EP1723316B1

EP1723316B1 - Nockenwelle und verfahren zur herstellung einer nockenwelle

Info

Publication number: EP1723316B1
Application number: EP05715761A
Authority: EP
Inventors: Alois Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2025-03-05
Also published as: DE102004011815A1; US7290515B2; US20070006834A1; DE502005001066D1; WO2005088082A1; EP1723316A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenscheibenträgerwelle, auf der mehrere Nockenscheiben und ein Antriebsrad angebracht sind, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei welchem auf einer Nockenscheibenträgerwelle mehrere Nockenscheiben und wenigstens ein Antriebsrad angebracht werden.
Derartige Nockenwellen, die aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestehen und in Brennkraftmaschinen zur Steuerung der Ventilöffnungszeiten eingesetzt werden, werden als gebaute Nockenwellen bezeichnet.
In der gattungsgemäßen DE 42 09 153 C2 ist ein Profil für eine lösbare Welle-Nabe-Verbindung beschrieben, bei dem die Welle einerseits und die Nabe andererseits aus mehr als einem Bogenkeil nach einer logarithmischen Spiralenfunktion bestehen und eine Mikroverzahnung am Umfang aufweisen. Dieses Mehrkeilprofil hat den Nachteil, dass sich nicht kontaktierende Umfangsbereiche einstellen und die radiale Profilausdehnung sehr gering ausfällt. Die Steigung der logarithmischen Spiralen ist so gewählt, dass die Welle-Nabe-Verbindung im Wesentlichen durch Reibschluss hält.
Bei der in der DE 41 21 951 C1 beschriebenen Nockenwelle werden die Nockenscheiben durch Schmieden hergestellt und können eine von der Kreisform abweichende Öffnung aufweisen. Das Wellenprofil wird mittels Walzen umgeformt und weist Erhöhungen und Vertiefungen auf, die zu umlaufenden und somit kreisrunden Querschnittsveränderungen auf der Welle führen. Durch Walzen oder Rollieren werden umlaufende Rillen in die Welle eingearbeitet, die aufgrund von Materialverdrängung umlaufende Wulste aufwerfen. Die radialen Überhöhungen erstrecken sich ringförmig in axialer Richtung der Nockenscheibenträgerwelle und haben gegenüber den Öffnungen in den Nockenscheiben ein radiales Übermaß. Beim Fügen werden die Nockenscheiben ähnlich einem Längspressverband einzeln jeweils zwischen zwei Profiliervorgängen in axialer Richtung auf die Trägerwelle aufgepresst. Dazu müssen die Nockenscheiben am Rand eine Fase aufweisen, damit sie beim Aufpressen auf die Welle nicht verkanten. Nachteilig ist dabei, dass beim Aufpressen einer Nockenscheibe auf die Trägerwelle die Wellenwulste zum Teil geglättet werden und aufgrund des Verschleißens beim Fügen ihr Übermaß verlieren. Aus diesem Grund werden die Nockenscheiben in dem beschriebenen Verfahren zwecks Einbringung einer rotationssymmetrischen Mikroverzahnung in aufwändiger Art und Weise geräumt.
Bei der Herstellung anderer Nockenwellen kommt häufig das so genannte Innenhochdruckumformverfahren zum Einsatz, welches erhebliche Kostenersparnisse bringen kann. Der Hauptvorteil der gebauten Nockenwelle nach dem Innenhochdruckumformverfahren gegenüber konventionellen Lösungen besteht in einer Senkung der Werkstoffkosten. Ein relativ billiger, unbehandelter Stahlwerkstoff wird für die auch als Nockenscheibenträgerrohr bezeichnete, eigentliche Welle und ein hochwertiger, legierter, härtbarer Kugellagerstahl für die Nockenscheiben verwendet. Das Trägerrohr wird an dem Ende, an dem das Nockenwellenantriebsrad befestigt wird, zum Zwecke der Wandstärkenerhöhung gestaucht. An den Enden und am Umfang erfolgt eine zerspanende Bearbeitung. Die Nockenscheiben werden geschmiedet, zerspanend vorbearbeitet und wärmebehandelt. Nach dem Fügen durch Innenhochdruckumformen werden an der zusammengebauten Nockenwelle die Nockenformen und die Nockenwellenlagersitze in unterschiedlichen Werkstückaufspannungen geschliffen.
Anders als Nockenwellen für PKW müssen Nockenwellen für Nutzfahrzeuge wesentlich größere Drehmomente übertragen können. Gründe hierfür sind die höheren Gaswechselkräfte aufgrund der größeren Hubräume. Zudem gibt es für Nfz-Motoren Anforderungen aus Sonderanwendungen, über die Nockenwelle gegebenenfalls Hilfsaggregate anzutreiben, wie z.B. den Antrieb von Hydraulikaggregaten in Landmaschinen über die Nockenwelle.
In diesem Zusammenhang besitzt das Innenhochdruckumformverfahren eine erhebliche Einschränkung: Es bedingt eine hohle Nockenwelle bzw. ein Rohr zur Aufnahme der Nockenscheiben, dessen Wandstärke zudem nicht zu groß sein darf, damit die erforderlichen Aufweitdrücke beherrschbar bleiben. Damit sind Nachteile im Ausgangswerkstoff für das Nockenwellenrohr vorgegeben. In den relevanten Durchmesserbereichen sind das nahtlos gezogene oder das längs geschweißte Rohr teurer als das gewalzte Vollrundmaterial. Dabei muss berücksichtigt werden, dass das Rohr aus Festigkeitsgründen an einem Ende umgeformt sein muss und auf einer Seite ein Verschlussdeckel gegen Ölaustritt erforderlich ist. Ein weiterer Aspekt ist, dass das Rohr im Vergleich zur Vollwelle ein geringeres Widerstandsmoment gegen Torsions- und Biegebelastung hat, was unter Umständen bei vergleichbarer Belastung größere Baugrößen beim Wellenrohr erfordert.
Des weiteren ist problematisch, dass die Innenhochdruckumformtechnik ein relativ hohes Anlageninvestment bindet. Dies hängt einerseits mit dem zur Druckerzeugung erforderlichen Hydraulikaggregat zusammen, andererseits bestehen aufgrund der sehr hohen Betriebsdrücke von 2500 bis 3000 bar sicherheitstechnische Auflagen, die die Anlagekosten beeinflussen. Ein weiterer negativer Kostenaspekt beim Innenhochdruckumformverfahren sind die laufenden Betriebskosten. Die Dichtungen, welche die Innenhochdruckumformlanze gegen das Nockenwellenrohr abdichten, unterliegen erheblichem Verschleiß und müssen regelmäßig getauscht werden, was wiederum den Anlagennutzungsgrad begrenzt. Durch die kraftschlüssige Übertragung der Betriebskräfte kann die Innenhochdruckumformtechnik außerdem nur in begrenztem Maße eine betriebssichere kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindung für Nutzfahrzeugnockenwellen sein.
Damit an bekannten gebauten Nockenwellen das Fügen der Nockenscheiben auf das Trägerrohr überhaupt möglich ist, muss die jeweilige Nockenscheibenbohrung vorbearbeitet werden. Dies kann wiederum nur im unvergüteten Zustand erfolgen. Um den Nockenscheiben ihre Endhärte zu geben, ist ein meist induktives Erwärmen mit anschließendem Abschrecken im Wasser- bzw. Ölbad erforderlich.
Ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle sowie eine gebaute Nockenwelle aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen unter Verwendung der Innenhochdruckumformung sind aus der EP 0 265 663 B2 bekannt. Die Aufweitung der Welle erfolgt hydraulisch, wodurch die Welle-Nabe-Verbindung durch Kraftschluss zustande kommt.
Auch bei der gebauten Welle gemäß der EP 0 328 009 B1 oder der EP 0 328 010 B1 wird mittels Innenhochdruckumformung ein Rohr aufgeweitet, wobei zur Erhöhung der Steifigkeit die Nockenscheiben auf zwei über einander gesteckten Rohren befestigt sind. Die Übertragung von Drehmomenten erfolgt kraftschlüssig. Aufgrund der Vielzahl der erforderlichen Bauteile handelt es sich hierbei um eine relativ teure Lösung.
Die EP 0 374 389 B1 beschreibt ein Verfahren zur Vorbehandlung von Bauteilen einer gebauten Nockenwelle. Dort sind Wärmebehandlungsmaßnahmen für ein Rohr beschrieben, die es ermöglichen sollen, dass sich das Rohr entweder besser durch Innenhochdruckumformung aufweiten lässt, oder dass die Lagerstellen eine höhere Härte bekommen.
Bei der gebauten Welle gemäß der EP 0 374 394 B1 ist das Nockenscheibenträgerrohr mit unterschiedlichen Querschnitten vorgeformt, so dass beim nachfolgenden Aufweiten mittels Innenhochdruckumformen nur die' Rohrabschnitte, welche die Nockenscheiben aufnehmen, plastisch verformt werden. Die Rohrabschnitte zwischen den einzelnen Nockenscheiben werden nur elastisch aufgeweitet.
Bei dem in der EP 0 313 565 B1 beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle werden Rohre als Träger für die Nockenscheiben verwendet. Die Nockenscheiben werden zusammen mit dem Trägerrohr ausgehend vom kreisrunden Querschnitt in einem Gesenk umgeformt, so dass sich eine gebaute Nockenwelle ergibt. Nachteiligerweise können bei Raumtemperatur keine gehärteten Nockenscheiben umgeformt werden, da diese sonst auseinander brechen oder zumindest Risse bilden. Deshalb ist bei dem dort beschriebenen Verfahren ein separater Wärmebehandlungsvorgang erforderlich.
Ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle unter Verwendung von Innenhochdruckumformung sowie eine gebaute Nockenwelle aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen sind in der EP 0 265 663 A1 beschrieben. Die Nockenscheiben können in ihren Öffnungen Innenprofile aufweisen, damit zusätzlich zum Kraftschluss auch Formschluss besteht, wobei das die Welle bildende Rohr plastisch verformt wird, während die Nockenscheiben elastisch aufgeweitet werden.
Aus der EP 0 516 946 B1 ist eine zusammengesetzte Nockenwelle bekannt, bei der eine hohle Welle mittels Innenhochdruckumformen bearbeitet wird. Die auf der Welle befestigten Nockenscheiben haben einen kreisförmigen Querschnitt und eine in axialer Richtung verlaufende Nut, welche beim Innenhochdruckumformen zumindest teilweise' mit dem Werkstoff der Welle durch plastische Umformung gefüllt wird, sodass sich eine formschlüssige Drehverbindung einstellt.
In der EP 0 730 705 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer einstückigen hohlen Nockenwelle beschrieben, bei dem durch Innenhochdruckumformen ein Rohr im Gesenk derart aufgeweitet wird, dass sich eine hohle Nockenwelle ergibt. Dabei ist vorteilhaft, dass keine separaten Nockenscheiben hergestellt werden müssen. Dagegen ist nachteilig, dass eine Wärmebehandlung der Nockenwelle erforderlich ist. Zudem wird in den Bereichen der Nockenspitze die Wandstärke der Nockenwelle besonders stark reduziert, was dazu führt, dass die Festigkeitsanforderungen an eine Nfz-Nockenwelle mit dieser Technologie wohl kaum erfüllt werden können.
Eine Nockenwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben sind in der EP 0 970 293 B1 beschrieben. Dabei werden aus einer Blechtafel bzw. aus einem Blechband dünne Nockenscheiben herausgestanzt. Eine Mehrzahl dieser Flachmaterialen wird zu Blechstapeln über bzw. neben einander zusammengestellt. Demnach besteht eine Nockenscheibe aus mehreren Teilen, die letztlich durch Innenhochdruckumformen auf ein Rohr gefügt werden. Die Nockenscheiben können eine Verzahnung oder ein kerbenähnliches Profil am Umfang aufweisen, welches zur Drehlagenorientierung dient.
Die aus der EP 0 856 642 A1 bekannte gebaute Nockenwelle basiert auf einem Längspressverband, wobei die Fügepartner an den Fügestellen beschichtet sind. Die Beschichtung kann eine Phosphatschicht, aber auch Klebstoff sein. Angesprochen ist auch eine nicht näher spezifizierte Profilierungsmöglichkeit.
Die EP 0 839 990 B1 geht von einer durch Gießen hergestellten Nockenscheibenträgerwelle aus. Diese Welle kann an den Stellen, wo die Nockenscheiben befestigt werden, profiliert sein. Das nicht rotationssymmetrische Profil wird zum Zwecke des Wuchtens angegossen und dient somit zur besseren Massenverteilung der Welle. Das Kaltumformen von Eisengussbauteilen gilt wegen der Werkstoffsprödigkeit im Allgemeinen als problematisch.
Bei dem sehr ähnlichen Verfahren gemäß der DE 37 17 190 C2 erfolgt das Profilieren mit Walzstangen, die über Längsnuten verfügen. Der Verlauf einer Nut im Walzwerkzeug folgt im Wesentlichen der Bewegungsrichtung der Walzstange, die in jedem Querschnitt quer zur Bewegungsrichtung das gleiche Profil aufweist. Im Falle einer gegebenenfalls vorgesehenen gewinde-ähnlichen, wulstartigen Vergrößerung der Nockenscheibenträgerwelle verläuft die Vertiefung nicht exakt in der Bewegungsrichtung der Walzstange, sondern ist um den Gewindesteigungswinkel schräg gestellt. Die Querschnitte einer Walzstange sind dann nicht über die Länge völlig gleich. Jedoch erscheint in der Seitenansicht jede Walzstange als Rechteck. Die längs verlaufenden Begrenzungsgeraden der Seitenansicht einer Walzstange sind parallel zur Bewegungsrichtung. Das hier angesprochene Vieleck als Beispiel für das von der Kreisform abweichende Profil der Trägerwelle hat lediglich das Ziel, eine Kreisform zu nähern.
Bei der in der DE 195 20 306 C1 beschriebenen, zusammengesetzten Nockenwelle handelt es sich um eine mittelbare formschlüssige Verbindung. Es wird eine gewellte Spannhülse eingesetzt, die in eine rotationssymmetrische Wellenverzahnung und in eine ebenfalls rotationssymmetrische Innenverzahnung an der Nockenscheibenöffnung greift. Nachteilig ist hierbei allerdings die Handhabung der Spannhülse als separates Bauteil.
Die EP 0 580 200 B1 bezieht sich auf die Ausgestaltung der Nockenscheibe zum Zwecke des Leichtbaus, wozu dieselbe aus einem dünnen Blech hergestellt wird. Diese Konstruktion dürfte jedoch die an eine Nockenwelle gestellten Festigkeitsanforderungen kaum erfüllen können.
Die Ausbildung der axialen Übergangszone zwischen zwei nahe bei einander liegenden Nockenerhebungen ist aus der EP 0 459 466 B1 bekannt. Dies ist nur für einstückige, jedoch nicht für gebaute Nockenwellen von Bedeutung.
In dem in der EP 0 650 550 B1 vorgeschlagenen Verfahren wird ein Nockenscheibenträgerrohr mechanisch durch einen durchgestoßenen oder durchgezogenen Dorn aufgeweitet. Dazu ist erforderlich, dass das Nockenscheibenträgerrohr vor dem Fügen unterschiedliche Wandstärken hat. Die Fügefläche kann Ausnehmungen, Taschen oder eine Verzahnung aufweisen. Falls für das Profil der Fügefläche eine Verzahnung vorgesehen ist, ist diese an beiden Fügepartnern, also an der Nockenwelle und an den Nockenscheiben anzubringen.
Bei dem sehr ähnlichen Verfahren gemäß der EP 0 663 248 B1 werden in ein Rohr mittels eines stufenförmigen Dorns umformtechnisch unterschiedliche Wandstärken eingearbeitet.
Eine weitere gebaute Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben sind in der DE 100 61 042 C2 beschrieben. Hier wird ein kegeliger Bogenkeil eingesetzt. Maximal zwei Kurbelwangen können durch gegenseitiges Verdrehen auf einen Hubzapfen gefügt werden. Die Fügeflächen müssen wegen der hohen Toleranzanforderungen zerspanend bearbeitet werden. Beim Fügen wird die Welle im Wesentlichen elastisch verformt, wobei die Verbindung wieder lösbar ist.
Sämtliche der beschriebenen Verfahren sind somit nicht in der Lage, die an eine hoch beanspruchte Nockenwelle gestellten Anforderungen im Sinne einer einfachen und kostengünstig zu realisierenden Lösung zu erfüllen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwelle zu schaffen, die hohen Festigkeitsanforderungen gerecht wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, das mit relativ geringem Aufwand und somit geringen Kosten durchführbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist am Umfang derjenigen Abschnitte der Nockenscheibenträgerwelle, in denen die Nockenscheiben angebracht sind, ein einzelnes, aus einander abwechselnden Erhöhungen und Vertiefungen gebildetes keilförmiges Bogenprofil vorgesehen. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen handelt es sich somit nicht um rotationssymmetrische oder umlaufende Rillen oder Wulste, sondern bei jeder Nockenscheibenbefestigung um ein nicht kreisrundes Profil. Die Nockenscheiben sind durch die kontinuierliche Vergrößerung des Radius der Nockenscheibenträgerwelle mit derselben mittels eines Querpressverbandes, bei dem keine spezielle Beschichtung der Kontaktflächen erforderlich ist, verbunden. Dadurch ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung der Nockenscheibenträgerwelle eine Fixierung der Nockenscheiben ohne Zusatzmaterial oder die Notwendigkeit weiterer Verfahrensschritte gegeben.
Dadurch, dass erfindungsgemäß um den Umfang der Nockenscheibenträgerwelle und der Bohrung der Nockenscheiben genau ein keilförmiges Bogenprofil vorgesehen ist, ist zum einen bei gleicher Steigung des keilförmigen Bogenprofils eine größere Durchmesserdifferenz und somit eine höhere Festigkeit der Verbindung erreichbar. Zum anderen ist die zwangsläufig vorhandene Verlustzone, also der Bereich, in dem die Nockenscheiben nicht in Berührung mit der Nockenscheibenträgerwelle stehen, kleiner, sodass der Querschnitt der Verbindung unabhängig vom anfänglich vorhandenen Fügespiel besser ausgenutzt wird.
Es ist davon auszugehen, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen der Nockenscheibenträgerwelle und den Nockenscheiben gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich höher ausfällt als bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik. Darüber hinaus ist es bei der erfindungsgemäßen Nockenwelle möglich, unbearbeitete Nockenscheiben mit der Nockenscheibenträgerwelle zu verbinden, was eine erhebliche Zeit- und somit Kosteneinsparung darstellt.
Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Innenprofil der Bohrung der Nockenscheiben spiegelverkehrt zum Innenprofil der Bohrung des Antriebsrads ausgebildet ist, so kann die Anbringung der Nockenscheiben und des wenigstens einen Antriebsrads an der Nockenscheibenträgerwelle auf besonders einfache Weise dadurch erfolgen, dass das Antriebsrad gedreht wird, während die Nockenscheiben in einer starren Position gehalten werden. Die hierfür erforderliche Vorrichtung kann besonders einfach aufgebaut sein und das beschriebene Verfahren ist sehr einfach zu beherrschen.
Darüber hinaus führt diese Vorgehensweise dazu, dass die Drehrichtung der Nockenwelle unter Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine in direktem Zusammenhang mit der Profilgeometrie steht, wodurch sich die Festigkeit der erfindungsgemäßen Nockenwelle noch weiter erhöht. Wenn sämtliche Nockenscheiben gleichzeitig mit dem Nockenwellenantriebsrad gefügt werden, so ist darüber hinaus der teure Räumvorgang bei der Bearbeitung der Nockenscheiben nicht erforderlich, da eventuell vorhandene Maßabweichungen ausgeglichen werden.
Eine besonders hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen Nockenwelle ergibt sich, wenn die Nockenscheibenträgerwelle als Vollwelle ausgebildet ist. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Nockenscheibenträgerwelle als Hohlwelle ausgebildet ist. Hierbei sollte jedoch vorgesehen sein, dass zur Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle ein Dorn in die Hohlwelle eingeschoben wird.
Eine besonders einfache Umformung der Nockenscheibenträgerwelle ist möglich, wenn die Tiefe der Vertiefungen sich kontinuierlich mit der Vergrößerung der Erhöhungen erhöht.
Eine verfahrensmäßige Lösung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 8.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt so große Fertigungstoleranzen zu, dass die Weichbearbeitung der Bohrung der Nockenscheiben entfallen und somit eine Kostenersparnis erreicht werden kann. Zudem ist es bei der vorliegenden Erfindung nur erforderlich, das Außenprofil der Nockenscheibenträgerwelle umzuformen und nicht gleichzeitig auch die Nockenscheiben. Dies hat den Vorteil, dass die kontaktierende Fügefläche größer ist und dass keine anderen Hilfsmittel, wie zum Beispiel vorbereitendes Aufschrumpfen der Nockenscheiben auf die Nockenscheibenträgerwelle oder nachfolgendes Aufweiten der Nockenscheibenträgerwelle oder gar Verlöten der Fügeflächen erforderlich ist.
Die Nockenscheiben werden erfindungsgemäß mit Spiel auf die Nockenscheibenträgerwelle aufgeschoben und durch eine Drehbewegung fixiert. Dadurch sowie aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie spielt vorteilhafterweise die Frage der Zentrierung der Fügepartner kaum keine Rolle, wodurch der Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren relativ gering ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Anbringung der Nockenscheiben und des wenigstens einen Antriebsrads an der Nockenscheibenträgerwelle die Nockenscheibenträgerwelle plastisch verformt wird, wobei die Nockenscheiben und das wenigstens ein Antriebsrad elastisch aufgeweitet werden. Nach der Einbringung der Vertiefungen und Erhöhungen in das Wellenprofil, um durch die sich um die Aufweitungen herum ergebende Hüllkurve ein Bogenkeilprofil auszuformen, kann durch diese plastische Verformung der Nockenscheibenträgerwelle das Profil derselben beim Fügen teilweise wieder geglättet werden. Die Verbindung zwischen der Nockenscheibenträgerwelle und den Nockenscheiben hält auf diese Weise im Wesentlichen durch die plastische Umformung der Welle beim Fügen und durch die elastische Aufweitung der Nabe. Vorteilhaft ist dies auch, wenn die einzelnen Nockenscheiben gewisse Maßabweichungen aufweisen, da diese durch die plastische Verformung ausgeglichen werden.
Wenn die Erhöhungen und Vertiefungen'mittels Kaltumformung in die Nockenscheibenträgerwelle eingebracht werden, so ergibt sich eine weitere Erhöhung der Festigkeit der Nockenwelle. Eine spezielle Wärmebehandlung' oder eine andere besondere Maßnahme zur Festigkeitssteigerung ist dadurch nicht erforderlich.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Erhöhungen und Vertiefungen mittels zweier sich relativ zueinander bewegender, stangenförmiger Walzwerkzeuge in die Nockenscheibenträgerwelle eingebracht werden. Je nach Anforderungen an die Erhöhungen und Vertiefungen der Verzahnung sind erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber konventionellen Verfahren wie Wälzfräsen oder Wälzstoßen möglich. Im Vergleich zu einer zerspanend hergestellten Verzahnung hat die bei Raumtemperatur umformtechnisch geformte Verzahnung vorteilhafterweise eine höhere Festigkeit.
Das Profil der Nockenscheibenbohrung kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Schmieden in der erforderlichen Endqualität erzeugt werden, was zu einer weiteren Vereinfachung der Herstellung der erfindungsgemäßen Nockenwelle führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Dabei zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
Fig. 2: eine erste Ausführungsform der Einbringung von Erhöhungen und Vertiefungen in die Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
Fig. 3: das Verfahren aus Fig. 2 in einem zweiten Zustand;
Fig. 4: das Verfahren aus Fig. 2 in einem dritten Zustand;
Fig. 5: das Verfahren aus Fig. 2 in einem vierten Zustand;
Fig. 6: eine Abwandlung des Verfahrens aus Fig. 2;
Fig. 7: eine zweite Ausführungsform der Einbringung von Erhöhungen und Vertiefungen in die Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
Fig. 8: das Verfahren aus Fig. 7 in einem zweiten Zustand;
Fig. 9: das Verfahren aus Fig. 7 in einem dritten Zustand;
Fig. 10: die Anbringung des Antriebsrads an der Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem'erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
Fig. 11: die Anbringung einer Nockenscheibe an der Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Zustand;
Fig. 12: das Verfahren aus Fig. 10 in einem zweiten Zustand;
Fig. 13: das Verfahren aus Fig. 11 in einem zweiten Zustand;
Fig. 14: das Verfahren aus Fig. 10 in einem dritten Zustand;
Fig. 15: das Verfahren aus Fig. 11 in einem dritten Zustand;
Fig. 16: das Verfahren aus Fig. 10 in einem vierten Zustand; und
Fig. 17: das Verfahren aus Fig. 11 in einem vierten Zustand.

Fig. 1 zeigt eine gebaute Nockenwelle 1, die eine Nockenscheibenträgerwelle 2 aufweist, auf der im zusammengebauten Zustand an jeweiligen Abschnitten 2a derselben eine Mehrzahl von Nockenscheiben 3 sowie ein Nockenwellenantriebsrad bzw. Antriebsrad 4 drehfest angebracht sind. Die Nockenwelle 1 dient in bekannter Weise dazu, in einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine die Ventilöffnungszeiten zu steuern. Die Nockenscheiben 3, deren Anzahl.von der Brennkraftmaschine abhängt, weisen jeweils eine Bohrung 5 zur Anbringung derselben auf den Abschnitten 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 auf und sind im allgemeinen um einen bestimmten Winkel gegen einander versetzt.
Die Nockenwelle 1 weist des weiteren mehrere Lagerstellen 6 auf, in denen sie unter Betriebsbedingungen in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine abgestützt wird. In Fig. 1 ist die Nockenwelle 1 in ihrem nicht zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4 jeweils Spiel s1, s2 und s3 gegenüber der Nockenscheibenträgerwelle 2 aufweisen. Es ist zu erkennen, dass der axiale Abstand a zweier benachbarter Nockenscheiben 3 größer ist als die Breite b einer Nockenscheibe 3.
Als Ausgangsmaterial für die Nockenscheibenträgerwelle 2 wird vorzugsweise ein Rundmaterial aus Stahl verwendet, das beispielsweise warm gewalzt sein kann. Die Anforderungen an den Werkstoff der Nockenscheibenträgerwelle 2 sind eine gewisse Kaltumformbarkeit und Zähigkeit. Eine spezielle Wärmebehandlung durch Vergüten oder eine besonders hohe Verschleißfestigkeit ist nicht erforderlich. Es können aber auch gezogene Rundmaterialien mit kreisförmigem Ausgangsquerschnitt als Halbzeuge für die Nockenscheibenträgerwelle 2 verwendet werden. Hohlkörper wie Rohre können ebenfalls Verwendung finden, wodurch die gesamte Nockenwelle 1 eine geringere Masse erhielte und auf eine Tieflochbohrung zur Versorgung von Schmierstellen verzichtet werden könnte. Zur später beschriebenen Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle 2 sollte in diesem Fall jedoch ein Dorn in die Hohlwelle eingeschoben werden.
Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 beschrieben, wird in die Nockenscheibenträgerwelle 2 ein verzahnungsähnliches Profil mit mehreren lokalen Erhöhungen 7 und einer entsprechenden Anzahl an lokalen Vertiefungen 8 eingebracht, die abwechselnd zueinander angeordnet sind. Durch das gezielte Einbringen der Vertiefungen 8 in die Oberfläche der Nockenwellenträgerwelle 2 wird durch Materialverdrängung als Hüllkurve sämtlicher Erhöhungen 7 ein keilförmiges Bogenprofil 9 erzeugt, wobei die Außenkontur der Abschnitte 2a ähnlich einer Verzahnung mit unterbrochenen Tragflächen ausgeführt ist. Die in die Welle eingebrachten Vertiefungen 8 stellen keine Mikroverzahnung zur Erhöhung des Reibschlusses dar. Sie können bestenfalls als Makroverzahnung verstanden werden.
Zur Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle 2 sind zwei stangenförmige Walzwerkzeuge vorgesehen, die im folgenden der Einfachheit halber als Walzstangen 10 und 11 bezeichnet werden und auf ihren jeweiligen zueinander gerichteten Seiten mit Profilen versehen sind, die mit sich abwechselnden Lücken und Vorsprüngen versehen sind und bei einer relativen Bewegung der beiden Walzstangen 10 und 11 durch Kaltumformung die Erhöhungen 7 und die Vertiefungen 8 in die Nockenscheibenträgerwelle 2 einbringen. Zur Bearbeitung wird die Nockenscheibenträgerwelle 2 vorzugsweise zwischen nicht dargestellte Spitzen eingespannt, woraufhin sich die Walzstangen 10 und 11 in Richtung der mit V₁₀ und V₁₁ bezeichneten Pfeile synchron und mit gleicher Geschwindigkeit in Bewegung setzen. Dadurch wird die Nockenscheibenträgerwelle 2 gemäß dem Pfeil V₂ in Drehung versetzt und bewegt sich während der Bearbeitung mehrere Male um ihre eigene Achse. Die Länge der beiden Walzstangen 10 und 11 entspricht demnach einem Vielfachen des Durchmessers bzw. des Umfangs der Nockenscheibenträgerwelle 2. Während der translatorischen. Bewegung der Walzstangen 10 und 11 üben diese einen radialen Druck auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 aus und formen dieselbe um. Aus den Figuren 2 bis 5 ist erkennbar, dass sich die Profiltiefe der Walzstangen 10 und 11 über die Länge derselben erhöht, wodurch die erforderlichen Umformkräfte sich verändern.
Der gesamte, in den Figuren 2 bis 5 im Ablauf dargestellte Walzvorgang kann nach wenigen Sekunden beendet sein, wonach die Walzstangen 10 und 11 in ihre Ausgangslage zurückfahren. Daraufhin kann die Nockenscheibenträgerwelle 2 entlang ihrer Längsachse zu dem nächsten umzuformenden Abschnitt 2a verschoben werden, worauf sich die Einbringung der Erhöhungen 7 und der Vertiefungen 8 zur Bildung des keilförmigen Bogenprofils 9 wiederholt.
Bei der Umformung bildet jede quer zur. Bewegungsrichtung der Walzstangen 10 und 11 verlaufende Lücke des Profils der Walzstangen 10 und 11 eine Erhöhung 7 und jeder ebenfalls quer zur Bewegungsrichtung der Walzstangen 10 und 11 verlaufende Vorsprung eine Vertiefung 8 auf der Nockenscheibenträgerwelle 2 aus. Aus der dargestellten Ausführung des Profils der Walzstangen 10 und 11 wird deutlich, dass die Erhöhungen 7 den Radius der Nockenscheibenträgerwelle 2 kontinuierlich vergrößern, da jede nachfolgende Lücke des Profils tiefer ist als die jeweils vorhergehende. Im vorliegenden Fall bedeutet dies auch, dass je höher die Vorsprünge des Profils der Walzstangen 10 und 11 ausgebildet sind, desto tiefer die dahinterliegende Lücke ist, was die Materialverdrängung während des Umformvorgangs erleichtert.
Im vorliegenden Fall ist das durch die Umformung entstehende keilförmige Bogenprofil 9, also die Hüllkurve um die Erhöhungen 7, als archimedische oder logarithmische Spirale ausgeführt. Für das keilförmige Bogenprofil 9 kämen neben einer archimedischen oder logarithmischen Spirale auch mathematische Funktionen höherer Ordnung, wie z.B. die fermatsche, galileische oder hyperbolische Spirale, Sinusspirale, Lemniskate, Quadratrix oder auch andere in Betracht, wobei die Funktion selbst von untergeordneter Bedeutung ist. Entscheidend ist lediglich, dass das keilförmige Bogenprofil 9 eine in Polarkoordinaten mit dem Drehwinkel..sich erweiternde, öffnende Funktion ist und von der Kreisform abweicht. Das Zentrum dieser Funktion muss nicht zwangsläufig mit der Drehachse der Nockenscheibenträgerwelle 2 zusammenfallen, sodass auch exzentrische Spiralen möglich sind.
Die geometrischen Zusammenhänge vereinfachen sich, wenn als Hüllprofil für die Verbindung der Nockenscheiben 3 mit der Nockenscheibenträgerwelle 2 eine archimedische Spirale mit der Steigung tanα gewählt wird. In diesem Fall liegen die tiefsten Punkte sämtlicher Lücken des Profils der Walzstangen 10 und 11 auf einer Geraden, die mit der Bewegungsrichtung v₁₀ und v₁₁ der Walzstangen 10 und 11 den Steigungswinkel α einschließt. Allerdings kann gegebenenfalls auch vorgesehen sein, dass die tiefsten Punkte sämtlicher Lücken des Profils der Walzstangen 10 und 11 auf einer Kurvenbahn liegen. Dies gilt im übrigen auch für die höchsten Punkte sämtlicher höchsten Punkte der Vorsprünge des Profils der Walzstangen 10 und 11.
Bei der Bearbeitung eines Vorsprungs sind jeweils zwei Walzstangen 10 und 11 vorgesehen, um während des Walzvorgangs die Nockenscheibenträgerwelle 2 abzustützen und die Walzkräfte abzuleiten. Vorzugsweise sind die Walzstangen 10 und 11 geometrisch gleich ausgebildet und sind mit einem derartigen Versatz zueinander angeordnet, der dem halben mittleren Umfang der Nockenscheibenträgerwelle 2 entspricht. Die Walzstangen 10 und 11 können dahingehend optimiert werden, dass die erforderlich Umformarbeit zur Einbringung des keilförmigen Bogenprofils 9 in die Nockenscheibenträgerwelle 2 gleichmäßig auf beide Walzstangen 10 und 11 verteilt wird. Die Nockenscheibenträgerwelle 2 kann indirekt über die Abwälzbewegung der Walzstangen 10 und 11 von denselben angetrieben werden. Es ist jedoch auch möglich, die Nockenscheibenträgerwelle 2 während des Walzens über einen eigenen geregelten Drehantrieb anzutreiben, wozu die Nockenscheibenträgerwelle 2 in einer geeigneten Aufnahmevorrichtung, wie z.B. einem Backenfutter oder einer Spannzange, gespannt sein muss.
Vorzugsweise bestehen die Walzstangen 10 und 11 aus gehärtetem Stahl und weisen die Breite b der Nockenscheiben 3 auf. Die Vertiefungen können durch bekannte Bearbeitungstechniken in die Walzstangen 10 und 11 eingebracht werden, wozu beispielsweise das Flachschleifen und das Tiefschleifen mit einer entsprechend profilierten Schleifscheibe zählen. Das Schleifscheibenprofil wiederum kann beispielsweise über das CNC-gesteuerte Abrichten mittels Diamantfliese in die Schleifscheibe eingearbeitet werden.
Für jeden Abschnitt 2a, an dem eine Nockenscheibe 3 an der Nockenscheibenträgerwelle 2 befestigt wird, ist, wie oben angedeutet, ein separater, nach einander durchzuführender Umformvorgang vorgesehen, wozu die Nockenscheibenträgerwelle 2 gespannt bleibt. Zwischen den Umformvorgängen muss die Nockenscheibenträgerwelle 2 jedoch in ihrer Drehlage entsprechend dem erforderlichen Drehwinkelversatz der Nockenscheiben 3 neu positioniert und gegebenenfalls inklusive des Drehantriebs axial entsprechend um den Abstand a+b der zueinander benachbarten Nockenscheiben 3 verschoben werden.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist es aber auch möglich, alle Abschnitte 2a für die Nockenscheiben 3 in einem einzigen Wälzschritt auszuformen. Hierzu müssen für jeden Abschnitt 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 jeweils zwei Walzstangen 10, 10' und 11, 11' bzw. eine der Anzahl der Nockenscheiben 3 entsprechende Anzahl an Walzstangenpaaren 10 und 11, 10' und 11', ... im Abstand a vorgesehen werden, wodurch sich die Produktivität des Walzablaufes erheblich erhöht. Dabei sind sämtliche unteren Walzstangen 11 und 11' an einem quer zur Drehachse der Nockenscheibenträgerwelle 2 verschiebbaren Unterschlitten 12 befestigt, wodurch die unteren Walzstangen 11 und 11' gleichzeitig synchron zur Drehung der Nockenscheibenträgerwelle 2 bewegt werden können. Nicht dargestellt ist ein Oberschlitten, der alle oberen Walzstangen 10, 10', ... aufnimmt und gegenläufig zum Unterschlitten 12 verfährt.'
In den Figuren 7, 8 und 9 ist ein alternatives Umformverfahren zur Ausbildung des keilförmigen Bogenprofils 9 in die Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 dargestellt. Hierzu ist ein Gesenk 13 vorgesehen, welches im vorliegenden Fall drei zueinander bewegliche Gesenkteile 13a, 13b und 13c mit einer jeweiligen, die Erhöhungen 7 und die Vertiefungen 8 bildenden Profilierung aufweist. In dem Gesenk 13 wird durch die dargestellte Schließ- und Öffnungsbewegung der Gesenkteile 13a, 13b und 13c die Nockenscheibenträgerwelle 2 unter anschwellender oder pulsierender Druckbeaufschlagung, beispielsweise durch Hämmern, umgeformt. Die Gesenkteile 13a, 13b und 13c weisen jeweils die Breite b der Nockenscheiben 3 auf. Bei der Bearbeitung führen die Gesenkteile 13a, 13b und 13c eine radiale Bewegung relativ zu der Nockenscheibenträgerwelle 2 aus, wobei die Krafteinleitung für die Umformung des Materials mit Hilfe einer bekannten, linear geführten Aktorik hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch erfolgen kann.
Ähnlich dem zuvor beschriebenen Walzprofilieren werden die einzelnen Profilquerschnitte der Nockenscheibenträgerwelle 2, also die umzuformenden Abschnitte 2a, nacheinander gebildet, wozu die Nockenscheibenträgerwelle 2 jeweils vor dem Umformen in eine neue Drehwinkellage gebracht wird. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, mehrere Gesenke 13 in Längsrichtung der Nockenscheibenträgerwelle 2 anzuordnen und sämtliche Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 gleichzeitig mit dem keilförmigen Bogenprofil 9 zu versehen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform wäre es auch möglich, die Nockenscheibenträgerwelle 2 zu gießen, wozu die entsprechende Gießform zumindest an den Abschnitten 2a ähnlich dem Gesenk 13 ausgeführt sein könnte.
Die Herstellung der Nockenscheiben.3 ist in den Figuren nicht dargestellt. Diese können beispielsweise geschmiedet werden, wobei die geschmiedete Kontur zweckmäßigerweise nahe der Endkontur der Nockenscheiben 3 liegt. Es ist dann lediglich noch erforderlich, die äußere Funktionsfläche der Nockenscheiben 3 zur Ventilsteuerung spanabhebend zu bearbeiten. Dies gilt im Übrigen auch für die Lagerstellen 6 der Nockenscheibenträgerwelle 2 nach dem im folgenden beschriebenen Zusammenbau der Nockenwelle 1. Auch eine Herstellung der Nockenscheiben 3 durch Gießen oder Sintern ist möglich. Wie in den Figuren 10 bis 17 zu erkennen, ist das Innenprofil der Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3 an die Erhöhungen 7 und somit an die Vergrößerung des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle 2 und damit an das keilförmigen Bogenprofil 9 angepasst.
Die unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 6 bzw. 7 bis 9 beschriebene Fertigungstechnik zur umformtechnischen Ausbildung der Abschnitte 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 zur Aufnahme der Nockenscheiben 3 kann in identischer Weise auch für das Wellenprofil zur Aufnahme einer Bohrung 14 des Antriebrads 4 übernommen werden. Aus nachfolgend erläuterten Gründen besteht der Unterschied lediglich darin, dass die Windungs- bzw. Öffnungsorientierungen des keilförmigen Bogenprofils 9 des Wellenprofils zur Aufnahme des Antriebrads 4 spiegelverkehrt zu den keilförmigen Bogenprofilen 9 zur Aufnahme der Nockenscheiben 3 sind. Aus Montagegründen wird zudem im Allgemeinen die Steigung des keilförmigen Bogenprofils 9 des Wellenprofils zur Aufnahme des Antriebrads 4 größer sein als diejenige zur Aufnahme der Nockenscheiben 3.
Die Bohrung 14 des Antriebrads 4 entspricht ebenfalls im Wesentlichen der Bohrung 5 der Nockenscheiben 3. Allerdings ist das Innenprofil der Bohrung 5 der Nockenscheiben 3 spiegelverkehrt zum Innenprofil der Bohrung 14 des Antriebsrads 4 ausgebildet.
Jeweils paarweise zeigen die Figuren 10 und 11, 12 und 13, 14 und 15 sowie 16 und 17 den Ablauf bei einer möglichen Ausführungsform der Anbringung der Nockenscheiben 3 und des Antriebsrads 4 auf der Nockenscheibenträgerwelle 2. In Fig. 10 ist dargestellt, dass das Antriebsrad 4 mittels dreier Spannelemente 15 eingespannt ist. Die Spannelemente 15 sind Teil einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Drehvorrichtung, welche über einen Drehantrieb verfügt, der vorzugsweise geregelt ist und über eine Überwachung der Winkellage der Spannelemente 15 und somit des Antriebsrads 4 verfügt. Dagegen sind die Nockenscheiben 3, wie aus Fig. 11 erkennbar, mittels zweier Spannelemente 16 drehfest gespannt und in ihrer Lage fixiert. Wird nun, wie in Fig. 12 und 13 dargestellt, das Antriebsrad 4 um den Winkel φ1 gegen die fixierten Nockenscheiben 3 verdreht; so baut sich das anfängliche Fügespiel s1 des Antriebsrads 4 gegen die Nockenscheibenträgerwelle 2 auf 0 ab. Eine Verdrehung der Nockenscheibenträgerwelle 2 gegenüber den Nockenscheiben 3 erfolgt jedoch nicht.
Bei der in den Figuren 14 und 15 dargestellten weiteren Verdrehung des Antriebsrads 4 gegen die fixierten Nockenscheiben 3 um den Winkel φ2 wird die Nockenscheibenträgerwelle 2 durch formschlüssige Mitnahme ebenfalls in Drehung um den Winkel φ2 gesetzt. Durch diese Drehmitnahme der Nockenscheibenträgerwelle 2 gegenüber den Nockenscheiben 3 um den Winkel φ2 baut sich das anfängliche Fügespiel s2 ebenfalls auf 0 ab, was in Fig. 15 erkennbar ist. Aufgrund der Maßtoleranzen wird der Abbau des anfänglichen Fügespiels s2 an jeder Nockenscheibe 3 zu einem anderen Zeitpunkt bzw. bei einer anderen Drehwinkellage des Antriebsrads 4 erreicht.
Bei der weiteren Verdrehung des Antriebsrads 4 um den Winkel φ3, wie in Fig. 16 dargestellt, wird die plastische Verformbarkeit der Nockenscheibenträgerwelle 2 und insbesondere des keilförmigen Bogenprofils 9 derselben ausgenutzt. Durch das Drehmoment, welches zum Verdrehen des Antriebsrads 4 um den Winkel φ3 erforderlich ist und über die Drehvorrichtung des Antriebsrads 4 auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 wirkt, bilden sich unter anderem in radialer Richtung wirkende Reaktionskräfte aus. Diese wirken von den Nockenscheiben 3 auf die Nockenscheibenträgerwelle 2, wodurch sich die Breite der Erhöhungen 7 des keilförmigen Bogenprofils 9 von einer anfänglichen Breite d1, wie in Fig. 15 dargestellt, zu einer Breite d2, wie in Fig. 17 dargestellt, verformt. Auf diese Weise kommt es zu einer Stauchung sämtlicher keilförmiger Bogenprofile 9 der Nockenscheibenträgerwelle 2, wobei der Werkstoff in die Vertiefungen 8 verdrängt wird. Während sich die Nockenscheibenträgerwelle 2 in den Fügeflächen innerhalb der von den Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3 umschlungenen Bereichen plastisch verformt, bewirken die Fügekräfte eine im wesentlichen elastische Aufweitung der Nockenscheiben 3. Auf diese Weise stellt sich zwischen jeder Nockenscheibe 3 und den Abschnitten 2a der Nockenscheibenträgerwelle 2 ein Pressverband ein.
Gleichzeitig bewirkt das beim Fügen durch das Antriebsrad 4 in die Nockenscheibenträgerwelle 2 eingeleitete Drehmoment eine plastische Verformung jenes Wellenprofils, das vom Antriebsrad 4 umschlungen wird. Hier vergrößert sich unter dem radialen Pressdruck die anfängliche Breite der Erhöhungen d1 gemäß Fig. 14 wie bei den Nockenscheiben 3 ebenfalls auf die Breite d2 gemäß Fig. 16. In Analogie zur Aufweitung der Nockenscheiben 3 wird auch die Bohrung 14 des Antriebrads 4 durch das Montagedrehmoment elastisch aufgeweitet. Wie bereits erwähnt hat im Allgemeinen die Bohrung 14 des Antriebsrads 4 eine größere radiale Ausdehnung als die Bohrungen 5 der Nockenscheiben 3. Durch die entsprechende Auslegung der Geometrieparameter wird erreicht, dass während der Montagedrehbewegung um den Winkel φ3 sich alle unrunden Wellenprofile gleichzeitig verformen. Mit geeigneten Maßnahmen sollte dabei verhindert werden, dass das Antriebsrad 4 beim Fügen unter Einwirkung der Fügekräfte über der Nockenscheibenträgerwelle 2 durchrutscht.
Nachdem der vorgegebene Drehwinkel φ3 erreicht ist, schaltet die Drehsteuerung der Drehvorrichtung die Drehbewegung des Antriebrads 4 ab, wodurch das Montagedrehmoment auf null abfällt. Die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4 federn in die radiale Richtung zurück und bauen ihre elastische Aufweitung teilweise wieder ab. Sie üben auf die plastisch verformte Nockenscheibenträgerwelle 2 einen bleibenden radialen Druck aus, der das Lösen der einzelnen Fügeverbindungen der Nockenscheiben 3 gegen die Nockenscheibenträgerwelle 2 sowie des Antriebsrads 4 gegen die Nockenscheibenträgerwelle 2 verhindert. Zugleich stellen sich für die Nockenscheiben 3 und das Antriebsrad 4 die kraftschlüssig wirkenden axialen Verschiebesicherungen ein.
Durch die oben beschriebene Fügebearbeitung entsteht die fertige gebaute Nockenwelle 1, wobei durch bekannte Feinbearbeitungsverfahren die Lagerstellen 6 sowie die äußeren Funktionsflächen bearbeitet werden können, beispielsweise durch Spitzenlosrundschleifen für die Lagerstellen 6 und durch Nockenformschleifen für die Außenkontur der gefügten Nockenscheiben 3.
In dem in die Brennkraftmaschine eingebauten Zustand weist die Nockenwelle 1 unter Betriebsbedingungen vorzugsweise die gleiche Drehrichtung wie das Antriebsrad 4 bei der Montage auf die Nockenscheibenträgerwelle 2 auf. Demnach erfolgt die Übertragung des Nockenwellenantriebmoments von dem Antriebsrad 4 über die Nockenscheibenträgerwelle 2 auf die Nockenscheiben 3 formschlüssig.
Alternativ zu dem beschriebenen Fügevorgang, bei dem das Antriebsrad 4 gegenüber der Nöckenscheibenträgerwelle 2 verdreht wird, wäre es auch möglich, eine beliebige Nockenscheibe 3 zu verdrehen. Des weiteren könnten auch das Antriebsrad 4 sowie die Nockenscheiben 3 einzeln mit der Nockenscheibenträgerwelle 2 verbunden werden, wobei in diesem Zusammenhang eine Überwachung des aufgebrachten Drehmoments sinnvoll wäre.
Zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis sind in den Figuren die Parameter, insbesondere die Steigung des keilförmigen Bogenprofils 9, die Teilung der Erhöhungen 7 und der Vertiefungen 8 sowie die Ausbildung der Zahnformen extrem gewählt. In der Praxis wird die Abweichung des keilförmigen Bogenprofils 9 von der Kreisform geringer sein, wobei ein geringerer Unterschied des größten Radius der Abschnitte 2a vom kleinsten Radius, also eine kleinere Steigung des keilförmigen Bogenprofils 9 zu einer besseren Selbsthemmung führt. Der Verdrehwinkel φ3 kann jedoch die Größe von 180° und mehr erreichen.

Claims

Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenscheibenträgerwelle, auf der mehrere Nockenscheiben und ein Antriebsrad angebracht sind, wobei sich der Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle in denjenigen Abschnitten, in denen die Nockenscheiben angebracht sind, kontinuierlich verändert, und wobei die Nockenscheiben eine Bohrung aufweisen, deren Innenradius sich kontinuierlich verändert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) in denjenigen Abschnitten (2a), in denen die Nockenscheiben (3) angebracht sind, abwechselnd mit Erhöhungen (7) und Vertiefungen (8) versehen ist, die über den Umfang des Abschnitts (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein keilförmiges Bogenprofil (9) bilden, wobei die Erhöhungen (7) den Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) kontinuierlich vergrößern, dass die Bohrung (5) der Nockenscheiben (3) an die Vergrößerung des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) angepasst ist, und dass um den Umfang der Nockenscheibenträgerwelle (2) und der Bohrung (5) der Nockenscheiben (3) genau ein keilförmiges Bogenprofil (9) vorgesehen ist.
Nockenwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der axiale Abstand (a) zweier benachbarter Nockenscheiben (3) größer ist als die Breite (b) einer Nockenscheibe (3).
Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Innenprofil der Bohrung (5) der Nockenscheiben (3) spiegelverkehrt zum Innenprofil einer Bohrung (14) des Antriebsrads (4) ausgebildet ist.
Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) als Vollwelle ausgebildet ist.
Nockenwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheibenträgerwelle (2) als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei zur Bearbeitung der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein Dorn in die Hohlwelle eingeschoben wird.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tiefe der Vertiefungen (8) sich kontinuierlich mit der Vergrößerung der Erhöhungen (7) erhöht.
Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keilförmige Bogenprofil (9) als archimedische oder logarithmische Spirale ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei welchem auf einer Nockenscheibenträgerwelle mehrere Nockenscheiben und wenigstens ein Antriebsrad angebracht werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass in diejenigen Abschnitte (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2), an denen die Nockenscheiben (3) angebracht werden, abwechselnd Erhöhungen (7) und Vertiefungen (8) derart eingebracht werden, dass.der Umfang des Abschnitts (2a) der Nockenscheibenträgerwelle (2) ein den Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) kontinuierlich vergrößerndes keilförmiges Bogenprofil (9) als Hüllkurve bildet, dass in die Nockenscheiben (3) eine an die Vergrößerung des Außenradius der Nockenscheibenträgerwelle (2) angepasste Bohrung (5) eingebracht wird, und dass die Nockenscheiben (3) und das wenigstens eine Antriebsrad (4) durch gegenseitige Verdrehung an der Nockenscheibenträgerwelle (2) angebracht werden, wobei die Nockenscheiben (3) und das wenigstens eine Antriebsrad (4) und/oder die Nockenscheibenträgerwelle (2) elastisch verformt werden.
Verfahren nach Anspruch 8;
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Anbringung der Nockenscheiben (3) und des wenigstens einen Antriebsrads (4) an der Nockenscheibenträgerwelle (2) die Nockenscheibenträgerwelle (2) plastisch verformt wird, wobei die Nockenscheiben (3) und das wenigstens ein Antriebsrad (4) elastisch aufgeweitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Anbringung der Nockenscheiben (3) und des wenigstens einen Antriebsrads (4) an der Nockenscheibenträgerwelle (2) das Antriebsrad (4) gedreht wird, während die Nockenscheiben (3) in einer starren Position gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels Kaltumformung in die Nockenscheibenträgerwelle (2) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels zweier sich relativ zueinander bewegender, stangenförmiger Walzwerkzeuge (10,11) in die Nockenscheibenträgerwelle (2) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhöhungen (7) und die Vertiefungen (8) mittels Hämmern in einem Gesenk (13) in die Nockenscheibenträgerwelle (2) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nockenscheiben (3) mittels Schmieden hergestellt werden.