DE19608983A1 - Steuerwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Steuerwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so­ wie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Aus der gattungsbildenden DE-37 17 190 C2 ist eine Nockenwelle zur Steuerung von Venti­ len bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche aus einer zylinderischen Grundwelle und darauf aufgeschobenen, fest mit dieser Grundwelle verbundenen, als Nocken ausgebil­ deten Steuerelementen besteht. Die Nocken sind dabei einstückig als Sinterteil ausgeführt und weisen eine mit radialen Vorsprüngen versehene Ausnehmung für die Grundwelle auf Auf dieser sind abschnittsweise Bereiche mit einem geringfügig größeren Durchmesser auf­ gewalzt, wobei die axiale Erstreckung dieser Bereiche der Breite der Steuernocken ent­ spricht. Beim Aufschieben der Nocken auf den im Durchmesser vergrößerten Bereich der Grundwelle fräsen die radialen Vorsprünge der Ausnehmung spanabhebend Nuten entlang des aufgewalzten Bereiches. Das aus den Nuten verdrängte Material geht offensichtlich verloren, wobei eine äußerst drehfeste Verbindung zwischen Nocken und Grundwelle ent­ steht.
Aus dergleichen Schrift ist ein Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Nockenwelle be­ kannt, welches nach dem Aufschieben eines ersten Nockens auf einen ersten Bereich das Aufbringen eines nächsten, im Durchmesser vergrößerten Bereiches und das daran an­ schließende Aufschieben eines weiteren Nockens usw. beschreibt.
Aus der DE-44 23 107 A1 ist es bekannt, Nocken, insbesondere die zur Steuerung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, aus einer Vielzahl von Flachmateriallagen herzustellen. Hierzu wird eine entsprechende Anzahl von Materiallagen aus einem bei­ spielsweise kaftgewalzten Stahlblech ausgestanzt und anschließend zu einem Blechpaket zusammengefaßt. Beim Stanzvorgang entsteht dabei jeweils eine Ausnehmung zur Auf­ nahme der Grundwelle sowie achsparallel dazu beabstandet eine im Durchmesser deutlich geringer dimensionierte Öffnung. Durch diese Öffnungen einer Nocke wird anschließend ein mit einem Bund versehener Stift gesteckt, dessen Länge größer bemessen ist als die Breite der Nocke. Auf dieses überstehende Ende wird anschließend eine Scheibe bis zur Anlage mit der Nocke aufgeschoben und auf der der Nocke abgewandten Seite mit dem Stift ver­ schweißt. Diese Anordnung von Stift und Scheibe verhindert ein Auseinanderfallen des Blechpaketes, nicht jedoch eine mögliche Relativverschiebung zwischen benachbarten Flachmateriallagen um die Längsmittelachse des Stiftes. Diese wird durch separate Laser­ schweißungen entlang zweier; an gegenüberliegenden Stellen in der Ausnehmung ange­ ordnete, Nuten bewerkstelligt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Steuerwelle dahingehend zu verbessern, daß die Steuerelemente zusätzlich zu der drehfesten Befestigung auf der Grundwelle auch axial in beide Richtungen auf der Grundwelle festgelegt sind. Des weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Steuerwelle angegeben werden, welches unter Einbeziehung der Fertigung der Steuerelemente eine möglichst rationelle, ko­ stensparende Fertigung ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 6 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.
Die axiale Sicherung in beiden Richtungen gelingt in überraschend einfacher Weise mit durch Materialverdrängung an der Grundwelle aufgeworfenem Grat, zwischen welchem das Steuerelement axial gesichert ist. Dieser Grat kann beispielsweise durch Verstemmen aus der Grundwelle aufgeworfen werden.
In besonders vorteilhafter, einfacher Weise kann der axial in einer Richtung sichernde Grat durch das Aufschieben des Steuerelementes auf einen im Durchmesser vergrößerten Be­ reich der Grundwelle gebildet werden. Auf diesem Bereich ist auf der anderen Seite der Steuernocke auch der separat gefertigte weitere, in die andere axiale Richtung sichernde Grat angeordnet.
Das Aufwerfen des einen Grates gelingt insbesondere dann, wenn das Steuerelement an seiner die Grundwelle aufnehmenden Ausnehmung eine entsprechend scharf ausgebildete Kante aufweist. Dieses gelingt beispielsweise mit einstückig gesinterten Steuerelementen, welche jedoch kostenintensiv in der Fertigung sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird daher weiterhin vorgeschlagen, die Steu­ erelemente aus einer Vielzahl von axial nebeneinanderliegend angeordneten Flachmate­ riallagen zu bilden. Diese Lagen können aus entsprechend dünnen Stahlblechen ausge­ stanzt werden, wodurch für die Materialverdrängung ausreichend scharfe Kanten an der Öffnung entstehen. Für einen sicheren Zusammenhalt der einzelnen Lagen und zur Ver­ meidung von separaten Schweißungen weist das Steuerelement achsparallel beabstandet zu der Grundwelle eine Aufnahme für ein Spannelement auf welches das gesamte Steuer­ element durchsetzt und die einzelnen Flachmateriallagen axial zusammenpreßt.
Der durch das Aufschieben des Steuerelementes auf den erweiterten Bereich aufgeworfene Grat kann wulstartig umlaufend durch eine kreisrunde Ausnehmung im Steuerelement her­ gestellt werden. Eine besonders drehfeste Verbindung läßt sich jedoch erzielen, wenn die Ausnehmung radial nach innen weisende Vorsprünge aufweist, welche beim Aufschieben auf den erweiterten Bereich Nuten in diesen fräsen und dabei der Anzahl der Nuten ent­ sprechende Gratanhäufungen entstehen.
In vergleichbarer Weise durch Materialverdrängung wird der weitere Grat aufgeworfen, in­ dem ein mit ausreichendem Spiel über die Grundwelle geschobener Stempel mit einer bei­ spielsweise kreisrunden, gratbildenden Öffnung versehen auf den erweiterten Bereich unter Materialverdrängung aufgepreßt wird.
Die erfindungsgemäße Steuerwelle läßt sich besonders vorteilhaft durch ein Verfahren her­ stellen, bei welchem zunächst ein erster Bereich mit einem erweiterten Durchmesser auf die Grundwelle aufgebracht wird, wobei dieser Bereich eine axial größere Erstreckung aufweist als das anschließend aufzuschiebende, erste Steuerelement, welches unter Materialver­ drängung den einen Grat zur axialen Sicherung aufwirft. Anschließend wird durch Aufschie­ ben des Stempels der weitere Grat aufgeworfen, wobei das Steuerelement zwischen beiden Graten axial eingespannt ist. Die gratbildende Öffnung des Stempels weist dafür einen ge­ ringfügig geringer bemessenen Durchmesser auf als der entsprechende Bereich der Grundwelle.
In kostensparender Weise läßt sich das vorgenannte Verfahren vorteilhaft dadurch ausge­ stalten, daß die Steuerelemente durch eine Vielzahl von identischen Flachmateriallagen gebildet werden, welche unter Bildung der die Grundwelle aufnehmenden Ausnehmungen ausgestanzt werden. Achsparallel zu diesen Ausnehmungen entstehen dabei beabstandet Öffnungen in jeder Materiallage. Anschließend werden die einzelnen Flachmateriallagen la­ geidentisch automatisch zu einem Materialpaket zusammengefaßt, wobei durch die einzel­ nen Öffnungen eine durchgehende Aufnahme entsteht. Durch diese wird ein mit einem end­ seitigen Anschlag versehener Stift eines z. B. als Nietverbindung ausgebildeten Spannele­ mentes eingebracht, dessen axiale Länge größer ist als die der Aufnahme. Durch anschlie­ ßendes axiales Stauchen des Stiftes wird unter Bildung eines weiteren Anschlages das La­ genpaket dauerhaft zusammengepreßt gehalten. Dieser weitere Anschlag kann auch auf andere Weise gebildet werden, beispielsweise durch Aufpressen eines Ringes.
Hierdurch ist eine Verdrehung der einzelnen Lagen zueinander um die Längsmittelachse des Spannelementes verhindert.
Die Erfindung ist nicht auf das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Steuerwelle kann beispielsweise eine Nockenwelle zur Steuerung von Gaswechselventi­ len einer Brennkraftmaschine sein, wobei die Steuerelemente als Nocken ausgebildet sind. In ähnlicher Ausgestaltung kann eine solche Steuerwelle dem Antrieb einer Einspritzpumpe für Kraftstoff dienen. Des weiteren können die Steuerelemente beispielsweise als Exzenter ausgebildet sein, wobei die erfindungsgemäße Steuerwelle in einer Vielzahl von verschiedenartigen Maschinen Verwendung finden kann.
Das anhand einer Zeichnung erläuterte Ausführungsbeispiel zeigt in
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Teiles einer Steuerwelle mit einem Steu­ erelement,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß der Fig. 1 und
Fig. 3 schematisch eine Ansicht ähnlich Fig. 1 mit Verfahrensschritten zur Herstellung der Steuerwelle.
Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer als Nockenwelle ausgebildeten Steuerwelle für eine Brennkraftmaschine dargestellt, so daß die als Nocken ausgebildeten Steuerelemente der periodischen Betätigung von Gaswechselventilen dienen.
Die Steuerwelle wird gebildet aus einer Grundwelle 1, auf welche Steuerelemente 2 aufge­ schoben sind. Die Grundwelle 1 weist für jedes Steuerelement 2 einen beispielsweise als Rändelung hergestellten Bereich 3 auf dessen Durchmesser D geringfügig größer bemes­ sen ist als der Durchmesser d der Grundwelle 1 und dessen axiale Länge größer bemessen ist als die Breite der Steuerelemente 2.
Die Steuerelemente 2 sind aus einer Vielzahl von Flachmateriallagen 4 bestehend als so­ genannte Blechpaketnocken ausgeführt, wie sie aus der DE-44 23 107 A1 bekannt sind.
Die Anzahl der Lagen 4 je Steuerelement 2 kann deutlich größer sein als die in den Fig. 1 bzw. 3 gezeigte zur besseren Darstellung, vergleichsweise geringe Anzahl. Die einzelnen Lagen 4 sind aus einem Stahlblech ausgestanzt, wobei eine Ausnehmung 5, welche mit ra­ dial nach innen weisenden Vorsprüngen 6 versehen ist und achsparallel und beabstandet dazu eine Öffnung 7 entsteht. Nach dem Ausstanzen der identischen Lagen 4 werden bei­ spielsweise 60 solcher Lagen 4 lageidentisch automatisch zu einem Blechpaket zusam­ mengefaßt, wodurch aus den einzelnen Öffnungen 7 eine durchgehende Aufnahme 8 ent­ steht. Durch diese wird anschließend ein mit einem Anschlag 9 versehener; einen Teil eines Spannelementes 10 bildender Stift 11 eines Nietes 12 gesteckt, dessen axiale Länge größer bemessen ist als die Breite des Steuerelementes 2. Anschließend wird durch axiales Stauchen des Stiftes 11 ein weiterer Anschlag 13 gebildet. Hierbei wird in der durch Nieten üblichen Art und Weise das zwischen den Anschlägen 9 bzw. 13 liegende Lagenpaket axial zusammengepreßt.
Nach dem Aufbringen eines ersten Bereiches 3 auf die Grundwelle 1 wird anschließend ein erstes Steuerelement 2 auf diesen Bereich 3 aufgeschoben. Da der Abstand von sich ge­ genüberliegenden Vorsprüngen 6 geringer bemessen ist als der Durchmesser D des Berei­ ches 3 entstehen bei dem Aufschieben Nuten in dem Bereich 3 durch Materialverdrängung. Dieses Material wird bei dem Aufschieben vor der einen Stirnseite 14 des Steuerelementes 2 hergeschoben und verbleibt nach dem Aufschiebevorgang als ein aufgeworfener Grat 15 auf dem Bereich 3. Hierdurch ist das Steuerelement 2 axial in der einen Richtung R der Steuerwelle festgelegt.
Nachdem der eine Grat 15 gebildet wurde, wird ein weiterer Grat 16, welcher die axiale Si­ cherung in der anderen Richtung L der Steuerwelle übernimmt, mittels eines Stempels 17 unter Materialverdrängung aus dem Bereich 3 gefertigt.
Der Stempel 17 weist eine zentrale Bohrung 18 auf welche die Grundwelle 1 spielbehaftet umgibt Stirnseitig dem Steuerelement 2 zugewandt vergrößert sich die Bohrung 18 gestuft zu einer Öffnung 19, deren Durchmesser M geringfügig geringer bemessen ist als der Durchmesser D des Bereiches 3.
Eine Stufe 20 zwischen Öffnung 19 und Bohrung 18 definiert einen Anschlag für den Stem­ pel 17, welcher die Bildung des weiteren Grates 16 beendet, der nur in Fig. 1 gezeigt ist.
Anschließend wird der Stempel 17 zurückgefahren und in identischer Weise zunächst ein Bereich 3 auf die Grundwelle 1 aufgebracht und anschließend ein weiteres Steuerelement 2 aufgeschoben.
In verfahrensverkürzender und vereinfachender Weise kann jedes Steuerelement 2 mittels des Stempels 17 auf den Bereich aufgeschoben werden. Zu diesem Zweck sind die Steu­ erelemente 2 mittels eines Distanzstückes 21 an dem Stempel 17 gehaften. Dessen Breite b ist mindestens so groß bemessen wie die Breite des durch die Öffnung 19 aufgeworfenen, weiteren Grates 16. Das Distanzstück 21, welches einstückig mit dem Stempel 17 ausgebil­ det sein kann, weist einen die Gratbildung ermöglichenden radialen Abstand c zum Bereich 3 auf.
Die vorbeschriebene Steuerwelle ermöglicht eine äußerst rationelle, maschinelle Fertigung. Die einzelnen Flachmateriallagen können mit hoher Maßgenauigkeit aus dünnwandigen Stahlblechen derart ausgestanzt werden, daß an den Stanzrändern keinerlei, das bündige Zusammenlegen behindernder Grat entsteht. Der axiale Zusammenhaft der anschließend zu einem Paket zusammengefaßten Materiallagen ist mittels eines einfachen, handelsüblichen, als Spannelement wirkenden Nietes möglich. Das Aufschieben des Steuerelementes 2 un­ ter Bildung des einen Grates 15 ist mit Hilfe des Stempels 17 möglich, welcher in dem glei­ chen Arbeitsgang den weiteren Grat 16 bildet, wodurch das Steuerelement 2 axial in beide Richtungen L, R formschlüssig festgelegt ist, während die drehfeste Verbindung zwischen Steuerelement 2 und Grundwelle 1 durch die mittels der Vorsprünge 6 gebildete Verzahnung gewährleistet ist.
Die Grundwelle 1 muß nicht notwendigerweise massiv ausgeführt sein und muß nicht not­ wendigerweise direkt die Nockenwelle bilden. Die Grundwelle 1 kann zum Beispiel als hohlzylinderische Hülse ausgebildet sein, auf welcher zwei Steuerelemente 2 angeordnet sind, wobei diese Baueinheit anschließend auf eine Nockenwelle aufgeschoben wird und beispielsweise relativ Verdrehungen zwischen dieser und der Baueinheit ermöglicht. Hierbei müssen die beiden Steuerelemente einer Hülse nicht notwendigerweise die gleiche Phasen­ lage aufweisen.

Claims (9)

1. Steuerwelle, bestehend aus einer Grundwelle (1) und mindestens einem darauf aufge­ schobenen, fest mit der Grundwelle (1) verbunden Steuerelement (2) mit einer Ausneh­ mung (5) zur Aufnahme der Grundwelle (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (2) axial in beide Richtungen (R, L) der Steuerwelle formschlüssig mit durch Materialverdrängung an der Grundwelle (1) aufge­ worfenem Grat (15, 16) festgelegt angeordnet ist.
2. Steuerwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle (1) entlang des Steuerelementes (2) einen im Durchmesser (D) vergrößerten Bereich aufweist, auf welchem sowohl der eine, durch das Aufschieben des Steuerelementes (2) aufgeworfene Grat (15) als auch der weitere, separat gefertigte Grat (16) angeordnet ist.
3. Steuerwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (2) aus einer Vielzahl von axial nebeneinanderliegend angeordneten Flachmateriallagen (4) ge­ bildet ist, welche achsparallel beabstandet zu der Grundwelle (1) von einem die Flachmateriallagen (4) axial zusammenpressenden Spannelement (10) durchsetzt sind.
4. Steuerwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) des Steuerelementes (2) auf ihrem Umfang den einen Grat (15) bildende radiale Vorsprünge (6) aufweist.
5. Steuerwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Grat (16) durch einen abschnittsweise auf den Bereich (3) geschobenen Stempel (17) gebildet ist, dessen gratbildende Öffnung (19) kreisrund gestaltet ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Steuerwelle, welche aus einer Grundwelle (1) und darauf aufgeschobenen Steuerelementen (2) be­ steht mit den Schritten
a Herstellen eines ersten Bereiches (3) mit vergrößertem Durchmesser (D) auf der Grundwelle (1),
b Aufschieben eines ersten Steuerelementes (2) unter Materialverdrängung auf diesen ersten Bereich (3), dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt
a der erste Bereich (3) eine axial größere Erstreckung aufweist als das Steuerelement (2) und im Schritt
b durch die Materialverdrängung ein auf dem Bereich (3) verbleibende,; das Steuer­ element (2) axial sichernder Grat (15) aufgeworfen wird und in einem Schritt
c ein Stempel (17) mit einer einen geringfügig geringeren Durchmesser (M) als der Be­ reich (3) aufweisenden Öffnung (19) zumindest abschnittsweise materialverdrängend einen weiteren Grat (16) bildend auf den Bereich (3) aufgeschoben wird, bis das Steu­ erelement (2) zwischen beiden Graten (15, 16) axial eingespannt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (2) durch die folgenden Schritte hergestellt wird
  • - Ausstanzen einer Vielzahl von identischen Flachmateriallagen (4) unter Bildung von die Grundwelle (1) aufnehmenden Ausnehmungen (5) und achsparallel dazu beabstande­ ten Öffnungen (7) in jeder Materiallage (4),
  • - Automatisches und lageidentisches Zusammenfassen der Flachmateriallagen (4) zu ei­ nem Materialpaket,
  • - Einbringen eines mit einem endseitigen Anschlag (9) versehenen Stiftes (11) in eine durch die Öffnungen (7) gebildeten Aufnahme (8), wobei der Stift (11) eine größere Länge aufweist als diese Aufnahme (8),
  • - Anformen eines weiteren Anschlages (13) aus der die Aufnahme (8) überragenden Länge des Stiftes (11) unter Zusammenpressen der Flachmateriallagen (4).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (2) mittels des Stempels (17) auf den Bereich (3) aufgeschoben wird, wobei das Steuerelement (2) durch ein Distanzstück (21) mindestens um die Breite (b) des weiteren Grates (16) be­ abstandet von dem Stempel (17) an diesem gehaften ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (21) ein­ stückig mit dem Stempel (17) ausgebildet ist.
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