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Die
Erfindung betrifft Nocken mit Mehrfachfunktionen für gebaute
Nockenwellen.
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Gebaute
Nockenwellen sind Nockenwellen, bei denen separat gefertigte Nocken
und im Bedarfsfall weitere Funktionselemente, wie nichtabschließende Antriebsräder, Sensorringe,
Lagerringe mit einer Tragwelle, verbunden werden, um die Nockenwelle
zu bilden.
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Die
Nocken stehen mit ihrer Umfangsaußenkontur in direktem Kontakt
mit einem Nockenfolger, beispielsweise einem Tassenstößel oder
einem Rollenschlepphebel, der auf diese Weise bei Drehung der Welle
in eine Bewegung versetzt wird. Derartige Nockenwellen werden zur
Steuerung der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Weiter
werden Nockenwellen auch zur Ansteuerung von Verstellelementen variabler
Ventilsteuerungssysteme für
die Steuerung der Gaswechselventile in Verbrennungsmotoren eingesetzt.
Im letzteren Fall werden diese Wellen häufig als Exzenterwellen bezeichnet.
Dabei können
die Nocken tatsächlich
als Exzenter, aber auch als Kurvenscheiben mit speziellen Kurvenkonturen,
ausgebildet sein. Gerade in diesem letzteren Fall werden die Nockenwellen
häufig
nur hin und her und nicht umlaufend um die eigene Achse gedreht.
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Im
Zuge der technischen Weiterentwicklung der Motorentechnik übernimmt
die Nockenwelle zusätzlich
zur Steuerung der Gassteuerventile weitere Funktionen. So werden
in vielen Fällen
von der Nockenwelle zusätzlich
zu den angesteuerten Gassteuerventilen Vakuumpumpen angetrieben
und insbesondere Pumpenelemente von Pumpe-Düse-Elementen durch so genannte
Pumpennocken angesteuert. Derartige Pumpe-Düse-Elemente werden zur Kraftstoffdirekteinspritzung,
wie sie bei modernen Dieselmotoren bekannt ist, angewendet. Hier
ist der Nockenfolger das Antriebselement des Pumpe-Düse-Elementes.
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Diese
verschiedenen Funktionalitäten
bedingen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften
und Festigkeit der die jeweiligen Funktionen erfüllenden Bereiche bzw. Funktionselemente
der Nockenwelle. So sind für
Nocken, die Tassenstößel antreiben,
besonders gute Gleiteigenschaften wichtig. Nocken, die jedoch Rollenschlepphebel
oder Pumpenelemente antreiben, müssen
besonders hohen Hertzschen Flächenpressungen
standhalten. Abtriebe für
Vakuumpumpen benötigen
wiederum ausreichende Härte
und Zähigkeit, damit
der Formschluss sich durch die Belastung nicht ausschlägt oder
ausleiert und das Drehmoment dauerfest übertragen werden kann.
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Im
Stand der Technik werden zur Lösung
daher immer häufiger
gebaute Nockenwellen eingesetzt, bei denen jede Funktionalität durch
eigene Funktionselemente gewährleistet
wird, die aus speziell abgestimmten Werkstoffen mit entsprechenden Wärmebehandlungen
hergestellt wurden. So werden auf die Tragwelle spezielle Pumpennocken
aufgebracht und spezielle Endstücke
an ein Ende der Tragwelle angebracht, die den Formschluss für den Antrieb
der Vakuumpumpe realisieren.
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Derartige
Lösungen
besitzen aber eine Reihe von Nachteilen. Zunächst ist die Montage der vielen
einzelnen Komponenten, deren Lage zueinander genau ausgerichtet
sein muss, aufwändig.
Weiter benötigt
jedes der Funktionselemente Bauraum. Insbesondere müssen der
Antrieb für
die Vakuumpumpe und der unmittelbar dazu benachbarte Nocken voneinander
axial beabstandet sein.
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Ein
Beispiel für
eine gebaute Nockenwelle mit Nocken, die aus zwei miteinander verbundenen Nockenelementen
bestehen, ist aus der
DE
32 32 868 A1 bekannt. Ausgangspunkt für die der
DE 32 32 868 A1 zugrunde
liegende Erfindung waren gebaute Nockenwellen mit einem Tragrohr
aus Stahl und einstückigen
Nocken aus einem Sintermetall. Um die bezüglich dieser gebauten Nockenwellen
bekannten Fertigungsschwierigkeiten zu vermeiden, werden in der
DE 32 32 868 A1 aus
zwei Teilen gefertigte Nocken vorgeschlagen. Die aus dieser Druckschrift
bekannten Nocken weisen ein Außenteil
aus Sintermaterial und ein mit diesem verbundenes Kernteil aus nicht
gesintertem Metall, insbesondere Stahl auf. Das das Nockenäußere bildende
Außenteil
aus Sintermetall ist mit dem Kernteil durch Sintern verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es bei einer Nockenwelle, die, wie
voranstehend beschrieben, mehrere unterschiedliche Funktionen erfüllen soll,
die Anzahl der bei der Montage der Nockenwelle zu montierenden Komponenten
zu verringern und den Bedarf an Bauraum auch bei Integration weiterer
Funktionen in die Nockenwelle zu begrenzen. Insbesondere soll der
axiale Abstand zwischen einem Antrieb für ein Hilfsaggregat, das von der
Nockenwelle angetrieben wird, und der Nockenkontur des unmittelbar
benachbarten Nockens beliebig verkleinert werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Nocken mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die 1, 2 und 3 zeigen
schematisch die Einzelkomponenten, aus denen Ausführungsformen
des Nockens gebildet sind,
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4 veranschaulicht
schematisch den Zusammenbau einer Ausführungsform des Nockens,
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5 zeigt
eine Ausführungsform
des Nockens,
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6 zeigt
ein schematisches Beispiel für eine
Nockenwelle.
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Die
voranstehend genannte Aufgabe wird bei einem Nocken mit den Merkmalen
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Nockenkonturteil 2 aus
einem Werkstoff besteht, dessen Werkstoffeigenschaften den besonderen
Anforderungen der Beanspruchungen aus der Betätigung des Nockenfolgers standhält und dass das
Nockenbauteil als Zusatzfunktionsteil 3 ausgebildet ist,
welches mindestens eine weitere Funktionsfläche 5 besitzt, die
zur Erfüllung
einer zusätzlichen Nockenfunktion
vorgesehen ist, wobei das Zusatzfunktionsteil 3 aus einem
Werkstoff besteht, dessen Werkstoffeigenschaften den besonderen
Anforderungen der Beanspruchungen standhält, die aus der Erfüllung der
zusätzlichen
Nockenfunktion resultieren.
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Die
erste Funktion des so gebildeten Nockens 1 besteht in dem
Antrieb des Nockenfolgers. Das in der 1 schematisch
gezeigte Nockenkonturteil 2 zeigt als Beispiel eine Nockenumfangskontur 4 für einen
Pumpennocken (wie den in 5 dargestellten für einen
Nocken 1), der für
das Antreiben eines oben bereits erwähnten Pumpe-Düse-Antriebselements
als Nockenfolger vorgesehen ist.
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Das
in 2 schematisch gezeigte Nockenkonturteil 2,
welches eine andere Ausführungsform wiedergibt
als die in 1 dargestellte, zeigt als Beispiel
eine Nockenumfangskontur 4 für einen Nocken 1,
der zum Antrieb eines ein Gaswechselventil antreibenden Abtriebsglieds
als Nockenfolger verwendet wird.
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Als
weitere Funktion ist insbesondere ein Antrieb einer Pumpe, beispielsweise
einer Vakuumpumpe, zu sehen, bei der der erfindungsgemäß gebildete Nocken über einen
Formschluss in ein Pumpenantriebsglied eingreift. In der 3 ist
ein schematisches Beispiel für
die Funktionsfläche 5 zum
Antrieb eines Pumpenantriebs gezeigt. Diese Funktionsfläche 5 ist
am Zusatzfunktionsteil 3 angeordnet. Um den so gebildeten
Nocken beim Zusammenbau der Nockenwelle mit der Tragwelle zu verbinden,
wird der Nocken in das Ende des Rohrschaftes des Trag rohrs innen
eingepresst oder an das Ende des Wellenschaftes des Tragrohrs angeschweisst.
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Das
Nockenkonturteil 2 und das Zusatzfunktionsteil 3 werden
jeweils als separate Einzelteile hergestellt und anschliessend mittels
Aufpressen, Aufschrumpfen, Verlöten
und/oder Verschweissen miteinander verbunden. Dabei ist darauf zu
achten, dass die Werkstoffeigenschaften der Einzelkomponenten durch
den Fügeprozess
nicht negativ beeinflusst werden. So dürfen beim thermischen Fügen die
Härtezonen
nicht über
die Rekristallisationstemperatur erwärmt werden.
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Besonders
zu bevorzugen ist daher das Fügen
mittels Aufpressen, das zudem auch wesentlich kostengünstiger
ist. Zur Verringerung der Fügespannung
wird eine Gravur, wie sie mittels Rändelung oder Rollierung entsteht,
auf die Fügekontur
einer der beiden zu fügenden
Komponenten aufgebracht. Auf die Fügekontur der anderen zu fügenden Komponente
wird bevorzugt ebenfalls eine Gravur eingebracht. Beide Konturen
sind insoweit korrespondierend ausgeführt, dass eine kraft- und formschlüssige Verbindung
beim Aufpressen erzeugt wird. Ein Beispiel für eine derartige Verbindung
ist in der
DE 41 21
951 C1 beschrieben. Die jeweilige Gravur wird in die Fügekonturen
bevorzugt während
des Herstellprozesses der Einzelkomponenten erzeugt.
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Im
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zusatzfunktionsteil 3 ein
Stopfen, der an seinem einen Ende mit seiner Funktionsfläche 5 in
das (hier nicht dargestellte) Antriebsglied einer (ebenfalls nicht
dargestellten) Vakuumpumpe eingreift und dessen anderes Ende mit
seiner zweiten Fügekontur 8 als
Rohrstopfen zum Verschliessen des Endes der rohrförmigen Tragwelle
der Nockenwelle ausgebildet ist. Die Einbausituation dieses Nockens
ist in 6 an dem vorderen Ende der dort gezeigten zusammengebauten
Nockenwelle dargestellt. Der Nocken 1 übernimmt die Funktion eines Pumpennockens
und seine Nockenumfangskontur 4 ist entsprechend ausgebildet.
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Das
Zusatzfunktionsteil 3 ist aus Sinterwerkstoff, beispielsweise
SintD11, hergestellt und anschliessend gehärtet und angelassen. Dadurch
kann die komplexe Geometrie zur Ausbildung der Funktionsfläche 5 unmittelbar
ohne Nacharbeit erzeugt werden, wodurch der Herstellungsaufwand
und die Kosten reduziert werden. Die beim Härten entstehenden Verzüge werden
durch Vorhalten entsprechender Maßabweichungen auf ein Minimum
reduziert.
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Das
Nockenkonturteil 2 ist aus einem hochfesten Kugellagerstahl,
beispielsweise 100Cr6, hergestellt. Derartige Teile werden bevorzugt
warm geschmiedet. Um die hohen Festigkeiten und Härten zu erreichen,
wird das Nockenkonturteil gehärtet
und angelassen. Dabei ist ein großer Vorteil, dass sowohl ein
induktives Randschichthärten
als auch ein Durchhärten
als Schüttgut
angewendet werden kann. Alternativ kann auch ein Stahl, wie 16MnCr5
oder ein anderer spezieller hochfester und gut umformbarer Stahl
Verwendung finden.
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Nach
der separaten Herstellung der beiden Einzelkomponenten werden diese
miteinander verbunden. Im ausgeführten
Beispiel erfolgt der Verbund durch Aufpressen des Nockenkonturteils 2 auf das
Zusatzfunktionsteil 3, wobei durch die zuvor auf den Fügekonturen 6 und 7 aufgebrachten
Gravuren ein Kraft- und Formschluss erzielt wird. In der 4 ist
dieser Aufpressvorgang durch die Pfeile versinnbildlicht. Dabei
werden die Einzelkomponenten entlang der Nockenachse 11 ausgerichtet.
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Der
so hergestellte Nocken 1 wird anschliessend mit der Tragwelle 9 verbunden.
Dabei wird im ausgeführten
Beispiel der Nocken mit seiner zweiten Fügekontur 8 in die
rohrförmige
Tragwelle 9 eingepresst.
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Es
ist alternativ zu der in den 3 bis 5 dargestellten
Ausführungsform
auch möglich,
die zweite Fügekontur 8 als
innere Ausnehmung des Zusatzfunktionsteils 3 auszubilden
und den Nocken 1 über
die Tragwelle 9 zu schieben. Das ist beispielsweise dann
erforderlich, wenn als Tragwelle 9 kein Rohr, sondern ein
Stab material Verwendung findet. Selbstverständlich kann ein derartig ausgebildeter Nocken
jedoch auch auf eine hohle Tragwelle 9 aufgeschoben werden.
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Weiter
ist es nahe liegend, einen Nocken aus mehreren Einzelkomponenten
zu bilden, wenn mehr als zwei Funktionen in den Nocken integriert
werden sollen.
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- 1
- Nocken
- 2
- Nockenkonturteil
- 3
- Zusatzfunktionsteil
- 4
- Nockenumfangskontur
- 5
- Funktionsfläche
- 6
- Fügekontur
- 7
- Fügekontur
- 8
- zweite
Fügekontur
- 9
- Tragwelle
- 10
- Gebaute
Nockenwelle
- 11
- Nockenachse