DE3717190A1 - Nockenwelle zur steuerung von ventilen bei verbrennungskraftmaschinen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Nockenwelle zur steuerung von ventilen bei verbrennungskraftmaschinen und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Nockenwelle nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Nockenwellen, bei welchen die Nocken und die Welle getrennt gefertigt und dann
zu einer baulichen Einheit zusammengefügt werden, sind bekannt. Bei einer be
kannten Konstruktion dieser Art (DE-OS 28 38 995 und 33 21 846) ist die Welle
mit mehreren axial verlaufenden Nuten versehen und die Bohrung des Nockens
besitzt dazu einen radialen Vorsprung, der in diese Nut eingreift, wobei die
Bohrung des Nockens die Welle mit Spiel umfaßt, dabei jedoch ist der erwähnte
Vorsprung in seiner radialen Erstreckung so groß bemessen, daß Nocken und
Wellen unter Reibungsschluß zusammenfügbar sind und ineinander in Eingriff
stehen. Der infolge des erwähnten Spieles vorhandene Spalt wird nach dem Zu
sammenfügen von Nocken und Welle von außen her mit Hartlot gefüllt. Umfangs
seitig sind dabei auf der Welle so viel Nuten angebracht wie es der Nocken
phasenlage für den jeweiligen Einsatzzweck entspricht. Diese Konstruktion ist
insofern nicht zweckmäßig, da es eines aufwendigen Arbeitsvorganges bedarf,
die Nuten auf der Welle positionsgerecht zu fertigen. Diese Nuten müssen sehr
genau gefertigt sein, sie müssen, was ihre Winkellage betrifft, sehr exakt
positioniert sein.
Ferner ist bekannt (DE-OS 32 27 693), auf eine fertig bearbeitete Hohlwelle
die ebenfalls fertig bearbeiteten Nocken positionsrichtig aufzuschieben und
dann zur verdrehsicheren Verbindung zwischen Nocken und Welle die Hohlwelle
von innen her auszuweiten, um so einen Preßsitz zwischen Hohlwelle und den
einzelnen Nocken zu erzielen. Zur Erhöhung des Preßverbandes ist hier die
Hohlwelle mit Kunststoffmaterial gefüllt und durch Einpressen des Kunststoff
materials zu einem tragenden Verbundteil ausgebildet. Der zum Aufweiten der
Hohlwelle erforderliche Druck wird beim Einpressen der Kunststoffmasse er
zeugt. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren sehr aufwendig ist, sind die auf
die Ausnehmungen des Nockens einwirkenden Spannungen infolge des hier notwen
digen Preßsitzes außerordentlich groß, denn die Nocken werden hier auf der
Welle ausschließlich reibungsschlüssig gehalten, so daß hier keine durch
Sintern hergestellte Nocken verwendet werden können, da die gesinterten Nocken
die hier auftretenden Belastungsspannungen nicht auf die Dauer ohne Schaden
zu erleiden aufnehmen können; eventuell sind geschmiedete oder gewalzte Nocken
geeignet, die hier auftretenden Spannungen ohne Beeinträchtigung ihrer Lebens
dauer zu ertragen. Nocken auf diese Weise herzustellen (schmieden oder wal
zen), ist aber eine weitere Erhöhung des Herstellungsaufwandes.
Eine Nockenwelle ist ein Maschinenbauelement besonderer Art insofern, da sie
bei betriebsmäßigem Einsatz sehr extrem dynamischen Beanspruchungen unterwor
fen ist, so daß bislang alle bekanntgewordenen Nockenwellen eine material
schlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Welle oder Nocken be
sitzen. Soll der verdrehsichere Halt der Nocken auf der Welle ausschließlich
über einen Preßsitz erzielt werden, so muß der dafür vorgesehene Preßverband
sehr stark sein, was zu außerordentlich hohen statischen Belastungen des Noc
kens führt, denen in Betrieb noch zusätzliche die dynamischen Belastungen
überlagert werden. Belastungen dieser Art vermögen Nocken, die durch Sintern
hergestellt worden sind, auf die Dauer nicht ohne Schaden aufzunehmen, zumin
dest nicht gesinterte Nocken nach dem heutigen Stand der Fertigungstechnik
und den heute zur Verfügung stehenden Materialien für Sinterzwecke.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die darauf abzielt, einerseits für die Fer
tigung der Nockenwelle gesinterte Nocken verwenden zu können, andererseits
die nötige Radialpressung zwischen Nocke und Rohr nur so groß werden zu las
sen, daß für den gesinterten Nocken auch auf Dauer nur aufnehmbare Belastungen
auftreten und trotzdem zwischen Welle und Nocken ein verläßlicher und sicherer
Halt hergestellt ist. Die Lösung dieser erfindungsgemäßen Aufgabe gelingt
durch jene Maßnahmen, die Gegenstand des kennzeichnenden Teiles des Patentan
spruches 1 sind.
Um die Erfindung und ihre Ausführungsmöglichkeiten zu veranschaulichen, wird
sie anhand der Zeichnung näher an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Abschnitt einer Nockenwelle mit zwei Nocken in Schrägsicht;
Fig. 2 die Ansicht eines Nockens für die Nockenwelle nach Fig. 1 in einem
gegenüber dieser Figur vergrößerten Maßstab und
Fig. 3 eine Seitensicht des Nockens nach Fig. 2;
die Fig. 4, 5 und 6 Längsschnitte durch drei verschiedene Ausführungsformen
von Nockenwellen, wobei jener Augenblick des Fertigungsvorganges hier
veranschaulicht ist, bei welchem der Nocken auf den jeweiligen Bereich
mit dem vergrößerten Durchmesser aufgeschoben wird;
Fig. 7 den aufgeschobenen Nocken bei einer Welle nach Fig. 6;
Fig. 8 ein Detail aus Fig. 6 in vergrößertem Maßstab und
Fig. 9 die Ansicht und den Teilschnitt gemäß der Linie IX-IX in der
Detaildarstellung nach Fig. 8.
Die Nockenwelle 10 nach Fig. 1 besteht aus der durch ein Rohr gebildeten Welle
1 und den auf dieser Welle 1 befestigten Nocken 2, die voneinander in Achs
richtung der Welle 1 distanziert sind und die gegeneinander darüberhinaus noch
winkelversetzt sind, wie es der jeweiligen Phasenlage der zu betätigenden
Motorelemente der Verbrennungskraftmaschine entspricht, für die die Nocken
welle 10 vorgesehen ist.
Fig. 2 veranschaulicht einen Nocken 2 in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten
Maßstab in Ansicht. Der Nocken 2 bzw. seine Außenkontur ist bezüglich der
Symmetrieachse 3 symmetrisch. Die Aussparung 4 ist, was ihre Umfangskontur
betrifft, korrespondierend zum Querschnittsprofil der Welle 1 ausgebildet.
Was ihr Durchmesser D′′ betrifft, so wird das nachstehend noch im einzelnen
erörtert werden. Die Ausnehmung 4 besitzt hier vier radial auskragende Vor
sprünge 5, die sich über die ganze achsiale Länge des Nockens bzw. der Ausneh
mung 4 erstrecken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat dieser Vorsprung 5
einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, andere Querschnittsformen sind
denkbar und möglich. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind vier
Vorsprünge 5 veranschaulicht. Es liegt im Rahmen der Erfindung, über den Um
fang der Ausnehmung 4 eine andere Anzahl solcher Vorsprünge 5 vorzusehen,
zweckmäßig in gleichen Winkelabständen. Der Nocken 2 ist gesintert, also auf
pulvermetallurgischem Wege hergestellt.
Das Rohrstück, das als Nockenträger für die Herstellung der Nockenwelle 10
dient, besitzt einen Außendurchmesser D, der um etwas kleiner ist als der Ab
stand A der inneren Fläche 6 der hier einander diametral gegenüberliegenden
Vorsprünge 5 (Fig. 2), so da8 der Nocken 2 auf die Welle aufschiebbar ist,
und zwar ohne besonderen Kraftaufwand, und zwar in jenem Bereich, der diesen
Durchmesser D besitzt. Soll nun der Nocken 2 auf der Welle 1 im Bereich C po
sitioniert werden (Fig. 4), so wird in diesem Bereich das als Welle 1 dienende
Rohr z.B. mittels eines hier nicht näher gezeigten Werkzeuges (Dorn) aufgewei
tet, und zwar so weit, daß der Außendurchmesser D′ dieser Ausweitung im Be
reich C ein solches Maß erhält, das etwas kleiner (z.B. 0,1 mm) ist als D′′,
aber deutlich größer als A (z.B. 0,8 mm). Auf den so aufgeweiteten Bereich C
(Fig. 4) wird nun der Nocken 2 mit entsprechender Winkelpositionierung mittels
eines geeigneten, hier nicht näher dargestellten Werkzeuges aufgepreßt (Pfeil
7), wobei aufgrund der beschriebenen Geometrie (Fig. 9) zwischen den hier
korrespondierenden Teilen der Vorsprung 5 wie ein Hobel sich eine Nut 9 span
abhebend formt. Ist der Nocken 2 in seiner vorgesehenen Lage angelangt, so
sitzt er auf dem erweiterten Bereich C sicher und fest. Durch das spanbildende
"Aufschneiden" (Aufräumen) des harten Nockens mittels der scharfkantigen
Schneiden 6 wird sowohl eine Verspannung der Nocke zum Rohr erzielt (ent
spricht der Wirkung nach einer Preßpassung, die partiell auf die vorhandene
Anzahl Schneiden wirkt), als auch eine sehr große Sicherheit gegen Verdrehung
mittels der formschlüssigen Verkeilung der Schneiden, die beim Aufpressen
spanabhebend die Nuten 9 formen. Durch den großen zulässigen Toleranzbereich
der zu befestigenden Teile (jeder Nocken formt sich sozusagen seinen eigenen
Weg und nimmt aus diesem Grunde sein "individuelles Spanvolumen" von dem aus
geweiteten Bereich C) werden wesentliche Vorteile gegenüber anderen Systemen
erreicht:
- - hohe Verdrehsicherheit;
- - geringere Beanspruchung des Nockenmaterials, die auch von einem gesinterten Nocken sicher und dauerhaft ertragen werden kann;
- - wirtschaftliche Fertigung der zu befestigenden Einzelkomponenten;
- - wirtschaftsliches Fügeverfahren.
In der Regel werden auf der Welle 1 mehrere Nocken 2 (Fig. 1) angeordnet. Bei
der Herstellung einer solchen Nockenwelle 10 wird wie folgt vorgegangen: Ein
erster Abschnitt C wird aufgeweitet und der vorbereitete Nocken aufgepreßt;
dann wird ein zweiter Abschnitt C aufgeweitet und der nächste Nocken mit ent
sprechender Winkelpositionierung aufgepreßt und so setzt sich dieses Wechsel
spiel fort, bis alle Nocken auf der Welle 1 angeordnet sind. Diese Verfahrens
schritte gelten auch für jene Ausführungsformen der Erfindung, die noch nach
stehend zu erläutern sind.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 besitzt das Rohr, das als Welle 1 dient,
über seine Länge einen einheitlichen Durchmesser D. Zur Bildung von Zonen C
mit vergrößertem Durchmesser D′ ist hier eine Stahlbuchse 8 aufgeschoben, die
aufgrund des sehr elastischen Materials, aus dem sie gefertigt ist, hohe Um
fangskräfte aufnehmen kann, so daß diese Buchse mit einer starken Preßsitzpas
sung auf das Rohr aufgeschoben wird. Auf diese Buchse 8, die den Abschnitt C
mit dem vergrößerten Durchmesser D′ bildet, wird nun in der Weise, wie im Zu
sammenhang mit der Fig. 4 bereits erläutert, der Nocken 2 aufgeschoben, wobei
sich dieser Nocken 2 mit seinem Vorsprung 5 in der Ausnehmung 4 seine ihn auf
nehmende Nut 9, spanabhebend selbst herstellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulichen die Fig. 6 bis 9. Hier wird
der Abschnitt C mit dem erweiteren Durchmesser D′ dadurch gebildet, daß hier
spanlos umlaufende Wülste bzw. Erhebungen auf das Rohr oder die Welle aufge
walzt oder aufgerollt werden, wie dies bei der Herstellung von Gewinden be
kannt ist. Diese Wülste bzw. Erhebungen können umfangsgeschlossen umlaufen
oder mit einer Steigung, wie ein Gewinde versehen sein. Diese Wülste bzw. Er
hebungen sind mit großer Maßgenauigkeit und hoher Oberflächengüte herstellbar,
und zwar mit einem ungebrochenen Faserverlauf. Dieser Bereich C mit dem ver
größerten Durchmesser D′ wird hier also durch Druckumformung erzielt. Auf
diesen so gewonnenen Abschnitt C wird dann der Nocken 2 in der beschriebenen
Weise aufgepreßt. Das in Fig. 6 eingekreiste Detail ist in Fig. 8 in einem
vergrößerten Maßstab dargestellt. Auch hier stellt der Vorsprung 5 seine ihn
aufnehmende Nut 9 spanabhebung selbst her. Fig. 7 veranschaulicht den Aufpreß
vorgang und zeigt den Nocken 2 in seiner vorgesehenen Lage.
In der Zeichnung ist gezeigt, daß sich der Bereich mit den umlaufenden Wülsten
bzw. Erhebungen nur über einen geringen Längenabschnitt C der Welle 1 er
streckt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, solche Erhebungen oder Wülste über
die gesamte Länge der Welle 1 aufzurollen oder aufzuwalzen und dann die Nocken
2 einzeln in ihre vorgesehene winkelgerechte Position zu pressen. Das ist hier
deswegen möglich, weil die Spanbildung bei der Herstellung der Nut 9 laufend
unterbrochen wird, so daß in kurzen Abständen stets die Schneidkante freige
stellt wird.
In allen beschriebenen Fällen erhält der Nocken 2 auf dem für seine Aufnahme
vorgesehenen Bereich oder Abschnitt C mit einem gegenüber den restlichen Ab
schnitten der Welle 1 vergrößerten Durchmesser D′ einen kraft- und formschlüs
sigen Halt, wobei der Formschluß absolut spielfrei ist, da der eine Teil die
ser Paarung sich sein Gegenstück sozusagen selbst schafft.
Bei der serienmäßigen Herstellung solcher Nockenwellen 10 können zweckmäßiger
weise ident ausgebildete Nocken 2 verwendet werden, also Nocken, die nicht
nur hinsichtlich ihrer Umfangskontur übereinstimmen, sondern auch hinsichtlich
der Größe, Lage und Anzahl der Vorsprünge 5 in der Ausnehmung 4. Bei der Mon
tage werden dann die Nocken 2 winkelmäßig gegeneinander versetzt aufgeschoben,
um so die notwendige und erforderliche Phasenlage zu erreichen. Dabei wird an
der Welle 1 vorerst ein erster Bereich C mit vergrößertem Durchmesser D her
gestellt und dann wird der zugehörende Nocken aufgepreßt, worauf ein zweiter
Bereich C mit vergrößertem Durchmesser D′ hergestellt und der nächste Nocken
auf diesen Bereich aufgepreßt wird, und in der weiteren Folge wird das Aufwei
ten der Welle und das jeweilige anschließende Aufpressen des Nockens in wech-
selnder Folge vorgenommen.
Die vorstehend geschilderte Konstruktion eignet sich für Nocken, die im
Sinterverfahren hergestellt worden sind. Es können aber auch Nocken verwendet
werden, die in anderer Weise hergestellt sind. Gesinterten Nocken ist jedoch
deswegen der Vorrang einzuräumen, da sie einfach, billig und mit großer Maß
haltigkeit erzeugt werden können.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme liegt auch darin, daß
das Wellenrohr keiner besonderen Bearbeitung bedarf, von den erwähnten Aufwei
tungen abgesehen, und die vorgefertigten Teile (Welle 1 und Nocken 2) bei nor
maler Raumtemperatur fertig montiert werden können.
Claims (9)
1. Nockenwelle zur Steuerung von Ventilen bei Verbrennungskraftmaschinen mit
einer Welle (1) und mindestens einem auf die Welle (1) aufgeschobenen und
mit ihr verbundenen Nocken (2), der eine Ausnehmung (4) zur Aufnahme der
Welle (1) besitzt, und diese Ausnehmung (4) mindestens einen radial nach
innen vorstehenden Vorsprung aufweist, der in eine dazu korrespondierende
Nut (9) in der Welle (1) eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß die den
nach innen vorstehenden Vorsprung (5) aufnehmende Nut (9) durch Aufpressen
des Nockens (2) auf die Welle (1) spanabhebend geformt ist.
2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (1) in jenem Bereich (C), an welchem der Nocken (2) vorzu
sehen ist, zumindest abschnittweise einen gegenüber den anderen Bereichen
der Welle (1) vergrößerten Durchmesser (D′) aufweist,
daß der vergrößerte Durchmesser (D′) des genannten, zur Aufnahme des
Nockens (2) vorgesehenen Bereichs (C) vor dem Aufschieben der Nocke ausge
bildet ist,
daß der Nocken (2) auf den Bereich (C) der Welle (1) mit dem vergrößerten
Durchmesser (D′) unter spanabhebender Formung der Nut (9) durch den Vor
sprung (5) in der Ausnehmung (4) des Nockens (2) aufgeschoben ist.
3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bereich (C) mit vergrößertem Durchmesser (D′) zur Aufnahme des Nockens (2)
durch eine, auf der Welle umlaufende, durch Rollen oder Walzen gefertigte,
wulstartige Materialverdrängung gebildet ist (Fig. 6-8).
4. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich
(C) mit vergrößertem Durchmesser (D′) zur Aufnahme des Nockens (2) durch
eine auf diese Welle (1) aufgeschobene Stahlbüchse (8) gebildet ist, wobei
zwischen dem Innendurchmesser der Stahlbüchse (8) und dem Außendurchmesser
(D) der Welle (81) eine starke Preßsitzpassung vorgesehen ist.
5. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle
(1) als Hohlwelle ausgebildet ist und mittels eines Dornes aufgeweitete
Bereiche (C) zur Aufnahme der Nocken (82) besitzt (Fig. 4).
6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Nocken (2) durch Sintern hergestellt ist.
7. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schneidkanten der Vorsprünge (5) scharfkantig ausgebildet sind.
8. Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß über
die gesamte Länge der Welle (1) umlaufende, wulstartige Materialverdrän
gungen durch Rollen oder Walzen hergestellt sind.
9. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit mehreren Nocken (2) nach
den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Welle (1) ein
erster Bereich (C) mit vergrößertem Durchmesser (B′) hergestellt und dann
der zugehörende Nocken (2) unter spanabhebender Formung der Nut (9) aufge
preßt wird, worauf ein zweiter Bereich (C) mit vergrößertem Durchmesser
(D′) hergestellt und der nächste Nocken (2) in dieser Weise auf diesen Be
reich aufgepreßt wird und in weiterer Folge Aufweiten der Welle (1) und
anschließendes Aufpressen des Nockens (2) in wechselnder Folge vorgenommen
wird.
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