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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.
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Derartige
Nockenwellen, die aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestehen
und in Brennkraftmaschinen zur Steuerung der Ventilöffnungszeiten
eingesetzt werden, werden als gebaute Nockenwellen bezeichnet.
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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.
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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.
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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 zusammenge bauten Nockenwelle
die Nockenformen und die Nockenwellenlagersitze in unterschiedlichen
Werkstückaufspannungen
geschliffen.
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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.
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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.
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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 Dichtun gen, 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.
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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.
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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.
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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.
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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
aufweisen lässt,
oder dass die Lagerstellen eine höhere Härte bekommen.
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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 auf geweitet.
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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.
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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 auf geweitet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
Massenver teilung der Welle. Das Kaltumformen von Eisengussbauteilen
gilt wegen der Werkstoffsprödigkeit
im Allgemeinen als problematisch.
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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
gewindeähnlichen,
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
dem sehr ähnlichen
Verfahren gemäß der
EP 0 663 248 B1 werden
in ein Rohr mittels eines stufenförmigen Dorns umformtechnisch
unterschiedliche Wandstärken
eingearbeitet.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
besonders einfache Umformung der Nockenscheibenträgerwelle
ist möglich,
wenn die Tiefe der Vertiefungen sich kontinuierlich mit der Vergrößerung der
Erhöhungen
erhöht.
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Eine
verfahrensmäßige Lösung ergibt
sich aus den Merkmalen des Anspruches 8.
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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.
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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.
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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 Pro fil 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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Nockenwelle;
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2 eine
erste Ausführungsform
der Einbringung von Erhöhungen
und Vertiefungen in die Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einem ersten Zustand;
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3 das
Verfahren aus 2 in einem zweiten Zustand;
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4 das
Verfahren aus 2 in einem dritten Zustand;
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5 das
Verfahren aus 2 in einem vierten Zustand;
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6 eine
Abwandlung des Verfahrens aus 2;
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7 eine
zweite Ausführungsform
der Einbringung von Erhöhungen
und Vertiefungen in die Nockenscheibenträgerwelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einem ersten Zustand;
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8 das
Verfahren aus 7 in einem zweiten Zustand;
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9 das
Verfahren aus 7 in einem dritten Zustand;
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10 die
Anbringung des Antriebsrads an der Nockenscheibenträgerwelle
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einem ersten Zustand;
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11 die
Anbringung einer Nockenscheibe an der Nockenscheibenträgerwelle
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einem ersten Zustand;
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12 das
Verfahren aus 10 in einem zweiten Zustand;
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13 das
Verfahren aus 11 in einem zweiten Zustand;
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14 das
Verfahren aus 10 in einem dritten Zustand;
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15 das
Verfahren aus 11 in einem dritten Zustand;
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16 das
Verfahren aus 10 in einem vierten Zustand;
und
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17 das
Verfahren aus 11 in einem vierten Zustand.
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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.
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Die
Nockenwelle 1 weist des weiteren mehrere Lagerstellen 6 auf,
in denen sie unter Betriebsbedingungen in einem Kurbelgehäuse der
Brennkraftmaschine abgestützt
wird. In 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.
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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.
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Wie
nachfolgend unter Bezugnahme auf die 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.
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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 Nockenscheibenträ gerwelle 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 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.
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Der
gesamte, in den 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.
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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 Walzstan gen 10 und 11 ausgebildet sind, desto
tiefer die dahinterliegende Lücke
ist, was die Materialverdrängung
während
des Umformvorgangs erleichtert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
in 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.
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In
den 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.
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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.
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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.
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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 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.
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Die
unter Bezugnahme auf die 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 spiegelver kehrt
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.
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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.
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Jeweils
paarweise zeigen die 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 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 11 erkennbar,
mittels zweier Spannelemente 16 drehfest gespannt und in ihrer
Lage fixiert. Wird nun, wie in 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.
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Bei
der in den 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 Nockenscheibenträger welle 2 gegenüber den
Nockenscheiben 3 um den Winkel ϕ2 baut sich das
anfängliche
Fügespiel
s2 ebenfalls auf 0 ab, was in 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.
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Bei
der weiteren Verdrehung des Antriebsrads 4 um den Winkel ϕ3,
wie in 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 15 dargestellt,
zu einer Breite d2, wie in 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.
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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 14 wie
bei den Nockenscheiben 3 ebenfalls auf die Breite d2 gemäß 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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ
zu dem beschriebenen Fügevorgang,
bei dem das Antriebsrad 4 gegenüber der Nockenscheibenträgerwelle 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.
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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.