren würde jedoch beim Schritt S32 noch nicht hochgenau eingestellt. Vielmehr könnten die Nockenpaare in einer gemeinsamen Winkellage ausgerichtet werden, die von ihrer gewünschten Endausrichtung zueinander abweicht.
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Es kann sich ein Schritt S34 anschließen, der ein Zuführen, insbesondere ein axiales Zuführen, der Trägerwelle beinhaltet. Demgemäß kann die Trägerwelle durch die Lager, insbesondere durch deren Innendurchmesser, und durch die Anbauteile, insbesondere deren Aufnahmesitze, hindurchgeführt werden, um ihre Soll-Lage in der Rahmenstruktur einzunehmen.
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In einem weiteren Schritt S36, der grundsätzlich auch Bestandteil der Schritte S32 und S34 sein kann, erfolgt eine Ausrichtung der Trägerwelle und der daran zu befestigenden Anbauteile. Dies kann eine axiale Ausrichtung, ferner jedoch auch eine Drehausrichtung umfassen. Insbesondere dann, wenn die Anbauteile mehrere Nocken umfassen, kann eine entsprechende Relativlage der Nocken (Winkellage) von hoher Bedeutung sein. Dies kann im Schritt S36 etwa über Lehren oder sonstige Positionieraufnahmen bewirkt werden, je nach Ausgestaltung jedoch teilweise auch bereits im Schritt S32.
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Es kann sich ein Fügeschritt S38 anschließen, der insbesondere ein abschnittsweises Aufweiten der Trägerwelle beinhaltet. Dies kann vorteilhafterweise durch ein Umformwerkzeug, insbesondere ein dornartiges oder schaftartiges Umformwerkzeug, erfolgen, das dazu ausgebildet ist, die Trägerwelle derart von innen mit Druck zu beaufschlagen, dass diese zumindest abschnittsweise aufgeweitet wird. Auf diese Weise kann eine hochfeste, insbesondere drehsteife, Verbindung zwischen der Trägerwelle und zumindest einigen der Anbauteile erzeugt werden.
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Ein mit S40 bezeichneter, gestrichelt dargestellter Pfeil deutet an, dass die Schritte S36 und S38 alternativ mehrmals nacheinander ablaufen können, insbesondere sequentiell.
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Gemäß dieser Ausgestaltung erfolgen also das Ausrichten und das Fügen durch Aufweiten der Trägerwelle sequentiell. Der Schritt S36 kann bei der ersten Abarbeitung die gewünschte axiale Ausrichtung der Trägerwelle beinhalten, also auch das vollständige Durchstecken der Trägerwelle umfassen.
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Der Schritt S36 kann ferner bei der ersten Abarbeitung ein Ausrichten der Winkellage zwischen der Trägerwelle und einem ersten Anbauteil (etwa einem ersten Nocken) beinhalten. Es kann sich eine erste Abarbeitung des Schrittes S38 anschließen, bei dem ein Abschnitt der Trägerwelle plastisch aufgeweitet und somit ein fester Verbund zwischen der Trägerwelle und dem ersten Anbauteil erzeugt wird.
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Eine nächste Abarbeitung der Schritte S36 und S38 kann demgemäß ein erneutes Ausrichten der Winkellage zwischen der Trägerwelle und einem nächsten Anbauteil beinhalten. Mit anderen Worten wird das bereits an der Trägerwelle fixierte erste Anbauteil gemeinsam mit dieser relativ zum nächsten Anbauteil verdreht, um die gewünschte relative Winkelausrichtung zwischen den Anbauteilen (etwa den Nocken) zu bewirken.
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Die Schritte S36 und S38 können wiederholt werden, bis sämtliche Anbauteile an der Trägerwelle in der wünschten Relativ(winkel)lage zueinander fixiert sind. Bei jeder Abarbeitung kann die Trägerwelle entsprechend verdreht werden. Ferner kann das Umformwerkzeug bei jeder Abarbeitung der Schritte S36 und S38 axial bewegt werden, um einen weiteren Abschnitt der Trägerwelle aufzuweiten.
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Das sequentielle Fügen kann für jedes Anbauteil ein erneutes Ausrichten und Aufweiten erforderlich machen. Alternativ ist es jedoch vorstellbar, insbesondere bei Nockpaaren mit Einlassnocken und Auslassnocken, jeweils eine Teilmenge (etwa zwei) der Anbauteile gemeinsam zu fügen und entsprechend vorher die Trägerwelle relativ zu dieser Teilmenge auszurichten. Dies kann eine Vorausrichtung (Relativausrichtung) der Anbauteile der Teilmenge zueinander erforderlich machen.
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Idealerweise erfolgt zumindest das Vormontieren und das finale Fügen der Anbauteile und der Trägerwelle ohne Ausnutzung der thermischen Ausdehnung der verwendeten Werkstoffe.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn das Verfahren mit dem Schritt S38 bzw. nach dem sequentiellen Abarbeiten der Schritte S36 und S38 ebenfalls im Wesentlichen abgeschlossen ist. Dies beinhaltet, dass vorzugsweise keine Nachbearbeitung an der Trägerwelle oder der daran aufgenommenen Anbauteile erfolgen muss. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Fügen derart hochgenau erfolgt, dass keine Nachbearbeitung von umlaufenden Umfangsflächen der Nocken erforderlich ist.
