DE10323718A1

DE10323718A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE10323718A1
Application number: DE2003123718
Authority: DE
Inventors: Rudolf Paasch; Michael Dipl.-Phys. Sebastian
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-24
Filing date: 2003-05-24
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-05-25
Also published as: DE10323718B4

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Welle und mehreren mit einer Bohrung zur Durchführung der Welle versehenen Nocken weist folgende Verfahrensschritte auf: DOLLAR A Die Nocken werden an ihrem Umfang mit einem bis zu der Bohrung reichenden Schlitz versehen, DOLLAR A die Nocken werden im Bereich des Schlitzes gedehnt und über die Welle gezogen, DOLLAR A die Nocken werden durch Verschweißen des Schlitzes unter Bildung einer ersten Schweißnaht auf der Welle fixiert, DOLLAR A die Nocken werden im Bereich der Bohrung unter Bildung wenigstens einer zweiten Schweißnaht mit der Welle verschweißt, DOLLAR A die Nocken werden an ihrem Umfang derart gehärtet, dass sich im Bereich der wenigstens einen zweiten Schweißnaht eine Einlasswirkung ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Welle und mehreren mit einer Bohrung zur Durchführung der Welle versehenen Nocken.

In der DE 32 27 693 A1 , der DE 32 47 636 A1 und der DE 33 01 749 A1 sind Nockenwellen für Brennkraftmaschinen sowie Verfahren zu deren Herstellung beschrieben, wobei die Nocken auf die Welle aufgeschrumpft werden. Dies kann beispielsweise durch Auf weiten der Welle erreicht werden, wenn diese als Hohlwelle ausgeführt ist.

Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt auch die DE 35 40 979 A1 . Hierbei werden Lager- und/oder Nockenelemente auf eine Welle aufgebracht und durch Löten auf derselben fixiert.

In der DE 39 29 179 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle beschrieben, bei welchem die Welle ebenfalls aufgeweitet und auf diese Weise mit den Nocken verbunden wird. Diese Verbindung zwischen den Nocken und der Welle wird bei dem genannten Verfahren durch Aufschmelzen der aus einem duktilen Sphäroguss oder einem Sinterwerkstoff hergestellten Nocken und der sich hierdurch ergebenden Gefügeumwandlung verbessert.

Die DE 43 07 562 A1 und die EP 0 203 008 A1 beschreiben Verfahren zur Herstellung von Nocken, die durch Schrumpfen ihrer Aufnahmebohrung mit der Welle verbunden werden. Diese Verfahren umfassen jedoch sowohl aufwendige Verfahrensschritte als auch spezielle und damit teure Materialien.

Nockenwellen, bei welchen zumindest die Nocken durch Umformen eines Blechabschnitts hergestellt sind, beschreiben die DE 43 24 836 A1 und die WO 96/27076 A1. Ähnliche Verfahren sind auch aus der WO 01/79661 A1 und der WO 01/98020 A1 bekannt.

Schließlich beschreibt noch die US 4 983 797 ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, bei dem die Nocken mittels eines Laserstrahls mit der Welle verbunden werden. Die Schweißpunkte bzw. Schweißnähte, mit denen die Nocken mit der Welle verbunden sind, sollten dabei aus Festigkeitsgründen möglichst groß sein, was jedoch zu einem höheren Verzug der Welle führt und somit einen bislang nicht gelösten Zielkonflikt mit sich bringt. Ein weiteres Problem ergibt sich beim Härten der Nocken, da gehärtete Nocken nur unter erschwerten Bedingungen mit der Welle verschweißt werden können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle zu schaffen, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist und zu einer qualitativ hochwertigen Nockenwelle führt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Schlitz am Umfang der Nocken ist beim späteren Anbringen der Nocken auf der Welle bereits eine Klemmwirkung gegeben, wodurch vorteilhafterweise auf Haltemittel zum Festhalten der Nocken während des nachfolgenden Verschweißens verzichtet werden kann. Die Fixierung der Nocken auf der Welle wird in einem ersten Schritt durch ein Verschweißen des Schlitzes erreicht, was zu einer Verkleinerung der Bohrung der Nocken und somit zu einer noch besseren Fixierung derselben auf der Welle führt. Besonders vorteil haft ist dabei, dass nur ein sehr geringer Wärmeeintrag in die Welle erfolgt und hierdurch ein Verzug der Welle verhindert werden kann.

Eine endgültige Fixierung der Nocken auf der Welle erfolgt erfindungsgemäß durch das Anbringen einer zweiten Schweißnaht im Bereich der Bohrung der Nocken. Aufgrund der zuvor durchgeführten Verfahrensschritte sind die Festigkeitsanforderungen an diese zweite Schweißnaht vorteilhafterweise nicht besonders hoch, so dass auch hier nur ein geringer Wärmeeintrag in das Material der Welle erforderlich ist und der Verzug derselben gering gehalten werden kann.

Dadurch, dass die Nocken erst nach dem Anbringen auf der Welle gehärtet werden, befinden sie sich während des Schweißvorgangs noch in ihrem ungehärteten Zustand, so dass die Schweißung in sehr einfacher Weise durchgeführt und auf komplizierte Verfahrensschritte bzw. aufwendige Technologien verzichtet werden kann.

Die Nocken werden erfindungsgemäß derart gehärtet, dass sich im Bereich der zweiten Schweißnaht eine Anlasswirkung ergibt, was zu einer Reduzierung der durch das Schweißen in die Verbindung zwischen den Nocken und der Welle eingeleiteten Spannungen führt. Durch diese Doppelfunktion des Härtevorgangs ist eine erheblich verminderte Riss- und Bruchneigung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Nockenwelle sichergestellt.

Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die wenigstens eine zweite Schweißnaht nur über einen Teil der Bohrung verläuft, so führt dies zu einem noch geringeren Wärmeeintrag in die Welle und damit zu einer weiteren Verringerung der Spannungen und der Verformung der Welle. Des weiteren ermöglicht dieses nur teilweise Verschweißen des Nockens mit der Welle beim nachfolgenden Härten der Nocken ein Aus dehnen derselben ohne die Gefahr der Beschädigung der Schweißverbindung.

Als besonders geeignet zum Herstellen der ersten und/oder zweiten Schweißnaht haben sich Strahlschweißverfahren, insbesondere Laserstrahlschweißen, erwiesen.

Des weiteren kann in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Schlitz und die innerhalb des Schlitzes verlaufende erste Schweißnaht unter einem Winkel α von 20° < α < 70° gegenüber der Umfangskante des Nockens verlaufen. Ein solcher schräg über den Nocken verlaufender Schlitz führt bei der späteren Verwendung der Nockenwelle vorteilhafterweise dazu, dass eine sich auf den Nocken abwälzende Rolle eines Rollenkipphebels zu keiner Zeit über ihre gesamte Breite mit der Schweißnaht in Kontakt steht. Vielmehr läuft die Rolle durch diesen Verlauf der Schweißnaht stets auf einem gehärteten Abschnitt des Nockens und kann sich dadurch weitaus weniger stark in das Material des Nockens bzw. in die Schweißnaht eingraben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Seitenansicht eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Nockenwelle;
2 einen Schnitt durch die Nockenwelle nach der Linie II-II aus 1; und
3 einen Ansicht gemäß dem Pfeil III aus 2.
1 zeigt eine Nockenwelle 1 für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine, welche eine im vorliegenden Fall als Rohr ausgebildete Welle 2 und mehrere auf der Welle 2 befestigte Nocken 3 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nockenwelle 1 mit vier Nocken 3 versehen, es könnte jedoch, abhängig von der Brennkraftmaschine, bei der die Nockenwelle 1 eingesetzt wird, auch eine vollkommen andere Anzahl an Nocken 3 vorgesehen sein. Die Nockenwelle 1 weist des weiteren zwei Lagerstellen 4 auf, über welche sie in einem nicht dargestellten Gehäuseteil der Brennkraftmaschine gelagert ist.
Wie in 2 erkennbar, weist jeder der Nocken 3 eine Bohrung 5 auf, welche zur Durchführung der Welle 2 dient. In an sich bekannter Weise besteht der Nocken 3 aus einem im wesentlichen kreisförmigen Bereich 6 und einem sich an den kreisförmigen Bereich 6 anschließenden exzentrischen Bereich 7. Im vorliegenden Fall ist der exzentrische Bereich 7 mit einem Hohlraum 8 versehen, der sich unmittelbar an die Bohrung 5 anschließt und dessen Funktion zu einem späteren Zeitpunkt näher erläutert wird.
Die Nockenwelle 1 wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst werden die Nocken 3 an ihrem Umfang 9 mit einem bis zu der Bohrung 5 reichenden Schlitz 10 versehen. Dies kann beispielsweise durch Sägen, Schneiden oder ein anderes geeignetes Verfahren durchgeführt werden. Die Grundform des Nockens 3 lässt sich beispielsweise durch Strangpressen und anschließendes Ablängen der einzelnen Nocken 3 von dem stranggepressten Bauteil herstellen. Selbstverständlich können jedoch auch geschmiedete Nocken 3 zum Einsatz kommen.
Anschließend werden die Nocken 3 im Bereich des Schlitzes 10 in Richtung der beiden mit "A" bezeichneten Pfeile gedehnt und über die Welle 2 gezogen. Durch den Hohlraum 8 ist es verhältnismäßig einfach, die Nocken 3 im Bereich des Schlitzes 10 zu dehnen, da der Hohlraum 8 die Elastizität der No cken 3 erhöht. Des weiteren ergibt sich durch den Hohlraum 8 eine Verringerung der Masse der Nocken 3.
Sobald die Dehnung zurückgenommen wird, besteht bereits eine geringfügige Klemmwirkung zwischen dem Nocken 3 und der Welle 2. Anschließend wird der Schlitz 10 unter Bildung einer ersten Schweißnaht 11 verschweißt, wodurch sich der Durchmesser der Bohrung 5 verringert und der Nocken 3 auf diese Weise an der Welle 2 angelegt und auf dieser fixiert wird.
Da die Verbindung mittels der ersten Schweißnaht 11 für den Einsatz der Nockenwelle 1 in einer Brennkraftmaschine kräftemäßig noch nicht ausreichen dürfte, werden die Nocken 3 im Bereich der Bohrung 5 unter Bildung einer zweiten Schweißnaht 12, welche sowohl in 1 als auch in 2 zu erkennen ist, mit der Welle 2 verschweißt. Abhängig von der späteren Belastung der Nockenwelle 1 kann pro Nocken 3 lediglich eine, meist jedoch zwei zweite Schweißnähte 12 vorgesehen sein. Des weiteren ist in 2 erkennbar, dass die wenigstens eine zweite Schweißnaht 12 lediglich über einen Teil der Bohrung 5 verlaufen muss. In dem Bereich, in dem sich der Hohlraum 8 an die Bohrung 5 anschließt, ist selbstverständlich keine zweite Schweißnaht 12 vorhanden.
Im vorliegenden Fall werden sowohl die erste Schweißnaht 11 als auch die wenigstens eine zweite Schweißnaht 12 mittels eines Strahlschweißverfahrens, also z.B. Elektrostrahlschweißen oder vorzugsweise Laserstrahlschweißen, hergestellt. Das Laserstrahlschweißen hat sich hinsichtlich des Fertigungsablaufs und der verwendeten Einrichtungen als besonders gut geeignet erwiesen. Insbesondere findet dabei nur ein sehr geringer Wärmeeintrag in die Welle 2 statt, so dass ein äußerst geringer Verzug derselben zu verzeichnen ist. Die Welle 2 muss zum Schweißen nicht erwärmt werden. Beide Schweißnähte 11 und 12 können in nicht dargestellter Art und Weise auch so gestaltet sein, dass nicht nur ein Stoff- sondern auch ein Formschluss mit der Welle 2 gegeben ist, wobei in diesem Zu sammenhang auch andere Schweißverfahren eingesetzt werden können.
Beim Herstellen der Schweißnähte 11 und 12 wird jeweils ein Zusatzmaterial hinzugegeben, und zwar vorzugsweise ein Draht aus einer Nickel-Basis-Legierung. Das Zusatzmaterial gewährleistet dabei den Ausgleich von möglichen Fügetoleranzen zwischen der Welle 2 und den Nocken 3, den Abbau von Eigenspannungen sowie die Vermeidung von Rissen in den Schweißnähten 11 und 12.
Nach dem Herstellen der zweiten Schweißnaht bzw. Schweißnähte 12 werden die Nocken 3 in einer nicht dargestellten Vorrichtung, die von bekannter Bauart sein kann, an ihrem Umfang 9 gehärtet. Es handelt sich hierbei um eine induktive Härtung, bei der die Oberfläche des Umfangs 9 der Nocken 3 auf eine Temperatur von ca. 800 bis 900°C erwärmt wird. Durch das nachfolgende Abschrecken ergibt sich für die Nocken 3 eine Härte von > 57 HRC.
Durch das beschriebene Erwärmen des Umfangs 9 der Nocken 3 wird auch der Bereich der wenigstens einen zweiten Schweißnaht 12 derart erwärmt, dass sich dort eine Anlasswirkung ergibt. Je nach Ausführung der Nocken 3 erreicht dieser Bereich nämlich eine Temperatur von ca. 200 bis 400°C, was schließlich zu einer Härte von weniger als 650 HV führt. Diese Anlasswirkung führt dazu, dass die eventuell durch das Verschweißen im Bereich der zweiten Schweißnaht 12 vorhandenen Spannungen abgebaut werden, so dass einem Verzug der Nockenwelle 1 vorgebeugt wird. In diesem Zusammenhang sollte darauf geachtet werden, dass die gegebenenfalls nur partiell vorhandene zweite Schweißnaht 12 sich in denjenigen Bereichen befindet, die von der Anlasswirkung betroffen sind.
Nach dem Härten kann die Nockenwelle 1, insbesondere die Nocken 3 und die Lagerstelle 4, noch mechanisch bearbeitet werden, beispielsweise durch Schleifen oder dergleichen.
In 3 ist der Verlauf des Schlitzes 10 über die Breite des Nockens 3 dargestellt. Dort ist erkennbar, dass sowohl der Schlitz 10 als auch die innerhalb des Schlitzes 10 sich befindliche erste Schweißnaht 11 unter einem Winkel α von ca. 45° gegenüber der Umfangskante des Nockens 3 verlaufen. Dieser schräger Verlauf des Schlitzes 10 führt dazu, dass eine nicht dargestellte Rolle eines ebenfalls nicht dargestellten Rollenkipphebels, der von der Nockenwelle 1 angetrieben wird, zu keinem Zeitpunkt vollständig bzw. über seine gesamte Breite mit der weicheren Schweißnaht 11 in Verbindung steht.
In 3 ist eine Kontaktebene 13 angedeutet, über welche die Rolle des Rollenkipphebels mittels der Nocke 3 in Kontakt steht. Es ist erkennbar, dass diese Kontaktebene 13 zwar eine relativ große Breite B, jedoch nur eine sehr geringe Länge L aufweist, so dass annähern eine Linienberührung zwischen der Rolle und dem jeweiligen Nocken 3 stattfindet. Des weiteren wird aus dieser Darstellung deutlich, dass die Kontaktebene 13 zwischen der Rolle und dem Nocken 3 sich stets zumindest partiell auf einem gehärteten Teil des Nockens 3 befindet. Allgemein kann der Winkel α zwischen dem Schlitz 10 und der Umfangskante des Nockens 3 zwischen 20 und 70° betragen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle (1) aus einer Welle (2) und mehreren mit einer Bohrung (5) zur Durchführung der Welle (2) versehenen Nocken (3) mit folgenden Verfahrensschritten: Die Nocken (3) werden an ihrem Umfang (9) mit einem bis zu der Bohrung (5) reichenden Schlitz (10) versehen, die Nocken (3) werden im Bereich des Schlitzes (10) gedehnt und über die Welle (2) gezogen, die Nocken (3) werden durch Verschweißen des Schlitzes (10) unter Bildung einer ersten Schweißnaht (11) auf der Welle (2) fixiert, die Nocken (3) werden im Bereich der Bohrung (5) unter Bildung wenigstens einer zweiten Schweißnaht (12) mit der Welle (2) verschweißt, die Nocken (3) werden an ihrem Umfang (9) derart gehärtet, dass sich im Bereich der wenigstens einen zweiten Schweißnaht (12) eine Anlasswirkung ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Schweißnaht (12) nur über einen Teil der Bohrung (5) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißnaht (11) mittels eines Strahlschweißverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der ersten Schweißnaht (11) ein Zusatzmaterial hinzugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Schweißnaht (12) mittels eines Strahlschweißverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der wenigstens einen zweiten Schweißnaht (12) ein Zusatzmaterial hinzugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (10) und die innerhalb des Schlitzes (10) verlaufende erste Schweißnaht (11) unter einem Winkel α von 20° < α < 70° gegenüber der Umfangskante des Nockens (3) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (3) induktiv gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem induktiven Härten die Oberfläche der Nocken (3) auf eine Temperatur von ca. 800 – 900°C erwärmt werden, wobei der Bereich der wenigstens einen zweiten Schweißnaht (12) auf eine Temperatur von ca. 200 – 400°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das induktive Härten eine Oberflächenhärte der Nocken (3) von > 57 HRC erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das induktive Härten eine Härte im Bereich der zweiten Schweißnaht (12) von < 650 HV erreicht wird.