DE69912528T2

DE69912528T2 - Nockenwelle und Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE69912528T2
Application number: DE69912528T
Authority: DE
Inventors: Gary S. Antcliff; Damian P. Smith
Original assignee: Iveco UK Ltd; Cummins Engine Co Ltd; CNH UK Ltd; Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Iveco UK Ltd; Cummins Ltd; CNH UK Ltd; Cummins Inc
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: EP0968791A3; GB9814079D0; GB2338912A; EP0968791A2; EP0968791B1; DE69912528D1; US6289764B1; JP2000055169A; JP4477711B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Motor-Nockenwelle.
Bekannte Motor-Nockenwellen umfassen eine Welle, Nocken zur Ventilbetätigung und Lagerzapfen, die alle in einem einzigen Gußstück gebildet sind. Nach dem Gießen eines Rohlings mit den passenden gewünschten Abmessungen, werden die Lager- und Nocken-Oberflächen auf die präzisen erforderlichen Abmessungen maschinell bearbeitet und/oder geschliffen.
Bei einem Motor, bei dem die Nockenwelle obenliegend befestigt ist, das heißt über dem Ventilmechanismus, können die Lagerzapfen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der der Nockennasen ist, weil es möglich ist, die Lagerblöcke um die Lagerzapfen herum zusammenzubauen. Bei einem Stößelstangenmotor, bei dem die Nockenwelle in der Seite des Motorblocks zur Betätigung des Ventilmechanismus durch Nockenfolger und Stößelstangen befestigt ist, müssen andererseits die Lagerzapfen einen Durchmesser aufweisen, der zumindest so groß ist wie die Nockennasen, um es der Nockenwelle zu ermöglichen, von einem Ende aus in eine längsgerichtete Nockenwellenbohrung in den Motorblock eingesetzt zu werden.
Der schwache Punkt bei jeder Art von Nockenwelle liegt zwischen dem Lagerzapfen an dem angetriebenen Ende der Nockenwelle und dem benachbarten Nocken, als Ergebnis der Drehbiegekräfte, die von der Antriebsanordnung auf die Nockenwelle ausgeübt werden. Dies ergibt sich daraus, daß einige Motoren eine Anordnung haben, bei der eine oder mehrere leistungsverbrauchende Anbaugeräte über das Nockenwellen-Antriebszahnrad angetrieben werden, das mit einem Kurbelwellen-Antriebszahnrad kämmt. Einige dieser Anbaugeräte können bis zu 100 hp (74,57 kW) verbrauchen. Die Reaktionskräfte zwischen dem Anbaugeräte-Zahnrad und dem Nockenwellen- Antriebszahnrad üben eine erhebliche Biegelast auf die Nockenwelle aus. Dieser Biegelast wird durch das Nockenwellenlager entgegengewirkt, das dem Antriebszahnrad nächstgelegen ist, wird jedoch auf die Nockenwelle zwischen dem Lager und dem ersten Nocken weitergeleitet.
Üblicherweise ist die Nase dieses ersten Nockens (das heißt sein axiales Ende, das auf den Lagerzapfen gerichtet ist) dadurch geformt, daß zunächst der Bereich der Nockenwelle zwischen dem Nocken und dem Lagerzapfen so gegossen wird, daß er einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser aufweist, der gerade unter dem Durchmesser des Grundlinienkreises für den Nocken liegt. Für eine vergrößerte Festigkeit wird dieser Nockennasenbereich dann jedoch auf einen geringfügig kleineren und glatten kreisförmigen Querschnitt maschinell bearbeitet. Der Grund für diesen letzten Schritt besteht darin, daß ein gegossener Bereich stärker zu Brüchen neigt, als ein maschinell bearbeiteter Bereich, und obwohl die maschinelle Bearbeitung die Querschnittsfläche verringert, wird die Festigkeit vergrößert.
Ein derartiges Herstellungsverfahren führt jedoch immer noch zu einer Nockennase mit mäßiger Festigkeit und um die gewünschte Haltbarkeit zu erzielen, war es erforderlich, Material mit hoher Festigkeit zu verwenden, wie zum Beispiel Stahl, was erheblich zu den Kosten der Nockenwelle beiträgt.
Eine weitere Lösung zur Verbesserung der Festigkeit einer Nockenwelle ist in der US-A-4,829,951 offenbart, in der mehrere Verstärkungsbereiche nächstbenachbart zu den Nocken vorgesehen sind. Diese Bereiche können entweder eine kreisförmige Form aufweisen oder dem Umriß der Nocken folgen. Im letzteren Fall stoßen die Verstärkungsbereiche an die Nocken ohne die Verwendung irgendwelcher spezieller Übergangsbereiche zwischen diesen an. Obwohl ein Durchhängen der Nockenwelle beträchtlich verringert werden kann, löst dies nicht die aufgetretenen Festigkeitsprobleme zwischen dem Lagerzapfen am angetriebenen Ende der Nockenwelle und dem unmittelbar benachbarten Nocken.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle zu schaffen, das die vorstehenden Nachteile des Standes der Technik vermeidet, wie zum Beispiel die Notwendigkeit eines Rückgriffs auf einen Stahl hoher Qualität, um eine Haltbarkeit zu erreichen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle geschaffen, das die Merkmale des Anspruchs 1 hat.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Nockenwelle geschaffen, die die Merkmale des Anspruchs 7 hat.
Die Erfindung wird nunmehr weiter in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Nockenwelle ist, die die vorliegende Erfindung verwirklicht;
2 eine Einzelheit ist, die die Nase des ersten Nockens zeigt; und
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linien III-III nach 1 ist.
1 ist eine perspektivische Teilansicht einer Nockenwelle 10 zur Verwendung in einem (nicht gezeigten) Motor, wobei lediglich der Abschnitt benachbart zu dem angetriebenen Ende der Nockenwelle gezeigt ist. Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß zusätzliche Nocken und Lagerzapfen zusätzlich zu den zwei Nocken und Lagerzapfen verwendet werden können, wie dies für die Anzahl von Zylindern erforderlich ist. Die übliche Funktion der Nockenwelle besteht in der Betätigung der Einlaß- und Auslaßventile zu der geeigneten Zeit während des Motor-Arbeitszyklus. Für einen Viertaktmotor wird die Nockenwelle mit der halben Umdrehungszahl der Motor-Kurbelwelle angetrieben. Motoren, die unter Verwendung einer Kompressionszündung oder des Diesel-Arbeitstaktes arbeiten, verwenden eine hochbelastbare Antriebsverbindung zwischen der Motor-Kurbelwelle und der Nockenwelle. Die Nockenwelle 10 weist einen Antriebsflansch 12 mit Gewindebohrungen 14 auf, um es zu ermöglichen, daß ein (nicht gezeigtes) Antriebszahnrad mit der Nockenwelle verschraubt wird. Wie dies weiter oben beschrieben wurde, kämmt das Antriebszahnrad mit einem Kurbelwellenzahnrad und treibt weiterhin zusätzliche Anbaugeräte an, wodurch Biegelasten hervorgerufen werden. 1 zeigt weiterhin die ersten und zweiten Lagerzapfen 16, 17 und die ersten und zweiten Nocken 18, 19, die normalerweise ein Auslaßventil bzw. ein Einlaßventil antreiben.
Die Nockenwelle 10 wird dadurch gebildet, daß zunächst ein einstückiger Rohling gegossen wird, der die gleiche Form wie die fertige Nockenwelle hat, jedoch geringfügig größere Abmessungen aufweist, um es zu ermöglichen, daß die Oberflächen der Nocken, der Lagerzapfen und der Nockennasen auf ihre exakten erforderlichen Größen geschliffen oder maschinell bearbeitet werden. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist das Material bekannter Nockenwellen Stahl für einen Hochlastbetrieb. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Nockenwelle aus Gußeisen geformt werden, was zu erheblichen Einsparungen an Materialkosten führt. In dem Nasenbereich 15 zwischen dem Lagerzapfen 16 und dem ersten Nocken 18 ist der Rohling mit der gleichen Form wie der Nocken gebildet, das heißt nicht-kreisförmig, jedoch geringfügig kleiner.
Um das Problem der bekannten Nockenwellen-Konfigurationen zu vermeiden, wird die Nockenwelle in den Zeichnungen durch Schleifen der Nase des Nockens auf das Profil gebildet, das teilweise in 2 gezeigt ist, und zwar zur gleichen Zeit wie die Oberfläche des Nockens geschliffen wird, wobei eine in geeigneter Weise geformte Schleifscheibe verwendet wird. 3 zeigt eine Querschnittsansicht in einer Richtung von dem Antriebsflansch 12 fort. Der Auslaßnocken 18 und der Einlaßnocken 19 sind phasenversetzt zueinander aufgrund ihrer aufeinanderfolgenden Betätigung ihrer jeweiligen Ventile gezeigt. Die „Gußzustand"-Form des Auslaßventil-Nasenbereichs 15 folgt allgemein der Form des Auslaßnockens 18, das heißt sie ist nicht kreisförmig, verglichen mit den bekannten Nasenkonfigurationen, die durch die gestrichelte Linie A dargestellt sind.
2 ist ein Teilschnitt des Bereichs der Nockenwelle zwischen dem ersten Nocken 18 und dem Lagerzapfen 16. Der Umriß des Rohlings vor der Fertigbearbeitung seiner Oberfläche ist durch die gestrichelten Linien 30 dargestellt. Der Lagerzapfen 16 wird auf den gewünschten Durchmesser gedreht, und sein Ende wird mit einer kleinen Stufe geformt, die durch einen konischen Bereich 20 und einen zylindrischen Bereich 22 gebildet ist, die beide durch Drehen hergestellt werden.
Der unmittelbar auf die schmale Stufe folgende Bereich 24 wird im Gußzustand belassen und weder maschinell bearbeitet noch geschliffen. Der Nocken 18 und sein konturierter Nasenbereich, der aus zwei Abschnitten 28 und 26 besteht, wird vollständig gleichzeitig geschliffen, so daß diese Bereiche alle die gleiche Querschnittsform haben. Das Schleifen erfolgt mit Hilfe einer Schleifscheibe, die einen zylindrischen Abschnitt mit der Breite des Nockens 18 zum Schleifen der Oberfläche des Nockens 18 und einen Ring mit größerem Durchmesser am Ende des zylindrischen Abschnittes zum Schleifen der Abschnitte 28 und 26 aufweist. Der Abschnitt 28 weist einen kleinen Radius auf und der Abschnitt 26 weist einen größeren Radius auf, wobei sich die zwei Abschnitte tangential treffen, um einen graduellen Übergang zu erzielen, so daß die beiden Abschnitte 28 und 26 zusammen einer exponentiellen Kurve angenähert sind. Der Abschnitt 26 grenzt an den Bereich 24 der Nockenwelle an, der im Gußzustand belassen wird, und er endet, bevor er senkrecht zur Nockenwellenachse steht. Als Ergebnis wird die Seite der Schleifscheibe während des Schleifvorgangs nicht erodiert, wodurch die Lebensdauer der Schleifscheibe vergrößert wird, weil es möglich ist, sie abzuziehen, wenn dies erforderlich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Nockennase zwischen dem ersten Nocken und dem Lagerzapfen an dem angetriebenen Ende der Nockenwelle so geschliffen, daß sie ihren relativ großen nockenförmigen, nicht-kreisförmigen Querschnitt behält, doch wird ihre Oberfläche zur Vergrößerung der Festigkeit glatt geschliffen. Auf diese Weise ergibt sich eine ausreichende Metallmenge, um der Nockenwelle eine Festigkeit und Haltbarkeit ohne die Notwendigkeit zu erteilen, daß auf aufwendigeren, eine hohe Qualität aufweisenden Stahl zurückgegriffen wird.
Es wird bevorzugt, die Nockennase und die Nockenoberfläche des ersten Nockens gleichzeitig miteinander mit Hilfe einer geformten Schleifscheibe zu schleifen, die einen zylindrischen Abschnitt zum Schleifen der Nockenoberfläche und einen schmaleren kontourierten Abschnitt mit größerem Durchmesser an einem Ende zum Schleifen der Nockennase aufweist. Dies trägt dazu bei, die Herstellungskosten niedrig zu halten, weil die Notwendigkeit eines getrennten maschinellen Bearbeitungsschrittes vermieden wird.
Die Konstruktion auf der Nockennasenoberfläche ist wichtig und sollte im Idealfall einer exponentiellen Kurve mit sich konstant ändernden Radius ähneln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Annäherung an eine derartige Kurve dadurch erzielt, daß der konturierte Abschnitt der Schleifscheibe mit zwei Abschnitten geformt wird, wobei der Abschnitt benachbart zu der Nockenoberfläche einen relativ kleinen Krümmungsradius aufweist, während der zweite Abschnitt einen größeren Krümmungsradius aufweist, wobei die Kurven eine gemeinsamen Tangente an der Stelle aufweisen, an der sie sich treffen.
Es würde möglich sein, den gesamten Nasenbereich zwischen dem Nocken und dem Lagerzapfen zu schleifen, doch würde dies eine Abnutzung an dem axialen Ende der Schleifscheibe hervorrufen, was es schwierig macht, diese abzuziehen. Es wird daher bevorzugt, den Abschnitt mit dem größeren Durchmesser zu beenden, bevor er senkrecht zur Wellenachse wird, und den Teil des Nasenbereichs benachbart zu dem Lagerzapfen im Gußzustand zu belassen. Dieser Teil des Nasenbereichs neigt aufgrund seiner Größe und seiner Nähe zu dem Lagerzapfen nicht zu einem Ausfall, selbst dann nicht, wenn er im Gußzustand belassen wird.
Obwohl lediglich die Nase des ersten Nockens eine Schwachstelle darstellt, ist es möglich, die Nasen aller Nocken auf diese Weise zu formen. Weiterhin ist es durch eine geeignete Konstruktion der Nockenwelle und der Schleifscheibe möglich, die gleiche Schleifscheibe zum Schleifen aller Nocken und Nockennasen zu verwenden, ohne daß ein Radius auf irgendeinen anderen Buckel geschliffen wird als der, der erforderlich ist. Dies wird dadurch erzielt, daß das Gußstück mit Spielräumen zu den verbleibenden Nocken konstruiert wird, um das Schleifen von Teilen zu vermeiden, die nicht berührt werden sollten.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle (10) mit den folgenden Schritten: – Gießen eines Rohlings, der eine in der Mitte liegende Welle mit einem angetriebenen Ende (12), konzentrische Lagerzapfen (16, 17) und exzentrische Nocken (18, 19) umfaßt, die eine von einer Kreisform abweichende Form und einen Nockennasenbereich (26, 28) zwischen einem Lagerzapfen (16) an dem angetriebenen Ende (12) der Nockenwelle (10) und einem unmittelbar benachbarten ersten Nocken (18) aufweisen, wobei der Nockennasenbereich (26, 28) mit der gleichen Form wie der benachbarte Nocken (18) jedoch mit kleineren Abmessungen gegossen wird, und – Schleifen der Nockennase (26, 28) und der Nockenoberfläche des ersten Nockens (18) mit im wesentlichen dem gleichen Umriß.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockennase (26, 28) und die Nockenoberfläche des ersten Nockens (18) gleichzeitig miteinander mit Hilfe einer geformten Schleifscheibe geschliffen werden, die einen zylindrischen Teil zum Schleifen der Nockenoberfläche und einen schmaleren konturierten Teil mit größerem Durchmesser an einem Ende zum Schleifen der Nockennase aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konturierte Teil der Schleifscheibe in zwei Abschnitten gebildet ist, wobei der Abschnitt benachbart zur Nockenoberfläche einen relativ kleinen Krümmungsradius aufweist, und der zweite Abschnitt einen größeren Krümmungsradius aufweist, wobei die Kurven eine gemeinsame Tangente an der Stelle aufweisen, an der sie sich treffen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Schleifscheibe mit dem größeren Durchmesser endet, bevor er senkrecht zur Wellenachse wird, um den Teil (24) des Nasenbereichs benachbart zu dem Lagerzapfen (16) im Gußzustand zu belassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasen aller Nocken in der gleichen Weise wie die Nase (26, 28) zwischen dem ersten Nocken (18) und dem benachbarten Lagerzapfen (16) geformt sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Schleifscheibe aufeinanderfolgend zum Schleifen aller der Nocken und Nockennasen verwendet wird, wobei die Nockenwelle (10) und die Schleifscheibe so ausgelegt sind, daß jede Nockennase (18) geschliffen werden kann, ohne einen Radius auf irgendeinen Nocken als dem, der erforderlich ist, zu schleifen.
Nockenwelle (10) mit einer in der Mitte liegenden Welle, die ein angetriebenes Ende (12), konzentrische Lagerzapfen (16) und exzentrische, eine von einer Kreisform abweichende Form aufweisende Nocken (18) umfaßt, wobei die Nockenwelle (10) weiterhin einen Nockennasenbereich (26, 28) zwischen dem Lagerzapfen (16) an dem angetriebenen Ende (12) der Nockenwelle (10) und dem unmittelbar benachbarten Nocken (18) aufweist, wobei der Nockennasenbereich (26, 28) mit der gleichen Form wie der Nocken (18), jedoch mit kleineren Abmessungen gegossen ist, und wobei der Nocken (18) und der benachbarte Nasenbereich (26, 28) eine geschliffene Oberfläche mit im wesentlichen dem gleichen Umriß aufweisen.
Nockenwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich der Bereich (26, 28) benachbart zum Nocken (18) geschliffen wird, und daß der Bereich (24) benachbart zu dem Lagerzapfen (16) weder maschinell bearbeitet noch geschliffen wird, sondern im Gußzustand belassen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der geschliffene Bereich (26, 28) benachbart zum Nocken (18) in zwei Abschnitten (26, 28) gebildet ist, wobei der Abschnitt (28) benachbart zur Nockenoberfläche einen relativ kleinen Krümmungsradius aufweist, und der zweite Abschnitt einen größeren Krümmungsradius aufweist, wobei die Kurven eine gemeinsame Tangente an der Stelle aufweisen, an der sie sich treffen.