DE4437396C2 - Gebaute Nockenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle, die aus vorgefertigten halbschalenförmigen Blechformlingen besteht, die teilweise durch Pressen oder Gießen vorgefertigt und miteinander an achsparallelen und die Nockenwellenachse einschließenden Fügeebenen mittels Schweißverbindung zusammengefügt sind.

Gebaute Nockenwellen unterscheiden sich nach dem bisherigen Stand der Technik im wesentlichen von den aus Schmiede- oder Gußrohlingen spanend hergestellten massiven Nockenwellen insbesondere dadurch, daß die Funktionselemente, wie Nocken, Lagersitze oder Verbindungsflansche, und der Wellenkörper zunächst als getrennte Bauteile vorliegen und in einem nachfolgenden Fügeprozeß miteinander verbunden werden.

Eine deutlich massereduzierte gebaute Nockenwelle wurde dagegen bereits mit der DE 29 14 095 A1 vorbeschrieben. Diese gebaute Nockenwelle besteht aus vorgefertigten Halbnocken und/oder Halblagern sowie Flanschelementen und/oder rohrförmigen Elementen, die an ausschließlich radial angeordneten Fügeebenen kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Der Nachteil einer auf diese Weise hergestellten gebauten Nockenwelle besteht insbesondere in dem vergleichsweise großen Umfang an erforderlichen Schweißverbindungen mit denen die Vielzahl der zu verbindenden Einzelteile zusammengefügt sind. Ein weiterer nicht unwesentlicher Nachteil ist darin zu sehen, daß die bisherigen Vorschläge, die aus Blechteilen vorgefertigten Arbeitselemente der gebauten Nockenwelle eine einheitliche Blechstärke vorsehen und dadurch in bestimmten Bereichen der gebauten Nockenwelle Überdimensionierungen zu verzeichnen sind.

Eine ebenfalls aus leichten Blechformlingen hergestellte Nockenwelle wird mit der DE 43 24 836 A1 bekannt gemacht.

Diese technische Lösung sieht vor, eine einem Abwicklungsprofil einer Nockenwelle entsprechende aus einem Blechband gestanzte Platine zur Bildung einer einstückigen Nockenwelle zylindrisch zu rollen und im Bereich einer Fügestelle beide Enden der Platine zu verbinden. Die technische Lösung sieht auch vor, die Nockenwelle aus zwei separaten aus den Platinen vorgefertigten Halbschalen zu bilden.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht insbesondere im Erfordernis vermeidbar erscheinender Herstellungsschritte. Für den Fall eines allseitig geschlossenen Hohlkörpers erfordert diese Lösung zudem das aufwendige Einpassen von Stegblechen zwischen dem erzeugten Rohrkörper und den Nockenflächen.

Es ist schließlich in Frage zu stellen, daß mit den vorgesehenen Rundungsprozessen die benötigte Maßhaltigkeit der angestrebten Nockenwelle zu erreichen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine gebaute Nockenwelle vorzuschlagen, die nicht nur den an sie gestellten Gebrauchsanforderungen in vollem Umfang entspricht, sondern zugleich mit minimalen Fertigungsaufwendungen herstellbar und durch minimierte Eigenmasse gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst.

Die gebaute Nockenwelle besteht aus wenigstens zwei vorgefertigten halbschalenförmigen Blechformlingen.

In einer achsparallelen und die Nockenwellenachse einschließenden Fügeebene sind die halbschalenförmigen Blechformlinge kraftschlüssig miteinander verbunden.

Bedarfsweise besitzt die gebaute Nockenwelle eine sowohl im Bereich der Hohlnocken als auch im Bereich der Hohlwellenabschnitte etwa gleichbleibende Wandstärke. Erforderliche Verbindungsflansche, Lagersitze und/oder mechanisch nachzubearbeitende Bereiche der gebauten Nockenwelle sind bedarfsweise mit einer zu den übrigen Bereichen der gebauten Nockenwelle vergrößerten Blechdicke gefertigt.

Mit dieser Gestaltung der gebauten Nockenwelle wird erreicht, daß die nachzubearbeitenden und mechanisch höher belasteten Bereiche der gebauten Nockenwelle bereits bei der Blechformlingfertigung mit größeren Materialstärken ausgestattet werden, als sie für die übrigen Bereiche zur Aufrecherhaltung der uneingeschränkten Funktionsfähigkeit erforderlich sind.

Außerdem wird vermieden, daß bei achsparalleler Ausrichtung der Fügeebene in mechanisch hochbelasteten Bereichen der gebauten Nockenwelle nur punktuelle Kerbwirkungen durch Schweißverbindungen zu verzeichnen sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die gebaute Nockenwelle aus mehreren Segmenten besteht, wobei das einzelne Segment wiederum jeweils aus zwei halbschalenförmigen Blechformlingen besteht, die in einer achsparallelen und die Nockenwellenachse einschließenden Fügeebene miteinander verbunden sind. Dabei weist das einzelne Segment wenigstens einen Hohlnocken mit zwei Hohlwellenabschnitten und gegebenenfalls wenigstens einen Lagersitz und/oder einen Verbindungsflansch auf. Die einzelnen Segmente der gebauten Hohlwelle sind in den radialen Fügeebenen miteinander derart verbunden, daß die achsparallelen Fügeebenen der einzelnen Segmente der gebauten Hohlwelle eine zueinander versetzte Anordnung aufweisen.

Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß auch Nockenwellen mit einer Vielzahl von zueinander versetzt angeordneten Nocken in der vorgeschlagenen Form ausgeführt sein können, ohne an die Verfügbarkeit komplizierterer Formwerkzeuge gebunden zu sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß die Verbindung der einzelnen Segmente an den radialen Fügeebenen mittels Reibschweißen hergestellt ist, wobei die erforderliche Fixierung der Segmentlage nach dem Herstellen der erforderlichen Schweißtemperatur im Fügebereich vorgenommen wird.

Die vorgeschlagene gebaute Nockenwelle ist auch dadurch zu gestalten, daß eine mehrgliedrige Nockenwelle, beispielsweise bestehend aus mehreren Hohlnocken, Lagersitzen und/oder Verbindungsflanschen, ausschließlich aus zwei vorgefertigten halbschalenförmigen Blechform­ lingen besteht, die in einer achsparallelen und die Nockenwellenachse einschließenden Fügeebene miteinander verbunden sind, und daß die erforderliche Lagefixierung der einzelnen Hohlnocken bei Normaltemperatur oder im Zusammenhang mit dem Normalglühen der verschweißten Blechformlinge durch Verdrehen der zwischen den Hohlnocken befindlichen Hohlwellenabschnitte erreicht wird.

Der den höheren Fertigungsaufwand erfordernde Fügeprozeß wird dabei auf ein Minimum beschränkt, wobei durch das gleichmäßige Ausrichten der Nocken die benötigten Blechformlinge mit Hilfe einfacher Umformwerkzeuge hergestellt werden können.

Durch gesteuerte plastische Verformung ausgewählter Hohlwellenabschnitte zwischen den Nocken und/oder Lagersitzen wird die erforderliche Lagefixierung der Hohlnocken zueinander unter Vermeidung von zusätzlichen radialen Fügeebenen sichergestellt.

Im Zusammenhang mit Glühprozessen läßt sich dieser Verdrillungsvorgang unter Umständen gegenüber der Torsionsbeanspruchung der Hohlwelle bei Normaltemperatur wesentlich erleichtern.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Blechzuschnitte zum Herstellen der halbschalen­ förmigen Blechformlinge aus die verstärkte Ausführung von Verbindungsflanschen, Lagersitzen und/oder Nockenarbeitsflächen bewirkenden, unterschiedlich dick gewalzten Blechen gefertigt sind.

Bei Nutzung dieses Vorschlages wird ein optimierter Materialeinsatz gewährleistet, ohne diesen durch arbeitsaufwendige Fügeprozesse erkaufen zu müssen. Verbleibende Schweißverbindungen in radial ausgerichteten Fügeebenen lassen sich grundsätzlich zwischen Wellenabschnitten mit gleicher Wanddicke realisieren.

Beim Herstellen der Schweißverbindungen in der achsparallel ausgerichteten Fügeebene ist dies ohnehin gewährleistet. Außerdem erlaubt das Verwenden von unterschiedlich dick gewalzten Blechzuschnitten den Einsatz von Preßstempeln, die in den Hohlwellenbereichen unprofiliert ausgebildet sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der nun gegebenen Verfügbarkeit einer technischen Lösung für eine gebaute Nockenwelle, die nicht nur infolge geringen Fertigungsaufwandes mit geringen Kosten erfügbar ist, sondern auch einen minimierten Materialverbrauch verursacht und eine optimierte Eigenmasse besitzt. Wegen der zur Nockenwellenachse symmetrischen Anordnung der Schweißverbindungen in der achsparallelen Fügeebene kann unter bestimmten Bedingungen möglicherweise auf zusätzliche thermische Prozesse zum Normalisieren der Gefügestruktur verzichtet werden, ohne die Gebrauchseigenschaften der gebauten Hohlwelle damit in Frage zu stellen.

Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer aus zwei Blechformlingen zusammengesetzten gebauten Nockenwelle mit Kennzeichnung achsparallelen Fügeebene;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer aus mehreren Segmenten zusammengesetzten gebauten Nockenwelle mit Kennzeichnung der achsparallelen und der radialen Fügeebenen;

Fig. 3 die schematische Darstellung des Segmentes einer gebauten Nockenwelle unter Verwendung von Blechzuschnitten aus unterschiedlich dick gewalztem Blech;

Fig. 4 die schematische Darstellung des Ausschnittes eines Blechzuschnittes aus unterschiedlich dick gewalztem Blech;

Fig. 5 die schematische Darstellung des Querschnittes eines Blechzuschnittes aus unterschiedlich dick gewalztem Blech.

Ausführungsbeispiel 1

Die gebaute Nockenwelle 1 für einen Zweizylinder-Dieselmotor besteht aus vier Hohlnocken 5 und Hohlwellenabschnitten 6 mit zwei Lagersitzen 8 und einem Verbindungsflansch 7 zur Befestigung einer Riemenscheibe.

Die gebaute Nockenwelle 1 ist aus lediglich zwei Blechformlingen 2 unter Verwendung von Blechzuschnitten 11 aus unterschiedlich dick gewalztem Blech 13 hergestellt, wobei die beschnittenen Blechformlinge 2 zunächst in einer achsparallelen Fügeebene 4 mittels Plasmaschweißen kraftschlüssig verbunden wurden. In dieser Phase des Herstellungsprozesses besaßen die erzeugten Hohlnocken 5 eine einheitliche Ausrichtung.

Sowohl die Arbeitsflächen 12 der erzeugten Hohlnocken 5, als auch die beiden Lagersitze 8 und der Verbindungsflansch 7 bestehen aus 3 mm dickem Stahlblech, während die übrigen Bereiche der gebauten Nockenwelle l nur eine Blechdicke von 2 mm aufweisen. Vor der Endbearbeitung von Nockenarbeitsflächen 12, Lagersitzen 8 und Verbindungsflansch 7 wurde der Nockenwellenrohling bei etwa 800 Grad Celsius einer Glühbehandlung unterzogen, wobei die gebaute Nockenwelle 1 auf einem die Hohlwellenabschnitte 6 ausfüllenden Arbeitsdorn mittels die Hohlnocken 5 umfassender Werkzeuge durch definierte Torsionskräfte beansprucht wurden.

Im Ergebnis dieser Beanspruchung kam es zur plastischen Verformung der Hohlwellenabschnitte 6 zwischen den Hohlnocken 5, jedoch außerhalb der aus dickerem Stahlblech bestehenden Bereiche der Lagersitze 8, so daß diese nach erfolgter Abkühlung der gebauten Nockenwelle 1 die für den gewünschten Zweck erforderliche Lagefixierung aufwiesen.

Abschließend erfolgte die Endbearbeitung der Nockenarbeitsflächen 12, der Lagersitze 8 und des Verbindungsflansches 7 mittels spanabhebender Verfahren, so daß im Ergebnis der Behandlung mit minimalem Materialverbrauch eine gebaute Nockenwelle 1 mit minimaler Eigenmasse und optimiertem Materialeinsatz verfügbar war.

Ausführungsbeispiel 2

Die gebaute Nockenwelle 1 für einen Vierzylinder- Ottomotor besteht aus einem Verbindungsflansch 7 für die Aufnahme einer Riemenscheibe mit einem einseitig angeordneten Hohlwellenabschnitt 6, drei baugleichen Segmenten 9 der gebauten Nockenwelle 1 mit jeweils einem Hohlnocken 5, einem unverstärkten Hohlwellenabschnitt und einem als Lagersitz 8 auszubildenden Hohlwellenabschnitt 6 sowie weiterhin aus fünf baugleichen Segmenten 9 der gebauten Nockenwelle 1 mit jeweils einem Hohlnocken 5 und zwei beiderseitig angeordneten Hohlwellenabschnit­ ten 6.

Die einzelnen Segmente 9 der gebauten Nockenwelle 1 wurden jeweils aus halbschalenförmigen Blechformlingen 2 gefertigt, die in einer jeweils in der Nockenwellenachse 3 angeordneten achsparallelen Fügeebene 4 mittels Laserschweißen kraftschlüssig miteinander verbunden wurden.

Die Blechformlinge 2 selbst wurden aus Blechzuschnitten 11 hergestellt, die ihrerseits aus unterschiedlich dick gewalztem Blech 13 gewonnen wurden.

Während die Nockenarbeitsflächen 12 und die Lagersitze 9 eine Blechdicke von 4 mm aufweisen, ist der Verbindungsflansch 7 mit einer Blechdicke von 5 mm ausgestattet.

Die übrigen Bereiche der Hohlnocken 5 und die Hohlwellenabschnitte 6 außerhalb der Lagersitze 8 sind dagegen aus 3 mm dickem Blech gefertigt.

Die einzelnen vorgefertigten Segmente 9 der gebauten Nockenwelle 1 wurden sodann nacheinander unter Anwendung des Reibschweißverfahrens an radial angeordneten Fügeebenen 10 miteinander verbunden, wobei das erforderliche Fixieren der Hohlnocken nach Erreichen der Fügetemperatur des Materials der Hohlwellenabschnitte 6 an der radialen Fügeebene 10 vorgenommen wurde. Nach bedarfsweisem Ausrichten der Nockenwellenachse 3 wurde abschließend das Nachbehandelns von Nockenarbeitsflächen 12, Lagersitzen 8 und Verbindungsflansch 7 so vorgenommen, daß schließlich eine gebrauchsfertige gebaute Nockenwelle 1 mit minimaler Eigenmasse, günstigen Fertigungskosten und geringstmöglichem Materialverbrauch verfügbar war.

Claims (3)

1. Gebaute Nockenwelle, bestehend aus vorgefertigten halbschalenförmigen Blechformlingen, die teilweise durch Pressen oder Gießen vorgefertigt und miteinander an achsparallelen und die Nockenwellenachse einschließenden Fügeebenen mittels Schweißverbindung zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gebaute Nockenwelle (1) aus mehreren Segmenten (9) besteht, wobei das einzelne Segment (9) jeweils aus zwei halbschalenförmigen Blechformlingen (2) besteht und daß das einzelne Segment (9) wenigstens einen Hohlnocken (5) mit zwei Hohlwellenabschnitten (6), wenigstens einen Lagersitz (8) und/oder einen Verbindungsflansch (7) aufweist, daß die einzelnen Segmente (9) der gebauten Nockenwelle (1) in radialen Fügeebenen (10) miteinander derart verbunden sind, daß die achsparallelen Fügeebenen (4) der einzelnen Segmente (9) der gebauten Nockenwelle (1) eine zueinander versetzte Anordnung aufweisen und daß die erforderlichen Verbindungsflansche (7), Lagersitze (8) und/oder mechanisch nachzubearbeitenden Bereiche der gebauten Nockenwelle (1) eine gegenüber den übrigen Bereichen der gebauten Nockenwelle (1) vergrößerten Blechdicke aufweisen.

2. Gebaute Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine mit mehreren Hohlnocken (5) ausgestattete Nockenwelle (1) aus zwei vorgefertigten halbschalenförmigen Blechformlingen (2) besteht und daß die erforderliche Lagefixierung der einzelnen Hohlnocken (5) bei Normaltemperatur oder im Zusammenhang mit dem Normalglühen der verschweißten Blechformlinge (2) durch Verdrehen der zwischen den Hohlnocken (5) befindlichen Hohlwellenabschnitte (6) vorgenommen wird.

3. Gebaute Nockenwelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Blechzuschnitte (11) zum Herstellen der halbschalen­ förmigen Blechformlinge (2) aus die verstärkte Ausführung von Verbindungsflanschen (7), Lagersitzen (8) und/oder Nockenarbeitsflächen (12) bewirkenden, unterschiedlich dick gewalzten Blechen (13) gefertigt sind.