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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren eines Anbauelements mit einer Hohlwelle. Die Erfindung betrifft außerdem eine Nockenwelle mit einem als Hohlwelle ausgebildeten Nockenwellenrohr, welches über ein solches Verbindungsverfahren mit einem Anbauelement verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Nockenwelle.
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Bei der Herstellung von Nockenwellen werden üblicherweise längsendseitig daran angeordnete Anbauelemente, wie beispielsweise Zahn- oder Riemenräder, über eine Reibschweißverbindung mit einem Nockenwellenrohr der Nockenwelle drehfest verbunden. Problematisch hierbei ist jedoch, dass durch das Reibschweißen an einer Innenseite der Hohlwelle, das heißt beispielsweise des Nockenwellenrohrs, eine nicht entfernbare Schweißwulst entsteht, die nicht nur schmutzig ist, sondern auch eine gute Ablagerungsfläche für Späne bildet. Bei einer Laserschweißverbindung entsteht zwar keine Wulst, jedoch bilden sich auch hier Verschmutzungen, die daran gehindert werden sollen, in die Hohlwelle zu gelangen. Durch ein Spülen bzw. Waschen kann sich zudem Feuchtigkeit im Bereich der Wulst sammeln, was dann langfristig zu Korrosion führt. Ein nachträgliches Verschließen des verschmutzten Bereichs ist ausschließlich rohrseitig möglich und aufgrund des vergleichsweise langen Weges schwierig und damit aufwendig und teuer.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein verbessertes Verbindungsverfahren eines Anbauelements mit einer Hohlwelle anzugeben, welches insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verbindungsverfahren eines Anbauelements mit einer Hohlwelle, zunächst ein Verschlusselement zumindest in die Hohlwelle einzuführen und erst anschließend das Anbauelement mit der Hohlwelle über eine Reibschweißverbindung oder eine Laserschweißverbindung zu verschweißen. Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass an die Hohlwelle ausschließlich an einem Längsende ein Anbauelement über das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren angebunden wird, oder aber dass an den gegenüberliegenden Längsenden jeweils ein Anbauelement angebunden werden. Durch das erfindungsgemäße Verschließen des späteren Schweißbereichs vor dem eigentlichen Reibschweißen/Laserschweißen, kann ein Wandern von beim Reibschweißen/Laserschweißen entstehenden Verunreinigungen zumindest in die Hohlwelle zuverlässig unterbunden werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, ein Korrosionsrisiko deutlich zu senken, da bei einem späteren Spülen bzw. Waschen der Hohlwelle aufgrund des Verschlusselements keine Feuchtigkeit mehr an die Schweißwulst der Reibschweißverbindung oder generell an die Schweißnaht gelangt und sich dort absetzt und die Korrosion fördert. Zugleich kann mit dem vor dem Herstellen der eigentlichen Reibschweißverbindung/Laserschweißverbindung vorgesehenen Verschließen der Hohlwelle auch ein aufwändiges und nachträgliches Verschließen der Hohlwelle vermieden werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird vor dem Reibschweißen/Laserschweißen ein Verschlusselement in das Anbauelement eingeschoben. Das Anbauelement weist dabei üblicherweise einen rohrförmigen Fortsatz auf, wobei es über eine Stirnseite dieses rohrförmigen Fortsatzes mit einer Stirnseite der Hohlwelle über die zuvor beschriebene Reibschweißverbindung/Laserschweißverbindung verbunden wird. Ist nun beispielsweise das Anbauelement offen ausgebildet, das heißt weist dieses beispielsweise eine zentrale und insbesondere ein Innengewinde aufweisende Öffnung auf, so kann es von Vorteil sein, auch in den rohrförmigen Fortsatz des Anbauelements ein zuvor beschriebenes Verschlusselement einzuschieben, so dass in diesem Fall die später hergestellte Reibschweißverbindung/Laserschweißverbindung zwischen der Hohlwelle und dem Anbauelement sowohl in Richtung der Hohlwelle als auch in Richtung des Anbauelements durch jeweils ein Verschlusselement verschlossen und damit gekapselt ausgeführt ist. In diesem Fall würde auch ein Waschen bzw. Spülen des Anbauelements nicht zu einer unerwünschten Feuchtigkeitsablagerung von Wasser und den damit verbundenen Korrosionsrisiken im Bereich der Reibschweißverbindung/Laserschweißverbindung bzw. der dortigen Schweißwulst/Schweißnaht führen.
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Zweckmäßig wird das Verschlusselement in die Hohlwelle oder gegebenenfalls sofern erforderlich auch in das Anbauelement eingepresst. Durch das Einpressen kann eine ohne weitere Dichtungen auskommende dichte Anordnung des Verschlusselements in der Hohlwelle bzw. dem Anbauelement erreicht werden. Das Einpressen kann dabei vollautomatisiert mittels hydraulischer Stempel erfolgen, wodurch es nicht nur qualitativ hochwertig und prozesssicher, sondern auch kostengünstig realisierbar ist.
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Zweckmäßig wird als Verschlusselement ein becherförmiger Deckel verwendet. Dieser Deckel wird vorzugsweise mit seinem Boden voraus in die Hohlwelle oder das Anbauelement eingeführt, insbesondere eingepresst. Dies bietet den großen Vorteil, dass ein derartig ausgebildetes Verschlusselement in der Art eines Hutes auf den Hydraulikstempel aufgesetzt und anschließend in einen rohrförmigen Fortsatz des Anbauelements bzw. die Hohlwelle eingeschoben werden kann. Durch die Ausbildung des Verschlusselements als becherförmiger Deckel kann auch eine vergleichsweise große Dichtfläche des Verschlusselements mit einer Innenmantelfläche der Hohlwelle bzw. des rohrförmigen Fortsatzes des Anbauelements und damit eine zuverlässige Dichtung geschaffen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird das Verschlusselement nur so weit in die Hohlwelle eingeführt, dass es in Kontakt mit einer späteren Schweißnaht bleibt und dadurch mit der Hohlwelle verschweißt wird. Hierdurch kann eine besonders einfache Fixierung des Verschlusselements in der Hohlwelle erreicht werden. Selbstverständlich kann dies analog auch bei einem in den rohrförmigen Fortsatz des Anbauelements eingeschobenen Verschlusselement angewandt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Anbauelement als Antriebselement, als Stopfen, als Phasensteller, als Zahnrad oder als Geberrad ausgebildet. bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Ausführungsmöglichkeiten für das Anbauelement realisierbar sind.
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Zweckmäßig ist das Verschlusselement als rohrförmige Hülse mit einem taillierten Abschnitt ausgebildet, in welchem eine Schweißwulst/Schweißnaht der Reibschweißverbindung/Laserschweißverbindung aufnehmbar ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ragt somit das Verschlusselement sowohl in die Hohlwelle als auch in das Anbauelement und lässt aufgrund seiner hülsenförmigen Ausführungsform auch nach dem Einbau einen Fluiddurchlass, beispielsweise für Öl, zu, welches zum Beispiel zum Schalten eines als Phasensteller ausgebildeten Anbauelements erforderlich ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein als Hohlwelle ausgebildetes Nockenwellerohr einer Nockenwelle über das zuvor beschriebene Verbindungsverfahren mit einem längsendseitig daran anzuordnenden Anbauelement zu verbinden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren in vorteilhafter Weise bei der Nockenwelleherstellung verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, mit einer derartigen Nockenwelle einen Fertigungsaufwand zu reduzieren und damit auch Kosten einzusparen. Die Nockenwelle kann dabei wiederum Bestandteil einer Brennkraftmaschine sein, wodurch sich die mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren realisierten Vorteile nicht nur auf die Nockenwelle, sondern zusätzlich auch auf die Brennkraftmaschine übertragen lassen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Nockenwelle einer Schnittdarstellung mit bereits in die Hohlwelle eingepresstem Verschlusselement vor dem Herstellen einer Reibschweißverbindung,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei fertig gestellter Reibschweißverbindung,
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3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit in einen rohrförmigen Fortsatz des Anbauelements zusätzlich eingepresstem Verschlusselement,
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4 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei der Ausführungsform gemäß der 3,
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5 eine Darstellung wie in 4, jedoch mit einem hülsenförmigen Verschlusselement.
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Entsprechend den 1 bis 5, weist eine erfindungsgemäße Nockenwelle 1 ein als Hohlwelle 2 ausgebildetes Nockenwellenrohr 3 auf, die über ein erfindungsgemäßes Verbindungsverfahren – welches anschließend noch näher erläutert wird – mit einem Anbauelement 4, beispielsweise mit einem Antriebselement 4a, einem Stopfen 5, einem Phasensteller, einem Zahnrad oder einem Geberrad, über eine Reibschweißverbindung 6 (vergleiche die 2, 4 und 5) oder eine Laserschweißverbindung 6' verbunden ist. Beim Herstellen der Reibschweißverbindung 6 entsteht dabei eine Schweißwulst 7 und zwar sowohl auf einer Außenseite als auch auf einer Innenseite der Hohlwelle 2 bzw. eines rohrförmigen Fortsatzes 8 des Anbauelements 4, bspw. des Stopfens 5. Diese Schweißwulst 7 ist nach Fertigstellung der Reibschweißverbindung 6 an einer Innenseite der Hohlwelle 2 bzw. des rohrförmigen Fortsatzes 6 nicht oder nur sehr schwer zu entfernen. Entsprechendes kann auch in Form von Verunreinigungen/Schweißresten bei einer Schweißnaht 15 beim Laserschweißen auftreten. Außen erfolgt die Entfernung beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung oder ein Schleifen. Nachteilig bei derartigen innenliegenden Schweißwülsten 7 oder Schweißreste/verunreinigungen 7' ist, dass diese generell eine Ablagerungsfläche für Späne und/oder auch für Feuchtigkeit bilden und dadurch eine Korrosion begünstigen können.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vor dem Herstellen der eigentlichen Reibschweißverbindung 6 oder der Laserschweißverbindung 6' zumindest ein Verschlusselement 9 (vergleiche die 1 und 2) in die Hohlwelle 2 eingeführt und erst anschließend das Anbauelement 4, bspw. der Stopfen 5, mit der Hohlwelle 2, das heißt insbesondere mit dem Nockenwellenrohr 3, verschweißt. Hierdurch lässt sich die Reibschweißverbindung 6 oder die Laserschweißverbindung 6' zumindest in Richtung der Hohlwelle 2 kapseln, so dass auch bei nachfolgenden Bearbeitungsprozessen, insbesondere Spül- oder Waschprozessen, keine Feuchtigkeit mehr in den Bereich der Schweißwülste 7 oder der Schweißreste/-verunreinigungen 7' bzw. der Schweißnaht 15 gelangt.
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Betrachtet man dabei die 1 und 2, so kann man erkennen, dass in diesen das Anbauelement 4, beispielsweise das Antriebselement 4a oder der Stopfen 5, geschlossen ausgebildet ist, so dass in diesem Fall zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Einschieben des Verschlusselements 9 in die Hohlwelle 2 genügt. Demgegenüber ist das Anbauelement 4 gemäß den 3 bis 5 mit einer zentralen und insbesondere ein Innengewinde 10 aufweisenden Öffnung 11 ausgebildet, so dass es in diesem Fall von Vorteil ist, ein entsprechendes Verschlusselement 9 auch in den rohrförmigen Fortsatz 8 des Anbauelements 4 einzuführen, insbesondere einzupressen (vgl. 3 und 4).
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Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass das Verschlusselement 9 als rohrförmige Hülse 17 mit einem taillierten Abschnitt 18 ausgebildet ist, in welchem die Schweißwulst 7 der Reibschweißverbindung 6 oder generell die Schweißreste/verunreinigungen 7' der Laserschweißverbindung 6' aufnehmbar sind, wie dies gemäß der 5 dargestellt ist. Dieser taillierte Abschnitt 18 ist vorzugsweise eine Einschnürung. Bei einer derartigen Ausführungsform ragt somit das Verschlusselement 9 sowohl in die Hohlwelle 2 als auch in das Anbauelement 4 und lässt aufgrund seiner hülsenförmigen Ausführungsform auch nach dem Einbau einen Fluiddurchlass, beispielsweise für Öl, zu, welches zum Beispiel zum Schalten eines als Phasensteller ausgebildeten Anbauelements 4 erforderlich ist. Zum Einbau kann die Hülse 17 leicht zusammengedrückt werden.
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Durch insbesondere ein Einpressen des Verschlusselementes 9 in die Hohlwelle 2 bzw. den rohrförmigen Fortsatz 8 des Anbauelements 4, kann eine dichte Anlage des Verschlusselements 9 an eine Innenmantelfläche der Hohlwelle 2 bzw. des rohrförmigen Fortsatzes 8 erreicht werden, wodurch die Schweißnaht 15 (Schweißwulst 7) besonders effektiv abgedichtet werden kann.
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Das Verschlusselement 9 kann dabei beispielsweise als becherförmiger Deckel 12 mit einem Boden 13 und einem Rand 14 ausgebildet sein und mit seinem Boden 13 voraus in die Hohlwelle 2 oder das Anbauelement 4 bzw. dessen rohrförmigen Fortsatz 8 eingeführt, insbesondere eingepresst, werden. Durch den Rand 14 kann eine große Dichtfläche zwischen dem Verschlusselement 9 einerseits und der Innenmantelfläche der Hohlwelle 2 bzw. des rohrförmigen Fortsatzes 8 andererseits erreicht werden (vgl. 1 bis 4).
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Betrachtet man noch die Ausführungsform der Reibschweißverbindung 6 gemäß der 4, so kann man erkennen, dass das Verschlusselement 9 nur so weit in die Hohlwelle 2, beispielsweise das Nockenwellerohr 3, eingeführt, insbesondere eingepresst, wird, dass es nach Herstellen der Reibschweißverbindung 6 in Kontakt mit der Schweißnaht 15 der Reibschweißverbindung 6 oder der Laserschweißverbindung 6' bleibt und dadurch mit der Hohlwelle 2, insbesondere dem Nockenwellenrohr 3, verschweißt und darin fixiert wird. In gleicher Weise kann selbstverständlich auch bei einem offenen Anbauelement 4, das in dessen rohrförmigen Fortsatz 8 eingeführte Verschlusselement 9 nur so weit in den rohrförmigen Fortsatz 8 eingeschoben, beispielsweise eingepresst, werden, dass das Verschlusselement 9 später über die Reibschweißverbindung 6 oder die Laserschweißverbindung 6' mit dem rohrförmigen Fortsatz 8 des Anbauelements 4 verschweißt und dadurch in diesem fixiert werden kann. Bei der Ausführungsform gemäß den 3 und 4, kann die innenliegende Schweißwulst 7 bzw. eventuell vorhandene Schweißreste/-verunreinigungen 7' durch zwei gegeneinander gerichtete Verschlusselemente 9 komplett gekapselt werden, ebenso wie durch die Hülse 17 aus 5.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren lassen sich insbesondere die bislang im Bereich der Reibschweißverbindung 6 bzw. deren innenliegender Schweißwulst 7 auftretende Probleme zuverlässig eliminieren und insbesondere die Qualität der herzustellenden Nockenwellen 1 steigern und deren Herstellungskosten zugleich senken, wodurch sich auch die Kosten einer, eine solche Nockenwelle 1 aufweisenden Brennkraftmaschine 16 reduzieren lassen.
