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Nockenwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
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Sogenannte gebaute Nockenwellen, bestehend aus einem Tragrohr und
aus auf dieses aufgeschobenen und mit ihm durch Löten oder Schweissen verbundenen
Nockenscheiben, sind bereits bekannt; sie weisen den Vorteil auf, daß sich durch
die Ausbildung der eigentlichen Welle als Rohr Gewicht sparen lässt und daß für
die Nocken ein Material verwendet werden kann, welches der spezifischen Beanspruchung
der Nocken einer Nockenwelle in besonderem Masse gerecht wird, sich aber für die
eigentliche Welle nicht eignen würde.
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Bislang wurden bei der Herstellung derartiger gebauter Nockenwellen
vorzugsweise die Nockenscheiben auf das Tragrohr geschoben, worauf die ganze Nockenwelle
in einen Ofen kam, um die Nockenscheiben und das Tragrohr miteinander durch Löten
zu verbinden. Um dabei die Nockenscheiben auf dem Tragrohr in axialer Richtung und
drehwinkelmässig zu fixieren, wurden das Tragrohr außen mit einer Längsnut und die
Nockenscheiben innen mit jeweils einer Nase versehen oder musste das Tragrohr mit
den Nockenscheiben in eine Vorrichtung eingelegt und samt dieser in den Ofen gegeben
werden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, diese umständliche Massnahme
zu vermeiden, und ausgehend von einer gebauten Nockenwelle mit einem die Welle bildenden
Tragrohr und auf dieses aufgeschobenen und mit ihm stoffschlüssig verbundenen, eine
dem Tragrohr#Aussenquerschnitt
entsprechende Öffnung aufweisenden
Nockenscheiben, deren Öffnungswand ebenso wie die Aussenseite des Tragrohrs zumindest
im Bereich der Nockenscheiben metallisch ist, lässt sich diese Aufgabe erfindungsgemäss
dadurch lösen, daß die Verbindung von Nockenscheiben und Tragrohr lasergeschweisst
bzw. -gelötet ist. Wird vom Rohräusseren her geschweisst bzw. gelötet, so lassen
sich die Nockenscheiben nur im Bereich ihrer Stirnseiten mit dem Tragrohr verbinden,
weshalb eine Ausführungsform bevorzugt wird, bei der die Nockenscheiben und das
Tragrohr von dessen Innerem her lasergeschweisst bzw. -gelötet sind, wodurch die
Öffnungswand einer Nockenscheibe vollflächig oder z.B. längs einer oder mehrerer
Ringzonen oder längs einer schraubenlinienförmig verlaufenden Zone mit dem Tragrohr
verbunden werden kann.
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Bei gelöteten Nockenwellen können die Öffnungswand der Nockenscheiben
und die von den letzteren umschlossenen Umfangsbereiche des Tragrohrs aus für das
Löten geeigneten Werkstoffen bestehen, es ist aber auch möglich, zwischen die Nockenscheiben
und das Tragrohr eine Lötfolie einzulegen oder aus Lot bestehende Ringe beidseitig
einer jeden Nockenscheibe auf dem Tragrohr anzuordnen.
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Für das Tragrohr wird zweckmässigerweise ein Stahlrohr verwendet,
welches gezogen oder geschliffen und gegebenenfalls aussen verkupfert ist. Für die
Nockenscheiben eignen sich besonders Schalenhartguss, teilkarbidischer Guß, Werkzeugstahl,
Schnellstahl, legirtes Sintereisen Oder keramisches Material, wobei die
Öffnungswand
im letzteren Fall z.B. durch Bedampfen mit einer Metallschicht versehen worden sein
kann.
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Vorstehend wurde nur auf Nockenscheiben Bezug genommen; dasselbe gilt
aber auch für Lagerstellen bildende ring-oder scheibenförmige Körper sowie für Exzenterscheiben
für eine Pumpenbetätigung, die in derselben Weise wie die erwähnten Nockenscheiben
ausgebildet und auf dem Tragrohr befestigt werden.
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Um mit einem außerhalbdes Tragrohrs befindlichen Laser arbeiten zu
können, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, zum Verbinden einer Nockenscheibe mit
dem Tragrohr einen ungefähr in Richtung der Tragrohrachse verlaufenden Laserstrahl
auf einen im Tragrohrinnern befindlichen Umlenkspiegel zu richten und durch diesen
in Richtung auf die Öffnungswand der Nockenscheibe umzulenken. Bei dem erfindungsgemässen
Verfahren ist es dann nur erforderlich, den Umlenkspiegel nach dem Anschweissen
oder Anlöten einer Nockenscheibe oder eines Lagerrings längs der Tragrohrachse zum
nächsten, zu befestigendem Element zu verschieben.
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Um die Belastung des Umlenkspiegels zu vermindern, empfiehlt es sich,
den Laserstrahl nicht auf den Umlenkspiegel zu fokussieren,sondern einen teilfokussierten
Laserstrahl auf den Umlenkspiegel fallen zu lassen und den Laserstrahl durch Verwendung
eines konkaven Umlenkspiegels auf die Verbindungsstelle zu fokussieren, insbesondere
also auf die Fläche der Öffnungswand der Nockenscheibe bzw. des Lagerrings.
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Wird die wirksame Fläche des Umlenkspiegels als Kegel ausgebildet
und die Mittelachse des Laserstrahls auf die Kegelspitze gerichtet, so kann man
die Nockenscheibe bzw den Lagerring ringsum gleichzeitig mit dem Tragrohr verbinden.
Trifft der Laserstrahl aussermittig auf die als Umlenkspiegel dienende Kegelfläche,
so muss der Laser so bewegt werden, dass die Längsmittelachse des Laserstrahls einen
Kreiszylinder beschreibt. Wird aber ein konkaver Umlenkspiegel verwendet, kann der
Laser stationär gehalten werden, wobei dann der Umlenkspiegel um die Tragrohrachse
gedreht wird.
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Um ein Verziehen oder Blindwerden des Spiegels wegen einer zu hohen
Strahlungsdichte zu vermeiden, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Verfahrens der Umlenkspiegel gekühlt1 und zwar vorzugsweise mit durch sein Inneres
geleitetem Kühlwasser.
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Wird mit einem in das Innere des Tragrohrs gerichteten Laserstrahl
geschweisst oder gelötet, so stellt es überhaupt kein Problem dar, die Nockenscheiben
und Lagerringe
durch eine Vorrichtung in axialer Richtung sowie
drehwinkelmässig gegenüber dem Tragrohr zu fixieren, wobei die Vorrichtung z.B.
eine schalenförmige und derart strukturierte Ausnehmung haben kann, daß sich das
Tragrohr mit Nockenscheiben und Lagerringen in die Vorrichtung einfach einlegen
lässt.
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Im Falle eines ungünstigen Schwingungsverhaltens einer derartigen
gebauten Nockenwelle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Tragrohr nach dem Befestigen
der Nockenscheiben und dgl. ganz oder teilweise mit einem dämpfenden Werkstoff (z.B.
einem Polymer oder einem Gemisch aus Gießharz und Füll stoffen, insbesondere Verstärkungsfasern)
auszukleiden oder auszufüllen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung
mehrerer bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Nockenwelle und des
erfindungsgemässen Verfahrens; in der Zeichnung zeigen: Figur 1 einen axialen Schnitt
durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Nockenwelle, wobei ein Laserstrahl
von aussen gegen die Nockenscheiben und Lagerringe gerichtet wird; Figur 2 einen
axialen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Nockenwelle
mit einem vom einen Ende des Tragrohrs in dieses eingeführten Umlenkspiegel und
einem vom anderen Tragrohrende her auf den Umlenkspiegel gerichteten Laserstrahl
und Figur 3 die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäss eingesetzten Umlenkspiegels.
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Die Figur 1 zeigt eine aus einer gegebenenfalls verkupferten Stahlstange
gebildete Welle 10, die, wenn von aussen geschweisst oder gelötet wird, anstelle
eines Tragrohrs verwendet werden kann. Auf diese Welle sind mehrere Nockenscheiben
12 und Lagerringe 14 aufgeschoben, zu welchem Zweck diese mit auf die Querschnittsabmessungen
der Welle 10 abgestimmten Öffnungen 16 bzw. 18 versehen sind.
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Mit 20 wurde jeweils ein Laserstrahl bezeichnet, mit dessen Hilfe
sich die Nockenscheiben 12 und Lagerringe 14 mit der Welle 10 verschweissen lassen.
Hierzu kann entweder der Laser um die Welle 10 herumgeführt oder die Welle mit den
auf sie aufgeschobenen Elementen gegenüber dem Laserstrahl gedreht werden.
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Bei zwei der Nockenscheiben 12 sind Kupferlotringe 22 dargestellt,
die entweder gegen die Stirnseiten der Nockenscheiben angelegt oder in ringförmige
Aussparungen in der Wand der Öffnung 16 eingelegt sein können, wobei sich diese
Aussparungen in geringem Abstand von den Stirnflächen der Nockenscheiben befinden.
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Bevorzugt wird die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Nockenwelle mit einem Tragrohr 10' anstelle der Welle 10, auf welches Nockenscheiben
12' und Lagerringe 14' aufgeschoben sind, deren Öffnungen 16' wiederum dem Aussenquerschnitt
des Tragrohrs 10' angepasst sind, und zwar derart, daß sich eine sog. Schiebepassung
ergibt. Das vorzugsweise als
gezogenes oder geschliffenes Stahlrohr
ausgebildete Tragrohr 10' kann verkupfert oder-verzinnt sein, bei 22' wurde jedoch
eine Kupferlotschicht angedeutet, die die Wand der Öffnung 16' der betreffenden
Nockenscheibe bilden kann oder in Form eines Folienrings zwischen die Nockenscheibe
und das Tragrohr eingelegt wurde.
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In das Tragrohr 10' wurde femäss Figur 2 von links ein Stab 30' eingeschoben,
welcher aus einem Aussenrohr 32' und einem hierzu koaxialen Innenrohr 34' besteht.
Das letztere ist an seinem inneren, d.h. gemäss Figur 2 rechten Ende offen, während
das rechte Ende des Aussenrohrs 32 verschlossen ist und aussen einen als Kegelfläche
ausgebildeten Umlenkspiegel 36' bildet, welcher vorzugsweise aus hochglanzpoliertem
Kupfer oder Wolfram besteht.
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Die Achse des Stabs 30' und damit die Achse der vom Umlenkspiegel
36' gebildeten Kegelfläche fällt mit der Achse 10a' des Tragrohrs 10' zusammen.
Gemäss Figur 2 von rechts ist in das Tragrohr 10' ein Laserstrahl 20' hineingerichtet,
dessen Achse mit der Tragrohrachse 10a' zusammenfällt. In diesem Fall wird ein nicht
oder nur -teZweise auf den Umlenkspiegel 36' fokussierter Laserstrahl verwendet,damit
über den ganzen Umfang der Öffnung 16' des betreffenden Lagerrings oder der betreffenden
Nockenscheibe gleichzeitig geschweisst bzw. gelötet werden kann. Verläuft der Laserstrahl
20' jedoch parallel zur Tragrohrachse 10a', aber neben dieser, so muss der Laserstrahl
so bewegt werden, daß die Strahlachse einen Kreiszylinder beschreibt, dessen Achse
mit der Tragrohrachse 10a' zusammenfällt.
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Wird gleichzeitig der Umlenkspiegel 36' in axialer Richtung verschoben,
ergibt sich eine schraubenlinienförmige Schweissnaht 40', ansonsten entsteht eine
kreisringförmige Schweissnaht 42'.
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Erfindungsgemäss wird durch das Innenrohr 34' Kühlwasser zu- oder
abgeleitet, während der Ringraum zwischen Innen-und Aussenrohr 34' bzw. 32' der
Kühlwasserableitung bzw.
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der Kühlwasserzufuhr dient.
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Die Figur 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsform eines Umlenkspiegels
36", der das rechte Ende eines Stabs 30" bildet, dessen Achse mit der Tragrohrachse
10a' zusammenfällt. Der Umlenkspiegel 36" ist konkav ausgebildet und dient der Fokusierung
eines vorfokussierten Laserstrahls 2Q' so dass sich der Laserstrahl auf die Wand
des Tragrohrs 10' oder aber die Wand der Öffnung 16' des betreffenden, auf dem Tragrohr
zu befestigenden Elements fokussieren lässt.
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Während des Schweissens oder Lötens wird der Stab 30 dann um die Tragrohrachse
1Oa' gedreht. Auch dieser Umlenkspiegel 36" soll in derselben Weise wie der Umlenkspiegel
36' durch Kühlwasser gekühlt werden. Natürlich könnte die Spiegelfläche auch eben
sein.