DE10216324A1

DE10216324A1 - Zusammengesetzte Funktionswelle

Info

Publication number: DE10216324A1
Application number: DE10216324A
Authority: DE
Inventors: Peter Wiesner
Original assignee: ThyssenKrupp Automotive AG
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 2002-04-13
Filing date: 2002-04-13
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Um bei einer aus einem Rohr (1) und einem oder mehreren radial darauf angeordneten geschlossenen Bauteilen (3) zusammengesetzte Funktionswelle zu erreichen, dass sie einfach und ohne besonderen Werkzeugaufwand herstellbar ist, wobei eine sichere kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Rohr (1) und aufgesetztem Bauteil (3) gewährleistet wird, wird der ursprünglich kleinere Durchmesser des Rohres (1) vor dem Aufbringen der Bauteile (3) mit aufgeweiteten, hier angeordneten Bereichen (12) mit zylindrischem oder balligem Mantel ausgebildet und weisen diese Bereiche (12) einen größeren Durchmesser auf als der Innendurchmesser (2) der Bohrung des später aufgesetzten Bauteils (3). Ein Verfahren, das mit einfachen Mitteln das Herstellen einer zusammengesetzten Funktionswelle ermöglicht und mit kurzen Taktzeiten und möglichst geringem Energieeinsatz automatisierbar ist, sieht vor, dass das örtliche Aufweiten mittels eines Expanders (5) erfolgt. Zum Durchführen dieses Verfahrens eignet sich besonders ein Expander (5), der am Ende einer in das Rohr (1) einführbaren, Hydraulikmedium leitenden Lanze (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Funktionswelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Funktionswellen können Getriebewellen, Wellen mit aufgesetzten Lagerringen oder auch Nockenwellen sein. Besonders für Nockenwellen hat sich das System der zusammengesetzten Funktionswelle, bestehend aus einem Rohr und mehreren darauf angeordneten geschlossenen Bauteilen, hier die Nocken, verstärkt durchgesetzt.

Nach der DE 199 38 791 ist es bekannt, zusammengesetzte Funktionswellen, hier Nockenwellen, mit Wellen aus Vollmaterial herzustellen. Diese Vollwellen werden derartig bearbeitet, dass im Bereich der aufgesetzten Nocken die Vollwelle einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist als die Bohrung des später aufgesetzten Nockens. Die Zwischenbereiche werden in ihrem Durchmesser derartig bearbeitet, vorzugsweise durch Drehen, dass sie einen geringeren Durchmesser aufweisen. Nachteilig bei derartigen zusammengesetzten Funktionswellen ergibt sich, dass die Wellen aus Vollmaterial bestehen und damit die gesamte zusammengesetzte Funktionswelle ein unnötig hohes Gewicht aufweist. Das hat besonders beim Einsatz von Fahrzeugmotoren, bei denen eine große Gewichtsreduktion angestrebt ist, große Nachteile.

Bei zusammengesetzten Funktionswellen, die als Tragelement aus Rohren bestehen, haben sich im Wesentlichen zwei kraftschlüssige Fügeverfahren durchgesetzt. Nach der DE 88 07 561 U1 erfolgt das Fügen von Rohr und radial aufgesetztem Bauteil, hier Nocken einer Nockenwelle, dergestalt, dass das Rohr ursprünglich einen geringfügig kleineren Durchmesser aufweist als die Bohrung des Nockens. Danach werden die Nocken über das Rohr geschoben und positioniert. Die kraftschlüssige Verbindung erfolgt dann über einen in das Rohr unter den Nocken eingebrachten Expander, der am Ende einer Lanze angeordnet ist und dessen Mantel über ein Hydraulikmedium aufgeweitet wird. Der Expander muss nachteilig mit einer derartig großen Kraft beaufschlagt werden, dass nicht nur der Bereich des Rohres plastisch verformt wird. Vielmehr muss auch das aufgesetzte Bauteil im Bohrungsbereich elastisch verformt werden. Erst dadurch wird der gewünschte ausreichende Kraftschluss erreicht.

Eine andere kraftschlüssige Befestigung von Bauteilen einer zusammengesetzten Funktionswelle auf ein Rohr ist in der DE 41 21 951 C1 beschrieben. Hierbei werden in den Bereichen des Rohres, an denen die Bauteile später kraftschlüssig aufgesetzt werden sollen, Material nach außen verdrängend, Wellen eingebracht. Der Außendurchmesser des Rohres ist ursprünglich geringer als der Innendurchmesser des aufzubringenden Bauteils, hier wiederum Nocken. Erst durch das Material nach außen verdrängende Einbringen der Wellen wird dieser Bereich so verformt, dass die Wellenberge einen größeren Durchmesser aufweisen als die Innenbohrung der Nocken. Zum Fügen der Funktionswelle, hier der Nockenwelle, werden die Nocken axial über die Wellen des Rohres aufgeschoben. Dabei verformen sich die Wellenberge elastisch, evtl. auch plastisch, sodass der gewünschte Kraftschluss und ggf. auch Formschluss zwischen Rohr und aufgeschobenem Bauteil entsteht. Die hier beschriebene Herstellungsart von zusammengesetzten Funktionswellen weist den Nachteil auf, dass es einer umfangreichen Bearbeitung des Rohres bedarf, um dieses zum Zusammenbau der Funktionswelle vorzubereiten. Darüber hinaus müssen die eingebrachten Wellen eine sehr hohe Genauigkeit aufweisen, um die gewünschte sichere kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zusammengesetzte Funktionswelle zu finden, die einfach und ohne besonderen Werkzeugaufwand herstellbar ist und eine sichere kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Rohr und aufgesetztem Bauteil gewährleistet. Weiterhin soll ein Verfahren gefunden werden, mit dem mit einfachen Mitteln das Herstellen einer zusammengesetzten Funktionswelle ermöglicht wird. Dabei soll das Verfahren gut mit kurzen Taktzeiten und möglichst geringem Energieeinsatz automatisierbar sein. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu finden.

Die vorstehende Aufgabe wird durch eine zusammengesetzte Funktionswelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 6 zeigen vorteilhafte Ausbildungsformen einer derartigen Funktionswelle.

Anspruch 7 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Funktionswellen nach den Ansprüchen 1 bis 6. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens werden in den Ansprüchen 8 und 9 beschrieben.

Anspruch 10 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8. In den Ansprüchen 11 und 12 werden vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 10 beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit einfachen Mitteln und geringem maschinellen Aufwand zusammengesetzte Funktionswellen hergestellt werden können. Besonders vorteilhaft ergibt sich, dass der Bereich des Rohres, der später das aufgesetzte Bauteil trägt, vorab aufgeweitet wird. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass nur geringe Aufweitkräfte benötigt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass diese Aufweitung am Außenmantel des Rohres gemessen werden kann. Diese Messung kann direkt zum Steuern der Aufweitung genutzt werden. Damit wird stets ein optimales Aufweitmaß und ein gleich bleibender Kraftschluss gewährleistet. Darüber hinaus vorteilhaft kann die Funktionswelle auch in eingebautem Zustand, beispielsweise wenn diese bereits im Motor eingebaut ist, vervollständigt werden. Das heißt, weitere Bauteile, wie beispielsweise Zahnräder, Steuerräder oder Nockenwellenversteller, können außerhalb des Motors an die Funktionswelle, beispielsweise Nockenwelle, angebracht werden, ohne dass es hierzu besonders aufwändiger Fertigungseinrichtungen bedarf.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass während des Aufschiebens des ersten Bauteils 3 das Rohr an der nächsten Fügestelle aufgeweitet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt infolge der Abdichtung und wegen der geringen Aufweitkräfte nur geringe Flüssigkeitsvolumina. Durch die Elastizität des Druckschlauchs kann sie sehr dynamisch und flexibel ausgelegt werden. Dadurch kann eine erhebliche Senkung der Taktfrequenz erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Funktionswelle vor dem Aufweiten des Rohres und dem Zusammenbau sowie eine Vorrichtung zum Aufweiten des Rohres,
Fig. 2 eine Funktionswelle gemäß Fig. 1 nach dem Aufweiten des Rohres und
Fig. 3 eine andere Vorrichtung zum Aufweiten des Rohres.
In allen Figuren ist eine Funktionswelle, bestehend aus einem Rohr und einem geschlossenen Bauteil, gezeigt. Dabei ist das Bauteil nur systematisch dargestellt. Es kann sich bei diesem Bauteil um einen Nocken einer Nockenwelle, ein Zahnrad oder beispielsweise eine Lagerschale oder ein komplettes Wälzlager handeln.
Das Rohr 1 weist eine gleich bleibende Wandstärke auf. Der Außendurchmesser des Rohres 1 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser 2 des geschlossenen Bauteils 3, das später kraftschlüssig radial mit dem Rohr 1 verbunden wird. Die Durchmessertoleranz ist zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt.
In das Rohr 1 ist eine Lanze 4 eingeführt, die an ihrem Ende einen Expander 5 trägt. Die Lanze 4 kann, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, als Rohr ausgebildet sein. Als Expander 5 ist im Ausführungsbeispiel ein flexibler Druckschlauch 6 vorgesehen, der sowohl am Ende der Lanze 4 als auch an seinem freien Ende über Schraubverbindungen und Scheiben verschlossen ist.
Lanze 4 und Expander 5 sind mit einer Druckflüssigkeit 7 gefüllt. Ein flexibler Schlauch 8 verbindet die Lanze 4 mit einem Druckerzeuger 9. Im Ausführungsbeispiel ist der Druckerzeuger vereinfacht dargestellt. Er besteht aus einem Gehäuse 10 und einem sich anschließenden Wellkörper 11, die wie Lanze 4, Expander 5 und Schlauch 8 ebenfalls mit der gleichen Druckflüssigkeit 7 gefüllt sind. Durch Zusammenpressen des Wellkörpers 11 wird die Druckflüssigkeit 7 verdichtet und verdrängt. Da eine Flüssigkeit nur geringfügig kompressibel ist, bewirkt das Zusammenpressen des Wellkörpers 11 ein Expandieren des Druckschlauches 6 am Expander 5 und letztlich ein örtliches Aufweiten des Rohres. Selbstverständlich wird die Lanze 4 mit dem Expander 5 so positioniert, dass der aufgeweitete Bereich 12 des Rohres 1 unter einem hier später anzuordnenden Bauteil 3 liegt.
Die Presskraft auf den Wellkörper 11 wird durch eine geeignete Krafteinleitung 13 aufgebracht, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist. Es kann sich hier um eine Zange, eine Zwinge, die Backe eines Schraubstockes oder sogar einen Hammer handeln. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Aufweiten des Rohres durch Warm- oder Kaltstauchen erfolgt. Durch axiales Stauchen des Rohres 1 kann bei geeigneter Halterung und Führung des Rohres 1 erreicht werden, dass der Rohrkörper in den vorgesehenen Bereichen 12 nach außen beult.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, wobei der gewünschte Bereich 12 des Rohres 1 aufgeweitet ist. Der Außendurchmesser des Bereichs 12 weist jetzt das gewünschte Übermaß über dem Innendurchmesser 2 des Bauteils 3 auf. Geeignete Messmittel, wie als einfachstes eine Mikrometerschraube, dient zur Kontrolle des angestrebten Übermaßes. Der Druckerzeuger 9 kann, muss aber nicht, vom Übermaß des aufgeweiteten Bereichs 12 geregelt werden. Nach erfolgter Aufweitung des Bereichs 12 wird die Krafteinleitung 13 am Wellkörper 11 des Druckerzeugers 9 entfernt. Der Wellkörper 11 kann sich wieder ausdehnen, der Druckschlauch 6 zieht sich zusammen und der an der Lanze 4 befindliche Expander 5 kann durch den dünnen Teil des Rohres 1 entfernt werden. Sofern mehrere Bereiche 12 des Rohres aufzuweiten sind, weil mehrere Bauteile 3 radial auf dem Rohr 1 zu befestigen sind, wie dieses beispielsweise bei einer Nockenwelle der Fall ist, wird der vorbeschriebene Aufweitvorgang gleichzeitig oder nacheinander an mehreren Stellen des Rohres 1 durchgeführt, bevor die dann mehreren Bauteile 3 auf ihren Sitz geschoben werden.
Durch die Pfeile 14 in Fig. 2 ist das axiale Aufschieben des Bauteils 3 über den aufgeweiteten Bereich 12 des Rohres 1 schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die kraftschlüssige Verbindung zwischen Rohr 1 und Bauteil 3 durch axiales Aufschieben des Bauteils 3 über den aufgeweiteten Bereich 12 des Rohres 1. Zum besseren Aufschieben ist das Bauteil 3 mit einer Einfädelfase 15 ausgebildet. In gleicher Weise kann das kraftschlüssige Verbinden von Bauteil 3 und Rohr 1 auch dadurch erfolgen, dass das Rohr 1 gekühlt und/oder das Bauteil 3 erwärmt wird. Durch den anschließenden Temperaturausgleich erfolgt ein Aufschrumpfen des Bauteils 3 auf den aufgeweiteten Bereich 12 des Rohres 1. Auch andere Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden von Rohr 1 und Bauteil 3 sind denkbar.
Besitzt das zu fügende Bauteil 3 eine von der Kreisform abweichende Innenkontur oder sogar einzelne oder mehrere Verzahnungselemente, lässt sich zusätzlich zum Kraftschluss auch ein Formschluss realisieren.
Fig. 3 zeigt eine andere Form der Lanze 4. Hier wird nicht mit einem Expander 5 gearbeitet. Vielmehr sind am Ende der Lanze 4 zwei Dichtungen 16 angebracht, die den Spalt zwischen Lanze 4 und Rohr 1 abdichten. Zwischen diesen Dichtungen 16 sind Radialbohrungen 17 angebracht, die eine Verbindung einer zentralen Bohrung 18 durch die Lanze 4 nach außen bilden. Somit kann die in der zentralen Bohrung 18 befindliche Druckflüssigkeit 7 radial nach außen treten und ein bezüglich der Form undefiniertes Aufweiten eines Bereichs 12 bewirken. Wie auch bei der Ausbildung mit einem Expander 5 können durch Anordnung von mehreren Expandern oder mehreren Radialbohrungen 17 und Dichtungen 16 gleichzeitig mehrere Bereiche 12 des Rohres 1 aufgeweitet werden. Auch über den vorzugsweise eine ballige Form aufweisenden Bereich 12 entsprechend Fig. 3 wird oder werden anschließend ein oder mehrere Bauteile 3 aufgeschoben oder aufgeschrumpft. Bezugszeichenliste 1 Rohr
2 Innendurchmesser
3 Bauteil
4 Lanze
5 Expander
6 Druckschlauch
7 Druckflüssigkeit
8 Schlauch
9 Druckerzeuger
10 Gehäuse
11 Wellkörper
12 Bereich
13 Krafteinleitung
14 Pfeil
15 Einfädelfase
16 Dichtung
17 Radialbohrung
18 Bohrung

Claims

1. Aus einem Rohr (1) und einem oder mehreren radial darauf angeordneten geschlossenen Bauteilen (3) zusammengesetzte Funktionswelle, dadurch gekennzeichnet, dass der ursprünglich kleinere Durchmesser des Rohres (1) vor dem Aufbringen der Bauteile (3) mit aufgeweiteten, hier angeordneten Bereichen (12) mit zylindrischem oder balligem Mantel ausgebildet wird und diese Bereiche (12) einen größeren Durchmesser aufweisen als der Innendurchmesser (2) der Bohrung des später aufgesetzten Bauteils (3).

2. Funktionswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) axial über den aufgeweiteten Bereich (12) aufgeschoben ist.

3. Funktionswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) auf den aufgeweiteten Bereich (12) aufgeschrumpft ist.

4. Funktionswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) eine von der Kreisform abweichende, vorzugsweise eine vieleckige Innenkontur aufweist.

5. Funktionswelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (2) oder die Innenkontur über die axiale Länge des Bauteils (3) sich trichterartig erweiternd ausgebildet ist.

6. Funktionswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (2) des Bauteils (3) axial angeordnete Erhöhungen und/oder Vertiefungen, vorzugsweise eine Verzahnung aufweist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Funktionswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das örtliche Aufweiten mittels eines Expanders (5) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (5) hydraulisch angetrieben wird.

9. Verfahren zum Herstellen einer Funktionswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufweiten durch Warm- oder Kaltstauchen erfolgt.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (5) am Ende einer in das Rohr (1) einführbaren, Hydraulikmedium leitenden Lanze (4) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (5) einen elastisch aufweitbaren Mantel aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikmedium mittels eines mechanisch antreibbaren, am äußeren Ende der Lanze (4) fest oder beweglich angebrachten Verdichterkolbens oder Verdichterbalges verdichtet wird.