DE19710847C2

DE19710847C2 - Zusammengesetzte Steuerwelle und Verfahren für deren Herstellung

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Publication number: DE19710847C2
Application number: DE1997110847
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Ing Grad Selzer; Herbert Ing Grad Diederichs
Original assignee: Selzer Fertigungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Selzer Fertigungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1997-03-15
Filing date: 1997-03-15
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2017-03-16
Also published as: DE19710847A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus Einzelelementen zusam mengesetzte Steuerwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Steuerwelle. Insbesondere bezieht sich die Er findung auf eine Nockenwelle für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmo toren und ein Verfahren für deren Herstellung.

Früher wurden für kraftfahrzeugtechnische Anwendungen Nocken mit der Nockenwelle zusammen als Ganzes hergestellt, wobei Schalenhartguß, Kugelgraphitguß oder schwarzer Temperguß zum Einsatz kamen bzw. die Nockenwelle aus Stahl geschmiedet wurde. Heute ist es für viele Anwendungsfälle üblich, aus Ein zelteilen zusammengefügte Steuerwellen zu verwenden. Der we sentliche Vorteil derartiger zusammengefügter Steuerwellen ist in der Möglichkeit zu erblicken, daß weitgehend vorgefertigte Elemente auf eine Welle aufgeschoben werden können, wodurch eine Nachbearbeitung der fertigen Steuerwelle weitgehend ent fallen kann.

Im Stand der Technik hat es nicht an Vorschlägen gefehlt, wie derartige Steuerwellen für eine massenweise, möglichst wirt schaftliche Herstellung auszubilden sind.

So ist beispielsweise aus der DE 23 36 241 A1 bekannt, daß je nach Verwendungszweck der Steuerwelle auf eine Welle ein oder mehrere Lager- und/oder beliebig ausgebildete Steuerelemente wie Nocken, Exzenter oder Zahnräder einzeln nacheinander auf geschoben und mit der Welle fest verbunden werden. Die feste Verbindung der einzelnen Elemente mit der Welle erfolgt dabei durch Schrumpfen, d. h. durch Herbeiführen einer Temperaturdif ferenz zwischen den Elementen und der Welle vor dem Aufschie ben der einzelnen Elemente auf die Welle und anschließenden Temperaturausgleich zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung.

Dies führte in der Praxis jedoch zu erheblichen Fertigungspro blemen, weil diese Temperaturdifferenz vor dem Aufschieben je des einzelnen Elements erzeugt und nach dem Aufschieben jedes einzelnen Elements mindestens bis zum Festsitz des Elements auf der Welle verringert werden mußte, bevor ein entsprechen der Arbeitszyklus für das nächste Element in Angriff genommen werden konnte.

Dieser Stand der Technik wurde gemäß der DE 35 25 186 A1 der Anmelderin im Hinblick auf eine wirtschaftlichere Fertigung dahingehend verbessert, daß die Elemente mindestens bezüglich ihrer gegenseitigen Abstände und in Fluchtungslage ihrer Boh rungen in einer Reihe positioniert und gehalten werden, sodann die Elemente erwärmt als auch die Welle gekühlt werden und schließlich die Welle in einer unterbrechungslosen zügigen Be wegung durch die Bohrungen aller Elemente geschoben wird.

Obgleich dieser Stand der Technik gegenüber dem Stand der Technik gemäß der DE 23 36 241 A1 erhebliche Geschwindigkeits vorteile in der Fertigung brachte, besteht bei diesem Herstel lungsverfahren dennoch der Nachteil, daß die Aufheizung bzw. Kühlung der Elemente bzw. der Welle einen erheblichen Energie aufwand und zudem eine geraume Zeit erfordert.

Desweiteren wurde in der DE 31 28 522 A1 eine Nockenwelle vor geschlagen, bei der die Nocken als gesonderte Bauteile auf ei ner zylindrisch ausgebildeten Steuerwelle mittels jeweils ei ner Hülse befestigt sind. Die Hülse hat eine dem Durchmesser der Steuerwelle angepaßte zylindrische Innenbohrung und eine kegelstumpfförmige Außenform, der wiederum eine komplementäre konische Bohrung in dem zugeordneten Nocken entspricht. Im je weiligen Nocken ist ein Druckölanschluß vorgesehen, der in die konische Bohrung des Nockens im Bereich ihres größeren Durch messers einmündet und bei Montage des Nockens mit Drucköl be aufschlagt wird, um den gesamten Nocken radial nach außen auf zuweiten, so daß er vollständig auf die Hülse aufgeschoben werden kann. Nach Druckabfall sitzt der Nocken mit Preßsitz auf der Hülse, die wiederum mit Preßsitz auf der Steuerwelle sitzt, um einen drehfesten Verbund auszubilden. Schließlich ist die Steuerwelle mit einem weiteren Druckölanschluß ver sehen, der über einen Druckölkanal zur Innenbohrung der Hülse führt, so daß der mittels Öldruck samt Hülse von der Steuer welle abhebbare Nocken auf der Steuerwelle in tangentialer Richtung verstellt werden kann, ohne daß er gegenüber der Steuerwelle axial versetzt wird.

Auch dieser Stand der Technik gewährleistet eine für die auf tretenden Kräfte bzw. Momente ausreichend feste, kraftschlüs sige Verbindung zwischen Nocken und Steuerwelle, weist aller dings den Nachteil auf, daß die Herstellung der Druckölan schlüsse sowie der konischen Flächen an dem Nocken und der Hülse relativ kostenintensiv ist.

Ein weiteres Beispiel für die kraftschlüssige Verbindung von Welle und Nocken zur Ausbildung einer Nockenwelle findet sich in der DE 25 46 802 A1. Gemäß diesem Stand der Technik wird der mit einem Wellenaufnahmeloch versehene Nocken auf eine Hohlwelle aus Stahl aufgeschoben, die nach axialer Positionie rung des Nockens auf der Hohlwelle mittels eines Gummistabs örtlich aufgeweitet wird, um den Nocken festzusetzen.

Auch dieses Verfahren ist für die Massenfertigung zu aufwen dig, wobei erschwerend hinzukommt, daß bei der für den erfor derlichen Kraftschluß notwendigen Aufweitung der Hohlwelle der Nocken einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt wird, die zur Beschädigung des Nockens führen kann.

Ferner offenbart die DE 33 21 846 A1 eine zusammengesetzte Nockenwelle für eine Verbrennungskraftmaschine, bei der die Welle am Außenumfang mit einer Mehrzahl von axial verlaufenden Nuten oder Vorsprüngen und die Innenumfangsflächen einer Boh rung im Nocken mit komplementär geformten Vorsprüngen bzw. Nuten versehen sind, so daß die Nocken in axialer Richtung auf die Welle aufgeschoben werden können.

Obgleich somit durch Formschluß eine ausreichende Sicherung der Nocken gegen ein Verdrehen bezüglich der Welle gewährlei stet wird, gestaltet sich hier die Festlegung der Nocken in axialer Richtung auf der Welle schwierig.

Ähnlich verhält es sich beim Stand der Technik nach der DE 28 38 995 A1, gemäß dem nach Aufschieben des Nockens, der am In nenumfang einer ihn durchsetzenden Bohrung mit Vorsprüngen versehen ist, auf eine Welle mit komplementär geformten Nuten, der Nocken aufwendig mit der Welle verlötet werden muß.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 34 31 361 C2 ein Verfah ren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle für eine Ver brennungskraftmaschine bekannt geworden, die eine rotations symmetrische Hohlwelle, mehrere Lagerabschnitte und auf der Hohlwelle stoffschlüssig befestigte Nocken aufweist, welche aus entsprechend geformten Rohrabschnitten gebildet sind und deren Innenkontur die Hohlwelle um mehr als 180° umschließt. Gemäß diesem Stand der Technik werden zunächst die Hohlwelle und die die Nocken bildenden Rohrabschnitte von einem gezoge nen Rohr abgelängt. Dann werden die Hohlwelle und ggf. die Nocken vor der Montage der Nockenwelle normalgeglüht. Zur Mon tage der Nockenwelle werden sämtliche Nocken in axialer Flucht und in definierten Abständen sowie Phasenlagen aufgespannt, bevor die Nocken relativ zur Nockenwelle durch Erwärmen der Nocken und/oder Abkühlen der Hohlwelle aufgeweitet werden. So dann wird die Hohlwelle in die Nocken eingeschoben, so daß nach dem Abkühlen der Nocken bzw. Erwärmen der Hohlwelle auf Normaltemperatur die Nocken auf der Hohlwelle positioniert und fixiert sind. Anschließend werden die Nocken mit der Hohlwelle durch Löten oder durch Strahlschweißen verbunden, bevor schließlich zumindest die Nockenlaufflächen gefinished und im µ-Bereich einer Oberflächenhärtung unterzogen werden.

Weiterhin offenbart die DE 33 23 640 A1 eine Nockenwelle, die aus einer Hohlwelle aus Stahl und daran angebrachten Nocken besteht, deren Aufnahmebohrungen an ihren Kantenabschnitten mit radial nach innen vorstehenden, gezackten Vorsprüngen ver sehen sind. Gemäß diesem Stand der Technik können die Nocken ohne große Kraftanstrengung auf die Hohlwelle aufgeschoben werden, woraufhin ein Dorn durch die Hohlwelle hindurch gezo gen wird, der die Hohlwelle radial nach außen aufweitet, so daß die gezackten Vorsprünge in die Mantelfläche der Hohlwelle eindringen und die Nocken an dieser festsetzen.

Zwar werden bei diesem Stand der Technik die Nocken keiner ho hen mechanischen Belastung ausgesetzt, da im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß der DE 25 46 802 A1 die Festlegung der Nocken nicht kraft- sondern formschlüssig erfolgt, jedoch ist dafür jedenfalls ein erheblicher Fertigungsaufwand vonnöten.

Ferner beschreibt die DE 37 17 190 C2 oder die DE 41 21 951 C1 eine zusammengesetzte Nockenwelle, bei der die zur Be festigung der Nocken vorgesehenen Bereiche einer Stahlwelle mittels Rollen oder Walzen bearbeitet werden, um durch Mate rialverdrängung Wülste vergrößerten Durchmessers auszubilden, die der Befestigung der Nocken dienen. Gemäß der DE 37 17 190 C2 haben die Nocken an den Innenumfangsflächen ihrer Aufnahme bohrungen einzelne, weit in die Aufnahmebohrungen hineinkra gende Vorsprünge, die beim Aufpressen des jeweiligen Nockens auf den dafür vorgesehenen Bereich spanend Nuten in die Wülste einbringen, um den Nocken formschlüssig an den Wülsten festzu legen. Gemäß der DE 41 21 951 C1 hingegen besitzt jeder Nocken an seiner Aufnahmebohrung eine trichterartige Aufweitung, die als Einlaufzone für die Wülste dient, in die beim Aufpressen des Nockens die Wülste unter bleibender Verformung eingepreßt werden, so daß zwischen den Wülsten und der Innenumfangsfläche des Nockens eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.

Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, daß an einer Welle nach Festlegung eines Nockens am darauf folgenden Be festigungsabschnitt der Welle für den nächsten Nocken zunächst wieder die Wülste ausgebildet werden müssen, bevor der nächste Nocken aufgepreßt werden kann. Dies erfordert entweder ein häufiges Umspannen der Welle von der Preßvorrichtung zur Roll- bzw. Walzvorrichtung und umgekehrt, oder kann mit einer Vor richtung nur relativ aufwendig realisiert werden.

Schließlich offenbart die GB 22 56 468 A eine aus einer Welle und einem Nockenelement gebaute Nockenwelle. Die Welle ist mit einem verdickten Eingriffsabschnitt in Form eines umlaufenden Rändelprofils oder umlaufender Längs- bzw. Quernuten versehen. Das aus einer Sinterlegierung hergestellte Nockenelement hat eine kreisförmige Aussparung, in der ein ringförmiges Stahl stück befestigt ist, welches eine geringere Härte als der Ein griffsabschnitt der Welle aufweist. Am Innenumfang ist das Stahlstück mehreckig, z. B. zehneckig ausgebildet, so daß es eine Mehrzahl von Abschnitten eines größeren Innendurchmessers und eine entsprechende Anzahl von Abschnitten eines kleineren Innendurchmessers hat, der kleiner gewählt ist als der Außen durchmesser des Eingriffsabschnitts der Welle. Zur Montage der Nockenwelle wird das Nockenelement unter plastischer Verfor mung des Stahlstücks mit nur geringer oder keiner Spanabhebung auf die Welle aufgepreßt, wobei sich auch bei diesem Stand der Technik die Positionierung des Nockens in axialer Richtung der Welle schwierig gestaltet.

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß nach wie vor ein Bedarf nach einer in der Massenfertigung kostengünstig herstellbaren Nockenwelle besteht.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aus Grundwelle und Steuerelementen zusammengesetzte Steuerwelle zu schaffen, die bei ausreichender Festigkeit fertigungstechnisch günstig hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zur Her stellung einer solchen Steuerwelle anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 19 ange gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte bzw. zweckmäßige Weiter bildungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 18 bzw. 20 bis 22.

Gemäß dem Patentanspruch 1 hat eine zusammengesetzte Steuer welle eine Grundwelle aus Gußmaterial, die eine Mehrzahl von zu einem Wellenende hin im Durchmesser abgestuften Aufnahmeab sätzen für Steuerelemente aufweist, welche jeweils ein Aufnah meloch für die Grundwelle haben, wobei jeder Aufnahmeabsatz oder jedes Aufnahmeloch mindestens einen Umfangsteilabschnitt aufweist, der mit einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden, in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden feinen Zähnen versehen ist, die das jeweilige Steuerelement beim Aufschieben auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz unter Spanabhebung und Verformung an der Grundwelle festsetzen.

Gemäß dem Patentanspruch 19 wird eine solche Steuerwelle wie folgt hergestellt. Zunächst wird die Grundwelle gegossen und die Aufnahmeabsätze für die Steuerelemente werden durch Bear beitung der Grundwelle ausgebildet. Sodann werden die Steuer elemente unter Ausbildung des jeweiligen Aufnahmelochs ge schmiedet oder gesintert, wobei gleichzeitig oder in einem Folgeschritt die feinverzahnten Umfangsteilabschnitte an den Aufnahmeabsätzen oder den Aufnahmelöchern ausgebildet werden. Schließlich werden die Steuerelemente auf die jeweils zugeord neten Aufnahmeabsätze der Grundwelle unter Spanabhebung und Verformung durch die feinverzahnten Umfangsteilabschnitte auf geschoben.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Steuerwelle kann die Grundwelle fertigungstechnisch günstig mit den zum Wellenende hin im Durchmesser abgestuften Aufnahmeabsätzen vollständig ausgebildet werden, bevor die Steuerelemente ohne Unterbre chung beginnend mit dem Steuerelement, dessen Aufnahmeloch den größten Innendurchmesser hat, auf die Grundwelle aufgeschoben werden können. Dabei sind die Unterschiede im Durchmesser der Aufnahmeabsätze der Grundwelle aufgrund der feinen Verzahnung äußerst gering, was im Hinblick auf eine ausreichende Festig keit bei geringem Gewicht der Steuerwelle von Vorteil ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Ausbildung der Um fangsteilabschnitte mit in Umfangsrichtung aneinandergrenzen den, feinen Zähne in Verbindung mit Gußmaterial als Werkstoff für die Grundwelle zu einer hoch belastbaren Verbindung von Grundwelle und Steuerelementen führt, ohne daß die Steuerele mente beim oder nach Aufschieben auf die Grundwelle einer zu starken mechanischen Belastung ausgesetzt wären, insbesondere wenn die Zähne am Aufnahmeloch der Steuerelemente ausgebildet sind. Des Weiteren sorgt die geringe Höhe der feinen Zähne und die Tatsache, daß nur ein Umfangsteilabschnitt des Aufnahmeab satzes bzw. des Aufnahmeloches mit den Zähnen versehen ist, während der verbleibende Umfangsteilabschnitt ohne Zähne aus gebildet ist, dafür, daß die Zentrierung der Steuerelemente auf der Grundwelle beim Aufschieben keine Probleme bereitet. Dadurch, daß die Grundwelle aus einem Gußmaterial hergestellt ist, besteht schließlich noch der Vorteil, daß die an der Grundwelle vorzusehenden Lagerstellen der Steuerwelle nicht mehr nachträglich gehärtet werden müssen, wie dies bei Grund wellen aus Stahl der Fall ist. Zusammenfassend ist festzuhal ten, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Steuerwelle bei ge ringem Gewicht und hoher Festigkeit in der Massenfertigung au ßerordentlich günstig herstellbar ist.

Gemäß dem Patentanspruch 2 sind mehrere feinverzahnte Um fangsteilabschnitte an einem Aufnahmeabsatz bzw. einem Aufnah meloch in ihrer Winkellage symmetrisch verteilt angeordnet, wodurch auf vorteilhafte Weise Unwuchten vermieden werden und eine ausreichende Zentrierung der Steuerelemente beim Auf schieben auf die Grundwelle noch leichter gewährleistet werden kann.

Wie Versuche ergeben haben, weist gemäß den Patentansprüchen 3 und 4 ein Aufnahmeabsatz bzw. ein Aufnahmeloch zweckmäßiger weise zwischen 4 und 12 feinverzahnte Umfangsteilabschnitte auf, die jeweils 2 bis 10 Zähne haben, um für eine hoch be lastbare Verbindung zwischen der Grundwelle und den Steuerele menten zu sorgen.

Als besonders geeignet, insbesondere in fertigungstechnischer Hinsicht, hat sich eine im Querschnitt im wesentlichen säge zahnförmige Ausbildung der Zähne vor Montage der Steuerele mente auf der Grundwelle herausgestellt, wie im Patentanspruch 5 angegeben, wobei gemäß dem Patentanspruch 6 die Flanken an einandergrenzender Zähne vorzugsweise einen Winkel von etwa 60° einschließen. Zweckmäßig sind dabei die Zähne vor Montage der Steuerelemente auf der Grundwelle im Bereich ihres Fuß kreisdurchmessers mit einem Radius versehen, wie im Patentan spruch 7 angegeben.

Gemäß dem Patentanspruch 8 sind die Zähne vor Montage der Steuerelemente auf der Grundwelle im Bereich ihres Kopfkreis durchmessers vorzugsweise abgerundet, damit es im Bereich des Kopfkreisdurchmessers der Zähne beim Aufschieben der Steuer elemente auf die zugeordneten Aufnahmeabsätze der Welle zu keinen Materialausbrüchen kommt, was eine Erhöhung der zum Aufschieben benötigten Kräfte zur Folge hätte.

Bevorzugte Maßbereiche für die Zahnhöhe sind in den Patentan sprüchen 9 und 10 angegeben. Gemäß dem Patentanspruch 9 be trägt vor Montage der Steuerelemente auf der Grundwelle am feinverzahnten Umfangsteilabschnitt eines Aufnahmeabsatzes das Verhältnis von Grundkreisdurchmesser zu Kopfkreisdurchmesser der Zähne zwischen 0.975 und 0.999, während das Verhältnis von Fußkreisdurchmesser zu Grundkreisdurchmesser der Zähne zwi schen 0.975 und 0.999 beträgt. Gemäß dem Patentanspruch 10, der auf die Verhältnisse am feinverzahnten Umfangsteilab schnitt eines Aufnahmelochs eines Steuerelements abstellt, be trägt das Verhältnis von Kopfkreisdurchmesser zu Grundkreis durchmesser der Zähne zwischen 0.970 und 0.999, während das Verhältnis von Grundkreisdurchmesser zu Fußkreisdurchmesser der Zähne zwischen 0.970 und 0.999 beträgt.

Nach der technischen Lehre des Patentanspruchs 11 weist der Aufnahmeabsatz der Grundwelle bzw. das Aufnahmeloch des Steu erelements in Aufschieberichtung des Steuerelements vor dem verzahnten Umfangsteilabschnitt einen Absatz mit dem Grund kreisdurchmesser der Zähne auf, der einer nochmals verbesser ten Zentrierung der Steuerelemente bezüglich der Grundwelle dient.

Gemäß dem Patentanspruch 12 ist an dem Aufnahmeabsatz der Grundwelle bzw. an dem Aufnahmeloch des Steuerelements in Auf schieberichtung des Steuerelements vor dem verzahnten Um fangsteilabschnitt eine umlaufende Nut ausgebildet, die der Aufnahme der beim Aufschieben der Steuerelemente auf die zuge ordneten Aufnahmeabsätze anfallenden Späne dient und aufgrund ihrer Lage in vorteilhafter Weise beim Aufschieben verschlos sen wird.

Sind die Zähne in einem in Aufschieberichtung des Steuerele ments vorderen Bereich des Aufnahmeabsatzes der Grundwelle bzw. des Aufnahmelochs des Steuerelements gehärtet, wie im Pa tentanspruch 13 angegeben, bleibt die Geometrie der Zähne beim Aufschieben der Steuerelemente auf die zugeordneten Aufnahme absätze der Grundwelle weitgehend unverändert. Dies hat den Vorteil, daß die zum Aufschieben der Steuerelemente benötigte Kraft nicht übermäßig ansteigt, was auch eine Gefahr des Ver kantens der Steuerelemente bezüglich der Grundwelle mit sich bringt.

Gemäß dem Patentanspruch 14 ist der Durchmesser der Um fangsteilabschnitte, die keine Verzahnung tragen, vorzugsweise derart gewählt, daß die Steuerelemente im Bereich dieser Um fangsteilabschnitte mit leichtem Preßsitz, d. h. Kraftschluß, auf den Aufnahmeabsätzen der Grundwelle sitzen, wodurch die Festigkeit der Verbindung zwischen den Steuerelementen und der Grundwelle zusätzlich erhöht wird.

Gemäß dem Patentanspruch 15 ist mindestens ein Steuerelement ein Nocken, der eine Ausnehmung aufweist, die eine denkbar einfache Winkelpositionierung des Nockens auf der Grundwelle erlaubt. Bei einem geschmiedeten oder gesinterten Nocken kann diese Ausnehmung vorteilhaft beim Schmiede- bzw. Sintervorgang mit ausgebildet werden.

Bevorzugte Werkstoffe für den Nocken sind in den Patentansprü chen 16 und 17 angegeben, wobei anzumerken ist, daß der Aus bildung des Nockens aus Sinterstahl gegenüber dem Schmieden des Nockens aus einem legierten Kaltarbeitsstahl aus ferti gungstechnischem Blickwinkel der Vorzug zu geben ist, weil der Nocken, wie im Patentanspruch 21 angegeben, beim Sintern in einem Fertigungsschritt mit den feinverzahnten Umfangsteilab schnitten und außerdem seiner fertigen Lauffläche ausgebildet werden kann. Bei einem geschmiedeten Steuerelement kann der feinverzahnte Umfangsteilabschnitt an dem Aufnahmeloch ferti gungstechnisch günstig mittels Zerspanung durch beispielsweise Räumen oder spanlos mittels beispielsweise Drücken oder Auf dornen mit einem Profilierdorn ausgebildet werden, wie dies im Patentanspruch 20 angegeben ist, allerdings erst nach dem Schmieden.

Der im Patentanspruch 18 angegebene Hohlguß der Grundwelle aus einem niedriglegierten oder Cr-Mo-legierten, perlitischen Guß trägt schließlich zur Ausbildung einer leichten Steuerwelle bei, wobei gemäß dem Patentanspruch 22 der feinverzahnte Um fangsteilabschnitt an den Aufnahmeabsätzen der Grundwelle vor teilhaft mittels Zerspanung durch beispielsweise Räumen oder spanlos mittels beispielsweise Formwalzen ausgebildet werden kann.

Die Erfindung und weitere Vorteile der Erfindung werden nach stehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Dabei zeigen:

Die Fig. 1A eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß aus gebildete Grundwelle für eine zusammengesetzte Steuerwelle vor Montage der Steuerelemente,

die Fig. 1B eine Schnittansicht der in axialer Richtung entsprechend den Aufnahmeabsätzen der Grundwelle gemäß Fig. 1A positionierten Steuerelemente vor Montage auf der Grundwelle gemäß Fig. 1A,

die Fig. 1C eine teilweise geschnitte Draufsicht auf eine aus der Grundwelle gemäß Fig. 1A und den Steuerelementen gemäß Fig. 1B zusammengesetzten Steuerwelle,

die Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausge bildetes Steuerelement in Form eines Nockens mit feinverzahn ten Umfangsteilabschnitten am Aufnahmeloch für die Grundwelle,

die Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf die feinver zahnten Umfangsteilabschnitte am Aufnahmeloch des Nockens ge mäß Fig. 2, entsprechend dem Detail X in Fig. 2,

die Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf die feinver zahnten Umfangsteilabschnitte an einem Aufnahmeabsatz der Grundwelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfin dung,

die Fig. 5A eine Schnittansicht durch einen Nocken mit feinverzahnten Umfangsteilabschnitten am Aufnahmeloch für die Grundwelle in einer ersten Variante,

die Fig. 5B eine vergrößerte Schnittansicht eines fein verzahnten Umfangsteilabschnitts des Nockens gemäß Fig. 5A, entsprechend dem Detail Y1 in Fig. 5A,

die Fig. 6A eine Schnittansicht durch einen Nocken mit feinverzahnten Umfangsteilabschnitten am Aufnahmeloch für die Grundwelle in einer zweiten Variante, bei der das Aufnahmeloch in Aufschieberichtung des Nockens vor der Feinverzahnung einen Absatz mit dem Grundkreisdurchmesser der Feinverzahnung auf weist,

die Fig. 6B eine vergrößerte Schnittansicht eines fein verzahnten Umfangsteilabschnitts des Nockens gemäß Fig. 6A, entsprechend dem Detail Y2 in Fig. 6A,

die Fig. 7A eine Schnittansicht durch einen Nocken mit feinverzahnten Umfangsteilabschnitten am Aufnahmeloch für die Grundwelle in einer dritten Variante, bei der das Aufnahmeloch in Aufschieberichtung des Nockens vor der Feinverzahnung eine umlaufende Nut aufweist,

die Fig. 7B eine vergrößerte Schnittansicht eines fein verzahnten Umfangsteilabschnitts des Nockens gemäß Fig. 7A, entsprechend dem Detail Y3 in Fig. 7A,

die Fig. 8A eine Schnittansicht durch einen Nocken mit feinverzahnten Umfangsteilabschnitten am Aufnahmeloch für die Grundwelle in einer vierten Variante, bei der die Feinverzah nung in einem in Aufschieberichtung des Nockens vorderen Be reich gehärtet ist,

die Fig. 8B eine vergrößerte Schnittansicht eines fein verzahnten Umfangsteilabschnitts des Nockens gemäß Fig. 8A, entsprechend dem Detail Y4 in Fig. 8A,

die Fig. 9 die Aufpreßkraft F_A in kN als Funktion des Aufpreßwegs s_A in mm beim Aufpressen eines gemäß Fig. 2 ausge bildeten Nockens auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz der Grundwelle,

die Fig. 10 die Abpreßkraft F_B in kN als Funktion des Ab preßwegs s_B in mm beim Abpressen eines gemäß Fig. 2 ausgebil deten Nockens von dem zugeordneten Aufnahmeabsatz der Grund welle und

die Fig. 11 das Drehmoment M in Nm beim Verdrehversuch auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine mit einem gemäß Fig. 2 ausge bildeten, auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz der Grundwelle aufgepreßten Nocken, der bezüglich des Aufnahmeabsatzes der festgehaltenen Grundwelle verdreht wurde.

In der Fig. 1C ist eine zusammengesetzte Nockenwelle 2 für eine Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Die Nockenwelle 2 hat eine in Fig. 1A einzeln gezeigte Grundwelle 4 aus Gußmate rial, die eine Mehrzahl von zu einem Wellenende 6 hin im Hauptdurchmesser D₁ bis D₆ abgestuften Aufnahmeabsätzen 8.1 bis 8.6 für einzeln in Fig. 1B geschnitten dargestellte Nocken 10.1 bis 10.6 aufweist, welche jeweils ein Aufnahmeloch 12.1 bis 12.6 mit entsprechend gestuftem Hauptdurchmesser d₁ bis d₆ für die Grundwelle 4 haben. Wie insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 noch näher erläutert wird weist jeder der Aufnahmeabsätze 8.1 bis 8.6 der Grundwelle 4 oder jedes der Aufnahmelöcher 12.1 bis 12.6 der Nocken 10.1 bis 10.6 minde stens einen Umfangsteilabschnitt 14 auf, der mit einer Mehr zahl von sich in axialer Richtung der Grundwelle 4 bzw. der Nocken 10.1 bis 10.6 erstreckenden, in Umfangsrichtung der Aufnahmeabsätze 8.1 bis 8.6 bzw. der Aufnahmelöcher 12.1 bis 12.6 aneinandergrenzenden feinen Zähnen 16 versehen ist, die den jeweiligen Nocken 10.1 bis 10.6 beim Aufschieben auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz 8.1 bis 8.6 der Grundwelle 4 unter Spanabhebung und Verformung an der Grundwelle 4 festsetzen.

Wie in den Fig. 1A und 1C zu erkennen ist, hat die Nockenwelle 2 in an sich bekannter Weise an ihrem vom Wellenende 6 abge wandten Wellenende 18 Anschlagbünde 20 und zwischen den vom Wellenende 18 her gesehen ersten und zweiten Aufnahmeabsätzen 8.2, zwischen den dritten und vierten Aufnahmeabsätzen 8.3, 8.4 sowie zwischen den fünften und sechsten Aufnahmeabsätzen 8.5, 8.6 jeweils eine Lagerstelle 22. Sowohl die Anschlagbünde 20 als auch die Lagerstellen 22 werden bereits beim Gießen der vorzugsweise als Hohlwelle ausgeführten Grundwelle 4 ausgebil det und dann spanend bearbeitet, vorzugsweise gedreht oder ge schliffen. Als Material für die Grundwelle 4 bietet sich ein niedriglegierter oder ein Cr-Mo-legierter, perlitischer Guß an.

Um einen Eindruck von den Dimensionen der Nockenwelle 2 zu vermitteln, gibt die nachstehende Tabelle beispielhaft Durch messermaße einer ausgeführten Nockenwelle 2 an, wobei die La gerstellen 22 mit einem Durchmesser von 28.20 mm und alle üb rigen Absätze zwischen den Aufnahmeabsätzen 8.1 bis 8.6 mit einem Durchmesser von 27.00 mm ausgebildet wurden.

Aus der obigen Tabelle ergibt sich, daß die Aufnahmeabsätze 8.1 bis 8.6 im Hauptdurchmesser D₁ bis D₆ mit einer Abstufung von 0.30 mm pro Absatz in Richtung des Wellenendes 6 sehr fein gestuft sind. Darüber hinaus ist der Tabelle zu entnehmen, daß die Hauptdurchmesser d₁bis d₆ der Aufnahmelöcher 12.1 bis 12.6 der Nocken 10.1 bis 10.6 den Hauptdurchmessern D₁ bis D₆ der Aufnahmeabsätze 8.1 bis 8.6 entsprechen. Allerdings ist es auch möglich, die Hauptdurchmesser D₁ bis D₆ bzw. d₁ bis d₆ derart zu wählen, daß die Nocken 10.1 bis 10.6 neben der noch zu beschreibenden, im wesentlichen formschlüssigen Verbindung mittels der feinverzahnten Umfangsteilabschnitte 14 mit einem leichten Preßsitz aufgrund beispielsweise eines Übermaßes von 0.01 mm kraftschlüssig auf den zugeordneten Aufnahmeabsätzen 8.1 bis 8.6 der Grundwelle 4 sitzen.

Obgleich in den Fig. 1A und 1C eine Grundwelle 4 dargestellt ist, deren Aufnahmeabsätze 8 sich lediglich in Richtung eines Wellenendes 6 verjüngen, ist es natürlich auch möglich, die Grundwelle derart auszubilden, daß sich die Aufnahmeabsätze für die Nocken ausgehend von einem mittleren Bereich nach bei den Wellenenden hin verjüngen, so daß die Nocken von zwei Sei ten aufgeschoben werden können. Dies hätte beispielsweise den Vorteil, daß die Aufnahmeabsätze der Grundwelle bzw. die Auf nahmelöcher der Nocken weniger verschiedene Durchmesser haben könnten. Prinzipiell kann die Grundwelle 4 auch als Vollwelle ausgeführt sein.

In Fig. 2 ist ein Nocken 10 der Nockenwelle 2 mit feinverzahn ten Umfangsteilabschnitten 14 am Aufnahmeloch 12 für die Grundwelle 4 gezeigt, bevor er auf den zugeordneten Aufnahme absatz 8 der Grundwelle 4 aufgeschoben wird. Die Fig. 3 stellt das Detail X in Fig. 2 vergrößert dar.

Im in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwölf feinverzahnte Umfangsteilabschnitte 14 an der Innenum fangsfläche des Aufnahmelochs 12 des Nockens 10 bezüglich ih rer Winkellage symmetrisch verteilt angeordnet. Jeder der feinverzahnten Umfangsteilabschnitte 14 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel vier radial nach innen vorstehende Zähne 16 auf, die sich in axialer Richtung des Aufnahmelochs 12 er strecken. Die Zähne 16 sind im Querschnitt im wesentlichen sä gezahnförmig ausgebildet, wobei die Flanken aneinandergrenzen der Zähne 16 einen Winkel α von etwa 60° einschließen und je weils ein Zahn 16 ein Winkelsegment β des Aufnahmelochs 12 von etwa 2° einnimmt.

Desweiteren sind in Fig. 3 mit d der Hauptdurchmesser des Auf nahmelochs 12, d. h. der Innendurchmesser der Umfangsteilab schnitte 24, die keine Feinverzahnung tragen, mit d_G der Grundkreisdurchmesser der Zähne 16, mit d_K der Kopfkreisdurch messer der Zähne 16 und mit d_F der Fußkreisdurchmesser der Zähne 16 bezeichnet. Es hat sich gezeigt, daß sich eine aus reichend feste Verbindung zwischen den Nocken 10 und der Grundwelle 4 bei moderaten Kräften beim Aufpressen der Nocken 10 auf die Aufnahmeabsätze 8 erzielen läßt, wenn das Verhält nis von Kopfkreisdurchmesser d_K zu Grundkreisdurchmesser d_G der Zähne 16 derart gewählt ist, daß es zwischen 0.970 und 0.999 beträgt, während das Verhältnis von Grundkreisdurchmes ser d_G zu Fußkreisdurchmesser d_F der Zähne 16 derart gewählt ist, daß es zwischen 0.970 und 0.999 beträgt.

In der folgenden Tabelle sind diese Durchmesser beispielhaft für Nocken 10.1 bis 10.6 einer ausgeführten Nockenwelle 2 wie dergegeben, die eine entsprechend der obigen Tabelle ausgebil dete Grundwelle 4 sowie Nocken 10.1 bis 10.6 mit den angegebe nen Hauptdurchmessern d₁ bis d₆ der Aufnahmelöcher 12.1 bis 12.6 aufweist.

Dieser Tabelle ist zu entnehmen, daß auch die Durchmesser d_k, d_F, d_G der Zähne 16 von Nocken zu Nocken ausgehend vom Wellen ende 18 mit jeweils 0.30 mm fein gestuft sind, wobei die Zähne 16 jeweils mit 0.15 mm bezogen auf den Hauptdurchmesser d der Aufnahmelöcher 12 nur geringfügig nach radial innen vorstehen. Darüber hinaus ist ersichtlich, daß jeder Nocken 10.1 bis 10.5 außer dem letzten Nocken 10.6 ausgehend vom Wellenende 6 über die ihm nicht zugeordneten Aufnahmeabsätze 8 der Grundwelle 4 problemlos hinweggeschoben werden kann, da die Feinverzahnung jedes Nockens 10.1 bis 10.5 einen Kopfkreisdurchmesser d_K auf weist, der mit dem Hauptdurchmesser D des in Aufschieberich tung jeweils letzten Aufnahmeabsatzes 8 vor dem dem jeweiligen Nocken 10 zugeordneten Aufnahmeabsatz 8 auf Null toleriert ist. So entspricht beispielsweise der Kopfkreisdurchmesser d_K der Feinverzahnung des dritten Nockens 10.3 dem Hauptdurchmes ser D₄ des vierten Aufnahmeabsatzes 8.4.

Gemäß Fig. 3 sind ferner die Zähne 16 im Bereich ihres Fuß kreisdurchmessers d_F mit einem Radius r versehen, der im dar gestellten Ausführungsbeispiel etwa 0.125 mm beträgt. Durch den Radius r, der auch fertigungstechnisch bedingt ist, werden die beim Aufschieben des jeweiligen Nockens 10 auf den zuge ordneten Aufnahmeabsatz 8 abgehobenen kurzen Gußspäne, die nach radial außen bewegt werden, abgelenkt und können sich we niger leicht zwischen den Zahnflanken und der Wandung der durch die Zähne 16 am jeweiligen Aufnahmeabsatz 8 ausgebilde ten Nuten festsetzen.

Weiterhin hat gemäß Fig. 2 der Nocken 10 noch eine als Sack- oder Durchgangsloch ausgebildete Ausnehmung 26, die sich ko axial zu aber von dem Aufnahmeloch 12 beabstandet in bzw. durch den Nocken 10 erstreckt und der Winkelpositionierung des Nockens 10 auf der Grundwelle 4 dient. Die Ausnehmung 26 kann ebenso wie die feinverzahnten Umfangsteilabschnitte 14 des Aufnahmelochs 12 mit der Lauffläche 28 des Nockens 10 in einem Arbeitsgang hergestellt werden, wenn der Nocken 10 aus einem Sinterstahl wie D 39 MOD. gesintert wird. Schließlich ist noch zu erwähnen, daß der Nocken 10 auch aus einem legierten Kalt arbeitsstahl wie 100 Cr 6 geschmiedet werden kann. Auch dabei kann die Ausnehmung 26 mitgefertigt werden.

Obgleich in den Fig. 2 und 3 der Nocken 10 mit zwölf symme trisch am Umfang des Aufnahmelochs 12 verteilten feinverzahn ten Umfangsteilabschnitten 14 mit jeweils vier Zähnen 16 dar gestellt ist, kann er am Umfang des Aufnahmelochs auch unsym metrisch verteilte Umfangsteilabschnitte einer anderen Anzahl mit mehr oder weniger Zähnen aufweisen. Allerdings sollte das Aufnahmeloch 12 zwischen 4 und 12 feinverzahnte Umfangsteilab schnitte 14 mit jeweils einer Zahnanzahl zwischen 2 und 10 ha ben, um eine Verbindung ausreichender Festigkeit herzustellen.

Des Weiteren ist es möglich, die Zähne 16 im Bereich ihres Kopfkreisdurchmessers d_K abzurunden, so daß sie beim Aufpres sen des Nockens 10 auf die Grundwelle 4 nicht ausbrechen.

Die oben beschriebene Nockenwelle 2 wird folgendermaßen herge stellt.

Zunächst wird die Grundwelle 4 unter gleichzeitiger Ausbildung der Aufnahmeabsätze 8 für die Nocken 10, der Anschlagbünde 20, der Lagerstellen 22 sowie aller übrigen Absätze gegossen. Zu betonen ist hier, daß die Verwendung eines harten Gußmaterials für die Grundwelle 4 ein nachträgliches Härten der Lagerstel len 22 der Nockenwelle 2 überflüssig macht. Die Aufnahmeab sätze 8, die Anschlagbünde 20 und die Lagerstellen 22 werden durch Zerspanung mittels vorzugsweise Drehen oder Schleifen fertig bearbeitet.

In einem parallelen Arbeitsschritt werden die Nocken 10 bei gleichzeitiger Ausbildung der Aufnahmelöcher 12 geschmiedet oder gesintert, wobei bei letzterem Verfahren die feinverzahn ten Umfangsteilabschnitte 14 der Aufnahmelöcher 12, die Posi tionierausnehmung 26 sowie die Laufflächen 28 der Nocken 10 gleich mit fertiggestellt werden können, wodurch auch nach trägliche Schleifarbeiten entfallen. Der gesinterte Nocken 10 wird vorzugsweise kalt kalibriert oder warm nachgeschmiedet und verdichtet. Sind die Nockenrohlinge mittels Schmieden her gestellt, bietet sich die Ausbildung der feinverzahnten Um fangsteilabschnitte 14 an den Aufnahmelöchern 12 spanend mit tels Räumen oder spanlos mittels Drücken oder Aufdornen mit einem Profilierdorn an. Die Ausnehmung 26 wird ebenfalls mit geschmiedet oder gefräst bzw. gebohrt und das Schleifen der Laufflächen 28 der Nocken 10 erfolgt vorzugsweise erst nach Aufpressen der Nocken 10 auf die Grundwelle 4 zu einem späte ren Zeitpunkt.

Nun können die Nocken 10 auf die Grundwelle 4 aufgepreßt wer den. Dazu werden die Nocken 10 auf die Grundwelle 4 über deren Wellenende 6 bis kurz vor die ihnen zugeordneten Aufnahmeab sätze 8 aufgeschoben. Dann erfolgt die Winkelpositionierung der Nocken 10 über deren Ausnehmungen 26. Schließlich werden die Nocken 10 und/oder die Grundwelle 4 in Achsrichtung der Grundwelle 4 gegeneinander verschoben, so daß die feinverzahn ten Umfangsteilabschnitte 14 der Aufnahmelöcher 12 mit den Aufnahmeabsätzen 8 der Grundwelle 4 spanend in Eingriff gelan gen. Bei weiterer Verschiebung der Nocken 10 relativ zu der Grundwelle 4 werden deren Aufnahmeabsätze 8 von den Zähnen 16 der Umfangsteilabschnitte 14 spanend bearbeitet bzw. einge schnitten sowie plastisch verformt, wodurch feine Nuten im Gußwerkstoff entstehen. Ist die axiale Endlage der Nocken 10 auf der Grundwelle 4 erreicht, kann die fertige Nockenwelle 2 dem Werkzeug entnommen werden.

Zum Aufpressen der Nocken 10 auf die Grundwelle 4 bestehen mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann ein Nocken 10 einzeln auf die Grundwelle 4 aufgeschoben, winkelmäßig positioniert und mit der Grundwelle 4 verpreßt werden, bevor der nächste Nocken 10 aufgeschoben, positioniert und verpreßt wird. Auch ist es möglich zunächst alle Nocken 10 auf die Grundwelle 4 aufzuschieben und dann einzeln zu positionieren und aufzupres sen. Schließlich besteht eine fertigungstechnisch besonders günstige Variante darin, die Nocken 10 gemeinsam auf die Grundwelle 4 aufzuschieben und mit dieser zu verpressen. Dabei werden vorzugsweise alle Nocken 10 stellungsrichtig in eine Vorrichtung eingelegt und die Grundwelle 4 durch die Aufnahme löcher 12 eingeschoben. Das Verpressen erfolgt dann über einen relativ kurzen Weg, der etwa der Dicke der Nocken 10 ent spricht. Jedenfalls ist beim Aufpressen der Nocken 10 eine zwischenzeitliche Bearbeitung der Grundwelle 4, etwa zur Aus bildung der Aufnahmeabsätze 8, nicht notwendig.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß durch die be schriebene Ausbildung der Grundwelle 4 und der Nocken 10 ein Baukastensystem für Nockenwellen 2 geschaffen ist, bei dem die Winkelstellung der Nocken 10 auf der Grundwelle 4 nicht teil abhängig, sondern fertigungs- bzw. vorrichtungsabhängig ist.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, gemäß dem die feinverzahnten Umfangsteilabschnitte 16 an einem Aufnahmeab satz 8 der Grundwelle 4 ausgebildet sind. Die zu der Ausbil dung der Nockenwelle 2, der Grundwelle 4 bzw. der Nocken 10 gemäß den Fig. 1A bis 3 gemachten Ausführungen gelten hier entsprechend, soweit im folgenden nicht anderes gesagt wird.

Voraussetzung zur Ausbildung der feinverzahnten Umfangsteilab schnitte 14 an den Aufnahmeabsätzen 8 der Grundwelle 4 ist, daß die Grundwelle 4 aus einem Gußwerkstoff besteht, der zu mindest im Bereich der Zähne 16 härter ist als der Werkstoff der Nocken 10. Andernfalls ließen sich die Nocken 10 nicht un ter Ausbildung der oben beschriebenen Nuten zur weitgehend formschlüssigen Festlegung der Nocken 10 an der Grundwelle 4 auf diese aufpressen.

Für eine den Erfordernissen entsprechend ausreichend belast bare Verbindung zwischen der Grundwelle 4 und den Nocken 10 sollte vor Montage der Nocken 10 auf der Grundwelle 4 am fein verzahnten Umfangsteilabschnitt 14 jedes Aufnahmeabsatzes 8 das Verhältnis von Grundkreisdurchmesser D_G zu Kopfkreisdurch messer D_K der Zähne 16 zwischen 0.975 und 0.999 betragen, wäh rend das Verhältnis von Fußkreisdurchmesser D_Fzu Grundkreis durchmesser D_G der Zähne 16 zwischen 0.975 und 0.999 betragen sollte.

Zur Ausbildung der Zähne 16 an den Aufnahmeabsätzen 8 der Grundwelle 4 bietet sich bei diesem Ausführungsbeispiel Form walzen an.

Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Schnittansicht durch einen Nocken 10 mit feinverzahnten Umfangsteilabschnitten 14 am Auf nahmeloch 12 für die Grundwelle 4 in einer ersten Variante, gemäß der sich die Zähne 16 in axialer Richtung des Aufnahme lochs 12 über die gesamte Breite des Nockens 10 erstrecken. Hier lassen sich die Zähne 16 auch bei einem geschmiedeten Nocken 10 fertigungstechnisch einfach ausbilden, insbesondere wenn die Werkstoffpaarung Grundwelle 4/Nocken 10 derart ge wählt ist, daß der Nocken 10 ohne gesonderte Härtung der Zähne 16 auf die Grundwelle 4 aufgepreßt werden kann.

Gemäß den Fig. 6A und 6B ist bei einer zweiten Variante des Nockens 10 dessen Aufnahmeloch 12 in Aufschieberichtung des Nockens 10 vor dem verzahnten Umfangsteilabschnitt 14 mit einem umlaufenden Absatz 30 versehen, der den Grundkreisdurch messer d_G der Zähne 16 aufweist. Ein derartig ausgebildeter Nocken 10 wird beim Aufpressen auf den zugeordneten Aufnahme absatz 8 der Grundwelle 4 über den Absatz 30 an der Grundwelle 4 zentriert, bevor die Zähne 16 in spanenden Eingriff mit dem Aufnahmeabsatz 8 treten. Die Ausbildung des Absatzes 30 kann bereits beim Sintern des Nockens 10 oder nachträglich mittels beispielsweise spanender Bearbeitung des Nockens 10 erfolgen.

In den Fig. 7A und 7B ist eine dritte Variante des Nockens 10 dargestellt, gemäß der an dem Aufnahmeloch 12 des Nockens 10 in Aufschieberichtung des Nockens 10 vor dem verzahnten Um fangsteilabschnitt 14 nach dem oben beschriebenen Absatz 30 eine umlaufende Nut 32 ausgebildet ist, die der Aufnahme der Späne dient, die beim Aufpressen des Nockens 10 auf den zuge ordneten Aufnahmeabsatz 8 der Grundwelle 4 anfallen. Ist der Nocken 10 vollständig auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz 8 aufgepreßt, bildet die Nut 32 zusammen mit der Außenumfangs fläche des Aufnahmeabsatzes 8 eine nach außen geschlossene Ringkammer, in der die angefallenen Späne aufgenommen sind. Auch die Nut 32 kann beim Sintern des Nockens 10 oder später mittels spanender Bearbeitung in den Nocken 10 eingebracht werden.

Schließlich zeigen die Fig. 8A und 8B eine vierte Variante des Nockens 10, bei der die Zähne 16 des feinverzahnten Um fangsteilabschnitts 14 in einem in Aufschieberichtung des Nockens 10 vorderen Bereich 34 des Aufnahmelochs 12 gehärtet sind, um eine gute Spanbildung und moderate Kräfte beim Auf pressen des Nockens 10 auf die Grundwelle 4 zu gewährleisten.

Obgleich die obigen Varianten der Nocken 10 im wesentlichen getrennt beschrieben wurden, ist für den Fachmann ersichtlich, daß sie untereinander kombiniert werden können. Auch können entsprechende Maßnahmen an den feinverzahnten Umfangsteilab schnitten 14 eines Aufnahmeabsatzes 8 der Grundwelle 4, wie er beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist, vorgesehen werden.

Die Anmelderin hat Versuche durchgeführt, bei denen ein wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ausgebildeter Nocken 10 mit den in den obigen Tabellen für den Nocken 10.1 angegebenen Durch messern am Aufnahmeloch 12 und einer Breite von etwa 12.00 mm auf einen Aufnahmeabsatz 8 einer Grundwelle 4 mit einem Haupt durchmesser D von 30.00 mm aufgepreßt wurde. Der Nocken 10 be stand aus 100 Cr 6 und die Grundwelle 4 aus einem niedrigle gierten Guß. Die am Aufnahmeloch 12 des Nockens 10 vorgesehe nen feinverzahnten Umfangsteilabschnitte 14 waren im Schnitt wie in den Fig. 5A und 5B dargestellt ausgebildet. Die Fig. 9 bis 11 zeigen die Ergebnisse dieser Versuche.

In Fig. 9 ist die Aufpreßkraft F_A in kN als Funktion des Auf preßwegs s_A in mm beim Aufpressen des Nockens 10 auf den Auf nahmeabsatz 8 der Grundwelle 4 aufgetragen. Beim Aufpressen des Nockens 10 steigt die notwendige Aufpreßkraft F_A im we sentlichen kontinuierlich auf ca. 29 kN im Punkt P₁ an, bis die volle Nockenbreite aufgepreßt ist. Danach kommt es beim weiteren Aufpressen des Nockens 10 zu einem geringfügigen Ab fall der erforderlichen Aufpreßkraft F_A auf etwa 28 kN im Punkt P₂. Die erforderliche Aufpreßkraft F_A steigt dann mit zunehmendem Aufpreßweg s_A langsam bis auf ca. 36 kN im Punkt P₃ zum Ende des Aufpreßwegs s_A von insgesamt 30 mm an. Im Er gebnis ist der Widerstand gegen ein unbeabsichtigtes Weiter schieben des Nockens 10 im Betrieb der Nockenwelle 2 absolut ausreichend.

Die Fig. 10 zeigt den Verlauf der Abpreßkraft F_B in kN als Funktion des Abpreßwegs s_B in mm beim Abpressen des Nockens 10 von dem zugeordneten Aufnahmeabsatz 8 der Grundwelle 4 in um gekehrter Richtung. Beim Abpressen steigt die erforderliche Abpreßkraft F_B stetig bis auf etwa 29 kN im Punkt P₄ an, um dann nach dem Lösen des Nockens 10 weiter bis auf ca. 34 kN im Punkt P₅ zu steigen. Über den weiteren Abpreßweg s_B des Nockens 10 verläuft die Abpreßkraft F_B im wesentlichen kon stant, bis der Nocken 10 nicht mehr mit seiner vollen Breite auf dem Aufnahmeabsatz 8 der Grundwelle 4 sitzt. Hier ist festzuhalten, daß auch der Abpreßwiderstand entgegen der Mon tagerichtung des Nockens 10 für den Betrieb der Nockenwelle 2 völlig ausreichend ist.

Schließlich ist in Fig. 11 das Drehmoment M in Nm beim Verdre hen des Nockens 10 auf dem zugeordneten Aufnahmeabsatz 8 der festgehaltenen Grundwelle 4 während eines Verdrehversuchs auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine dargestellt, wobei die Skalierung der Abszisse lediglich den Vorschubweg des Meßstreifens der Zug-Druck-Prüfmaschine angibt. Bei etwa 515 Nm im Punkt P₆ löst sich der Nocken 10 und verdreht sich bezüglich der fest gehaltenen Grundwelle 4. Dabei fällt das Drehmoment M anfangs schnell auf ca. 350 Nm ab, um dann langsamer auf etwa 300 Nm abzufallen, die beim weiteren Verdrehen des Nockens 10 bezüg lich der Grundwelle 4 annähernd konstant bleiben. Der lineare Bereich der Kurve vor dem Punkt P₆ ist darauf zurückzuführen, daß sich die Aufzeichnungsrolle mit dem Meßstreifen kontinu ierlich bewegt, während die Kraft im Versuch langsam gestei gert wird, d. h. bis zum Punkt P₆ erfolgt keine Verdrehung des Nockens 10 relativ zur Grundwelle 4. Hier zeigte sich, daß auch der Widerstand gegen ein Verdrehen des Nockens 10 bezüg lich der Grundwelle 4 für den Betrieb der Nockenwelle 2 abso lut ausreichend ist.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, daß die beschriebene Ver bindung nicht nur hinsichtlich des Verdrehwiderstands sehr fest ist, sondern auch eine ausreichende axiale Festlegung des Nockens 10 auf der Grundwelle 4 gewährleistet, ohne daß wei tere Befestigungsmittel bzw. -schritte notwendig wären.

Abschließend sei angemerkt, daß, obwohl in den obigen Ausfüh rungsbeispielen explizit Nockenwellen angesprochen sind, die beschriebene Verbindung für jede beliebige zusammengesetzte Steuerwelle verwendbar ist, bei der Steuerelemente, wie Nocken, Zahnräder, etc., an einer Grundwelle aus Gußmaterial mit zu einem Wellenende hin im Durchmesser abgestuften Aufnah meabsätzen drehfest zu befestigen sind.

Es wird eine zusammengesetzte Steuerwelle, insbesondere eine Nockenwelle für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Ver fahren für deren Herstellung offenbart. Die Steuerwelle hat eine Grundwelle aus Gußmaterial, die eine Mehrzahl von zu ei nem Wellenende hin im Durchmesser abgestuften Aufnahmeabsätzen für Steuerelemente aufweist, welche jeweils ein Aufnahmeloch für die Grundwelle haben. Jeder Aufnahmeabsatz oder jedes Auf nahmeloch weist mindestens einen Umfangsteilabschnitt auf, der mit einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden, in Umfangs richtung aneinandergrenzenden feinen Zähnen versehen ist, die das jeweilige Steuerelement beim Aufschieben auf den zugeord neten Aufnahmeabsatz unter Spanabhebung und Verformung an der Grundwelle festsetzen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Steuerwelle bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfah ren für die Steuerwelle kann diese bei ausreichender Festig keit in der Massenfertigung kostengünstig hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

2

Nockenwelle

4

Grundwelle

6

Wellenende

8

Aufnahmeabsatz

10

Nocken

12

Aufnahmeloch

14

Umfangsteilabschnitt

16

Zahn

18

Wellenende

20

Anschlagbund

22

Lagerstelle

24

Umfangsteilabschnitt

26

Ausnehmung

28

Lauffläche

30

Absatz

32

Nut

34

vorderer Bereich
d, DHauptdurchmesser
d_F

, D_F

,Fußkreisdurchmesser
d_G

, D_G

Grundkreisdurchmesser
d_K

, D_K

Kopfkreisdurchmesser
F_A

Aufpreßkraft
F_B

Abpreßkraft
MDrehmoment
s_A

Aufpreßweg
s_B

Abpreßweg
αFlankenwinkel
βSegmentwinkel

Claims

1. Zusammengesetzte Steuerwelle (2), insbesondere Nockenwelle für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer Grundwelle (4) aus Gußmaterial, die eine Mehrzahl von zu einem Wellenende (6) hin im Durchmesser (D) abgestuften Aufnahmeabsätzen (8) für Steuerelemente (10) aufweist, welche jeweils ein Aufnahmeloch (12) für die Grundwelle (4) haben, wobei jeder Aufnahmeabsatz (8) oder jedes Aufnahmeloch (12) mindestens einen Umfangsteil abschnitt (14) aufweist, der mit einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden, in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden feinen Zähnen (16) versehen ist, die das jeweilige Steuerelement (10) beim Aufschieben auf den zugeordneten Aufnahmeabsatz (8) unter Spanabhebung und Verformung an der Grundwelle (4) festsetzen.

2. Steuerwelle (2) nach Anspruch 1, wobei mehrere feinver zahnte Umfangsteilabschnitte (14) an einem Aufnahmeabsatz (8) bzw. einem Aufnahmeloch (12) in ihrer Winkellage symmetrisch verteilt angeordnet sind.

3. Steuerwelle (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Aufnahme absatz (8) bzw. ein Aufnahmeloch (12) zwischen 4 und 12 fein verzahnte Umfangsteilabschnitte (14) aufweist.

4. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder feinverzahnte Umfangsteilabschnitt (14) 2 bis 10 Zähne (16) aufweist.

5. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Montage der Steuerelemente (10) auf der Grundwelle (4) die Zähne (16) im Querschnitt im wesentlichen sägezahnför mig ausgebildet sind.

6. Steuerwelle (2) nach Anspruch 5, wobei die Flanken aneinan dergrenzender Zähne (16) einen Winkel α von etwa 60° ein schließen.

7. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Montage der Steuerelemente (10) auf der Grundwelle (4) die Zähne (16) im Bereich ihres Fußkreisdurchmessers (D_F; d_F) mit einem Radius (r) versehen sind.

8. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Montage der Steuerelemente (10) auf der Grundwelle (4) die Zähne (16) im Bereich ihres Kopfkreisdurchmessers (D_K; d_K) abgerundet sind.

9. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Montage der Steuerelemente (10) auf der Grundwelle (4) am feinverzahnten Umfangsteilabschnitt (14) eines Aufnah meabsatzes (8) das Verhältnis von Grundkreisdurchmesser (D_G) zu Kopfkreisdurchmesser (D_K) der Zähne (16) zwischen 0.975 und 0.999 beträgt, während das Verhältnis von Fußkreisdurchmesser (D_F) zu Grundkreisdurchmesser (D_G) der Zähne (16) zwischen 0.975 und 0.999 beträgt.

10. Steuerwelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei vor Montage der Steuerelemente (10) auf der Grundwelle (4) am feinverzahnten Umfangsteilabschnitt (14) eines Aufnahmelochs (12) das Verhältnis von Kopfkreisdurchmesser (d_K) zu Grund kreisdurchmesser (d_G) der Zähne (16) zwischen 0.970 und 0.999 beträgt, während das Verhältnis von Grundkreisdurchmesser (d_G) zu Fußkreisdurchmesser (d_F) der Zähne (16) zwischen 0.970 und 0.999 beträgt.

11. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufnahmeabsatz (8) der Grundwelle (4) bzw. das Auf nahmeloch (12) des Steuerelements (10) in Aufschieberichtung des Steuerelements (10) vor dem verzahnten Umfangsteilab schnitt (24) einen Absatz (30) mit dem Grundkreisdurchmesser (D_G; d_G) der Zähne (16) aufweist.

12. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem Aufnahmeabsatz (8) der Grundwelle (4) bzw. an dem Aufnahmeloch (12) des Steuerelements (10) in Aufschieberich tung des Steuerelements (10) vor dem verzahnten Umfangsteilab schnitt (14) eine umlaufende Nut (32) ausgebildet ist.

13. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zähne (16) in einem in Aufschieberichtung des Steu erelements (10) vorderen Bereich (34) des Aufnahmeabsatzes (8) der Grundwelle (4) bzw. des Aufnahmelochs (12) des Steuerele ments (10) gehärtet sind.

14. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser (D; d) der Umfangsteilabschnitte (24), die keine Verzahnung tragen, derart gewählt ist, daß die Steu erelemente (10) im Bereich dieser Umfangsteilabschnitte (24) mit leichtem Preßsitz auf den Aufnahmeabsätzen (8) der Grund welle (4) sitzen.

15. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Steuerelement ein Nocken (10) ist, der eine Ausnehmung (26) aufweist, die der Winkelpositionierung des Nockens (10) auf der Grundwelle (4) dient.

16. Steuerwelle (2) nach Anspruch 15, wobei der Nocken (10) aus einem legierten Kaltarbeitsstahl wie 100 Cr 6 geschmiedet ist.

17. Steuerwelle (2) nach Anspruch 15, wobei der Nocken (10) unter Ausbildung der feinverzahnten Umfangsteilabschnitte (14) und seiner Lauffläche (28) aus einem Sinterstahl wie D 39 MOD. gesintert ist.

18. Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundwelle (4) aus einem niedriglegierten oder Cr- Mo-legierten, perlitischen Guß hohlgegossen ist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Steuerwelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:

a) Gießen der Grundwelle (4) und Ausbildung der Aufnah meabsätze (8) für die Steuerelemente (10),
b) Schmieden oder Sintern der Steuerelemente (10) unter Ausbildung des jeweiligen Aufnahmelochs (12),
c) Ausbildung der feinverzahnten Umfangsteilabschnitte an den Aufnahmeabsätzen (8) oder den Aufnahmelöchern (12) und
d) Aufschieben der Steuerelemente (10) auf die jeweils zugeordneten Aufnahmeabsätze (8) unter Spanabhebung und Ver formung durch die feinverzahnten Umfangsteilabschnitte (14).

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der feinverzahnte Um fangsteilabschnitt (14) an dem Aufnahmeloch (12) eines ge schmiedeten Steuerelements (10) mittels Zerspanung durch bei spielsweise Räumen oder spanlos mittels beispielsweise Drücken oder Aufdornen ausgebildet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der feinverzahnte Um fangsteilabschnitt (14) an dem Aufnahmeloch (12) beim Sintern des Steuerelements (10) ausgebildet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der feinverzahnte Um fangsteilabschnitt (14) an den Aufnahmeabsätzen (8) der Grund welle (4) mittels Zerspanung durch beispielsweise Räumen oder spanlos mittels beispielsweise Formwalzen ausgebildet wird.