DE10260115B4

DE10260115B4 - Nockenwelle aus Kohlenfaserverbundwerkstoff (CFK)

Info

Publication number: DE10260115B4
Application number: DE10260115A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. Kirmße; Peter Dr. Meusburger
Original assignee: ThyssenKrupp Automotive AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: WO2004056553A1; AU2003283416A1; DE10260115A1

Abstract

Nockenwelle, bestehend aus einem rohrförmigen Grundkörper (1) aus einem Kohlenfaserverbundwerkstoff sowie mindestens einem mittelbar damit verbundenen Nocken (7), wobei der mindestens eine Nocken über eine Metallhülse (2) mit dem Grundkörper (1) verbunden ist, wobei die Metallhülse in den Grundkörper einlaminiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle.

Der EP-B 0 290 758 ist eine Hohlwelle mit drehmomentübertragenden Konstruktionselementen, wie Zahnrädern, Kurven, Nocken oder dergleichen zu entnehmen, von denen wenigstens ein Konstruktionselement eine unrunde Öffnung zum Aufsetzen auf ein Ausgangsrohr mit im Wesentlichen gleicher Wandstärke aufweist und mit jeweils wenigstens einem Stützkörper zwischen dem Ausgangsrohr und jedem Konstruktionselement mit unrunder Öffnung, wobei das Ausgangsrohr zur kraft- und formschlüssigen Verbindung mit den Konstruktionselementen durch Innendruck derart aufgeweitet ist, dass das Ausgangsrohr mit einem Teilbereich seines Umfangs an der Innenwand der Konstruktionselemente mit mindestens bei einem anderen Teilbereich seines Umfangs an der Außenwand des Stützkörpers anliegt. Das Ausgangsrohr kann ein metallischer oder nicht metallischer Werkstoff, ggf. ein Laminatwerkstoff oder ein faserverstärkter Werkstoff aus verschiedenen Materialien sein.

Der EP-B 0 303 845 ist eine Hohlwelle zu entnehmen, bestehend aus einem Rohr und aus drehmomentübertragenden Konstruktionselementen, mit einer Öffnung zum Aufsetzen auf das Rohr und Stützkörpern, wobei die Verbindung zwischen Rohr, Konstruktionselement und Stützkörpern durch Verkleinerung des Raumes zwischen Rohr und Konstruktionselement hergestellt ist, wobei Konstruktionselement und Rohr kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind und in der Öffnung des Konstruktionselementes ferner mindestens ein Stützkörper angeordnet ist und das Rohrteil teilweise am Stützkörper anliegt. Das Rohr kann aus einem metallischen oder nicht metallischen Werkstoff, einem Laminatwerkstoff oder einem faserverstärkten Werkstoff aus verschiedenen Materialien gebildet sein.

Bei diesen beiden Druckschriften ist die Materialauswahl nicht nachvollziehbar und auch für einen Fachmann nicht ohne weiteres erkennbar, wie er derartige Materialien so auswählen soll, dass sie nach einer radialen Aufweitung des Rohres so wenig zurückfedern, dass ein dauerhafter Festsitz nach dem Ablassen des Innendruckes gewährleistet wird. Dies wird des weiteren noch durch die erheblichen Temperaturschwankungen, insbesondere im Einsatz einer Brennkraftmaschine, verschärft.

Der EP-B 0 826 476 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus Kunststoff mit rohrförmigem Metalleinsatz zu entnehmen, wobei ein aus Stahl bestehendes Rohr mit Kunststoff ummantelt wird. Dabei umfasst die Ummantelung auch die fertigen Nocken. Die Anforderungen an Verschleißfestigkeit und Festigkeit der Nocken können jedoch mit herkömmlichen Kunststoffen kaum erfüllt werden. Weiterhin müssen Kunststoffe gefunden werden, die einerseits thermoplastisch verformt/gespritzt werden können und andererseits die hohen Anforderungen an die Nocken über einen breiten Temperaturbereich erfüllen.

Durch die EP-B 0 328 009 ist eine gebaute Welle, insbesondere Nockenwelle, Kurbelwelle oder Getriebewelle bekannt geworden, gebildet durch einen Rohrkörper und darauf einzeln aufgeschobenen Antriebselementen, die im Wesentlichen kraftschlüssig festgelegt sind, wobei jeweils zwischen zwei Antriebs elementen eine Hülse mit gegenüber dem Rohrkörper größerem Durchmesser und auf dem Rohrkörper geführten, im Durchmesser reduzierten Bundbereichen aufgeschoben ist, wobei die Bundbereiche unter die Antriebselemente reichen und zwischen Rohrkörper und Antriebselementen im Wesentlichen kraftschlüssig eingespannt sind. Der Rohrkörper und ggf. auch die Stützhülsen können aus Stahl gefertigt sein. Die Antriebselemente, insbesondere Steuernocken, sollen aus Gusswerkstoff bestehen. Die Zwischenhülse kann aus Stahl, Aluminium, Titan oder Kohlenfaserverbundwerkstoffen, jeweils ausschließlich oder im Verbund miteinander oder im Verbund mit Kunststoff gebildet sein.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, drehmomentübertragende Konstruktionselemente mit Antriebswellen, wie beispielsweise Getriebewellen, die als Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoffen, ausgebildet sind, zu verbinden ( JP 55054710 A ; DE 82 22 839 U1 ; JP 63139733 A ). Auf die Entwicklung von Nockenwellen, die zur Betätigung der Ventile bei Verbrennungsmotoren dienen, hatten diese Verbindungsmöglichkeiten keinen Einfluss.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorschläge bekannt, auf als Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoffen, ausgebildete Nockenwellen metallische Nocken aufzubringen ( JP 5821 1513 A ; JP 57010718 A ). So ist beispielsweise aus der JP 5821 1513 A bekannt, die Nocken auf die hohle Nockenwelle aufzukleben. Eine derartige Klebverbindung weist jedoch keine ausreichende Belastbarkeit und Zeitstandfestigkeit auf.

Aus der JP 58091311 A ist es bekannt, einen keramischen Nocken auf eine aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehende Nockenwelle aufzubringen. Hierbei ist die Nockenwelle als Vollwelle ausgebildet. Eine Verbesserung der Verbindung zwischen Nocken und Welle soll dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt des Loches in dem Nocken, mit dem der Nocken auf die Nockenwelle aufgeschoben wird, unrund ausgebildet ist.

Ferner ist es aus der DE 36 06 111 C2 bekannt, metallische Nocken auf eine metallische Hohlwelle aufzuschieben. Die Hohlwelle weist dabei in bestimmten Bereichen, in denen die Nocken befestigt werden sollen, rollierte Bereiche auf. Der Nocken wird dabei über eine kraft- und formschlüssige Verbindung in Position gehalten. Die Verwendung einer Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff wird in dieser Druckschrift nicht erwähnt.

Der der Erfindung am nächsten kommende Gegenstand ist in der JP 62199910 A offenbart. Diese Druckschrift beschreibt eine Nockenwelle, die eine Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff und einen darauf unmittelbar befestigten metallischen Nocken umfasst. Der metallische Nocken weist Flansche auf, die sich in axialer Richtung erstrecken. Die Befestigung des Nockens auf der Hohlwelle erfolgt dadurch, dass eine zusätzliche zweite Schicht aus Faserverbundwerkstoff auf die Hohlwelle derart aufgebracht wird, dass diese zusätzliche Schicht die Nocken im Bereich ihrer Flansche überdeckt. Dadurch werden die Nocken auf der Hohlwelle fixiert gehalten. Nachteilig bei dieser Verbindungsmethode ist, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen Hohlwelle und Nocken begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gebaute Nockenwelle in Leichtbauweise zur Verfügung zu stellen und ein Herstellungsverfahren für derartige Nockenwellen anzugeben, das einfach in der Ausführung ist und darüber hinaus auch eine möglichst große Freiheit bei der Auswahl der Verbindung der Nocken mit der Welle mit sich bringt.

Hinsichtlich der Nockenwelle wird diese Aufgabe durch eine Nockenwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 7 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an. Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. In den Unteransprüchen 9 bis 15 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens angegeben.

Im Herstellungsverlauf des rohrförmigen Grundkörpers wird an vorgebbaren Stellen des Rohres jeweils eine Metallhülse oder bedarfsweise gleich ein Nocken vorgesehen. Die Fixierung der Nocken bei Einsatz einer Metallhülse kann durch Fertigungstechniken wie Rohraufweiten, beispielsweise durch Innenhochdruckumformung, oder Rollieren/Rändeln bzw. Aufpressen, Schweißen, insbesondere Laserstrahlschweißen, oder dergleichen erzeugt werden.

Das Laminieren erfolgt entweder durch Pultrusion (Strangziehverfahren) für Faserrichtungen in Längsrichtung oder durch Wickeltechniken für Faserrichtungen in Umfangsrichtung. Die Wickeltechniken können, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, programmgesteuert erfolgen, sodass verschiedene Winkel und Faserdichten eingestellt werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können verschiedene Lösungsansätze definiert werden:
Allgemein kann die Befestigung der Hülsen durch Einlaminieren erfolgen. Beim Einlaminieren sind verschiedene Aspekte zu beachten:

– Durch eine entsprechende Gestaltung der Metallhülse (Abrundung der umlaufenden Kante am Fuß der Hülse) kann die Kerbwirkung auf das CFK-Rohr gering gehalten werden.
– Das Rohr wird stufenweise in Längs- und Umfangsrichtung laminiert. Beim Laminieren in Umfangsrichtung werden ggf. auch gezielt bestimmte Winkel der Fasern zur Rohrachse eingestellt. Dadurch können die verschiedenen, auf die Welle aus den unterschiedlichen Richtungen einwirkenden Belastungen optimal aufgenommen werden.
– So ist folgende Vorgehensweise beim Laminieren vorteilhaft: – Das Rohr wird in Längsrichtung laminiert. – Bei Bedarf wird eine oder werden zwei Schichten) mit Faserrichtung von beispielsweise 45 ° zur Rohrachse anschließend auflaminiert. – Die notwendige Anzahl an Metallhülsen wird über das Rohr geschoben und an die für die Befestigung notwendigen Stellen positioniert. – Die zweite oder einfach eine weitere Schicht wird in Umfangsrichtung laminiert, wobei die Hülsen partiell quasi mit eingewickelt werden. In den Hülsen sind dafür umlaufende und diagonal verlaufende Vertiefungen/Rillen vorgesehen.
– Die Laminierung erfolgt so in die Vertiefungen der Hülse, dass die Fasern nicht über den Umfang der Metallhülse herausragen, wodurch die Oberfläche der Hülse für Fügeoperationen, beispielsweise zur Aufnahme von Nocken, zur Verfügung steht. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Fasern während des gesamten nachfolgenden Fügeprozesses nicht beschädigt werden. Für das Festsetzen der Funktionsbauteile kann beispielsweise im Anschluss die Hülse durch Rollieren oder Rändeln aufge weitet- werden. In diesem Fall müssen die Fasern so tief in die Vertiefungen der Hülse eingebettet sein, dass sie durch die Rollenwalzen nicht beschädigt werden.

Diese Vorgehensweise kann auch so durchgeführt werden, dass die Metallhülse im Innern des Rohres angeordnet ist. Dadurch können Endzapfen bzw. Endstücke, an denen z.B. Antriebsräder befestigt werden, mit den für Stahlrohre bekannten Fügetechniken mit der Welle verbunden werden. Beispielsweise kann die klassische Verbindung durch einfaches Einpressen, die bei Kunststoffen kaum möglich ist, dadurch realisiert werden.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand verschiedener Ausführungsbeispiele dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 Welle mit einlaminierter Metallhülse;
2 Welle mit einlaminierter Metallhülse und aufgebrachter Rollierung zur Vorbereitung einer Fügeoperation;
3 Welle mit einlaminierter Metallhülse und gefügtem Funktionselement;
4 und 5 Prinzipskizzen zur Erzeugung eines CFK-Grundkörpers mit einlaminierter Metallhülse;
Die 1, 2 und 3 zeigen die Montagefolge für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung am Beispiel der Montage von Nockenwellen.
1 zeigt eine Metallhülse 2, die in einem aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) gebildeten rohrförmigen Grundkörper 1 einlaminiert ist. Damit die Kohlefaser während der nachfolgenden Operation nicht beschädigt wird, ist die Hülse im Fügebereich 3 für das Funktionselement von der Kohlefaser freigestellt. Die übrigen Bereiche, zumindest die Bundbereiche 4 und 5, sind von Laminat umgeben. Für das Einlaminieren ist zu beachten, die Metallhülse 2 so zu gestalten, dass die Kerbwirkung gering gehalten wird. Scharfe Kanten sind grundsätzlich zu vermeiden, damit die Fasern im Betrieb nicht beschädigt werden.
In der 2 ist die auf die Metallhülse 2 aufgebrachte Rollierung 6 zu erkennen. Die Rollierung 6 weitet die Metallhülse 2 partiell so weit auf, dass sie die innere Öffnung eines zu fügenden Funktionselementes überragt.
In der weiteren Montagefolge wird, wie in 3 dargestellt, ein Funktionselement, hier ein Nocken 7, über die Metallhülse 2, die im Fügebereich 3 rolliert ausgebildet war, gepresst. Durch die durch das Rollieren erfolgte Materialverdrängung entsteht eine Aufweitung der Metallhülse 2. Der Durchmesser der im Fügebereich 3 aufgeweiteten Metallhülse 2 überragt den Innendurchmesser der Öffnung im Nocken 7. Durch das Aufschieben des Nockens 7 erfolgt ein Verpressen mit der Metallhülse 2. Dadurch entsteht eine kraft- und – je nach Form der Öffnung – eine formschlüssige Verbindung zwischen Metallhülse 2 und Nocken 7 und damit mit dem Grundkörper 1.
Durch die nachträgliche Aufweitung des Fügebereiches 3 der Metallhülse 2 können die Nocken 7 über die gesamte Rohrlänge und über mehrere Metallhülsen problemlos geschoben werden, ehe sie an der eigentlichen Fügestelle verpresst werden. Würden bereits mehrere aufgeweitete Metallhülsen 2 eingesetzt, so würde der Nocken 7 nicht so problemlos an die vorgesehene Fügestelle geschoben werden können.
Anstelle der in den 1 bis 3 vorgestellten Fügemethode kann auch auf den Rollierprozess verzichtet werden. Der Nocken 7 wird dann über die Metall hülse 2 geschoben und durch eine andere bekannte Fügemethode festgesetzt. Hier kann beispielsweise auch das Verschweißen mit Laserschweißen angewendet werden.
Für diesen Fall muss die Metallhülse 2 und die zugehörige Öffnung im Nocken 7 entsprechend ausgelegt sein.
In 3 ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit zwischen Metallhülse 2 und Grundkörper 1 gezeigt. Hierzu kann der Bund 4, 5 der Metallhülse 2 an seiner Stirnfläche 8 mit in Umfangsrichtung gegensinnig abgebogenen Zungen 9, 10 versehen sein.
4 zeigt als Prinzipskizze einen Grundkörper 1, in diesem Beispiel gebildet durch in Längsrichtung verlaufende, durch Strangziehen gebildete Kohlenfasern 11 sowie in Umfangsrichtung verlaufende, bedarfsweise unter einem vorgebbaren Winkel gewickelte Fasern 12, die bedarfsweise von einer Deckschicht 13 ummantelt sind.
5 zeigt den Grundkörper 1 samt Fasern 11, 12. Ferner dargestellt ist eine Metallhülse 2, die über in Umfangsrichtung sowie diagonal verlaufende Vertiefungen 14, 15 verfügt und die Fasern 12 die Metallhülse 2 in diesen Bereichen 14, 15 einwickeln. Die Fasern 12 sollen hierbei nicht über die Umfangsfläche 16 der Metallhülse 2 vorstehen. Bedarfsweise können weitere Schichten in Form von Fasern 17 vorgesehen werden. Auf die Umfangsfläche 16 der Metallhülse 2 wird nachträgliche eine Rollierung 6 zur Fügung des Funktionselementes, beispielsweise des Nockens 7 (3), aufgebracht.

Claims

Nockenwelle, bestehend aus einem rohrförmigen Grundkörper (1) aus einem Kohlenfaserverbundwerkstoff sowie mindestens einem mittelbar damit verbundenen Nocken (7), wobei der mindestens eine Nocken über eine Metallhülse (2) mit dem Grundkörper (1) verbunden ist, wobei die Metallhülse in den Grundkörper einlaminiert ist.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem mehrschichtigen Laminataufbau, gebildet durch Fasern (12, 17) mit unterschiedlichem Faserverlauf besteht.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stirnfläche (8) der Metallhülse (2) in radialer Richtung gegeneinander versetzte abgebogene Zungen (9, 10) aufweist.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (7) durch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit der Umfangsfläche (16) der Metallhülse (2) verbunden ist.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche (16) der Metallhülse (2) mit einer Rollierung (6) versehen ist.
Nockenwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufschieben des Nockens (7) ein Verpressen mit der Metallhülse (2) erfolgt und dadurch eine kraft- und – je nach Form der Öffnung – eine formschlüssige Verbindung zwischen Metallhülse (2) und Nocken (7) entsteht.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (7) durch eine Schweißverbindung, insbesondere eine Laserschweißverbindung, mit der Metallhülse (2) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit Nocken, indem ein rohrförmiger Grundkörper (1) aus einem Kohlenfaserverbundwerkstoff (CFK) erzeugt und in mittelbarer Weise mit mindestens einem Nocken aus einem anderen Werkstoff in Wirkverbindung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der Erzeugung des Grundkörpers (1) eine notwendige Anzahl an Metallhülsen (2) an vorgebbaren Stellen des Grundkörpers (1) positioniert werden und in die Fasern (12, 17) des Kohlenfaserverbundwerkstoffes einlaminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) durch in Längs- und/oder Umfangsrichtung und/oder geneigt dazu verlaufenden Fasern (12, 17) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) durch Strangziehen der Kohlenfasern (11) in Längsrichtung und/oder durch Wickeln der Fasern (12) für Faserrichtungen in Umfangsrichtung und/oder durch Wickeln der Fasern (17) für geneigt dazu verlaufende Faserrichtungen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Grundkörpers (1) stufenweise durch Laminierung in Längs- und Umfangsrichtung bzw. geneigt dazu, insbesondere programmgesteuert, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülsen (2) rohrseitig mit einer abgerundeten Kante versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) in Längsrichtung laminiert wird, mindestens eine Schicht in Umfangsrichtung und/oder mit Faserrichtungen von etwa 45 ° zur Rohrachse auflaminiert wird, die notwendige Anzahl an Metallhülsen (2) über den Grundkörper (1) geschoben und im Bereich der für die Befestigung notwendigen Stellen positioniert werden, mindestens eine weitere Schicht in Längs- und/oder Umfangsrichtung und/oder geneigt dazu auf den Grundkörper (1) und die Metallhülse (2) auflaminiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (2) mit Vertiefungen (14, 15), insbesondere mit in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung und/oder geneigt dazu verlaufenden Rillen versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminierung dergestalt erfolgt, dass die Fasern (12, 17) nicht über die Umfangsfläche (16) im Fügebereich für den Nocken der Metallhülse (2) herausragen.