DE19625554C2

DE19625554C2 - Verfahren und Einrichtung zum drehfesten Verbinden einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordnetem Teil

Info

Publication number: DE19625554C2
Application number: DE19625554A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Kuehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: EP0912268B1; JP2000511825A; BR9709992A; US6189194B1; WO1997049512A1; ES2178777T3; EP0912268A1; DE59707872D1; KR100326407B1; KR20000022163A; DE19625554A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum drehfesten Verbinden einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordneten Teil, bei dem das Teil mit Fügespiel auf die Welle aufgefädelt und auf dieser in bestimmter Stellung durch Aufheben des Fügespiels befestigt wird, und ein so gefügtes Aggregat und eine so gefügte Nockenwelle.

Es ist bekannt, bspw. Nocken auf Wellen durch Aufschrumpfen oder durch Aufweiten der rohrförmigen Welle zu befestigen. Zum Auf schrumpfen (DE 33 01 749 A1) kann ein erwärmter Nocken auf die Welle geschoben werden und schrumpft beim Abkühlen durch Zusam menziehen auf dieser fest. Eine rohrförmige Welle kann durch Anlegen entsprechend hohen Innendruckes zur kraftschlüssigen Anlage an die Bohrungen auf der Welle angeordneter Nocken aufgeweitet werden (DE 38 03 687 A1).

Es ist auch schon vorgeschlagen worden (DE 36 38 310 A1), eine Welle mit im Querschnitt unrunder Außenkontur zu verwenden, auf die Nocken mit entsprechend unrunder Innenkontur befestigt werden. Das Befestigen der Nocken auf der Polygonwelle soll durch Verspannungen der Polygonform erfolgen, die durch Aufweiten der Polygonflächen oder durch Zusammendrücken der Polygonschultern beim Aufschieben der Nocken und anschließendem Rückfedern des Polygonrohres bewirkt werden sollen.

Ferner ist schon vorgeschlagen worden (DE 25 46 802 C3, DE 34 01 057 A1), den Sitz der Nocken unrund auszuführen und die Wand der rohrförmigen Welle durch Erzeugen hohen Druckes in deren Innenraum in die unrunden Sitze der Nocken hinein zu verformen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Reibschluß, der zumindest bei zylindrischer Bohrung der Nocken für die Übertragung der beim Betrieb der Welle auftretenden Kräfte erforderlich ist, nicht stets mit der erforderlichen Sicherheit erreicht wird. Nocken mit Vorsprüngen in der Bohrung sind schwierig herzustellen. Das Aufweiten einer rohrförmigen Welle durch Innendruck erfordert zum Aufbau des sehr hohen erforderlichen Druckes erhebliche Zeit, so daß die Taktzeit für diese Fertigungsweise und damit deren Kosten hoch sind.

Andere bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen einer Nockenwelle (DE 37 01 166 C2, DE 38 01 166 C2) sehen vor, den Sitz von Nocken oder Lagerteilen mit achsparallelen Nuten zu versehen und entsprechende Längsbereiche der rohrförmigen Noc kenwelle dadurch in diese Nuten zu pressen, daß ein Aufweitedorn durch die Nockenwelle bewegt wird, der in den betreffenden Bereichen überstehende Ansätze oder Vorsprünge aufweist. Für unterschiedliche Winkelstellungen von Nocken sind hier jedoch eine ebenso große Anzahl von Aufweitedornen mit entsprechend angeordneten Ansätzen oder Vorsprüngen erforderlich.

In Abwandlung dieser Verfahren und Vorrichtungen ist es auch bekannt (DE 195 00 621 A1), die rohrförmige Nockenwelle auf ihrer Innenseite mit entsprechenden Vorsprüngen zu versehen, die durch einen in diesem Falle im Querschnitt kreisrunden Aufweitedorn in die Nuten der Nockenelemente gedrückt werden. Das Herstellen einer derartigen Nockenwelle ist jedoch sehr schwierig und aufwendig. Allen formschlüssigen Verbindungen zwischen Nocken welle und Nocken haftet der Nachteil an, daß sich die Winkelstellung der Nocken nicht korrigieren läßt und daß der Formschluß sich bei Ermüden des Materials lockern kann.

Der Erfindung war daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, wie Teile wie Nocken, Scheiben, Zahnräder und dergleichen sicher, d. h. beim Anliegen maximaler vorgesehener Momente gegen Verdrehen gesichert, auf Wellen befestigt werden können. Weiterhin war ein derartig gefügtes Werkstück sowie eine danach zu bauende Nockenwelle bereitzustellen. Sie löst diese Aufgabe mit den in den Patentansprüchen 1 und 10 genannten Merkmalen. Ein entsprechend gefügtes Werkstück sowie eine entsprechend gebaute Nockenwelle ergeben sich aus den Ansprüchen 14 und 15. Weiter bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch das unrunde Profil jedenfalls des auf der Welle zu befe stigenden Teiles wird durch das Aufheben des Fügespieles insofern eine quasiformschlüssige Verbindung zwischen dem Teil und der Welle erzielt, als die beiden Teile einem gegenseitigen Verdrehen zunehmenden Widerstand entgegensetzen, dessen erreichtes Endmo ment ein durch die Teile zu übertragendes Moment übersteigt. Dadurch, daß das Teil nach dem Befestigen auf der Welle in die vorgesehene Winkelstellung gedreht wird, wird der Reibschluß auf den für das zu übertragende Moment erforderlichen Wert erhöht. Voraussetzung hierfür ist natürlich, daß das Verdrehen der zu befestigenden Teile in derjenigen Richtung erfolgt, in der die Keile aneinander aufgleiten. Vorteilhafterweise erfolgt dieses Verdrehen in die vorgesehene Stellung auch in derjenigen Rich tung, in der das Teil im Betrieb normalerweise Moment oder - bei Übertragen von Momenten in beiden Drehrichtungen - das höhere von zwei Momenten unterschiedlicher Höhe zu übertragen hat.

Zusätzlich wird dadurch, daß die für das Verdrehen eines Nockens in die vorgesehene Winkelstellung auf der Welle erforderliche Kraft gemessen wird, die Möglichkeit geboten, durch Vergleich der gemessenen Kraft mit einem Sollwert zu prüfen, ob der beabsich tige feste Sitz erzielt worden ist. Da das Verdrehen in die vorgesehene Winkelstellung an allen Nocken erfolgt, wird die Prüfung auf Erreichen des angestrebten Festsitzes an allen Nocken durchgeführt, die Prüfung ist also nicht nur eine 100%ige, sondern auch zerstörungsfrei.

Die erfindungsgemäße Wirkung wird bereits dann erreicht, wenn nur der Nocken das Keilflächen-Profil aufweist. Beim Aufschrumpfen des Nockens auf die Welle oder beim Aufweiten der Welle in die Bohrung des Nockens hinein wird die Welle in die Profilform des Nockens gepreßt. Besonders wirksam ist der Formschluß jedoch dann, wenn sowohl der Nocken als auch die Welle aufeinander abgestimmte Keilflächen-Profile haben.

Der Nocken kann auf die Welle aufgeschrumpft werden. Besonders vorteilhaft ist aber ein Verfahren, bei dem die Welle hohl ausgebildet ist und in die Bohrung des Nockens hinein aufgeweitet wird. Dieses Aufweiten kann mittels der bekannten Hochdruck-In nenaufweitung mittels Druckmedium oder durch Hindurchbewegen eines Aufweitdornes durch die Welle erfolgen.

Ein besonders wirksames Festsetzen des Nockens auf der Welle erfolgt dabei dann, wenn auch der Aufweitdorn ein angepaßtes Keilprofil aufweist und in winkelgerechter Lage durch die Welle bewegt, vorzugsweise gezogen wird, in einer Lage also, in der er mit seinen Keilen die Keile der Welle in die Täler zwischen den Keilen des Nockens drückt.

In den Figuren der Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Nockenwelle verdeutlicht. Sie ist jedoch beim Befestigen belie biger Teile wie bspw. auch Zahnräder, Riemenscheiben, Kurbelar me usw. auf Wellen anwendbar. Es zeigen:

Fig. 1 gefügte Welle und Nocken im Querschnitt durch die Welle;

Fig. 2 das Aufweiten der Welle mittels Innenhochdruckverformung;

Fig. 3 das Aufweiten der Welle mittels Dorn und

Fig. 4 das Drehen des Nockens in die vorgesehene Stellung.

Fig. 1 zeigt eine glatte, hohle Welle 1 ohne Profilierung auf der Außenfläche. Dagegen weist ein auf die Welle 1 aufgefädelter Nocken 2 in seiner Bohrung 3 Kreiskeil-Profilierung auf.

Diese Kreiskeilprofilierung besteht aus Keilen 4, die sich über eine gedachte, zylindrische Bezugsfläche 5 erheben und steil wieder auf sie abfallen. Die dargestellten drei Keile 4 sind um je 120° um den Umfang gegeneinander versetzt. Zwischen der Welle 1 und dem aufgefädelten Nocken 2 besteht ein Fügespalt 6.

Die Steigung der Keile 4, die hier der Deutlichkeit halber stark überhöht dargestellt ist, beträgt zwischen 1 : 50 und 1 : 200, bevorzugt etwa 1 : 100.

Zum Befestigen des Nockens 2 auf der Welle 1 wird in der Ausfüh rungsform der Fig. 2 die hohle Welle innen mit einem Fluid mit sehr hohem Druck beaufschlagt - dieses Innenhochdruck-Verfor mungsverfahren ist bekannt und daher hier nicht näher be schrieben. Durch diesen hohen Druck wird die Welle 1 unter bleibender Verformung aufgeweitet, wobei sie in die Täler zwi schen den Keilen 4 im Nocken 2 fließt.

In der Ausführungsform der Fig. 3 wird zum Befestigen des Nockens 2 ein Dorn 7 durch die Welle 1 gezogen, durch den die Welle ebenfalls unter bleibender Verformung aufgeweitet wird. Der Dorn 7 kann kreisrunde Umfangsfläche haben. Vorteilhafterweise weist er jedoch ebenfalls die Kreiskeil-Profilierung des Nockens 2 auf und wird in einer Winkelstellung durch die Welle gezogen, in der die auf ihm angebrachten Keile den Tälern zwischen den Keilen 4 im Nocken 2 gegenüberstehen. Dadurch wird das durch den Dorn 7 verdrängte Material der Welle 1 gezielt in die Täler zwischen den Keilen 4 des Nockens 2 gedrückt.

Nach Fig. 4 wird ein so auf der Welle 1 befestigter Nocken 2 mittels einer den Nocken erfassenden, nur ganz schematisch angedeuteten, einen Nockengreifer 8 und ein fluidisches Arbeits element 9 aufweisenden Schwenkvorrichtung 10 um den Schwenkwinkel alpha in die vorgesehene Winkelstellung auf der Welle gedreht. Dabei gleiten die Rücken der Keile 4 des Nockens 2 und der auf der Welle 1 geformten Keile aneinander auf. Dadurch erhöht sich die Flächenpressung zwischen diesen Rücken bis zur Verformung der Teile und unter starkem Erhöhen des Reibschlusses zwischen den Teilen.

Erfindungsgemäß wird die zum In-Stellung-Drehen des Nockens 2 auf der Welle 1 erforderliche Kraft mittels einer Meßvorrichtung 11 in Form bspw. einer Kraftmeßdose, die von einer schwenkbar gelagerten Gegenhaltevorrichtung 12 für die Welle 1 beaufschlagt wird, erfaßt und in einem Vergleichsgerät 13 mit einem vorgege benen Sollwert verglichen. Nur wenn dieser Sollwert der Kraft zum Verschwenken des Nockens mindestens erreicht wird, genügt das gefertigte Teil den Anforderungen. Es versteht sich, daß das Ergebnis des Wertevergleichs im Vergleichsgerät 13 angezeigt wird.

Das Verdrehen der Nocken 2 in die vorgesehene Winkelstellung könnte gleichzeitig an allen Nocken erfolgen. Dann würde jedoch die Meßvorrichtung 11 die zum gemeinsamen Verdrehen aller Nocken erforderliche Kraft erfassen und ein nicht ausreichendes Befe stigen eines der Nocken könnte dabei unbemerkt bleiben. Bevorzugt ist daher vorgesehen, das Verdrehen der Nocken 2 und das Erfassen des dabei jeweils auftretenden Momentes jeweils an jedem Nocken gesondert vorzunehmen.

An Teilen, die keine bestimmte Winkelstellung zur Welle 1 auf weisen müssen, wie bspw. Zahnräder oder Scheiben, kann ein Verdrehen und damit Erhöhen des Reibschlusses bis zum Erreichen eines vorgesehenen Haltemomentes erfolgen. Das Erreichen dieses Haltemomentes kann durch die Meßvorrichtung 11 und das Ver gleichgerät 13 erfaßt werden, das dann die Schwenkvorrichtung 10 entsprechend steuern kann.

In Abänderung der dargestellten Verfahrensweise kann anstelle der glatten Welle 1 auch eine Welle eingesetzt werden, die auf ihrer Außenfläche ebenfalls eine auf die Kreiskeil-Profilierung des Nockens 2 abgestellte Profilierung aufweist. Beim Aufweiten dieser Welle wird dann nur das notwendige Fügespiel zwischen den Teilen aufgehoben, ein Verformen der Welle in die Täler zwischen den Keilen 4 in der Bohrung 3 des Nockens hinein ist nicht erforderlich.

Die Anzahl der Keile 4 der Kreiskeil-Profilierung richtet sich nach dem Einsatzzweck des Aggregates. Wenn es hierbei auf eine hohe Zentriergenauigkeit ankommt, werden vorteilhafterweise drei im gleichen gegenseitigen Abstand angeordnete Nocken vorgesehen. Dagegen ergibt sich die zweckmäßige Anzahl von Keilen bspw. bei einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor vorteilhafterweise nach der Anzahl der Zylinder, die der Motor aufweist, für den die Nockenwelle bestimmt ist. So weisen für einen Vierzylindermotor bestimmte Nocken vorzugsweise vier, für einen Sechszylindermotor sechs Keile auf.

Bezugszeichenliste

1

Welle

2

Nocken

3

Bohrung

4

Keile

5

Bezugsfläche

6

Fügespalt

7

Dorn

8

Nockengreifer

9

Arbeitselement

10

Schwenkvorrichtung

11

Meßvorrichtung

12

Gegenhaltevorrichtung

13

Vergleichsgerät

Claims

1. Verfahren zum drehfesten Verbinden einer Welle (1) mit minde stens einem auf der Welle (1) angeordneten Teil (2), bei dem das Teil (2) mit Fügespiel auf die Welle (1) aufgefädelt und auf dieser in bestimmter Stellung durch Aufheben des Fügespiels befestigt wird, wobei mindestens die Fläche, mit der das Teil (2) auf der Welle (1) sitzt, ein Profil in Form mehrerer, vorzugs weise um gleiche Winkel um den Umfang versetzter, allmählich über eine zylindrische Bezugsfläche nach innen ansteigender und wieder auf diese abfallender, gekrümmter Keilflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Fügespiel zwischen der Welle (1) und dem Teil (2) aufgehoben wird und anschließend das Teil (2) bei festgelegter Welle (1) zum weiteren Befestigen in die beab sichtigte Stellung gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Verdrehen des Teils (2) in die beabsichtigte Stellung erfor derliche Kraft gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Teil (2) auf seiner Sitzfläche auf der Welle (1) als auch die Welle (1) aneinander angepaßte Profile aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (2) auf die Welle (1) aufgeschrumpft wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) hohl ist und aufgeweitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufweiten der Welle (1) durch Anlegen sehr hohen fluidischen Druckes an deren Inneres erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufweiten der Welle (1) durch Hindurchbewegen eines Dornes (7) mit den Innendurchmesser der Welle (1) übersteigendem Außen durchmesser erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (7) ein dem Profil des Sitzes des Teils (2) auf der Welle (1) angepaßtes Profil aufweist und winkelgerecht durch die hohle Welle (1) bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Größe der Kraft zum Drehen des Teils (2) in seine vorgesehene Stellung mit einem Sollwert verglichen wird.

10. Einrichtung zum drehfesten Verbinden einer Welle (1) mit mindestens einem auf der Welle (1) angeordneten Teil (2), bei dem das Teil (2) mit Fügespiel auf die Welle (1) aufgefädelt und auf dieser in bestimmter Stellung durch Aufheben des Fügespiels befestigt wird, gekennzeichnet durch

1. eine Einrichtung zum Aufheben eines Fügespiels (6) zwischen dem Teil (2) und der Welle (1) und
2. einer Einrichtung (10) zum Verdrehen des auf der Welle (1) befestigten Teils (2) bei festgelegter Welle (1) in die vorgesehene Winkelstellung.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufheben eines Fügespiels (6) zwischen dem Teil (2) und der Welle (1) zum Aufbau eines die Welle (1) in die Profilierung des Teiles (2) hinein verformenden fluidischen Druckes geeignet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufheben eines Fügespiels (6) zwischen dem Teil (2) und der Welle (1) einen durch die Welle (1) bewegbaren, die Welle (1) in die Profilierung des Teiles (2) hinein verformbaren Aufweitdorn (7) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Meßvorrichtung (11) und eine Vergleichsgerät (13) aufweist, mittels deren die zum Verdrehen eines Teiles (2) in die vorgese hene Winkelstellung auf der Welle (1) erforderliche Kraft erfaßt und mit einem Sollwert dieser Kraft verglichen werden kann.

14. Gefügtes Werkstück mit mindestens einem Teil (2), das auf einer rohrförmigen Welle (1) durch Verändern des Innendurchmes sers des Teiles (2) oder/und des Außendurchmessers der Welle (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Teil (2) ein Profil in Form mehrerer, um jeweils gleiche Winkel am Umfang versetzter, allmählich über eine zylindrische Bezugsfläche (5) ansteigender und steiler wieder auf diese abfallender Keile (4) aufweist und daß das Teil (2) nach seinem Befestigen auf der Welle (1) in die vorgesehene Stellung gedreht ist.

15. Gebaute Nockenwelle mit mindestens einem Nocken (2), der auf einer Welle (1) durch Verändern des Innendurchmessers des Nockens (2) oder/und des Außendurchmessers der Welle (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Nocken (2) ein Profil in Form mehrerer, jeweils um gleiche Winkel am Umfang versetzter, allmählich über eine zylindrische Bezugsfläche (5) ansteigender und steiler wieder auf diese abfallender Keile (4) aufweist und daß der Nocken (2) nach dem Befestigen auf der Welle (1) in die vorgesehene Stellung gedreht ist.