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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle. Die Erfindung betrifft außerdem eine nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle.
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Um insbesondere eine leichte Verstellbarkeit einer verstellbaren Nockenwelle gewährleisten und damit einen langfristig zuverlässigen Betrieb ermöglichen zu können, ist es erforderlich, sowohl die Innenwelle als auch die Außenwelle der verstellbaren Nockenwelle in Axialrichtung zu lagern. Dies ist insbesondere auch deshalb von großer Bedeutung, da die mit der Innenwelle verstifteten Nocken nur dann leichtgängig verstellbar sind, sofern die in entsprechenden Langlöchern der Außenwelle geführten Stifte nicht reiben, das heißt nicht mit einem Rand des jeweiligen Langlochs in Kontakt treten. Für eine weitere Gewährleistung der leichtgängigen Lagerung ist es zudem erforderlich, dass beispielsweise die mit der Innenwelle verstifteten ersten Nocken stirnseitig nicht an zweiten Nocken oder Axiallagerelementen reiben. Dies wiederum erfordert einen vergleichsweise aufwendigen Montageprozess der Nockenwelle mit äußerst geringen Toleranzen, was üblicherweise über den Einsatz von Lehren erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem eine Nockenwelle einerseits einfach und andererseits hochpräzise herstellbar ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mittels eines völlig neuartigen Herstellungsverfahrens ein Axialspiel einerseits äußerst genau, andererseits jedoch einfach einzustellen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei zunächst ein aus zwei Axiallagerelementen und einem dazwischen angeordneten Distanzelement bestehendes Paket auf eine Fügetemperatur erwärmt und auf ein Nockenwellenrohr der Nockenwelle aufgeschoben. Während des Abkühlens wird dabei zumindest ein Axiallagerelement gehalten, bis nach dem Abkühlen beide Axiallagerelemente über einen thermischen Fügesitz fest auf dem Nockenwellenrohr gefügt sind. Das Distanzelement ist auch nach dem Abkühlen drehbar zwischen den beiden Axiallagerelementen auf dem Nockenwellenrohr angeordnet und deshalb nicht über einen thermischen Fügesitz drehfest mit dem Nockenwellenrohr verbunden. Erfindungsgemäß werden nun eine axiale Breite des Distanzelements, ein für das Distanzelement verwendetes Material und/oder die Fügetemperatur derart gewählt, dass sich nach dem Abkühlen des Pakets, bestehend aus den beiden Axiallagerelementen und dem dazwischen angeordneten Distanzelement, ein vordefiniertes Axialspiel zwischen den Axiallagerelementen und dem Distanzelement ergibt, da das Distanzelement hinsichtlich seiner Breite schrumpfen und durch diesen Schrumpfungsprozess das Axialspiel zum benachbarten Axiallagerelement in vordefinierter Weise bereitstellen kann, da die beiden Axiallagerelemente drehfest über den jeweiligen thermischen Fügesitz auf dem Nockenwellenrohr gefügt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit auch das Distanzelement erwärmt, obwohl dies zum Auffädeln auf die Nockenwelle nicht erforderlich wäre, da das Distanzelement sowohl in erwärmtem, als auch in abgekühltem Zustand drehbar auf dem Nockenwellenrohr angeordnet ist. Durch das Erwärmen des Distanzelements auf die Fügetemperatur dehnt sich dieses jedoch auch in Axialrichtung, d.h. in Richtung seiner axialen Breite, aus und zieht sich beim Abkühlen in gleicher Weise wieder zusammen, während die beiden Axiallagerelemente beim Abkühlen ortsfest auf dem Nockenwellenrohr gefügt werden. Das beim Abkühlen des Pakets, bestehend aus den beiden Axiallagerelementen und dem dazwischen angeordneten Distanzelement entstehende Axialspiel lässt sich durch eine genaue Auswahl der axialen Breite des Distanzelements, des für das Distanzelement verwendeten Materials und/oder der Fügetemperatur exakt vorhersagen, wodurch insbesondere im Vergleich zu bislang eingesetzten Lehren die Einstellung des Axialspiels nicht nur äußerst genau, sondern auch äußerst einfach möglich ist. Soll beispielsweise ein Axialspiel von lediglich 50 µm eingestellt werden, so ist dies mit dem erfindungsgemäßen Verfahren problemlos möglich, während es mit bislang eingesetzten Lehren nicht möglich wäre, da diese beim Herausziehen nach dem Abkühlen des Pakets aufgrund der geringen Dicke brechen würden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit auch beliebig kleine Axialspiele äußerst präzise einstellen. Bei einer Fertigung der erfindungsgemäßen Nockenwelle in der Vertikalen kann beispielsweise lediglich das untere Axiallagerelement während des thermischen Fügens gehalten werden, womit zugleich auch das darüber angeordnete Distanzelement und das wieder darüber angeordnete zweite Axiallagerelement gehalten sind. Unterschreitet die Temperatur beim Abkühlen eine Temperatur, bei welcher die Axiallagerelemente fest auf dem Nockenwellenrohr gefügt werden, so können diese ab dieser Temperatur nicht mehr verrutschen. Bei einem weiteren Abkühlen zieht sich jedoch das zwischen den beiden Axiallagerelementen angeordnete Distanzelement weiter zusammen und gibt dadurch das Axialspiel zum oberen Axiallagerelement frei. Das Zusammenziehen des Distanzelements ist dabei problemlos möglich, da dieses auch in völlig abgekühltem Zustand drehbar und natürlich auch in Axialrichtung verschiebbar auf dem Nockenwellenrohr der Nockenwelle gelagert ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird als Distanzelement eine offene Hülse verwendet, die nach dem Abkühlen des Pakets entfernt wird. Eine derartige offene Hülse kann beispielsweise als geteilter Lagerring ausgebildet sein und nahezu beliebig wiederverwendet werden. Alternativ ist auch denkbar, dass als Distanzelement ein Lagerring, ein Nocken- oder ein Lagerbock verwendet wird, der nach dem Abkühlen des Pakets auf dem Nockenwellenrohr verbleibt. Auch in diesem Fall hätte der Lagerring, der Nocken- oder der Lagerbock nach dem Abkühlen ein vordefiniertes Axialspiel zu den benachbarten Axiallagerelementen und wäre zudem drehbar auf dem Nockenwellenrohr gelagert. Hierdurch ließe sich insbesondere auch eine Axiallagerung einer verstellbaren Nockenwelle vergleichsweise einfach und präzise herstellen, sofern beispielsweise der als Distanzelement ausgebildete Nocken durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende langlochförmige Ausnehmung mit einer Innenwelle der verstellbaren Nockenwelle verstiftet wäre.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung werden die axiale Breite des Distanzelements, das für das Distanzelement verwendete Material und/oder die Fügetemperatur derart gewählt, dass sich nach dem Abkühlen des Pakets ein Axialspiel a zwischen 20 µm < a < 100 µm, vorzugsweise ein Axialspiel a von ca. 50 µm, zwischen einem der Axiallagerelemente und dem Distanzelement ergibt. Bereits diese geringen Abmessungen lassen erahnen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Einstellen eines Axialspiels möglich ist, welches mit bislang aus dem Stand der Technik bekannten Lehren nicht einstellbar wäre, da derartige dünne Lehren beim Entfernen brechen würden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Nockenwelle nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herzustellen, wobei die Nockenwelle eine Innenwelle und eine koaxial dazu angeordnete Außenwelle aufweist. Die erfindungsgemäße Nockenwelle ist somit als sogenannte „Welle in Welle“- Nockenwelle (bzw. „Cam-in-Cam“-Nockenwelle) ausgebildet. Die Nockenwelle weist darüber hinaus zumindest zwei mit der Außenwelle (Nockenwellenrohr) verbundene Axiallagerelemente auf, zwischen denen das Distanzelement angeordnet ist. Die Axiallagerelemente sind dabei über einen thermischen Fügesitz drehfest auf der Außenwelle befestigt, während das Distanzelement drehbar zwischen den beiden Axiallagerelementen auf der Außenwelle angeordnet ist. Die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle ermöglicht somit ebenfalls ein vergleichsweise einfaches, aber dennoch hochexaktes Einstellen eines vordefinierten Axialspiels zwischen den Axiallagerelemente und dem dazwischen angeordneten Distanzelement, allein aufgrund des über die Materialauswahl, die Fügetemperatur bzw. die axiale Breite des Distanzelements vordefinierte Schrumpfung des Distanzelements beim Abkühlen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Nockenwelle ist das Distanzelement als erster Nocken ausgebildet und drehfest, beispielsweise über eine Verstiftung, mit der Innenwelle verbunden. Die Axiallagerelemente sind bei dieser Ausführungsform als zweite Nocken ausgebildet und drehfest mit der Außenwelle verbunden, so dass die zweiten Nocken im Sinne der Axiallagerelemente den ersten Nocken und über diesen auch die Innenwelle in Axialrichtung bezüglich der Außenwelle fixieren. Das in den vorherigen Absätzen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebene Paket ist im vorliegenden Fall also ein Nockenpaket, bestehend aus zwei zweiten Nocken und einem dazwischen angeordneten ersten Nocken, wobei der erste Nocken das Distanzelement und die beiden zweiten Nocken die Axiallagerelemente bilden.
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Alternativ hierzu kann das Distanzelement auch als offene Hülse, als Lagerring oder als ein Lagerbock ausgebildet sein. Durch eine Ausbildung des Distanzelements als offene Hülse, ist es möglich, dieses nach dem thermischen Fügen der Axiallagerelemente vom Nockenwellenrohr, das heißt im vorliegenden Fall von der Außenwelle der Nockenwelle, abzunehmen. Über eine Ausbildung des Distanzelements als Lagerring oder als Lagerbock lässt sich insbesondere vergleichsweise einfach und hochpräzise eine Lagerung der Nockenwelle in einem Lagerrahmen oder einer Zylinderkopfhaube erreichen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Figurenliste
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- 1a eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Nockenwelle beim Fügen eines Pakets,
- 1b eine Darstellung wie in Fig. 1a, jedoch in fertig gefügtem Zustand,
- 2a eine Schnittdarstellung durch die gemäß der 1a dargestellte Nockenwelle,
- 2b eine Schnittdarstellung durch die gemäß der 1b dargestellte Nockenwelle,
- 3 eine Darstellung wie in Fig. 1a, jedoch bei einem als Hülse ausgebildeten Distanzelement,
- 4 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäß hergestellte verstellbare Nockenwelle.
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Entsprechend den 1 bis 4 wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle 1 ein aus zwei Axiallagerelementen 2, 2' und einem dazwischen angeordneten Distanzelement 3 bestehendes Paket 4 auf eine Fügetemperatur erwärmt und dann auf ein Nockenwellenrohr 5, beispielsweise eine Außenwelle 6, der Nockenwelle 1 aufgeschoben. Während des Abkühlens wird dabei zumindest ein Axiallagerelement 2, 2' gehalten, insbesondere sofern eine Fertigung der Nockenwelle 1 in vertikaler Weise erfolgt, wobei nach dem Abkühlen die Axiallagerelemente 2, 2' jeweils drehfest über einen thermischen Fügesitz auf dem Nockenwellenrohr 5 bzw. der Außenwelle 6 gefügt sind, während das Distanzelement 3 drehbar zwischen den beiden Axiallagerelementen 2, 2' auf dem Nockenwellenrohr 5 bzw. der Außenwelle 6 angeordnet ist. 1a zeigt dabei das Paket 4 in seinem auf Fügetemperatur erwärmten Zustand, während die 1b den Zustand nach dem Abkühlen zeigt. Erfindungsgemäß werden nun eine axiale Breite b des Distanzelements 3, ein für das Distanzelement 3 verwendetes Material und/oder die Fügetemperatur derart gewählt, dass sich nach dem Abkühlen (vgl. 1b und 2b) des Pakets 4 ein vordefiniertes Axialspiel a zwischen den Axiallagerelementen 2 oder 2' und dem Distanzelement 3 ergibt.
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Die axiale Breite b des Distanzelements 3, das für das Distanzelement 3 verwendete Material und/oder die Fügetemperatur können dabei derart gewählt werden, dass sich nach dem Abkühlen des Pakets 4 ein Axialspiel a zwischen 20 µm < a < 100 µm, insbesondere ein Axialspiel a von ca. 50 µm, zwischen zumindest einem der Axiallagerelemente 2, 2' und dem Distanzelement 3 ergibt. Das Axiallagerspiel a berechnet sich dabei immer zwischen dem Distanzelement 3 und einem der beiden Axiallagerelemente 2, 2', sofern das Distanzelement 3 am gegenüberliegenden Axiallagerelement 2', 2 anliegt.
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Als Distanzelement 3 kann beispielsweise eine offene Hülse 7 (vgl. 3) verwendet werden, die nach dem Abkühlen des Pakets 4, das heißt nach dem Fertigen der Nockenwelle 1, entnommen wird. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Distanzelement 3 als ein Lagerring 8, als Nocken 9, insbesondere als erster Nocken 10, oder als Lagerbock 11 ausgebildet ist und nach dem Abkühlen des Pakets 4 auf dem Nockenwellenrohr 5 verbleibt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens lässt sich erstmals eine Fertigung einer Nockenwelle 1 erreichen, bei dem ein Axialspiel a ohne aufwendige Lehre fertigungstechnisch einfach einstellbar ist. Das Distanzelement 3 müsste zum Fügen auf dem Nockenwellenrohr 5 bzw. der Außenwelle 6 nicht erwärmt werden, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aber als Bestandteil des Pakets 4 zusammen mit den Axiallagerelementen 2, 2' erwärmt und zusammen mit diesen auf das Nockenwellenrohr 5 aufgeschoben. Beim Abkühlen der Axiallagerelemente 2, 2' werden diese mittels eines thermischen Schrumpfsitzes auf dem Nockenwellenrohr 5 bzw. der Außenwelle 6 der Nockenwelle 1 fixiert, während das Distanzelement 3 auch in abgekühltem Zustand drehbar auf dem Nockenwellenrohr 5 bzw. der Außenwelle 6 gelagert ist. Durch diese drehbare Lagerung, also das Fehlen eines thermischen Schrumpfsitzes, kann sich das Distanzelement 3 in Richtung seiner axialen Breite b, das heißt in Axialrichtung 15, zusammenziehen und gibt dadurch in abgekühltem Zustand das Axialspiel a zum benachbarten Axiallagerelement 2' bzw. 2 frei. Hierbei ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein so geringes Axialspiel a einstellbar, welches mittels herkömmlicher Lehren nicht einstellbar wäre, da diese beim Entfernen abbrechen würden.
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Betrachtet man nun die gemäß der 4 dargestellte und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle 1, so ist diese als verstellbare Nockenwelle ausgebildet und weist eine Innenwelle 12 sowie eine koaxial dazu angeordnete Außenwelle 6 auf. Die Nockenwelle 1 besitzt dabei zumindest zwei fest mit der Außenwelle 6 verbundene Axiallagerelemente 2, 2', zwischen denen das Distanzelement 3 angeordnet ist. Die Axiallagerelemente 2, 2' sind auch hier entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren über einen thermischen Fügesitz drehfest auf der Außenwelle 6 gefügt, während das Distanzelement 3 drehbar zwischen den beiden Axiallagerelementen 2, 2' auf der Außenwelle 6 angeordnet ist. In dem gemäß der 4 dargestellten Fall ist das Distanzelement 3 als erster Nocken 10 ausgebildet und drehfest mit der Innenwelle 12 verbunden, beispielsweise über einen Stift 13 mit dieser verstiftet. Die Axiallagerelemente 2, 2' sind dabei als zweite Nocken 14, 14' ausgebildet und über den thermischen Schrumpfsitz drehfest mit der Außenwelle 6 verbunden, so dass die zweiten Nocken 14, 14' den ersten Nocken 10 und über diesen auch die Innenwelle 12 in Axialrichtung 15 bezüglich der Außenwelle 6 fixieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine Nockenwelle 1 mit einem exakt vordefinierbaren Axialspiel a zwischen Distanzelement 3 und Axiallagerelementen 2, 2' technisch vergleichsweise einfach einstellen.
