DE3736422A1 - Nockenwelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hohle, aus einzelen Teilen zusammen­ gebaute Nockenwelle für Verbrennungsmotoren sowie ein Verfahren zur Herstellung der Nockenwelle.

Die bekannten Nockenwellen dieser Art bestehen aus einer Hohl­ welle, auf welcher die Nocken entweder nur kraftschlüssig oder teils kraftschlüssig, teils formschlüssig sitzen. Im erstgenann­ ten Falle sind die Nocken aufgeschrumpft. Im zweitgenanten Falle werden die Nocken auf die Hohlwelle aufgeschoben, wobei Nasen am Innendurchmesser des Nockens und ein Gewindeprofil der Hohlwelle im Bereich des Sitzes des Nockens nach dessen Aufschieben auf die Hohlwelle ineinander greifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohle, aus Einzel­ teilen zusammengebaute Nockenwelle zu schaffen, die sich kosten­ günstiger herstellen läßt und dennoch ein ausreichend hohes Be­ festigungsmoment für die Nocken erreichen läßt. Diese Aufgabe löst eine Nockenwelle mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß die einzelnen Teile der Nockenwelle miteinander ver­ lötet sind, wobei es sich vorzugsweise um eine Hochtemperatur- Lötverbindung, insbesondere eine Diffusionsverbindung mit Legie­ rungsbildung, handelt, lassen sich die einzelnen Teile kostengün­ stig zusammenfügen und miteinander verbinden, zumal alle Lötver­ bindungen einer Nockenwelle gleichzeitig ausgeführt werden kön­ nen. Dabei läßt sich an den Verbindungsstellen eine Festigkeit erzielen, die der Festigkeit einer einstückigen Ausbildung nicht nachsteht.

Bei den einzelnen Teilen der Nockenwelle braucht es sich nicht um eine einstückige Hohlwelle einerseits und die Nocken andererseits zu handeln. Man kann auch die Hohlwelle aus einzelnen Teilen zu­ sammensetzen, was eine kostengünstige Anpassung an unterschied­ liche Längen der Nockenwelle ermöglicht.

Die Fixierung der Nocken auf der Hohlwelle vor dem Lötvorgang ist in unterschiedlicher Weise möglich. Bevorzugte Lösungen sind Ge­ genstand der Ansprüche 4 bis 6.

Sofern die Hohlwelle aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt ist, liegen die Verbindungsstellen dieser Abschnitte vorzugsweise im Sitzbereich der Nocken, da dann der Nocken gleichzeitig einen Verbindungsring für die beiden Abschnitte bilden kann, was zu konstruktiv einfachen Ausführungen der miteinander zu verbinden­ den Enden der Abschnitte führt.

Eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung zwischen den ein­ zelnen Abschnitten der Hohlwelle und den Nocken erhält man bei einer Verwendung von konisch ausgebildeten Sitzflächen. Aber auch zylindrische und teils zylindrische, teils konische Sitzflächen kommen in Betracht.

Bei den Nocken kann es sich auch um Schmiedeteile oder um Sinter­ teile handeln. Die letzteren benötigen eine metallisierte Sitz­ fläche.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Nockenwelle anzugeben. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 13.

Durch das gleichzeitige Herstellen aller Lötverbindungen bei hohen Temperturen erhält man in einem einzigen Arbeitsgang eine Lötverbindung zwischen allen Einzelteilen der Nockenwelle, deren Festigkeit weit über den geforderten Werten liegt. Dies gilt vor allem dann, wenn die Erwärmung gemäß Anspruch 14 erfolgt. Die Festigkeit ist dann mit derjenigen bei einer einstückigen Ausbil­ dung vergleichbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird im Anschluß an die Er­ wärmung eine Wärmebehandlung während einer gesteuerten Abkühlung vorgenommen. Man kann also ohne nennenswerten zusätzlichen Auf­ wand die Nockenwelle vergüten. Ferner können eventuell vorhandene Spannungen beseitigt werden. Natürlich kann sich dieser Wärmebe­ handlung eine weitere Wärmebehandlung anschließen, falls dies erforderlich sein sollte.

Es ist auch möglich, während des Abkühlungsvorganges die Nocken­ welle durch die Beaufschlagung mit gasförmigem Stickstoff zu ni­ trieren. Da diese Nitrierung bei einer Temperatur über 400°C er­ folgen kann, ist der Zeitaufwand wesentlich geringer als bei ei­ ner üblichen Nitrierung. Er liegt im Bereich von 15 bis 20 Minu­ ten. Dabei läßt sich eine so tiefe Nitrierung erreichen, daß die nitrierte Schicht auch nach einem anschließenden Fertigschleifen noch ausreichend dick ist.

Sofern die Lötfugen zylindrisch oder quasizylindrisch sind, wer­ den die Nockenwellen vorzugsweise mit lotrechter Achse erwärmt. Es genügt dann nämlich, einen Lötring auf der nach oben weisenden Seite jeder Nocken vorzusehen, weil das Lot dann bis zum unteren Ende der Sitzfläche vordringt.

Bei einer konischen Form der Lötfuge wird vorzugsweise eine Löt­ folie verwendet, welche eine an die Form der Lötfuge angepaßte Form hat. Sofern das Gewicht der einzelnen Teile der Nockenwelle nicht ausreicht, um die Lötfuge zu schließen, wenn das Lot flüs­ sig geworden ist, kann man die Hohlwelle zusätzlich in axialer Richtung belasten, beispielsweise mittels eines durch sie hin­ durchgeführten Spannbolzens.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen unvollständig dargestellten Längsschnitt ei­ nes ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Stirnansicht des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 einen unvollständig dargestellten Längsschnitt ei­ nes zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Stirnansicht des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 einen unvollständig dargestellen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels während des Herstel­ lungsvorgangs,

Fig. 6 eine Stirnansicht des dritten Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 7 einen unvollständig dargestellten Längsschnitt ei­ nes vierten Ausführungsbeispiels,

Fig. 8 einen Längsschnitt des vierten Ausführungsbeispiels vor dem Erreichen der Löttemperatur.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Nockenwelle weist eine einstückig ausgebildete Hohlwelle 1 auf, die außen mit einem Vielkeilprofil 2 versehen ist, das sich aus Fertigungsgründen über ihre gesamte Länge er­ streckt. Statt eines solchen Vielkeilprofils könnte aber auch eine Kerbverzahnung oder dergleichen vorgesehen sein. Im Bereich der Lagerstellen 3 ist das Vielkeilprofil abgedreht.

Von den zugehörigen Nocken 4, bei denen es sich um Abschnitte ei­ nes Profilstabes, um feingestanzte oder geschmiedete Nocken oder auch um Sinternocken mit metallisierter Innenfläche handeln kann, ist die Bohrung mit einem korrespondierenden Vielkeilprofil ver­ sehen, welches spielfrei in das Vielkeilprofil 2 eingreift. Die Nocken 4, welche in der gewünschten Winkellage auf die Hohlwelle 1 aufgeschoben werden, werden daher durch die ineinander greifenden Vielkeilprofile in der richtigen Winkellage positioniert.

Zur Drehmomentübertragung sind die Vielkeilprofile nicht erfor­ derlich, weil die Nocken 4 mit der Hohlwelle 1 verlötet werden. Die Nockenwelle wird hierzu mit vertikaler Achse in einen Vakuum­ ofen gestellt, wobei eine Positioniervorrichtung die Nocken 4 in der gewünschten Höhe hält, sofern nicht durch einen ausreichend engen Sitz die Nocken 4 schon vor dem Verlöten axial unverschieb­ bar auf der Hohlwelle 1 festgelegt sind. Das Lot wird in Form ei­ nes Ringes auf die Oberseite jeder Nocke 4 am Übergang zur Hohl­ welle 1 gelegt. Die Erwärmung erfolgt induktiv oder mit Infrarot­ strahlern auf eine Temperatur im Bereich von 900° bis 1000°C. Dabei erhält man eine Lötverbindung in Form einer Diffusionsver­ bindung mit Legierungsbildung.

Anschließend wird in einem kontrollierten Abkühlungsvorgang die Nockenwelle einer Wärmebehandlung unterworfen. Sofern die Nocken 4 aus Stahl bestehen, kann man bei einer Temperatur über 400°C in einem Zeitraum von 15 bis 20 Minuten durch eine Beaufschlagung mit gasförmigem Stickstoff eine Nitrierung durchführen, die eine so große Schichtdicke ergibt, daß auch nach einem anschließenden Fertigschleifen noch eine ausreichend starke, nitrierte Schicht vorhanden ist.

Auch das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine einstückig ausgebildete Hohlwelle 11 auf. Ihre Außen­ mantelfläche ist jedoch glatt. Man kann deshalb ein Rohr verwen­ den, das allerdings einen eng tolerierten Außendurchmesser haben muß, damit die Nocken 14, die ebenfalls eine glatte Bohrung ha­ ben, praktisch spielfrei auf der Hohlwelle 11 angeordnet werden können. Für die Lötverbindung ist es nämlich von Vorteil, wenn die Lötfuge eine nahe bei Null liegende Weite hat. Positioniert werden die Nocken 14 auf der Hohlwelle 11 mittels je eines Paß­ stiftes 12, der eine Bohrung des zugeordneten Nocken durchdringt und in eine Sackbohrung der Hohlwelle 11 eingreift.

Wie Fig. 3 zeigt, haben die Lagerstellen 13 der Nockenwelle einen kleineren Durchmesser als die übrigen Abschnitte der Hohlwelle 11. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Die Lagerung der Nockenwelle könnte auch auf einem Abschnitt der Hohlwelle 11 er­ folgen, der den gleichen Durchmesser wie die die Nocken 14 tra­ genden Abschnitte hat.

Für die Wahl der Nocken gilt das zum ersten Ausführungsbeispiel Gesagte. Das Herstellen der Lötverbindung zwischen den Nocken 14 und der Hohlwelle 11 erfolgt wie bei dem Ausführungsbeispiel ge­ mäß den Fig. 1 und 2. Auch die anschließende Wärmebehandlung und gegebenenfalls eine Nitrierung werden in der vorstehend beschrie­ benen Weise ausgeführt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 erfolgt die Herstellung der Lötverbindungen und die anschließende Behand­ lung der Nockenwelle in dieser Weise. Die einstückige Hohlwelle 21 dieses dritten Ausführungsbeispiels ist in gleicher Weise wie die Hohlwelle 11 des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Auf der außen glatten Hohlwelle 21 sitzen mit Schiebesitz die Nocken 24. Um sie in der richtigen Position für den nachfolgenden Lötvorgang zu fixieren, wird nach dem Aufschieben der Nocken 24 auf die Hohlwelle 21 letztere bleibend aufgeweitet. Dies er­ folgt mittels eines Dornes 25, der am einen Ende einer Zugstange 26 angeordnet ist und durch die Hohlwelle 21 hindurchgezogen wird.

Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, kann die Nockenwelle auch eine aus mehreren Abschnitten bestehende Hohlwelle 31 aufweisen. Die bei­ den Endabschnitte der Hohlwelle 31, die je eine im Durchmesser größere Lagerstelle für die drehbare Lagerung der Nockenwelle haben, sind an ihren einander zugekehrten Enden mit einem Außen­ konus 37 versehen. Alle zwischen diesen beiden Endabschnitten liegenden Abschnitte der Hohlwelle 31 haben an beiden Enden je einen derartigen Außenkonus 37. Die zugehörigen Nocken 34, die im Ausführungsbeispiel geschmiedet sind, sind mit zwei korrespondie­ renden Innenkonen versehen, die in der Mittelebene der Nocke in­ einander übergehen und hier ihren kleinsten Durchmesser haben. Bei einer spaltfreien Anlage der Außenkonen 37 an den beiden In­ nenkonen der Nocken 34 fluchten alle Abschnitte der Hohlwelle 31 miteinander. Die Nocken 34 dienen also nicht nur der Verbindung der einzelnen Abschnitte miteinander, sondern zentrieren diese auch.

Für das Herstellen der Lötverbindungen zwischen den Nocken 34 und den einzelnen Abschnitten der Hohlwelle 31 wird zwischen jeden Nocken 34 und die beiden ihm zugeordneten Außenkonen 37 eine Löt­ folie 38 gelegt, die eine an die Form der Lötfuge angepaßte, also doppelkegelstumpfförmige Form hat. In Fig. 8 ist die Dicke der Lötfolie übertrieben groß gezeichnet. Selbstverständlich wäre es auch möglich, je zwei kegelstumpfförmige Lötfolien einzulegen.

Damit beim Schmelzen der Lötfolie 38 die Außenkonen 37 sich an die Innenkonen der Nocken 34 anlegen und bis zum Schmelzen der Lötfolie 38 alle Einzelteile der Nockenwelle ihre richtige Lage beibehalten, ist eine Spannvorrichtung vorgesehen, welche die Hohlwelle 31 in axialer Richtung belastet. Diese Spannvorrichtung besteht im Ausführungsbeispiel aus einem die Hohlwelle 31 durch­ dringenden Spannbolzen 39, der an seinem einen Ende einen die Hohlwelle 31 übergreifenden Kopf aufweist und an seinem anderen Ende eine die Hohlwelle 31 übergreifende Mutter 40 trägt. Selbst­ verständlich könnte zwischen der Hohlwelle 31 einerseits und dem Kopf des Spannbolzens 39 oder der Mutter 40 andererseits eine Feder, beispielsweise eine Tellerfeder, angeordnet sein, um die Spannkraft auch dann aufrecht zu erhalten, wenn sich die Länge der Hohlweg 31 beim Schmelzen der Lötfolie 38 merklich verrin­ gert.

Das Herstellen der Lötverbindungen erfolgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Vakuumofen bei einer Temperatur über 600°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 900°C und 1000°C. Man er­ hält dann Lötverbindungen in Form von Diffusionsverbindungen mit Legierunsbildung, so daß die Festigkeit der Hohlwelle 31 und der Verbindungen der Nocken 34 mit der Hohlwelle 31 genauso hoch liegt, wie wenn die Nockenwelle einstückig ausgebildet wäre. Nach dem Herstellen der Lötverbindung kann, wie ebenfalls in Verbin­ dung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 erläu­ tert, während des Abkühlvorgangs eine Wärmebehandlung und eine Nitrierung durchgeführt werden.

Bei allen Ausführungsformen ist es aus Kostengründen vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von Nockenwellen in den Vakuumofen eingesetzt wird, da sich hierdurch der Zeit- und Energieaufwand erheblich reduzieren läßt.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Mekmale sind weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (18)

1. Hohle, aus einzelnen Teilen zusammengebaute Nocken­ welle für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (1, 4; 11, 14; 21, 24; 31, 34) miteinander ver­ lötet sind.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Lötverbindungen um Hochtemperatur-Lötverbin­ dungen handelt.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei den Lötverbindungen um Diffusionsver­ bindungen mit Legierungsbildung handelt.

4. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (14) mittels je eines Paßstiftes (12) in ihrer Position auf der Hohlwelle (11) fixiert sind.

5. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (4) mittels einer Kerbverzahnung oder eines Vielkeilprofils auf der Hohlwelle (1) positioniert sind.

6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (24) mittels je eines durch Auf­ weiten der Hohlwelle (21) erzeugten Preßsitzes positioniert sind.

7. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen dem die Nocken tragenden Abschnitt der Hohlwelle (1, 11, 21, 31) und den beiden Enden der Hohlwelle Abschnitte mit einem anderen Außendurchmesser vorgese­ hen sind.

8. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (31) aus wenigstens zwei mit­ einander verlöteten, axial nebeneinander angeordneten Abschnitten besteht.

9. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte im Bereich des Sitzes einer Nocke (34) mitein­ ander verbunden sind.

10. Nockenwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Enden der Abschnitte der Hohlwel­ le (31) je einen Außenkonus bilden und die Nocken (34) mit zwei entsprechenden Innenkonen versehen sind, in deren Bereich die Nocken (34) mit den in sie eingreifenden Abschnitten der Hohl­ welle (31) verlötet sind.

11. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken Schmiedestücke sind.

12. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken gesinterte Teile mit einer metallisierten Sitzfläche sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lötstellen gleich­ zeitig auf eine Temperatur über 600°C, vorzugsweise eine Tempera­ tur im Bereich zwischen 900°C und 1000°C, erwärmt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Lötstellen, vorzugsweise induktiv oder mit­ tels Infrarotstrahlern, im Vakuum erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Anschluß an die Erwärmung eine Wärmebehandlung während einer gesteuerten Abkühlung vorgenommen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß während der gesteuerten Abkühlung, vorzugsweise bei einer über 400°C liegenden Temperatur, eine Nitrierung durch eine Be­ aufschlagung mit gasförmigem Stickstoff erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle mit lotrechter Achse und je einem Lotring über jeder Nocke erwärmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einer konischen Form der Lötfuge in diese vor dem Erwärmen eine an die Form der Fuge angepaßte Löt­ folie eingelegt wird und daß die Hohlwelle während des Erwärmens unter axialer Belastung gehalten wird.