DE102009051636A1

DE102009051636A1 - Verfahren zur Herstellung eines Nockenwellenmoduls, Nockenwellenmodul sowie gebauten Nockenwelle

Info

Publication number: DE102009051636A1
Application number: DE102009051636A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Heywood
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011050897A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nockenwellenmoduls (2) sowie ein Nockenwellenmodul und eine gebaute Nockenwelle, insbesondere zur Verwendung in einem derartigen Nockenwellenmodul. Ein derartiges Nockenwellenmodul umfasst eine Lagereinrichtung mit einer Mehrzahl axial beabstandeter, umfänglich geschlossener, einteilig ausgeführter Lageraufnahmen (4) zur drehbaren Lagerung eines Wellenkörpers (6) einer gebauten Nockenwelle (8), sowie eine gebaute Nockenwelle (8), bei der Funktionsbauteile (10) unter Verwendung eines Toleranzringes (12) auf dem Nockenwellenkörper (6) aufgepresst sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: - Bereitstellen der Lagereinrichtung, - Positionieren des Funktionsbauteils (10) im Montagebereich (MB), - seitliches Einschieben des Wellenkörpers (6) in den Montagebereich (MB) durch eine der geschlossenen Lageraufnahmen (4) und Auffädeln des im Montagebereich (MB) positionierten Funktionsbauteils (10), sowie - Montage und axiale Positionierung eines Toleranzringes (12) auf dem Wellenkörper (6) und Herstellung einer Pressverbindung zwischen Wellenkörper (6), Toleranzring (12) und Funktionsbauteil (10) durch axiale Relativverschiebung zwischen Toleranzring (12) und Funktionsbauteil (10). Die erfindungsgemäße Nockenwelle (8) zeichnet sich dadurch aus, dass der Toleranzring (12) für die Pressverbindung zwischen Funktionsbauteilen (10) und Nockenwellenkörper (6) in einer umfänglichen Nut (14) des ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nockenwellenmoduls, ein insbesondere gemäß diesem Verfahren hergestelltes Nockenwellenmodul sowie eine insbesondere zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellenmodul geeignete gebaute Nockenwelle.
Aus der DE 198 31 772 A1 ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der ein Nockenwellengehäuse aufweist, welches einen Grundkörper, einen Deckel und zumindest eine in Lagerstellen gelagerte die Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine steuernde Nockenwelle aufweist. Dabei sind die Lagerstellen durch fluchtende zylindrische Bohrungen in voneinander beabstandeten parallelen Stegen ausgebildet deren Durchmesser geringer als der der Nockenelemente ist. Die (gebaute) Nockenwelle besteht dabei aus im Zylinderkopf zusammen fügbaren Teilen, wobei Lagerelemente in die Bohrungen eingesetzt und mit den Nockenwellenelementen verdrehfest verbunden werden.
Des Weiteren ist aus der DE 103 31 089 A1 eine Zylinderkopfhaube mit integriert gelagerter Nockenwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Zylinderkopfhaube bekannt. Die beschriebene Zylinderkopfhaube weist wenigstens eine Nockenwelle auf, die durch wenigstens eine Lagerbrücke entlang einer Lagergasse für die Nockenwelle in der Zylinderkopfhaube hindurchragt. Dabei weist die Lagerbrücke eine Öffnung bzw. Bohrung auf, die die Nockenwelle in diesem Bereich vollständig umschließt. Die beschriebene Zylinderkopfhaube wird gemäß einem Verfahren hergestellt, bei dem zuerst die Nockenwelle auf eine Temperatur abgekühlt wird, welche unterhalb der Temperatur der Zylinderkopfhaube (welche beispielsweise bei Raumtemperatur liegt) liegt. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die gekühlte (und durch die Abkühlung in ihren Abmaßen verkleinerte bzw. geschrumpfte) Nockenwelle in die als Lagergasse vorgesehene Bohrung der Lagerbrücke und in die vorgefertigten Nocken eingepasst. Eine Montagehilfe sorgt dabei für die korrekte Ausrichtung der Nocken, insbesondere für den richtigen Abstand und die vorbestimmte Verdrehung derselben. Um die Montage entsprechend zu vereinfachen kann die Temperaturdifferenz zwischen Zylinderkopfhaube und einzuführender Nockenwelle dadurch erhöht werden, dass die Zylinderkopfhaube entsprechend erwärmt wird.
Schließlich ist aus der DE 36 06 111 C2 eine Nockenwelle zur Betätigung von Ventilstößen bei Brennkraftmaschinen bekannt, bei der einzelne Nockenelemente unter Verwendung eines Toleranzringes auf einem Nockenwellenkörper verpresst werden (Presssitz). Bei der Montage werden die Toleranzringe in die Bohrung des Nockens eingelegt und wird der so vorbereitete Nocken dann in entsprechender Winkellage gegenüber der Nockenwelle auf diese aufgeschoben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Nockenwelle, ein Nockenwellenmodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Nockenwellenmoduls bereit zu stellen, wobei jeweils eine schnelle und kostengünstige Fixierung der Funktionselemente auf der Nockenwelle gewährleistet ist. Insbesondere soll eine konstruktiv vereinfachte Welle/Nabe-Verbindung geschaffen werden, die eine – im Hinblick auf die Montage einer Nockenwelle in einem geschlossenen Lagerrahmen bzw. in einem Lagerrahmen mit umfänglich geschlossenen (insbesondere einteilig ausgefügrten) Lageraufnahmen – vereinfachte Arbeitsweise gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe jeweils durch die jeweilige Gesamtheit der Merkmale von einem der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen formuliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Nockenwellenmoduls mit bereits vormontierter Nockenwelle, wobei das Nockenwellenmodul eine Lagereinrichtung – beispielsweise in Form eines einteiligen geschlossenen Leiterrahmens oder in Form einer geschlossenen Zylinderkopfhaube – mit einer Mehrzahl umfänglich geschlossener, einteilig ausgeführter Lageraufnahmen zur drehbaren Lagerung eines Wellenkörpers einer einzubauenden bzw. eingebauten Nockenwelle aufweist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll eine vereinfachte Montage einer gebauten Nockenwelle innerhalb eines einteiligen Leiterrahmens oder einer geschlossenen Zylinderkopfhaube mit einer entsprechend geschlossenen Lagergasse (wobei die Lageraufnahmen der Lagergasse einen geringeren Durchmesser aufweisen als die zu montierenden Funktionselemente) geschaffen werden. Dies wird durch die Befestigung der Funktionselemente/Funktionsbauteile (Nockenwellenkomponenten wie Nocken, Sensor- oder Antriebsräder oder dergleichen) während des Montagevorgangs für die in die Lagereinrichtung einzubauenden Nockenwelle erreicht, indem die Funktionselemente während des Einschiebevorgangs des Wellenkörpers in Montagebereiche des geschlossenen Leiterrahmens oder der geschlossenen Zylinderkopfhaube (bzw. in deren umfänglich geschlossene Lageraufnahmen) vorpositioniert gehalten und auf den Wellenkörper aufgefädelt werden. Sobald der Wellenkörper über seine gesamte Länge in die Lagergasse eingeschoben worden und in den entsprechenden Lageraufnahmen positioniert ist, erfolgt die endgültige Festlegung der aufgefädelten Funktionselemente auf dem Wellenkörper, indem einzelne umfänglich nicht geschlossene Toleranzringe auf dem Wellenkörper axial positioniert werden und die einzelnen Funktionselemente auf den ihnen jeweils zugeordneten und axial positionierten Toleranzring seitlich aufgeschoben und so mittels Pressverbindung am Wellenkörper drehfest und verschiebefest befestigt werden. Hierbei können die Toleranzringe ebenfalls – während des seitlichen Einschiebevorgangs des Wellenkörpers durch die geschlossene(n) Lageraufnahme(n) der Lagereinrichtung hindurch – auf den Wellenkörper aufgefädelt werden. Alternativ können die Toleranzringe aber auch aufgeweitet und radial von außen an den Wellenkörper angebracht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Toleranzringe auf dem Wellenkörper axial positioniert indem die Toleranzringe als Ganzes über ihre gesamte Breite oder mit einem radial nach innen auskragenden Ringfortsatz in einer entsprechenden Ausnehmung (Nut) des Wellenkörpers gehalten (und gegen axiale Verschiebung gesichert) sind.
Analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Erfindung ein Nockenwellenmodul mit einer Lagereinrichtung mit einer Mehrzahl umfänglich geschlossener einteilig ausgeführter Lageraufnahmen und mit einer in die Lagereinrichtung vormontierten gebauten Nockenwelle. Die Nockenwelle ist dabei in der Mehrzahl der Lageraufnahmen drehbar gelagert angeordnet, wobei in einem zwischen zwei benachbarten Lageraufnahmen ausgebildeten Montagebereich der Lagereinrichtung, ein oder mehrere Nockenelement(e) (Funktionselement(e)) mittels Pressverbindung unter Einschluss jeweils eines auf dem Wellenkörper angeordneten Toleranzrings dreh- und verschiebefest auf dem Wellenkörper angeordnet ist/sind.
Des Weiteren umfasst die Erfindung eine entsprechende gebaute Nockenwelle zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, bei der einzelne Nockenelemente (Funktionsbauteile) über in umfänglichen Nuten des Wellenkörpers angeordnete Toleranzringe dreh- und verschiebefest auf dem Wellenkörper mittels Pressverbindung angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Zeichnungsfiguren für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Nockenwellenmoduls während des Zusammenbaus in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
2 eine ausschnittsweise Detaildarstellung, in der ein Funktionselement auf einem Wellenkörper einer gemäß der Erfindung ausgestalteten Nockenwelle dargestellt ist,
3a–3d einen Toleranzring, wie er gemäß der 1 und 2 Verwendung findet, in einer möglichen Ausführungsform, in unterschiedlichen Ansichten.
In 1 ist in schematischer Weise, in einer ausschnittsweisen Längsschnittdarstellung, ein Nockenwellenmodul gemäß der Erfindung während des Montageprozesses dargestellt. Gleichzeitig wird gemäß 1 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Nockenwellenmoduls veranschaulicht. Das Nockenwellenmodul 2 gemäß 1 zeigt in schematischer Darstellung eine als geschlossener Leiterrahmen ausgeführte Lagereinrichtung mit einer Mehrzahl umfänglich geschlossener einteilig ausgeführter Lageraufnahmen 4 zur Aufnahme eines Wellenkörpers 6 einer gebauten Nockenwelle 8. Dabei wird der Wellenkörper 6 der gebauten Nockenwelle 8 seitlich durch eine erste Lageraufnahme 4 hindurch geschoben, so dass im Inneren des Lagerrahmens (in einem zwischen zwei Lageraufnahmen befindlichen Montagebereich MB) einzelne Funktionselemente 10 (Nockenelemente) auf den Wellenkörper 6 aufgefädelt werden können. Der Wellenkörper 6 wird unter Aufnahme der einzelnen aufzufädelnden Funktionselemente 10 bis in eine gegenüber liegende Lageraufnahme 4 hindurch geführt, wobei der Wellenkörper 6 in den Lageraufnahmen 4 verdrehbar gelagert angeordnet bzw. anzuordnen ist. Zur drehbaren Lagerung des Wellenkörpers 6 in den Lageraufnahmen 4 der Lagereinrichtung können in den Lageraufnahmen 4 Wälzlager (nicht dargestellt) vorhanden oder nachträglich eingebracht bzw. zwischen Wellenkörper und Lageraufnahme 4 seitlich eingepresst werden. Alternativ kann der Wellenkörper 6 auch in entsprechenden Gleitlagerbuchsen der Lageraufnahmen 4 aufgenommen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird neben den einzelnen Funktionselementen 10, während des seitlichen Einschiebevorgangs des Wellenkörpers 6, pro Funktionselement 10 jeweils ein Toleranzring (Passring) 12 auf den Wellenkörper 6 aufgefädelt. Alternativ zur Auffädelung der Toleranzringe 12 können diese auch nach abgeschlossenem Einschiebevorgang des Wellenkörpers 6 und Auffädelung der Funktionselemente 10 durch entsprechendes Aufweiten radial von außen auf die Nockenwelle bzw. den Wellenkörper 6 aufgebracht werden (z. B. durch ein sog. Aufklipsen – mit Vorteil mit anschließender Verrastung der Toleranzringe 12 auf dem Wellenkörper 6). Sind über die gesamte Länge des Wellenkörpers 6 alle Funktionselemente 10 nebst den jeweiligen Toleranzringen 12 auf dem Wellenkörper 6 angeordnet, können in einem abschließenden Montageschritt die Toleranzringe 12 axial auf dem Wellenkörper 6 positioniert und die jeweiligen Funktionselemente 10 auf den ihnen zugeordneten Toleranzring 12 in entsprechender rotatorischer Ausrichtung aufgeschoben und dort entsprechend dreh- und verschiebefest mittels Presssitz positioniert werden.
Dabei kann der Presssitz in einer möglichen Ausführungsform mit einem auf einem glatten (nicht profilierten) Wellenkörper 6 oder in einer anderen Ausführungsform mit einem in einer umfänglichen Nut 14 des Wellenkörpers 6 angeordneten Toleranzring 12 realisiert werden. Die Ausgestaltung einer Pressverbindung zwischen Funktionselement 10, Toleranzring 12 und Wellenkörper 6 mit einer Nut 14 hat den Vorteil, dass der Toleranzring 14 und damit das dem Toleranzring 12 zugeordnete Funktionselement 10 axial richtig positioniert ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Nut 14 werden die einzelnen Nuten 14 an den entsprechenden axialen Funktionselementpositionen auf dem Wellenkörper 6, an der bei fertiger Nockenwelle das Funktionselement 10 fixiert sein soll, eingebracht.
Der Durchmesser der Durchführöffnung (Bohrung) des Funktionselementes 10 ist größer oder gleich dem Durchmesser des Wellenkörpers 6 bemessen, so dass das Funktionselement 10 auf dem Wellenkörper 6 gleitet bzw. ein geringes Spiel aufweist. Die axiale Breite B_Nut der Nut 14 ist mit Vorteil kleiner bemessen als die Breite B des Funktionselementes 10. Dies hat insbesondere Vorteile im Hinblick auf die Zentrierung des Funktionselementes 10 zum Wellenkörper 6. Der Durchmesser der Durchführöffnungen der Funktionselemente 10 ist in etwa gleich dem Durchmesser der Lageraufnahme 4 der Lagereinrichtung (Lagerrahmen). Das Ausrichten und Positionieren der Funktionselemente 10 in einer vorbestimmten Winkel- und Phasenlage zueinander an bestimmten axialen Positionen des Wellenkörpers 6 kann voll- oder teilautomatisiert unter Verwendung von entsprechenden automatisierten Zuführanlagen und Montageeinrichtungen erfolgen. Hierbei können die einzelnen Funktionselemente 10 ggf. gemeinsam mit den ihnen jeweils zugeordneten Toleranzringen 12 in eine derartige Zuführeinrichtung, ggf. auch schon in ihrer Winkellage entsprechend ausgerichtet, eingelegt und gemeinsam in den zwischen zwei Lageraufnahmen 4 ausgebildeten Montagebereich MB der Lagereinrichtung eingeschwenkt werden, so dass die Durchführöffnungen der Funktionselemente 10 und der Toleranzringe 12 mit den Lageraufnahmen 4 fluchten und der Wellenkörper 6 seitlich durch die Lageraufnahmen 4 und die Durchführöffnungen der Funktionselemente 10 und Toleranzringe 12 hindurch geführt werden kann. Wie zuvor bereits beschrieben, können in einem abschließenden Schritt die Funktionselemente 10 durch seitliches Aufschieben auf die Toleranzringe 12 an den entsprechenden axial vorbestimmten Positionen über eine Pressverbindung fixiert werden. Auch dieser Vorgang kann über die entsprechende Zustelleinrichtung automatisiert oder teilautomatisiert durchgeführt werden.
Gemäß 2 ist eine entsprechende Presssitzverbindung eines auf dem Wellenkörper 6 der gebauten Nockenwelle 8 angeordneten Funktionselementes 10 in vergrößerter Darstellung gezeigt.
Der hier verwendete Toleranzring 12 ist in den 3a–3d näher dargestellt. Ein derartiger Toleranzring 12, über den eine reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindung zwischen Funktionselement 10 und Wellenkörper 6 hergestellt werden soll, ist derart ausgestaltet, dass über ihn eine innere radiale Verspannung zwischen den zu verbindenden Bauteilen erzeugt wird. Die für die Erzeugung der radialen Vorspannkraft erforderlichen Zwangsverformungen werden an dem zwischen Welle (Wellenkörper 6) und Nabe (Durchführöffnung von Funktionselement 10) angeordneten Toleranzring 12 aufgenommen. Der Toleranzring 12 kann hierfür beispielsweise geschlitzt oder in sich gewellte Ringe aus dünnen Federstahl aufweisen, welche eine große Anzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilten Längssicken bzw. Vorsprüngen aufweisen. Die Presssitzverbindung mittels Toleranzring 12 kann dabei über einen auf einem glatten Wellenkörper 6 oder aber in einer bevorzugten Ausführungsform über einen in einer Nut 14 gelagerten Toleranzring 12 erfolgen. In 3a ist der Toleranzring in einer radialen Draufsicht gezeigt. Die 3b zeigt den Toleranzring 12 gemäß 3a in einer Seitenansicht. In den 3c und 3d sind die umfänglich verteilten Vorsprünge des bevorzugt aus Federstahl gefertigten Toleranzringes 12 in möglichen Ausführungsformen dargestellt (Querschnittdarstellung des Toleranzringes 12).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19831772 A1 [0002]
DE 10331089 A1 [0003]
DE 3606111 C2 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Nockenwellenmoduls (2) umfassend eine Lagereinrichtung mit einer Mehrzahl axial beabstandeter, umfänglich geschlossener, einteilig ausgeführter Lageraufnahmen (4) zur drehbaren Lagerung eines Wellenkörpers (6) einer gebauten Nockenwelle (8), sowie eine gebaute Nockenwelle (8), wobei in einen zwischen zwei Lageraufnahmen (4) ausgebildeten Montagebereich (MB) der Lagereinrichtung ein auf dem Wellenkörper (6) anzuordnendes Funktionsbauteil (10) zu montieren ist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen der Lagereinrichtung, – Positionieren des Funktionsbauteils (10) im Montagebereich (MB), – seitliches Einschieben des Wellenkörpers (6) in den Montagebereich (MB) durch eine der geschlossenen Lageraufnahmen (4) und Auffädeln des im Montagebereich (MB) positionierten Funktionsbauteils (10), – Montage und axiale Positionierung eines Toleranzringes (12) auf dem Wellenkörper (6) und Herstellung einer Pressverbindung zwischen Wellenkörper (6), Toleranzring (12) und Funktionsbauteil (10) durch axiale Relativverschiebung zwischen Toleranzring (12) und Funktionsbauteil (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Toleranzring (12) durch Auffädeln auf den Wellenkörper (6), während des seitlichen Einschiebens des Wellenkörpers (6) in die Lageraufnahmen (4) der Lagereinrichtung montiert und durch anschließendes axiales Ausrichten auf dem Wellenkörper (6) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Toleranzring (12) durch radiales Aufklipsen auf dem in die Lageraufnahmen (4) der Lagereinrichtung eingeschobenen Wellenkörper (6) montiert und positioniert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Positionierung des Toleranzringes (12) in einer umfänglichen Nut (14) des Wellenkörpers (6) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wellenkörper (6) bei Auffädelung mehrer Funktionsbauteile (10) durch mehrere umfänglich geschlossene Lageraufnahmen (4) geführt wird, und – die Pressverbindung zwischen Wellenkörper (6) und den Funktionsbauteilen (10) erst nach Auffädelung aller in dem bzw. jedem Montagebereich (MB) aufzufädelnden Funktionsbauteile (10) hergestellt wird.
Nockenwellenmodul (2) – mit einer Lagereinrichtung mit einer Mehrzahl umfänglich geschlossener Lageraufnahmen (4) zur Aufnahme einer gebauten Nockenwelle (8), – und mit einer gebauten Nockenwelle (8), wobei die Nockenwelle (8) in der Mehrzahl der Lageraufnahmen (4) drehbar gelagert angeordnet ist, und wobei in einem axialen Bereich der Nockenwelle (8), in einem zwischen zwei benachbarten Lageraufnahmen (4) ausgebildeten Montagebereich (MB) der Lagereinrichtung, ein Funktionsbauteil (10) mittels einer Pressverbindung unter Einschluss eines auf dem Wellenkörper (6) angeordneten Toleranzrings (12) dreh- und verschiebefest auf dem Wellenkörper (6) angeordnet ist.
Nockenwellenmodul (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Toleranzring (12) zur axialen Positionierung auf dem Wellenkörper (6) in einer umfänglichen Nut (14) des Wellenkörpers (6) angeordnet ist.
Nockenwelle (8) zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, umfassend – einen Wellenkörper (6) sowie – ein Funktionsbauteil (10) mit an den Querschnitt des Wellenkörpers (6) angepasster Durchführöffnung, welches über einen Toleranzring (12) mittels Pressverbindung mit dem Wellenkörper (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wellenkörper (6) in dem Bereich, in dem das Funktionsbauteil (10) axial auf dem Wellenkörper (6) verschiebe- und drehfest positioniert ist, eine umfängliche Nut (14) zur Aufnahme des Toleranzringes (12) aufweist.
Nockenwelle (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Breite (B_Nut) der Nut (14) kleiner bemessen ist als die Breite (B_Bauteil) des Funktionsbauteils (10).