DE19716320C2 - Nockenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle mit einer Welle, auf die mindestens eine ein auf die Welle passendes Nockenloch aufweisende Nocke aufgesteckt und unter Zwischenlage einer Spannhülse vorgegebener Wanddicke befestigt ist, wobei die Welle eine Außenverzahnung einer Teilung und die Nocke in dem Nockenloch eine Innenverzahnung gleicher Teilung aufweisen und wobei in Umfangsrichtung der Welle zwischen Außen- und Innenverzahnung ein den Verzahnungen entsprechend geformter Spalt zur Aufnahme der in Wellenumfangsrichtung den Verzahnungen angepaßten Spannhülse durch gegenseitige Drehung von Welle und Nocke einstellbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Nockenwelle. Im Rahmen der Erfindung geht es in erster Linie um Nockenwellen für Kolben-Brennkraftmaschinen. Die Außenverzahnung der Welle wird bevorzugt nur an den für die jeweilige Nocke vorgesehenen Umfangsbereichen angebracht.

In der DE 195 20 306 A1 wird eine Nockenwelle vorgenannter Art mit einer Welle auf der mindestens eine Nocke unter Zwischenschaltung einer Spannhülse fest angeordnet ist, beschrieben. Die Welle ist mit einer in den Nocken-Aufnahmebereichen ausgebildeten wellenförmigen Außenverzahnung ausgestattet. Die Nocken besitzen an ihren Innenbohrungen, die allgemein als Nockenloch zu bezeichnen sind, wellenförmige Innenverzahnungen. Die Spannhülsen, die ein wellenförmiges Wandprofil besitzen, sorgen für einen elastischen Formschluß zwischen Welle und Nocke. Für die Außenverzahnung der Welle wird im Bekannten nichts anderes als ein im wesentlichen sin-förmiger Verlauf vorgeschlagen. Um ein Aufstecken der Nocke auf die Welle zu ermöglichen, wird dafür Sorge getragen, daß der Kopfkreis der Außenverzahnung der Welle höchstens gleich dem Wellendurchmesser und der Kopfkreis der Innenverzahnung der Nocke mindestens gleich dem Wellendurchmesser ist.

Bei der praktischen Erprobung der Nocken-Befestigung gemäß vorgenannter Offenlegungsschrift stellte sich heraus, daß eine rein elastische Verformung der Spannhülsen zur stabilen Aufnahme der Nocke nicht ausreicht. Insbesondere kann auf diese Weise eine Befestigung in axialer Richtung nicht gewährleistet werden. Möglicherweise aus diesem Grunde werden bereits im Bekannten diverse Vorschläge zur seitlichen Stabilisierung der Nocke auf der Welle gemacht. Diese Vorschläge erfordern jedoch zusätzliche Bearbeitungsschritte oder Hilfsmittel.

Eine bessere Stabilisierung zwischen zwei aufeinandergeklemmten Teilen als durch einen reinen Formschluß einer elastischen Spannhülse läßt sich nach einem Gedanken der Erfinder dadurch erreichen, daß man die Spannhülse nicht nur elastisch sondern plastisch verformt. Da zwischen je zwei Flanken benachbarter Zähne der Außenverzahnung der Welle Raum zur Aufnahme von plastisch aus dem Spalt herausgequetschtem Material der Spannhülse vorhanden ist, wurden entsprechende Versuche ausgeführt. Die zu der plastischen Verformung erforderlichen großen Kräfte führten jedoch dazu, daß der sogenannte Nockengrundkreis, d. h. die Umrandung des Nockenlochs abseits der eigentlichen Nocke durch die Verformungskräfte ebenfalls verformt, also verbogen werden kann.

Ein weiterer erheblicher Nachteil der in der vorgenannten DE 195 20 306 A1 be­ schriebenen Vorrichtung besteht darin, daß auf dem in der Regel aus Gußeisen be­ stehenden Wellenkörper dicht an dicht Zähne bzw. Zahnlücken, d. h. Wellenberge und Wellentäler, insbesondere mit der gezeichneten sin-Form, hergestellt werden müssen. Die Bearbeitungskosten zum Herstellen der Vielzahl von Rillen für die Wellentäler sind bei gußeisernen Wellen sehr erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer aus einer Welle und einzeln darauf befestigten Nocken hergestellten sogenannten gebauten Nockenwelle, z. B. aus Gußeisen oder aus Stahl geschmiedet, insbesondere mit gesinterten Nocken, eine auch für extremste und ungünstigste Umstände ausreichende Stabilität der Nocken auf der Welle gewährleisten zu können, und zugleich den Aufwand zum Herstellen einer derart stabilen Verbindung gegenüber dem Stand der Technik zu vermindern.

Die erfindungsgemäße Lösung wird für die eingangs genannte Nockenwelle im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben.

Die Erfindung macht von einer plastischen Verformung der Spannhülse für eine in axialer Richtung und in Umfangsrichtung der Welle stabile Befestigung der jeweili­ gen Nocke Gebrauch. Die plastische Verformung der Spannhülse soll aber nur an relativ zur Gesamtlänge der Zahnflanken kurzen Bereichen der Zahnflanken statt­ finden, so daß die plastischen Formkräfte im wesentlichen nur etwa tangential, d. h. in Umfangsrichtung der Welle, wirken. Das hat mindestens zwei Vorteile: Einerseits bereitet es keine nennenswerten Schwierigkeiten, die jeweilige Nocke über eine auf die Außenverzahnung der Welle gelegte Hülse, insbesondere wenn diese angefaßt ist, zu pressen, wenn der plastisch zu verformende Bereich der Hül­ se nur auf einen engen Bereich an den Zahnflanken beschränkt ist. Außerdem lassen sich die auf im Verhältnis zum Wellenumfang minimalen Bereiche beschränkten Verformungskräfte leichter durch die Nocke bzw deren Grundkreis beherrschen, so daß, obwohl die Stabilisierung durch plastische Verformung der Spannhülse erfolgt, nicht die Gefahr einer Verformung des Nockengrundkreises besteht.

Gemäß weiterer Erfindung wird der in Umfangsrichtung der Welle gemessene Abstand der Zahnflanken eines und desselben Zahns der Außenverzahnung der Welle groß gegen den Abstand der benachbarten Zahnflanken angrenzender Zähne der Welle gemacht. Dadurch wird erreicht, daß die eigentlichen Zähne der Außenverzahnung wesentlich breiter als die zwischen je zwei Zähnen verbleibenden Lücken werden. Je nach Form der Verzahnung kann man auch davon sprechen, daß - in der Außenverzahnung - die zwischen je zwei Wellenbergen vorgesehenen Wellentäler wesentlich schmaler (in Umfangsrichtung) als die Berge werden. Dieses Merkmal hat den Vorteil, daß im Gegensatz zum Fall von in Umfangsrichtung gleich breiten Bergen und Täler weniger Täler bzw. Lücken zwischen je zwei Zahnflanken zu erzeugen sind und damit die Kosten zum Herstellen der Welle entsprechend sinken. Im Rahmen dieser Ausgestaltung mit in Umfangsrichtung langen Wellenbergen und demgegenüber relativ kurzen Wellentälern ist es günstig, wenn die Zahnscheitel bzw. die Wellenberge der Außenverzahnung als koaxial zum Wellenumfang gekrümmte Außen-Plateaus, im Schnitt senkrecht zur Wellenachse etwa wie Tafelberge, ausgebildet werden. Den Plateaus der Außenverzahnung werden entsprechend breite Täler der Innenverzahnung des jeweiligen Nocken zugeordnet. Diese breiten Täler sollen aber nicht tiefer als die entsprechenden Täler bei einer bekannten Verzahnung, etwa entsprechend DE 195 20 306 A1, sein. Diese Täler der Innenverzahnung brauchen nämlich nur so tief zu sein, daß sie die Wand der Spannhülse gerade formschlüssig aufnehmen können, so daß ein Wackeln ausgeschlossen ist.

Im Grundsatz könnte die Hülsenwand im Bereich zwischen den Zonen plastischer Verformung jeder Zahnflanke, also dort wo das Plateau vorgesehen ist, relativ lose oder bestenfalls formschlüssig liegen. Gemäß weiterer Erfindung soll die Verbindung von Welle und Nocke in diesem Bereich eine elastische Verformung - nicht plastische Verformung - der Hülse zulassen, damit für die verschiedenen Typen von Wellen und Nocken nur wenige Spannhülsentypen mit jeweils relativ großem Toleranzbereich ausreicht. Auf diese Weise kann auch der Bereich des jeweiligen Kopfspiels der Außenverzahnung einen Teil zur Verdrehsicherung der Nocke relativ zur Welle beitragen.

Gemäß weiterer Erfindung wird eine Nocke auf einer vorgefertigten Nockenwelle befestigt, indem zwischen den beiden Teilen eine als Verformungssteg ausgebildete Spannhülse angeordnet und beim Aufpressen der Nocke auf die auf der Außenverzahnung der Welle plazierte Spannhülse die letztere an den beiden Flanken jeden Zahns der Außenverzahnung in einem relativ zur Flankenlänge kleinen Bereich plastisch verformt wird, wobei das plastisch verdrängte Material in den (leeren) Raum der Lücke zwischen zwei Zähnen der Außenverzahnung gelangt. Einige weitere Verbesserungen Ausgestaltungen der Erfindung werden in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.

Anhand der schematischen Darstellung in der beiliegenden Zeichnung werden einige Einzelheiten der Erfinder erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Ausschnitt eines Schnitts durch eine Welle 1 mit Nocke 2 und Spannhülse 3. Der Wellenumfang 4 besteht im Bereich des gezeichneten Schnitts aus Zähnen bzw. Wellenbergen 5 und Zahnlücken bzw. Wellentälern 6, die gemeinsam eine Außenverzahnung 7 der Welle 1 bilden. Im Rahmen der Erfindung können die Wellentäler 6, wie beispielhaft gezeichnet, unter anderem einen bogenförmigen Querschnitt 6' oder einen rechteckigen Querschnitt 6" besitzen. Der Außendurchmesser d der Welle 1 ist höchstens gleich dem Innendurchmesser D des in der Nocke 2 vorgesehenen Lochs 8. Das Nockenloch 8 kann beispielsweise durch Bohren bzw. Brennen oder etwa beim Sintern der Nocke 2 hergestellt werden.

Auf der Innenfläche des Nockenlochs 8 wird eine insgesamt mit 9 bezeichnete Innenverzahnung mit Zähnen bzw. Wellenbergen 10 und Zahnlücken bzw. Wellentälern 11 vorgesehen. Die Wellenberge 5 und 10 sowie die Durchmesser d und D sollen so gewählt werden, daß die Nocke 2 auf die Welle 1 gesteckt werden kann. Im Ausführungsbeispiel wird angrenzend an die Verzahnungen 7 und 9 der Grundkreis 12 der Nocke 2 dargestellt. Die Nocke selbst schließt sich in Pfeilrichtung P dort an, wo der Querschnitt Q zunimmt. Die Verzahnungen 7 und 9 sollen sich auf dem ganzen Umfang der Welle 1 (z. B. mit der axialen Breite der Nocke 2) und auf der ganzen Innenfläche des Nockenlochs 8 symmetrisch fortsetzen, so daß das Aufsetzen und Aufpassen einer Nocke 2 auf die Welle 1 mit wenigen Handgriffen und in der Zahl der Wellenberge 5 entsprechend vielen Winkelstellungen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird der Spalt 13 zwischen Außenverzahnung 7 und Innenverzahnung 9 auch im Bereich der sich gegenüberstehenden Wellenberge 5, 10 nicht überall gleich breit ausgebildet. Der Querschnitt des Spalts 13 soll gemäß Zeichnung nämlich in den Bereichen 14 plastischer Verformung zwischen den Oberkanten 15 und 16 der Wellenberge 5 bzw. 10 von Außen- und Innenverzahnung 7, 9 einen Wert a - d. h. eine Engstelle - haben, der deutlich kleiner als der Normalquerschnitt b im Bereich des Kopfspiels 17 des jeweiligen Wellenbergs 5 ist. Die Spaltbreite a an der Engstelle (Bereich 14) mit plastischer Verformung soll erfindungsge­ mäß in den Bereich beiderseits des Wellenumfangs, wie gezeichnet, gelegt werden.

Da die Zahnflanke 18 in diesem Bereich eine mittlere Steigung von z. B. 10 bis 45° relativ zum Wellenumfang besitzen kann, liegen auch die an dieser Stelle bis zur plastischen Ver­ formung der Spannhülse 3 wirkenden Kräfte annähernd in einer etwa parallel zur Umfangs­ richtung 19 der Welle - d. h. tangential in Bezug auf den Wellenumfang - verlaufenden Ebe­ ne. Das hat unter anderem den Vorteil, daß der Nockengrundkreis 12 entsprechend wenig in Radiusrichtung 20 belastet wird. Das bei der plastischen Verformung aus dem Bereich 14 der Engstelle verdrängte Material der Spannhülse 3 kann beispielsweise in Fließrichtung 21 in den relativ freien Raum 6' des Wellentals 6 fließen. Eine Verdrängung des Materials aus dem Bereich 14 in Richtung auf das Kopfspiel 17 des Wellenbergs 5 wird im wesentlichen ausgeschlossen, wenn dort eine Spaltbreite b vorgesehen ist, die für eine elastische Ver­ formung des Materials der Spannhülse 3 sorgt.

Im Rahmen der Erfindung hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Verzahnungen nicht die bekannte sin-Form sondern eine Form mit - koaxial zur Welle gekrümmten - Zylinder­ flächen bzw. Plateaus 22 an den Wellenbergen 5 der Außenverzahnung bzw. entsprechen­ den Plateaus 23 in den Wellentälern 11 der Innenverzahnung 9 aufweist. Die Plateaus 22, 23 tragen zwar nicht immer zur Stabilisierung bei, sie bringen aber bei der Herstellung eine wesentliche Ersparnis, weil entsprechend weniger Wellentäler 6 in der Welle 1 zu erzeugen sind. Es wäre hiernach zwar günstig und wegen der Stabilität ausreichend, eine Nocke 2 mit nur wenigen - z. B. drei - Wellenbergen und -tälern auf einer Welle zu befestigen. Die einzelne Nocke kann dann allerdings nur in entsprechend wenigen Winkelpositionen auf eine Welle befestigt werden. Aus diesem Grunde hat es sich bei Versuchen als günstig er­ wiesen, anstelle von bisher z. B. 32, beispielsweise nur 16 Relativpositionen, als jeweils 16 Berge und Täler vorzusehen.

Es wird eine Nockenwelle bestehend aus einer Welle mit darauf aufgesteckter Nocke beschrieben. Die Nocke wird durch Zwischenlegen einer Spannhülse vorgegebener Wandstärke befestigt. Die Welle besitzt zur Aufnahme von Hülse und Nocke eine Außenverzahnung; die Nocke hat eine entsprechende Innenverzahnung gleicher Teilung. Um eine in Umfangsrichtung der Welle und axial sichere Befestigung der Nocke zu erreichen, wird der die Spannhülse aufnehmende Spalt zwischen den zusammenwirkenden Verzahnungen in einem in Bezug auf den Wellenumfang tangentialen Engbereich der Zahnflanken im Sinne eine plastischen Verformung der Spannhülse enger als die Hülsenwanddicke gemacht.

Bezugszeichenliste

1

= Welle

2

= Nocke

3

= Spannhülse

4

= Wellenumfang

5

= Wellenberg

6

= Wellental

7

= Außenverzahnung

8

= Nockenloch

9

= Innenverzahnung

10

= Wellenberg

11

= Wellental

12

= Grundkreis (

2

)

13

= Spalt

14

= Bereich plastischer Verformung

15

,

16

= Oberkanten von

5

und

10

17

= Bereich des Kopfspiels

18

= Zahnflanke

19

= Umfangsrichtung

20

= radiale Richtung

21

= Fließrichtung

22

= Plateau

23

= Plateau
d= Außendurchmesser (

1

)
D= Innendurchmesser (

8

)
P= Richtung zur größeren Q
Q= Querschnitt (

12

)
a= Querschnitt von

14

b= Normal-Querschnitt von

13

Claims (7)

1. Nockenwelle mit einer Welle (1), auf die mindestens eine ein auf die Welle passendes Nockenloch (8) aufweisende Nocke (2) aufgesteckt und unter Zwi­ schenlage einer Spannhülse (3) vorgegebener Wanddicke befestigt ist, wobei die Welle eine Außenverzahnung (7) einer Teilung und die Nocke (2) in dem Nocken­ loch (8) eine Innenverzahnung (9) gleicher Teilung aufweisen und wobei in Um­ fangsrichtung (19) der Welle (1) zwischen Außen- und Innenverzahnung ein den Verzahnungen entsprechend geformter Spalt (13) zur Aufnahme der in Wellenum­ fangsrichtung den Verzahnungen (7, 9) angepaßten Spannhülse (3) durch gegen­ seitige Drehung von Welle (1) und Nocke (2) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der der Spannhülse (3) zugeordnete Spalt (13) in Umfangsrichtung (19) der Welle (1) zwischen je zwei über die Spannhülse (3) zusammenwirkende Zahnflan­ ken (15, 16) im Sinne einer plastischen Verformung der Spannhülse (3) sowie Ver­ drängung von deren Material in eine angrenzende Zahnlücke (6) und in Radius­ richtung (20) der Welle (1) zwischen den Zahnscheiteln der Außen- und In­ nenverzahnung (7, 9) im Sinne einer höchstens elastischen Verformung enger als das vorgegebene Maß der Hülsenwanddicke ist.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Umfangsrichtung (19) gemessene Abstand der Zahnflanken (18) ei­ nes und desselben Zahns der Außenverzahnung (7) größer als der Abstand benachbarter Zahnflanken angrenzender Zähne ist.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnscheitel am Kopfspiel (17) der Außenverzahnung (7) als koaxial zum Wellenumfang (4) gekrümmten Außen-Plateaus (22) und die Zahnlücken (11) der Innenverzahnung (9) als entsprechendes Innen-Plateaus (23) ausgebildet sind.

4. Nockenwelle nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenberge (5) der Außenverzahnung (7) in Umfangsrichtung (19) länger als die Wellentäler (6) sind.

5. Nockenwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenberge (5) in Umfangsrichtung (19), zwei- bis sechsmal länger als die Wellentäler (6) der Außenverzahnung (7) sind.

6. Nockenwelle nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse (3) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einer Kupferlegierung, besteht.

7. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle nach mindestens einen der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nocke (2) derart auf eine auf einer Außenverzahnung (7) einer Welle (1) liegende Spannhülse (3) aufgepreßt wird, daß an den Bereichen (14) plastischer Verformung, die an den Zahnflanken (18) der Außenverzahnung (7) vorgesehen sind, Material der Spannhülse (3) plastisch in den Bereich abwärts (21) längs der Zahnflanken (18) in eine Zahnlücke (6) gepreßt wird.