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 herstellung

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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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