DE102016221449A1

DE102016221449A1 - Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle

Info

Publication number: DE102016221449A1
Application number: DE102016221449.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Forchheim; Frank Schönherr; Marc Grunert; Kay Schönfelder; Eric Neubert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-03
Also published as: CN108015481A; CN108015481B; KR101923828B1; KR20180048332A

Abstract

Ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle, insbesondere einer Nockenwelle, die eine Grundwelle (20) und auf der Grundwelle (20) mittels Presspassungen befestigte, ringförmige Funktionselemente, insbesondere Ventilnocken, umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eines der Funktionselemente eine Sollbruchstelle (32) erzeugt und ein Versagen des Funktionselements an der Sollbruchstelle (32) herbeigeführt wird. Das Funktionselement kann dann durch ein neues Funktionselement ersetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle, beispielsweise einer Nockenwelle, die eine Grundwelle und auf der Grundwelle mittels Presspassung befestigte, ringförmige Funktionselemente umfasst. Bei einer Ausgestaltung der Funktionswelle als Nockenwelle umfassen die Funktionselemente zumindest einen Ventilnocken. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle, die in ungeteilten Lageröffnungen eines Lagergehäuses drehbar gelagert ist.
Eine Nockenwelle dient in einem Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors zur Betätigung von Gaswechselventilen, wobei die Gaswechselventile unter Federbelastung und direkt oder indirekt unter Zwischenschaltung von Zwischenelementen, beispielsweise Schlepphebeln, gegen Ventilnocken der Nockenwelle beaufschlagt sind. Ein solcher Ventilnocken umfasst eine äußere Kontaktfläche, die für einen Kontakt mit einem der Gaswechselventile oder einem dazugehörigen Zwischenelement vorgesehen ist. Die Kontaktfläche weist dabei einen (Grundkreis-)Abschnitt auf, der entlang eines sogenannten Nockengrundkreises verläuft, sowie einen weiteren (Nockenerhebungs-)Abschnitt, der eine Nockenerhebung ausbildet und in dem der radiale Abstand der Kontaktfläche bezüglich einer Längs- beziehungsweise Rotationsachse der Nockenwelle größer als in dem Grundkreisabschnitt ist. Solange die Gaswechselventile oder die dazugehörigen Zwischenelemente bei einer Drehung der Nockenwelle entlang der jeweiligen Grundkreisabschnitte der dazugehörigen Ventilnocken gleiten, verbleiben die Gaswechselventile federbelastet in einer geschlossenen Stellung. Eine Bewegung entlang der Nockenerhebungsabschnitte führt dagegen zunächst zu einer Öffnungsbewegung und anschließend zu einer Schließbewegung der einzelnen Gaswechselventile.
Eine gebaute Nockenwelle ist dadurch gekennzeichnet, dass diese aus vorgefertigten Elementen montiert wird. Dabei umfasst eine solche gebaute Nockenwelle in der Regel eine Grundwelle sowie eine Vielzahl von Funktionselementen. Die Ventilnocken stellen dabei eine Art von Funktionselement dar. Eine Nockenwelle kann jedoch auch noch weitere Funktionselemente, beispielsweise jeweils mindestens ein Drehlager (Axiallager), ein Zahnrad, ein Geberrad und/oder einen Pumpennocken, umfassen. Ein Geberrad ist dafür vorgesehen, im Zusammenwirken mit einem Sensor eine Ermittlung der Drehausrichtung der Nockenwelle zu ermöglichen. Ein Pumpennocken kann der Betätigung einer Pumpe, beispielsweise einer Hochdruckkraftstoffpumpe, dienen.
Eine Möglichkeit zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle liegt darin, die Funktionselemente ungeteilt und insbesondere einteilig ringförmig auszubilden und in koaxialer Überdeckung der von diesen ausgebildeten Aufnahmeöffnungen hintereinander anzuordnen. Anschließend wird eine Grundwelle durch die Aufnahmeöffnungen der Funktionselemente hindurch geschoben. Daraufhin wird eine drehfeste Verbindung (Kraft- und Formschluss) zwischen der Grundwelle und den Funktionselementen ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Außenabmessungen der Grundwelle in den zur Aufnahme der Funktionselemente vorgesehenen Abschnitten und die Innenabmessungen der Aufnahmeöffnungen derart bemessen sind, dass bei einer im Wesentlichen gleichen Bauteiltemperatur der Grundwelle einerseits und der Funktionselemente andererseits eine Presspassung ausgebildet ist. Um trotz dieser vorgesehenen Presspassungen zwischen der Grundwelle und den Funktionselementen ein Einschieben der Grundwelle in die Aufnahmeöffnungen der Funktionselemente im Rahmen der Montage zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, temporär eine Differenz der Bauteiltemperaturen von einerseits den Funktionselementen und andererseits der Grundwelle zu erzeugen, die zu einer temporären Vergrößerung der Innenabmessungen der Aufnahmeöffnungen der Funktionselemente und/oder einer temporären Verkleinerung der Außenabmessungen der Grundwelle in den entsprechenden Abschnitten führt.
Ein solches Verfahren zur Herstellung gebauter Nockenwellen ist beispielsweise aus der WO 2009/065970 A1 bekannt. Bei dem darin offenbarten Verfahren ist weiterhin vorgesehen, die Nockenwellen unmittelbar in einer Einheit mit einem Lagergehäuse eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors, das ungeteilte Lageraufnahmen zur drehbaren Lagerung der Nockenwellen umfasst, zu bauen. Hierzu werden die Funktionselemente mittels einer Montagevorrichtung in den für diese vorgesehenen Positionen und Drehausrichtungen innerhalb des Lagergehäuses positioniert und die Grundwelle anschließend nicht nur durch die Aufnahmeöffnungen der Funktionselemente sondern auch durch die Lageraufnahmen des Lagergehäuses hindurch gesteckt. Zuvor wurden die Funktionselemente erwärmt und die Grundwelle abgekühlt, um das Einschieben der Grundwelle in die Aufnahmeöffnungen der Funktionselemente und in die Lageraufnahmen des Lagergehäuses zu ermöglichen. Nach der Herbeiführung eines Temperaturausgleichs sind dann auf Presspassungen beruhende Verbindungen zwischen der Grundwelle und den Funktionselementen ausgebildet, während die Grundwelle gleichzeitig in den dafür vorgesehenen Abschnitten möglichst spielfrei und gleichzeitig reibungsarm innerhalb der Lageraufnahmen drehbar gelagert ist (Gleitlagerung). Das aus der WO 2009/065970 A1 bekannte Verfahren ermöglicht eine äußerst schnelle und kostengünstige Herstellung einer Einheit aus Lagergehäuse und darin drehbar gelagerten Nockenwellen.
Als problematisch bei einer gebauten Nockenwelle kann sich zeigen, dass diese, wenn sie nach der Montage einen oder mehrere Fehler aufweist, nicht für die vorgesehene Verwendung genutzt werden kann, weil eine den mindestens einen Fehler beseitigende Nachbearbeitung zu aufwändig und ein Austausch beispielsweise eines den Fehler begründen Funktionselements infolge der nicht lösbar vorgesehenen Verbindungen zwischen den Funktionselementen und der Grundwelle nicht möglich ist. Eine solche Nockenwelle muss dann in der Regel insgesamt als Ausschuss behandelt werden.
Diese Problematik ist bei der Herstellung gebauter Nockenwellen im Rahmen der Herstellung einer Einheit aus Lagergehäuse und darin drehbar gelagerten Nockenwellen gemäß der WO 2009/065970 A1 besonders folgenschwer, weil infolge der nicht vorgesehenen Lösbarkeit der Verbindungen zwischen den Funktionselementen und den dazugehörigen Grundwellen nicht nur diejenige Nockenwelle, die ein fehlerhaftes Funktionselement aufweist, als Ausschuss behandelt werden muss, sondern die komplette Einheit, die das Lagergehäuse und mehrere darin drehbar gelagerte Nockenwellen umfasst, unbrauchbar ist. Der Ausschuss umfasst somit nicht nur eine fehlerhafte Nockenwelle sondern auch eine Vielzahl von grundsätzlich fehlerfreien Komponenten. Die durch lediglich ein fehlerhaftes Funktionselement hervorgerufenen Kosten können daher erheblich sein.
Die DE 10 2005 004 976 beschreibt eine Nockenwelle mit einer mehrere Ventilnocken drehfest tragenden Außenwelle und einer innerhalb der Außenwelle drehbar gelagerten, ebenfalls mehrere Ventilnocken drehfest tragenden Innenwelle. Die Verdrehbarkeit zwischen der Außenwelle und der Innenwelle ermöglicht, Steuerzeiten für Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors, die einerseits von den der Außenwelle zugeordneten Ventilnocken und andererseits von den der Innenwelle zugeordneten Ventilnocken betätigt werden, individuell zu verändern. Die der Innenwelle zugeordneten Ventilnocken umgreifen die Außenseite der Außenwelle in zumindest einem Umfangsabschnitt, um eine radial abstützende Drehlagerung zwischen diesen und der Außenwelle auszubilden. In einer Ausführungsform bestehen diese der Innenwelle zugeordneten Ventilnocken aus zwei Halbschalen, die beispielsweise durch Cracken aus einem zuvor einteiligen, ringförmigen Ventilnocken hergestellt worden sind, wobei die Halbschalen innenseitig jeweils ein entweder stift- oder rohrförmiges Befestigungselement aufweisen. Diese Befestigungselemente greifen im montierten Zustand der Nockenwelle in eine dazugehörige Querbohrung der Innenwelle ein und sind auf diese Weise mit der Innenwelle drehfest verbunden.
Aus der DE 10 2010 035 658 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine gebaute Nockenwelle nach der Montage mittels einer Messvorrichtung überprüft wird, wobei ermittelt wird, ob die Winkelstellung der einzelnen Nocken und das von diesen übertragbare Drehmoment definierten Sollwerten entspricht. Ist dies nicht der Fall, sollen die fehlerhaften Nocken mittels einer Korrekturvorrichtung nachträglich auf der Grundwelle verdreht werden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle und insbesondere einer gebauten Nockenwelle, die Bestandteil einer Einheit gemäß der WO 2009/065970 A1 mit einem Lagergestell und einer oder mehreren Nockenwellen ist, anzugeben.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen eines solchen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle, die eine Grundwelle und auf der Grundwelle mittels Presspassungen befestigte, ringförmige (vorzugsweise ungeteilte und insbesondere einteilige) Funktionselemente umfasst, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eines der Funktionselemente eine Sollbruchstelle erzeugt und ein Versagen des Funktionselements an der Sollbruchstelle herbeigeführt wird. Dies stellt eine Möglichkeit dar, eine gebaute Nockenwelle schnell und vergleichsweise unkompliziert nachbearbeiten und konkret demontieren zu können, wobei insbesondere zielgerichtet ein oder mehrere fehlerhafte Funktionselemente nach dem Herbeiführen des Versagens entfernt werden können. Dies kann insbesondere mit dem Ziel erfolgen, das oder die versagten Funktionselemente (deren Versagen an der Sollbruchstelle herbeigeführt wurde) durch jeweils ein neues, insbesondere funktional identisches Funktionselement zu ersetzen, um im Ergebnis eine fehlerfreie Funktionswelle zu erhalten. Als „funktional identisch“ werden Funktionselemente betrachtet, die grundsätzlich der Ausübung der gleichen Funktion dienen.
Als „ungeteilt“ wird ein ringförmiges Funktionselement verstanden, das einen Abschnitt der Grundwelle teil- oder vorzugsweise vollumfänglich umgibt, wobei dieses die Grundwelle zumindest so weitgehend in Umfangsrichtung umgibt, dass dieses nicht durch eine radiale Bewegung (bezüglich der Längsachse der Grundwelle) von der Grundwelle lösbar ist. Weiterhin zeichnet sich ein solches „ungeteiltes“ Funktionselement dadurch aus, dass dieses nicht durch das Lösen dazu vorgesehener Verbindungselemente in mehrere teilschalenförmige und insbesondere zwei halbschalenförmige Funktionselementabschnitte teilbar ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Funktionswelle um eine Nockenwelle handelt und folglich die Funktionselemente zumindest einen Ventilnocken, d.h. einen zur direkten oder indirekten Betätigung eines Gaswechselventils eines Verbrennungsmotors dienenden Nocken, umfassen. Die Nockenwelle kann insbesondere als Teil eines Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors vorgesehen sein. Neben einem oder mehreren Ventilnocken, die in einem solchen Ventiltrieb einer Betätigung jeweils eines oder mehrerer Gaswechselventile dienen, kann eine solche Nockenwelle noch weitere Funktionselemente, beispielsweise mindestens ein Drehlager (insbesondere Axiallager), mindestens ein Zahnrad, mindestens ein Geberrad und/oder mindestens einen Pumpennocken, umfassen. Ein Geberrad ist dafür vorgesehen, im Zusammenwirken mit einem Sensor eine Ermittlung der Drehausrichtung der Nockenwelle zu ermöglichen. Ein Pumpennocken kann der Betätigung beispielsweise einer Hochdruckkraftstoffpumpe, insbesondere in einer Ausgestaltung als Kolbenpumpe, dienen.
Mögliche Fehler der Funktionselemente können in der Integration in die Nockenwelle begründet sein. Darunter fallen beispielsweise eine fehlerhafte Winkelausrichtung oder eine fehlerhafte Positionierung entlang der Längsachse der Grundwelle. Weiterhin können Funktionselemente auch Formfehler, beispielsweise eine nicht korrekte Nockenhöhe bei einem (Ventil- oder sonstigen) Nocken, einen nicht ausreichend genauen Rundlauf (bedingt z.B. durch eine Exzentrizität einer Aufnahmeöffnung relativ zu einer Außenfläche), eine fehlerhafte Nockenform oder Rattermarken, die sich beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften schleifenden Bearbeitung einer Fläche des Funktionselement ergeben haben, aufweisen. Selbstverständlich kann auch die Grundwelle der nachzubearbeitenden Funktionswelle fehlerhaft sein und deshalb zu einer Nachbearbeitung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Sollbruchstelle durch das Einbringen einer Materialschwächung erzeugt wird. Als „Materialschwächung“ wird ein lokal teilweises Entfernen des/eines das Funktionselement ausbildenden Materials verstanden. Dies stellt eine einfache und kostengünstig durchführbare Erzeugung einer Sollbruchstelle dar. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Materialschwächung so weit beziehungsweise so lange vergrößert wird, bis das Versagen des Funktionselements infolge von inneren Spannungen, die (zumindest auch) aus der Presspassung resultieren, erfolgt. Ein Versagen des entsprechenden Funktionselements erfolgt dann somit quasi selbsttätig, sobald eine ausreichend große Materialschwächung erzeugt worden ist. Dies kann sich besonders vorteilhaft insbesondere hinsichtlich eines vorrichtungstechnischen Aufwands für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auswirken, weil dann für die Durchführung lediglich eine Vorrichtung, die die Materialschwächung bewirken kann, erforderlich sein kann.
Dazu alternative oder ergänzende Möglichkeiten zur Ausbildung einer Sollbruchstelle sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann vorgesehen sein, das Material des ausgewählten Funktionselements an der zur Ausbildung der Sollbruchstelle vorgesehenen Stelle strukturell zu verändern und dadurch beispielsweise zu verspröden.
Eine bevorzugte Vorgehensweise im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, die Sollbruchstelle und insbesondere eine hierfür vorgesehene Materialschwächung mittels eines Lasers zu erzeugen, weil mittels eines Lasers schnell und insbesondere auch lokal sehr begrenzt eine hohe Energiedichte in das Material des ausgewählten Funktionselements eingebracht werden kann, die zu einem lokalen Aufschmelzen und insbesondere auch verdampfen des Materials führen kann. Es kann folglich ein schnelles Versagen eines ausgewählten Funktionselements herbeigeführt werden, ohne dass dabei angrenzende Bauteile, die gegebenenfalls nicht zu demontieren oder auszutauschen sind, in Mitleidenschaft gezogen werden.
Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Materialschwächung in einem Umfangsabschnitt des ringförmigen Funktionselements eingebracht wird, in dem dieses die kleinste radiale Breite (d.h. Erstreckung des ringförmigen Abschnitts in radialer Richtung ausgehend von einem Zentrum der dazugehörigen Aufnahmeöffnung beziehungsweise einer Längsachse der Grundwelle) aufweist. Auf diese Weise kann möglichst schnell ein Versagen des ausgewählten Funktionselements herbeigeführt werden. Dies gilt nicht nur, weil in diesem Umfangsabschnitt die strukturelle Festigkeit des ringförmigen Funktionselements am geringsten sein kann, sondern auch, weil infolge des relativ kleinen Materialquerschnitts in diesem Umfangsabschnitt die dort herrschenden inneren Spannungen, die zumindest auch aus der elastischen radialen Aufweitung infolge der Presspassung zwischen dem Funktionselement und der Grundwelle resultieren, am größten sein können. Sofern es sich bei dem ausgewählten Funktionselement um einen Nocken und insbesondere um einen Ventilnocken handelt, kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Materialschwächung in einem Übergang von einem Grundkreisabschnitt zu einem Nockenerhebungsabschnitt und/oder in eine (für einen Kontakt zu einem durch den Nocken zu betätigenden Element vorgesehenen) Außenfläche des Nockens eingebracht wird. Dieser Übergang ist dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Außenfläche des Nockens, der in dem Grundkreisabschnitt im Wesentlichen konstant ist, sich beginnend vergrößert, um den Nockenerhebungsabschnitt auszubilden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann besonders vorteilhaft zur Nachbearbeitung einer Funktionswelle, die Teil einer Einheit mit mindestens einer Funktionswelle sowie mindestens einem Lagergehäuse ist, wobei die Grundwelle in ungeteilten (und insbesondere einteiligen) Lageraufnahmen eines Lagergehäuses drehbar gelagert ist, dienen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass für sämtliche Funktionselemente, die ein Herausziehen der Grundwelle aus den Lageraufnahmen des Lagergehäuses verhindern, ein Versagen herbeigeführt wird und anschließend die Grundwelle (einschließlich gegebenenfalls verbliebener Funktionselemente) aus den Lageraufnahmen herausgezogen wird. Besonders bevorzugt kann dann noch vorgesehen sein, dass das oder die versagten Funktionselemente (jeweils) durch ein neues, insbesondere funktional identisches Funktionselement ersetzt wird/werden, indem das oder die neuen Funktionselemente innerhalb des Lagergehäuses positioniert, die Grundwelle in die Lageraufnahmen des Lagergehäuses und in von dem oder den Funktionselementen ausgebildete Aufnahmeöffnungen eingeschoben und anschließend eine auf einer Presspassung beruhende Verbindung zwischen der Grundwelle und dem oder den Funktionselementen ausgebildet wird. Auf diese Weise kann eine fehlerhafte Funktionswelle einer entsprechenden Einheit aus Funktionswelle(n) und Lagergehäuses relativ einfach und kostengünstig nachbearbeitet werden, so dass verhindert wird, dass die gesamte Einheit wegen beispielsweise lediglich eines fehlerhaften Funktionselements als Ausschuss behandelt werden muss.
Als „ungeteilt“ wird eine Lageraufnahme verstanden, die einen Abschnitt der Grundwelle teil- oder vorzugsweise vollumfänglich umgibt, wobei diese die Grundwelle zumindest so weitgehend in Umfangsrichtung umgibt, dass die Grundwelle nicht durch eine radial (bezüglich der Längsachse der Grundwelle) gerichtete Bewegung aus der Lageraufnahme entnehmbar ist. Weiterhin zeichnet sich eine solche „ungeteilte“ Lageraufnahme dadurch aus, dass diese nicht durch das Lösen dazu vorgesehener Verbindungselemente in mehrere teilschalen- und insbesondere zwei halbschalenförmige Lageraufnahmeabschnitte teilbar ist.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: eine Einheit aus Lagergehäuse und zwei darin drehbar gelagerten Nockenwellen, wobei ein Ventilnocken einer ersten Nockenwelle fehlerhaft ist;
2: einen Verfahrensschritt im Rahmen einer erfindungsgemäßen Nachbearbeitung der ersten Nockenwelle der Einheit gemäß der 1;
3: einen weiteren, dem Verfahrensschritt gemäß der 2 nachfolgenden Verfahrensschritt;
4: die Einheit aus Lagergehäuse und darin drehbar gelagerten Nockenwellen nach der erfindungsgemäßen Nachbearbeitung der ersten Nockenwelle;
5: die Erzeugung einer Sollbruchstelle bei einem Ventilnocken mittels eines Lasers, wie dies für eine erfindungsgemäße Nachbearbeitung einer Nockenwelle, beispielsweise gemäß den 1 bis 4, vorgesehen ist;
6: an einem Ventilnocken mehrere bevorzugt vorgesehene Positionen zur Erzeugung einer Sollbruchstelle im Rahmen einer erfindungsgemäßen Nachbearbeitung einer Nockenwelle; und
7: unterschiedliche Vertiefungsformen infolge von Materialschwächungen zur Erzeugung einer Sollbruchstelle bei einem Ventilnocken gemäß der 6, gezeigt in einem Querschnitt entlang der Schnittebene VII - VII in der 6.

Die 1 zeigt eine Einheit mit einem Lagergehäuses 10 und zwei in dem Lagergehäuses drehbar gelagerten Nockenwellen 12, 14. Diese Einheit aus Lagergehäuse 10 und Nockenwellen12, 14 ist als Bestandteil eines Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors, konkret eines vierzylindrigen Reihenmotors, vorgesehen.
Das Lagergehäuse 10 kann vorzugsweise einteilig als (Druck-)Gussbauteil aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder Magnesium, oder als Spritzgussbauteil aus Kunststoff(en) ausgebildet sein. Das Lagergehäuse 10 umfasst einen hauben- oder rahmenförmigen äußeren Gehäuseteil, der ein im Wesentlichen lediglich zu einer Seite hin offenes Innenvolumen begrenzt, innerhalb dessen diejenigen Abschnitte der Nockenwellen 12, 14, die zumindest diejenigen Funktionselemente, die in Form von Ventilnocken 18 ausgebildet sind, aufnehmen, angeordnet sind. Die Nockenwellen 12, 14 sind dabei sowohl in ungeteilten Lageraufnahmen 16, die von dem äußeren Gehäuseteilausgebildet sind, als auch jeweils in mehreren (konkret drei) innerhalb des von dem äußeren Gehäuseteil begrenzten Innenvolumens angeordneten (ungeteilten) Lageraufnahmen 16 des Lagergehäuses 10 drehbar gelagert.
Die Nockenwellen 12, 14 umfassen jeweils neben den dazugehörigen Ventilnocken 20 und einer die Funktionselemente tragenden Grundwelle 20 noch ein oder mehrere weitere ringförmige und jeweils einen Abschnitt der dazugehörigen Grundwelle 20 vollumfänglich umgebende Funktionselemente. Bei einer ersten (12) der Nockenwelle 12, 14 sind diese weiteren Funktionselemente in Form eines Pumpennockens 22, eines Geberrads 24 sowie eines Drehlagers 26 ausgebildet. Der Pumpennocken 22 kann in Kombination mit einer Federbelastung eines Kolbens einer (im Übrigen nicht dargestellten) Kraftstoffhochdruckpumpe einer zyklischen hin und her Bewegung des Kolbens in einem Pumpengehäuse 28, das teilweise integraler Bestandteil des Lagergehäuses 10 ist, dienen. Dadurch soll Kraftstoff unter hohem Druck Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) zugeführt werden. Die Kraftstoffinjektoren können dann ein gesteuertes Einbringen des Kraftstoffs in von dem Verbrennungsmotor ausgebildete Brennräume bewirken. Das Lagergehäuse 10 bildet dazu Aufnahmeöffnungen 30 (sogenannte Kerzenschachtaufnahmen) aus, die der Aufnahme jeweils eines einem der Brennräume zugeordneten Kraftstoffinjektors dienen. Das Geberrad 24 dient in Kombination mit einem Sensor (nicht dargestellt) der Ermittlung einer Drehausrichtung der ersten Nockenwelle 12 sowie der zweiten Nockenwelle 14, die mit der ersten Nockenwelle 12 Drehbewegungen übertragend verbunden ist. Das Drehlager 26 dient einer möglichst spiel- und reibungsarmen Drehlagerung der ersten Nockenwelle 12 innerhalb des Lagergehäuses 10 an demjenigen Ende, an dem die erste Nockenwelle 12 für eine Verbindung mit einem Getriebeelement (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Mittels des Getrieberads, bei dem es sich beispielsweise um ein Zahnrad, Zahnriemenrad oder Kettenrad handeln kann, ist eine Antriebsleistung für einen drehenden Antrieb der ersten Nockenwelle auf diese übertragbar. Bei der zweiten Nockenwelle 14 ist zusätzlich zu den Ventilnocken 18 lediglich ein weiteres Funktionselement in Form eines Drehlagers 26 vorgesehen, das einer entsprechenden Drehlagerung des für eine Verbindung mit einem Getriebeelement vorgesehenen Endes der zweiten Nockenwelle 14 dient. Die zweite Nockenwelle 14 kann jedoch auch ein Geberrad 24 umfassen.
In der 1 ist dargestellt, dass einer der Ventilnocken 18, der mit einem X gekennzeichnet ist, im Rahmen einer Qualitätsprüfung der Einheit als fehlerhaft ermittelt worden ist. Infolge der Ausgestaltung des Lagergehäuses 10 mit ungeteilten Lageraufnahmen 16 und drehfesten Verbindungen zwischen den Grundwellen 20 und den dazugehörigen Funktionselementen der Nockenwellen 12, 14 und in Verbindung mit der Anordnungen zumindest der Ventilnocken 18 innerhalb des äußeren Gehäuseteils des Lagergehäuses 10 war eine Demontage einer solchen bereits montierten Einheit mit einem akzeptablen Aufwand bislang nicht möglich. Da zudem eine Nachbearbeitung eines fehlerhaften Funktionselements, nachdem dieses bereits in die Einheit integriert worden ist, in der Regel nicht mit einem akzeptablen Aufwand möglich ist, wurden solche Einheiten, bei denen mindestens ein Funktionselement als fehlerhaft ermittelt worden ist, bislang vollständig als Ausschuss behandelt und somit nicht bestimmungsgemäß verwendet.
Mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht dagegen die Möglichkeit, die Nockenwellen 12, 14, im vorliegenden Ausführungsbeispiel konkret die den fehlerhaften Ventilnocken 18 umfassende erste Nockenwelle 12, zu demontieren und unter Verwendung von neuen Funktionselementen erneut zu montieren, wobei die Ventilnocken 18 einschließlich des zuvor fehlerhaften Ventilnockens 18 durch nicht fehlerhafte Ventilnocken 18 ersetzt werden kann.
Hierzu ist in einem ersten Schritt im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, sämtliche der Funktionselemente der ersten Nockenwelle 12, die ein Herausziehen der dazugehörigen Grundwelle 20 aus den Lageraufnahmen 16 des Lagergehäuses 10 (in Richtung des das Drehlager 26 tragenden Endes) behindern, weil diese dabei mit den Lageraufnahmen 16 des Lagergehäuses 10 kollidieren würden, zu entfernen oder zumindest hinsichtlich der Verbindung mit der Grundwelle 20 zu lösen. Dies sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel sämtliche der Ventilnocken 18, das Geberrad 24 sowie der Pumpennocken 22.
Dieses Entfernen der Funktionselemente beziehungsweise das Lösen der Verbindungen zu der Grundwelle 20 erfolgt zerstörend, indem für jedes der zu entfernenden Funktionselemente mindestens eine Sollbruchstelle 32 durch das Einbringen einer Materialschwächung 34 erzeugt wird, wobei dabei das Material so weitgehend geschwächt wird, bis innere Spannungen der Funktionselemente, die u.a. aus der als Presspassung ausgebildeten Verbindung mit der Grundwelle resultieren, zu einem Versagen der Funktionselemente an den vorgesehenen Sollbruchstellen führen. Sofern lediglich ein Versagen an einer solchen Sollbruchstelle je Funktionselement erzeugt worden ist, kann diese Versagensstelle auch dazu genutzt werden, ein Werkzeug aufzunehmen, durch das diese aufgeweitet wird, bis das jeweilige Funktionselement an einer weiteren, in der Regel um ca. 180° zu der Versagensstelle versetzt angeordneten Stelle erneut versagt. Dies kann ein vereinfachtes Entfernen eines Funktionselements von der Grundwelle 20 ermöglichen.
Das Einbringen einer Materialschwächung 34 zur Erzeugung einer Sollbruchstelle 32 erfolgt vorzugsweise mittels eines einen Laserstrahl ausstrahlenden Lasers 36, wie dies in der 5 beispielsweise für einen Ventilnocken 18 dargestellt ist. Dabei kann vorgesehen sein, mittels des Lasers 36 eine linienförmige Vertiefung 34 in die umfangsseitige Kontaktfläche des Ventilnockens 18 einzubringen. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die linienförmige Vertiefung 34 parallel zu einer Längsachse 40 einer Aufnahmeöffnung 38, die von dem ringförmigen Ventilnocken 18 begrenzt ist, verläuft. Die Längsachse 40 der Aufnahmeöffnung 38 sollte dabei koaxial zu einer Längsachse 40 der dazugehörigen Grundwelle 20 angeordnet sein, sofern der Ventilnocken 18 diesbezüglich keinen Formfehler aufweist.
Die mittels des Lasers 36 eingebrachte Vertiefung (Materialschwächung) 34 kann sich über die gesamte axiale Breite des Ventilnockens 18 (oder eines anderen Funktionselements) erstrecken, wie dies beispielsweise in der 7a dargestellt ist. Möglich ist jedoch auch die Erzeugung einer Vertiefung 40, die sich nicht über die gesamte axiale Breite des Ventilnockens 18 (oder eines anderen Funktionselements), sondern beispielsweise lediglich in einem zentralen Abschnitt davon erstreckt, wie dies in den 7b und 7c dargestellt ist. Dabei zeigen die 7b und 7c zudem, dass unterschiedliche, beispielsweise einfach oder mehrfach abgestufte Übergänge zwischen dem vertieften Abschnitten und nicht vertieften (Rand-)Abschnitten möglich sind.
Die Materialschwächung 40 und damit eine Sollbruchstelle 32 wird vorzugsweise jeweils in einem Umfangsabschnitt der auszutauschenden Funktionselemente erzeugt, in dem diese die jeweils kleinste radiale Breite aufweisen. Bei einem Ventilnocken 18 kann dies an jeder Stelle innerhalb des dazugehörigen Grundkreisabschnitts 42 erfolgen, wie dies in der 6 beispielsweise für drei mögliche Sollbruchstellen 32 dargestellt ist. Der Grundkreisabschnitt 42 des Nockens 18 ist dabei rechtsschraffiert dargestellt. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass eine Materialschwächung 40 bei einem Ventilnocken 18 in einem der zwei Übergänge von dem Grundkreisabschnitt 42 zu einem Nockenerhebungsabschnitt 44 (in der 6 linksschraffiert dargestellt) und folglich an einer Stelle, in dem sich die über den gesamten Grundkreisabschnitt 42 im Wesentlichen konstante radiale Breite des Nockens 18 beginnend vergrößert, um den Nockenerhebungsabschnitt 44 auszubilden, eingebracht wird (vgl. 6).
Die 2 zeigt einen Zustand der Einheit, bei dem sämtliche der für die Demontage zu entfernenden Funktionselemente der ersten Nockenwelle 12 bereits entfernt worden sind. Die dazugehörige Grundwelle 20 und das mit dieser noch verbundene Drehlager 26 können dann in Richtung des in der 2 dargestellten Pfeils aus dem Lagergehäuse 10 herausgezogen werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Verbindungen der zu entfernenden Funktionselemente mit der Grundwelle 20 durch das Herbeiführen eines Versagens an jeweils mindestens einer Sollbruchstelle 32 in der beschrieben Art und Weise zu lösen und dann die Grundwelle 20 (mit dem Drehlager 26) aus dem Lagergehäuse 10 und aus den gelösten Funktionselementen herauszuziehen. Danach können die gelösten Funktionselemente aus dem Lagergehäuse 10 entnommen werden.
Anschließend erfolgt eine Reinigung der Lageraufnahmen 16 zur Entfernung von insbesondere Schmiermittel und daraufhin eine erneute Montage der ersten Nockenwelle 12 mit dann im Ergebnis hoffentlich fehlerfreien Funktionselementen. Hierzu wird für jedes der zuvor entfernten Funktionselemente ein neues, funktional und auch strukturell identisches Funktionselement in definierter Lage (Position und Drehausrichtung) innerhalb des Lagergehäuses 10 positioniert. Dies kann unter Zuhilfenahme einer Montagevorrichtung, wie sie beispielsweise in der WO 2009/065970 A1 offenbart ist, erfolgen. Sämtliche Aufnahmeöffnungen 38 dieser Funktionselemente sind dabei bezüglich ihrer Längsachsen 40 koaxial zueinander sowie zu Längsachsen 40 der Lageaufnahmen ausgerichtet, wodurch ermöglicht wird, die Grundwelle 20, die ebenfalls gegen eine neue Grundwelle 20 ausgetauscht worden sein kann, mitsamt dem Drehlager 26 durch Einschieben in die Lageaufnahmen 16 und die Aufnahmeöffnungen 38 der ausgetauschten Funktionselemente wieder zu montieren. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Grundwelle 20 zuvor stark abgekühlt und/oder die Funktionselemente sowie zumindest die Lageraufnahmen 16 des Lagergehäuses 10 zuvor stark erhitzt worden sind, wodurch ausreichende Differenzen zwischen den Außendurchmessern der Grundwelle 20 in den entsprechenden Abschnitten und den Innendurchmessern der Lageraufnahmen16 sowie der Aufnahmeöffnungen 40 der ausgetauschten Funktionselemente erreicht wird. Das Herbeiführen eines Temperaturausgleichs führt dann zu einer Ausbildung von drehfesten Verbindungen zwischen der Grundwelle 20 und den ausgetauschten Funktionselementen aufgrund von Presspassungen sowie zu einer möglichst spielfreien und reibungsarmen Drehlagerung der Grundwelle 20 innerhalb der Lageraufnahmen 16 des Lagergehäuses 10. Alternativ oder ergänzend dazu können die Presspassungen auch durch ein radial aufweitendes Umformen, beispielsweise ein Innhochdruckumformen der Grundwelle 20 nach dem Einschieben in die Aufnahmeöffnungen 30 der Funktionselemente ausgebildet werden.
Die Nachbearbeitung der ersten Nockenwelle 12 der Einheit kann damit abgeschlossen sein, wobei dann die gesamte Einheit fehlerfrei sein (vgl. 4) und der vorgesehenen Verwendung zugeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Lagergehäuse
12: erste Nockenwelle
14: zweite Nockenwelle
16: Lageraufnahme
18: Ventilnocken
20: Grundwelle
22: Pumpennocken
24: Geberrad
26: Drehlager
28: Pumpengehäuse
30: Aufnahmeöffnung
32: Sollbruchstelle
34: Materialschwächung /Vertiefung
36: Laser
38: Aufnahmeöffnung
40: Längsachse der Aufnahmeöffnung / der Grundwelle /der Lageraufnahme
42: Grundkreisabschnitt
44: Nockenerhebungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/065970 A1 [0005, 0007, 0010, 0035]
DE 102005004976 [0008]
DE 102010035658 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Nachbearbeitung einer gebauten Funktionswelle, die eine Grundwelle (20) und auf der Grundwelle (20) mittels Presspassungen befestigte, ringförmige Funktionselemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eines der Funktionselemente eine Sollbruchstelle (32) erzeugt und ein Versagen des Funktionselements an der Sollbruchstelle (32) herbeigeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das versagte Funktionselement durch ein neues Funktionselement ersetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente zumindest einen Ventilnocken (18) umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstelle (32) durch das Einbringen einer Materialschwächung (34) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschwächung (34) so weit vergrößert wird, bis das Versagen des Funktionselements infolge von inneren Spannungen, die aus der Presspassung resultieren, erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstelle (32) mittels eines Lasers (36) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschwächung (34) in einem Umfangsabschnitt des ringförmigen Funktionselements eingebracht wird, in dem dieses die kleinste radiale Breite aufweist..
Verfahren gemäß Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschwächung (34) bei einem Ventilnocken (18) in einem Übergang von einem Grundkreisabschnitt (42) zu einem Nockenerhebungsabschnitt (44) in den Ventilnocken (18) eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundwelle (20) in ungeteilten Lageraufnahmen (16) eines Lagergehäuses (10) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für sämtliche Funktionselemente, die ein Herausziehen der Grundwelle (20) aus den Lageraufnahmen (16) verhindern, ein Versagen herbeigeführt und die Grundwelle (20) aus den Lageraufnahmen (16) herausgezogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder einem der von Anspruch 2 abhängigen Ansprüche und gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die versagten Funktionselemente durch ein oder mehrere neue Funktionselemente ersetzt werden, indem das oder die neuen Funktionselemente innerhalb des Lagergehäuses (10) positioniert, die Grundwelle (20) in die Lageraufnahmen (16) des Lagergehäuses (10) und in von dem oder den Funktionselementen ausgebildete Aufnahmeöffnungen (38) eingeschoben und auf Presspassungen beruhende Verbindungen zwischen der Grundwelle (20) und dem oder den Funktionselementen erzeugt werden.