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Die Erfindung betrifft ein Richtverfahren zur Korrektur einer Formabweichung in Richtung der Rotationsachse einer Nockenwelle, wobei eine Nockenwelle zur Bestimmung einer Formabweichung mit einer Vermessungseinrichtung vermessen wird, und anschließend mit einer Verformungsvorrichtung bearbeitet wird, dass dadurch die Formabweichung der Nockenwelle korrigiert wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Dorns zur Korrektur einer Formabweichung einer Nockenwelle, sowie eine mit einem Dorn bearbeitete Nockenwelle.
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Nockenwellen erfahren in unterschiedlichen Herstellungs- und Bearbeitungsschritten anwendungsspezifische Belastungen. Derartige Bearbeitungsschritte können beispielsweise Zerspanen, Verzahnungsformen, Bohren, Schleifen oder zumindest partielles Härten umfassen. Durch die einzelnen Bearbeitungsschritte erfahren die Nockenwellen eingebrachte oder freigesetzte Materialeigenspannungen und müssen anschließend wieder gerichtet werden, um die daraus resultierenden Formabweichungen auf ein erträgliches Maß zu reduzieren.
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Im Stand der Technik bekannt ist das sogenannte Biegerichten, wobei durch eine radiale Zustellkraft in radialer Richtung, also versetzt zur Rotationsachse der Welle wirkend, versetzt zu einem Widerlager das Material über die Streckgrenze belastet und eine plastische Verformung herbeigeführt wird. Die Kraft wird hierbei stets so hoch gewählt, dass man im dauerhaft plastischen Bereich liegt.
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Aus der Druckschrift
DE 102006048712 A1 ist ein Verfahren zur Kaltverfestigung von Oberflächen von Bauteilen bekannt, insbesondere von Motoren- und Getriebebauteilen in Kraftfahrzeugen. Diese werden durch Ultraschall-Kugelstrahlen behandelt. Dabei werden Kugeln durch Ultraschall angeregt und auf Bearbeitungsbereiche der Bauteiloberfläche geleitet.
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Die Druckschrift
DE 3005 847 A1 offenbart ein Verfahren zum Richten von unrund verzogenen dünnwandigen Ringen oder Ringgehäusen, wobei die Bauteilstellen von zu geringer Krümmung, also von zu großem Krümmungsradius, von außen gezielt partiell kugelgestrahlt werden, wobei die Bauteilstellen von zu großer Krümmung, also von zu geringem Krümmungsradius, abgedeckt sind oder die Bauteilstellen mit zu großer Krümmung von Innen kugelgestrahlt werden, wobei die Stellen mit zu geringer Krümmung abgedeckt sind.
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Die Druckschrift
AT 36 1273 B offenbart ein Verfahren zum Richten von vorzugsweise langgestreckten Werkstücken, wie Stäben, Platten, Wellen oder Barren, aus Metall, wie Eisen, Werkzeug-Stahl oder dergleichen, durch Schlagbearbeitung des Werkstückes, wobei eine Serie gezielter Schläge mit einem Schlagbolzen mit gekurvter Spitze und hoher Frequenz über die Krümmungsinnenseite verteilt, ausgeübt wird.
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Nachteilig im Stand der Technik ist, dass die bekannten Verfahren zum Richten einer Nockenwelle mitunter sehr zeitaufwendig und kostenintensiv sind. Das Biegerichten kommt aufgrund zunehmender Forderungen hinsichtlich der Richtgüte von Nockenwellen an zusätzliche Grenzen. Hierbei sorgen die anwendungsspezifisch unterschiedlichen Bearbeitungsschritte dafür, dass der exakte Übergang vom plastische in den elastischen Bereich nicht an jeder Richtstelle den gleichen Wert hat. Daraus resultiert ein iterativer Suchprozess, um die exakten Wert jeder Richtstelle zu bestimmen. Dadurch überschreitet der zeitliche Aufwand zum Richten einer Nockenwelle jedes akzeptable Maß.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Richtverfahren bereitzustellen, welches weder kosten- noch zeitintensiv ist und zusätzlich hohen Forderungen hinsichtlich der Richtgüte gerecht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Richtverfahren durch den Anspruch 1, im Hinblick auf die Verwendung eines Dorns durch den Gegenstand des Anspruchs 10 und im Hinblick auf die Nockenwelle durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Richtverfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass eine Nockenwelle zuerst zur Bestimmung Ihrer Formabweichung in Richtung der Rotationsachse einer Nockenwelle mit einer Vermessungseinrichtung vermessen wird. In einem nachfolgenden Schritt wird auf die Oberfläche der Nockenwelle mit einer Verformungsvorrichtung eine zumindest lokal ausgebildete plastische Oberflächenverformung aufgebracht, dass dadurch die Formabweichung der Nockenwelle korrigiert wird.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Richtverfahrens besteht darin, dass durch das Vermessen der Nockenwelle exakt deren geometrischer Fehler bestimmt werden kann. Durch die lokal ausgebildete plastische Oberflächenverformung, werden gezielt Spannungen am Umfang der Welle eingebracht. Die Spannungen korrigieren den zuvor gemessenen geometrischen Fehler, so dass die Formabweichungen der Nockenwelle mit hoher Richtgüte kompensiert werden.
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Eine Nockenwelle ist ein Maschinenelement in Form eines Stabes, auf dem mindestens ein gerundeter Vorsprung - eine Nocke - angebracht ist. Die Welle dreht sich um die eigene Achse, durch den oder die auf ihr angebrachten Nocken wird diese Drehbewegung wiederholt in eine kurze Längsbewegung umgewandelt. Nockenwellen werden meist in einem Stück aus Gusseisen gegossen oder aus Stahl geschmiedet. In bestimmten Anwendungen sind Nockenwellen auch als Schiebenockenwellen oder Zahnradwellen bekannt.
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Eine Vermessungseinrichtung ist ein Messsystem, das dazu geeignet ist, eine vollständige Vermessung einer Nockenwelle durchzuführen. Dies erfordert beispielsweise die geometrische Vermessung, eine Gewichtsmessung sowie eine Bestimmung der Rotationseigenschaften. Zusätzlich kann die Vermessungseinrichtung aus festgestellten Formabweichungen, Koaxialitätsabweichungen oder Rundlaufabweichungen einer oder mehrerer bestimmter axialer Positionen der Welle den Ort und die Höhe auf die Oberfläche einer Welle aufzubringenden Spannungen bestimmen, welche eine Korrektur der festgestellten Formabweichung bewirken können. Beispielsweise kann die Vermessungseinrichtung einen Laserscanner umfassen.
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Eine Verformungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, die Oberfläche einer Welle plastisch zu verformen. Somit ist jeder Gegenstand, welcher eine größere Härte als die zu verformende Oberfläche aufweist, geeignet, um das Gefüge auf der Oberfläche plastisch zu beeinflussen. Aufgrund der Tatsache, dass die einzubringenden Spannungen im Einzelfall auf exakt definierte Orte auf der Oberfläche der Welle beschränkt sind, muss die Verformungsvorrichtung dazu geeignet sein, plastische Verformungen mit lokaler Einschränkung im einstelligen Millimeterbereich zu realisieren.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform, wird die plastische Oberflächenverformung mit einem Dorn durchgeführt. Ein Dorn bietet die Möglichkeit an exakt definierten Stellen eine plastische Verformung zu erzeugen. Die dadurch erzeugten Spannungen werden einseitig auf der Wellenoberfläche eingebracht, ohne die gegenüberliegende Wellenfaser auf Zug zu belasten. Dadurch werden die zuvor gemessenen Formabweichungen korrigiert. Die präzise Positionierung ist somit bei verhältnismäßig geringem Aufwand und leicht verfügbaren technischen Mitteln realisierbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wird die Nockenwelle mit der Vermessungseinrichtung zur Bestimmung einer fortbestehenden Formabweichung nach dem Aufbringen der lokalen plastischen Oberflächenverformung auf die Nockenwelle erneut vermessen. Durch das erneute Vermessen kann überprüft werden, ob die aufgebrachten plastischen Verformungen die Formabweichung tatsächlich ausreichend korrigiert haben.
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Nach einer weiteren Ausführungsform, wird eine weitere lokale plastische Oberflächenverformung auf die Nockenwelle aufgebracht, um eine fortbestehende Formabweichung der Nockenwelle zu korrigieren. Dadurch wird sichergestellt, dass durch eine erneute Behandlung mit der Verformungsvorrichtung die geforderte Richtgüte erreicht wird und Formabweichungen, Koaxialitätsabweichungen und Rundlaufabweichungen weitestgehend reduziert werden.
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Um die konkrete Formabweichung der Nockenwelle präzise bestimmen zu können, wird beim Vermessen der Nockenwelle mit der Vermessungseinrichtung die reale Rotationsachse der Nockenwelle bestimmt. Die reale Rotationsachse dient somit dem Abgleich mit der tatsächlich gewünschten Rotationsachse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wird beim Vermessen der Nockenwelle mit der Vermessungseinrichtung ein geeigneter Ort auf der Nockenwelle zur lokalen Oberflächenverformung und ein erforderlicher Umformgrad zum Korrigieren der Formabweichung der Nockenwelle bestimmt. Der Umformgrad kann auch durch eine erforderliche Anzahl an lokalen Umformungen bestimmt werden. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die plastische Oberflächenverformung nur in dem Maß aufgebracht wird, wie für die Erreichung der Richtgüte unbedingt erforderlich ist. Auf diese Weise wird die gewünschte Richtgüte sehr effizient und zuverlässig erreicht.
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Um die Vermessung effizient durchführen zu können und um möglichst ein hohes Maß an Genauigkeit erreichen zu können, wird das Vermessen der Nockenwelle mit einem Laserscanner durchgeführt wird.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform, ist die Nockenwelle als Zahnstange ausgebildet, wobei die lokale plastische Oberflächenverformung in einem Zahnfuß der Zahnstange aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine lokale plastische Oberflächenverformung auf einer Fläche der Verzahnung aufgebracht werden, auf der die Verzahnung der Nabe später keinen Kontakt hat. Beispielsweise kann die Zahnstange eine Schiebenockenwelle oder eine Vielzahnwelle umfassen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass selbst bei einem erneuten Überschleifen der Zahnstange ein Freiwerden der aufgebrachten Spannungen verhindert werden kann. Da die plastischen Verformungen im Zahnfuß angeordnet sind, ist die Formkorrektur durch ein Überschleifen nach wie vor in der Zahnstange enthalten.
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Nach einer alternativen Ausführungsform, wird die lokale Oberflächenverformung mittels eines Kugelstrahlverfahrens durchgeführt. Dadurch ist es möglich mittels eines Kugelstrahlverfahrens die plastischen Verformungen auf die Nockenwelle aufzubringen. Voraussetzung ist hierbei, dass die eingesetzten Partikel, welche auf die Oberfläche aufgestrahlt werden, über eine ausreichende Härte verfügen die notwendige plastische Verformung hervorzurufen.
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Um die Formabweichungen zwischen realer Nockenwelle und idealer Drehachse der Nockenwelle zusätzlich zu verringern, wird die lokale Oberflächenverformung nur einseitig auf der Oberfläche der Nockenwelle eingebracht, ohne dabei eine gegenüberliegende Wellenfaser der Nockenwelle auf Zug zu belasten.
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Hinsichtlich der Verwendung eines Dorns wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Eine derartige erfindungsgemäße Verwendung eines Dorns, ermöglicht eine Korrektur einer Formabweichung einer Nockenwelle. Es ergeben sich hierbei ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Richtverfahren zur Korrektur einer Formabweichung einer Nockenwelle erläutert wurden.
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Hinsichtlich einer Nockenwelle, wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst.
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Eine derartige erfindungsgemäße Nockenwelle, umfasst eine lokale plastische Oberflächenverformung aufgrund eines Dorns. Es ergeben sich hierbei ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Richtverfahren zur Korrektur einer Formabweichung einer Nockenwelle und bei der Verwendung eines Dorns zur Korrektur einer Formabweichung einer Nockenwelle erläutert wurden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform, umfasst die Nockenwelle eine Zahnstange.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Nockenwelle mit einer Formabweichung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Nockenwelle mit einer Formabweichung, wobei abschnittsweise plastische Oberflächenverformung aufgebracht sind;
- 3 eine schematische Darstellung einer Zahnstange, wobei abschnittsweise plastische Oberflächenverformung aufgebracht sind;
- 4 eine schematische Darstellung einer Zahnstange mit einer Schiebenocke; und
- 5 eine perspektivische Darstellung einer Zahnstange mit einer Schiebenocke.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Nockenwelle 10 mit einer Formabweichung. Die Formabweichung resultiert aus vorhergehenden Bearbeitungsschritten. Aufgrund der Formabweichung bzw. den Formabweichungen mangelt es der Welle an einer bestimmten Richtgüte. Somit ist ein Richten der Welle notwendig, um die Formabweichungen auf ein tolerierbares Maß zu korrigieren.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Nockenwelle 10 mit einer Formabweichung, wobei abschnittsweise plastische Oberflächenverformung 30 aufgebracht sind. Durch das Aufbringen lokal ausgebildeter plastischer Oberflächenverformungen 30, wird die Formabweichung der Nockenwelle 10 korrigiert. Das Richtverfahren zur Korrektur der Formabweichung der Nockenwelle 10 setzt voraus, dass die Nockenwelle 10 zunächst mit einer Vermessungseinrichtung 50 (nicht gezeigt) vermessen wird. Hierbei wird beispielsweise die geometrische Rotationsachse mit der realen Rotationsachse der Nockenwelle 10 einem Vergleich unterzogen. Dadurch lassen sich anschließend präzise der Ort und die Höhe von Spannungen auf der Oberfläche der Nockenwelle 10 errechnen, welche zur Korrektur der festgestellten Formabweichung notwendig sind. In einem nachfolgenden Schritt werden auf die Oberfläche der Nockenwelle 10 mit einer Verformungsvorrichtung 20 eine zumindest lokal plastische Oberflächenverformung 30 aufgebracht. Die Oberflächenverformung 30 kann hier punktuell oder aber über einen größeren Abschnitt oder eine größere Fläche ausgebildet sein. Der konkrete Ort der plastischen Oberflächenverformungen 30 hängt von dem Ausmaß der Formabweichung der Nockenwelle 10 und von der Spannungsberechnung auf Grundlage der Vermessung statt. Durch die lokalen plastischen Oberflächenverformungen, werden gezielt einseitig auf der Wellenoberfläche lokale Druckeigenspannungen eingebracht, ohne dabei die gegenüberliegende Wellenfaser auf Zug zu belasten. Die lokalen Druckeigenspannungen können die zuvor gemessene Formabweichung mit hoher Richtgüte kompensieren.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Zahnstange 12, wobei abschnittsweise plastische Oberflächenverformung 30 aufgebracht sind. Das Korrigieren einer Formabweichung durch das Aufbringen lokaler plastischer Oberflächenverformungen 30 funktioniert in identischer Weise auch bei Zahnstange 12. Auch hier wird zunächst die Formabweichung der Zahnstange 12 mit einer Vermessungseinrichtung 50 (nicht gezeigt) vermessen. Auf Grundlage der Messergebnisse lassen sich exakt der Ort und die Höhe von Spannungen auf der Oberfläche der Zahnstange 12 berechnen, die zur Korrektur der festgestellten Formabweichung notwendig sind. Auf die Oberfläche der Zahnstange 12 werden anschließend mit der Verformungsvorrichtung 20 zumindest lokale plastische Oberflächenverformung 30 aufgebracht. Die Oberflächenverformung 30 kann auch hier punktuell oder über größere Abschnitte erfolgen. Einziger Unterschied ist, dass die Oberflächenverformungen 30 direkt am Zahnfuß der Zahnstange 12 aufgebracht werden. Dadurch kann beispielsweise gewähreistet werden, dass bei weiteren Bearbeitungsschritten, wie beispielsweise einem Überschleifen, dass die aufgebrachten Spannungen nicht freiwerden. Mit anderen Worten, wird die Formkorrektur durch Überschleifen der Zahnstange 12 nicht beeinflusst.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Zahnstange 12 mit einer Schiebenocke 40. Die Zahnstange 12 wurde bereits vermessen und auf die Oberfläche der Zahnstange 12 wurden mit der Verformungsvorrichtung 20 bereits lokale plastische Oberflächenverformung 30 aufgebracht. Dadurch befindet sich die Zahnstange 12 in einem Zustand, in welchem eine zuvor festgestellte Formabweichung korrigiert wurde.
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Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Zahnstange 12 mit einer Schiebenocke 40. Auf eine wiederholte Beschreibung identischer Merkmale vorausgehender Figuren wird verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nockenwelle
- 12
- Zahnstange
- 20
- Verfestigungsvorrichtung
- 22
- Dorn
- 30
- Oberflächenverformung
- 40
- Schiebenocke
- 50
- Vermessungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006048712 A1 [0004]
- DE 3005847 A1 [0005]
- AT 361273 B [0006]
