DE4306621C2

DE4306621C2 - Verfahren zur Herstellung einer Nockenwellenanordnung mit ineinanderliegenden Wellenelementen

Info

Publication number: DE4306621C2
Application number: DE4306621A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Amborn; Klaus Dr Ing Greulich; Helmut Dipl Ing Riemscheid
Original assignee: Individual
Current assignee: Mechadyne PLC
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: DE4306621A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Nocken wellenanordnung für ventilgesteuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinanderliegenden Wellenelementen, die ineinander gelagert und relativ zueinander um einen begrenzten Winkel verdreh bar sind, wobei erste als Innennocken bezeichnete Nocken ins besondere für die Einlaßventile mit dem innenliegenden Wellen element und zweite als Außennocken bezeichnete Nocken insbesondere für die Auslaßventile mit dem außenliegenden Wellenelement verbunden sind und die Außenwelle Wandöffnungen aufweist, durch die Befestigungselemente der Innennocken radial hindurchtreten und wobei zumindest eines der Wellenelemente aus einzelnen Längsabschnitten zusammengesetzt ist, die mit zumindest einem zugeordneten Nocken formschlüssig verbunden sind.

Anordnungen dieser Art sind aus der DE 39 43 427 C1 bekannt. Hierbei ist vorgeschlagen worden, die Innennocken ebenso wie die Außennocken mit Abschnitten der Innenwelle bzw. Außenwelle ein stückig herzustellen und diese dann zusammenzufügen oder durch Einschieben und Aufweiten der entsprechenden Welle kraftschlüssig mit dieser zu verbinden oder nach dem Einschieben der ent sprechenden Welle mit dieser zu verschweißen. Im ersten Fall werden komplizierte Bauteile erforderlich, da einfache Rohr- oder Stangenabschnitte für die Wellen nicht mehr verwendet werden können. Im zweiten Fall werden relativ aufwendige Techniken eingesetzt, um eine drehmomentfeste Verbindung sicherstellen zu können.

Aus der DE 39 43 426 C1 sind Nockenwellenanordnungen der genannten Art bekannt, bei denen die Innennocken mittels radial durch gesteckter Stifte auf der Innenwelle festgelegt sind. Für die Verbindung der Außennocken mit der Außenwelle ist hierbei nur ein Kraftschluß oder Stoffschluß vorgesehen, wobei rein zylin drische Flächenpaarungen durch Aufweiten bzw. Schrumpfen oder durch Schweißen bzw. Löten miteinander verbunden werden.

Aus der DE 40 08 906 C2 ist es schließlich bekannt, Innennocken auf der Innenwelle mit sich radial gegenüberliegenden Formein griffsmitteln unter vorübergehender elastischer Verformung der Innennocken zu befestigen. Für die Befestigung der Außennocken auf der Außenwelle werden die bekannten Verfahren eines Kraft schlusses durch Aufweiten der Welle vorausgesetzt.

Aus der DE 33 01 749 A1 ist eine Nockenwelle bekannt, bei der einzelne fertig bearbeitete Nocken auf einen einstückigen massiven Wellenschaft aufgeschrumpft werden. Da die entsprechenden Sitze am Wellenschaft vorher geschliffen werden und die Tempera turerhöhung beim Aufschrumpfen an den Nocken erfolgt, ist die Gefahr eines Verzuges der Welle und von Lagerungenauigkeiten der Nocken beim Herstellen der Verbindung von Natur aus zu vernach lässigen.

Bei den vorstehend genannten Wellen ist es von Nachteil, daß als Voraussetzung für das Herstellen der genannten kraftschlüssigen Verbindungen mittels plastischem Aufweiten der Wellenteile oder mittels Schrumpfen der Nocken sehr genau bearbeitete Oberflächen gefordert werden und genaue Passungen erforderlich sind, um eine drehmomentbelastbare Verbindung herzustellen. Unter hoher Bela stung können sich die Verbindungen zeitweise mit der Folge lösen, daß der Nocken auf der Welle verdreht wird. Dies kann zu Totalschäden am Verbrennungsmotor führen. Die Verfahren zum Herstellen eines Stoffschlusses mittels Löten oder Schweißen sind zeitaufwendig und für eine Massenproduktion nicht geeignet.

Bei jeglicher Art der plastischen Umformung der Welle und der Schrumpfverbindung kann es zu Exzentrizitäten der Nockenbefestigung kommen. Weiterhin ist eine Veränderung der Nockenkontur beim Vorgang der Befestigung zu befürchten. Dies erfordert ein anschließendes Schleifen der Nocken, was bei Nockenwellen der hier genannten Art äußerst kompliziert ist. Geeignete Vorrich tungen stehen hierfür nicht zur Verfügung.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Nockenwellen der gattungsgemäßen Art zu verbilligen und zu vereinfachen. Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Nocken vor dem Zusammensetzen der einzelnen Längsabschnitte gehärtet und geschliffen werden und daß abschließend die einzelnen Längsabschnitte mit den vollständig fertiggestellten Nocken miteinander verbunden werden.

Die beiden ersten hierbei genannten Verfahrensschritte sind in der zeitlichen Reihenfolge austauschbar, d. h. es kann zuerst die Verbindung mit einzelnen Längsabschnitten und anschließend die fertige Bearbeitung der Nocken erfolgen oder auch umgekehrt. In jedem Fall ist das Zusammensetzen der Nockenwelle der ab schließende Verfahrensschritt, nachdem keine weitere mechanische Bearbeitung mehr erfolgt, insbesondere ist ein Schleifen der Nocken nicht mehr notwendig. Dies ist durch eine sorgfältige Ausrichtung der einzelnen Längsabschnitte vor dem Verbinden möglich. Als Verbindungsmethoden kommen Schweißen, Kleben, Löten oder auch Kaltumformen im Bereich der Verbindungsstellen in Frage. Bevorzugt ist es, wenn die einzelnen Längsabschnitte an ihren aneinander anstoßenden Enden mit angepaßten Zentrierungen versehen werden.

Das Verfahren zur Herstellung wird bevorzugt so durch geführt, daß das zumindest eine aus Längsabschnitten zu sammengesetzte Wellenelement axial betrachtet von der Mitte ausgehend zusammengesetzt wird, wobei insbesondere wechselweise jeweils ein weiterer Längsabschnitt an das in Herstellung befindliche innenliegende Wellenelement und anschließend ein weiterer Längsabschnitt an das in Her stellung befindliche außenliegende Wellenelement zur Her stellung der Wellenanordnung angesetzt wird.

Hierbei werden die Längsabschnitte vorzugsweise durch Laserschweißen miteinander verbunden. Die erfindungsgemäße Art der Verbindung der Nocken auf den einzelnen Längsab schnitten besteht in einer formschlüssigen Verbindung, die billig und genau ist und sowohl die Umfangsposition als auch die zentrische Lage der Nocken auf den Längsab schnitten am einfachsten sicherstellt. Die Umfangslage der einzelnen Längsabschnitte zueinander kann mit Formvor sprüngen im Bereich der genannten Zentrierungen sicher gestellt werden, d. h. Feder-Nut-Eingriff mit Längser streckung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind anhand der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Welle im Längsschnitt in einer ersten Ausführung;

Fig. 1a zeigt einen Querschnitt durch eine Welle nach Fig. 1 entlang der Linie A-A;

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Welle im Längsschnitt in einer zweiten Ausführung;

Fig. 2a zeigt einen Querschnitt durch eine Welle nach Fig. 2 entlang der Linie A-A;

Fig. 3a zeigt einen Querschnitt durch einen Außennocken und eine Außenwelle zur Kombination mit einer Welle nach Fig. 3c bis Fig. 3e in einer ersten Ausführung;

Fig. 3b zeigt einen Querschnitt durch einen Außennocken und eine Außenwelle zur Kombination mit einer Welle nach Fig. 3c bis Fig. 3e in einer zweiten Ausführung;

Fig. 3c zeigt einen Querschnitt durch eine Innenwelle und einen Innennocken als Einzelheit zur Kombination mit einer Außenwelle nach Fig. 3a oder Fig. 3b in einer ersten Ausführung;

Fig. 3d zeigt einen Querschnitt durch eine Innenwelle und einen Innennocken als Einzelheit zur Kombination mit einer Außenwelle nach Fig. 3a oder Fig. 3b in einer zweiten Ausführung;

Fig. 3e zeigt einen Querschnitt durch eine Innenwelle und einen Innennocken als Einzelheit zur Kombination mit einer Außenwelle nach Fig. 3a oder Fig. 3b in einer dritten Ausführung;

Fig. 4 zeigt eine Einzelheit im Bereich des Schoßes zweier Längsabschnitte.

Fig. 1 zeigt eine Nockenwellenanordnung 1 mit einer Außenwelle 2, die Außennocken 3a bis 3d auf ihrem Außenum fang trägt, sowie mit einer Innenwelle 4, die Innennocken 5a, 5b, 5c und 5d auf ihrem Außenumfang trägt. Die Außen welle 2 ist aus gleichartigen ersten Längsabschnitten 6a bis 6d sowie einem mittleren Längsabschnitt 6 _m zusammen gesetzt, während die Innenwelle 4 einstückig ist. Die Längsabschnitte der Außenwelle 2 bestehen jeweils aus einem Zylinderab schnitt 7a bis 7d mit einer äußeren Wellenverzahnung 8a bis 8d und daran anschließenden sich radial gegenüberliegenden Fingerab schnitten. Hiervon sind nur jeweils die Finger abschnitte 9 _b1 und 9 _b2 und 9 _d1, 9 _d2 der Längsab schnitte 6b und 6d erkennbar. Die entsprechenden Fingerab schnitte der Längsabschnitte 6a und 6c liegen vor und hinter der Zeichnungsebene. Diese Fingerabschnitte durch dringen teilkreisförmige Umfangsschlitze von zugeordneten Innennocken 5b und 5d. Die entsprechenden Umfangsschlitze an den Innennocken 5a und 5c sind eben falls vor und hinter der Zeichnungsebene anzunehmen. Auf die Zylinderabschnitte 7a bis 7d mit den Außenverzahnungen 8a bis 8d sind die Außennocken 3a bis 3d sowie Lagerschalen 11 _a bis 11 _d axial aufgeschoben. Die Lagerschalen laufen in entsprechenden Gleitlagern 12 _a bis 12 _d. Der mittlere Rohrabschnitt 6 _m ist außen als Zylinder ausgebildet und läuft unmittelbar in einem Lager 12 _m. Die ebenfalls rohrförmige Innenwelle 4 hat auf der gesamten Länge eine Außenverzahnung 15, auf der die Innennocken 5 _a bis 5 _d aufsitzen. Die Montage der Innennocken auf der Innenwelle 4 und das Zusammensetzen der Längsabschnitte der Außenwelle 2 mit den Außennocken erfolgt axial von der Mitte nach außen. Auf die in den Mittelab schnitt 6 _m eingesteckte Innenwelle 4 werden zunächst die Innennocken 5b und 5c aufgeschoben, anschließend werden die Längsabschnitte 6b und 6c mit dem mittleren Längsab schnitt 6 _m verschweißt, wobei die Fingerabschnitte dieser Längsabschnitte durch die Umgangsschlitze in den genannten Innennocken 5 _b und 5 _c hindurchgesteckt wer den. Die Längsabschnitte 6b und 6c können dabei bereits die entsprechenden Außennocken 3b und 3c sowie die ent sprechenden Lagerschalen 11b und 11c tragen. Anschließend werden die Innennocken 5a und 5d auf die Innenwelle 4 aufgezogen. Dann werden wiederum die Längsabschnitte 6a und 6d aufgeschoben, wobei die Fingerabschnitte durch die Umfangsschlitze der zuletzt genannten Innennocken 5a und 5d hindurchgesteckt werden und anschließend die entsprechenden Längsabschnitte miteinander verschweißt werden. Die Längsabschnitte 6a und 6d können dabei bereits die zugeordneten Außennocken 3a, 3d und Lagerhülsen 11a, 11d tragen.

Im Querschnitt nach Fig. 1 ist die Außenverzahnung 15 an der Innenwelle 4 erkennbar. Auf diese sitzt ein Nocken 5a mit einer Innenverzahnung 14 auf. Längsverlaufende Aus nehmungen im Innennocken, die sich paarweise gegenüber liegen, bilden die Umfangsschlitze 10a₁ und 10a₂. Durch diese treten die Fingerabschnitte 9a₁ und 9a₂ des Längsabschnitts 6a der Außen welle hindurch. Auf die nicht sichtbare Außenverzahnung des Längsabschnitts 6a ist der Außennocken 3a, der eine Innenverzahnung aufweist, formschlüssig auf geschoben. Aufgrund des Verhältnisses der Umfangswinkel von Fingern und Umfangschlitzen 10 sind die Wellenelemente 2, 4 beschränkt gegeneinander verdrehbar.

Fig. 2 zeigt eine Nockenwellenanordnung 101 mit einer Außenwelle 102, die Außennocken 103a bis 103d auf ihrem Außenumfang trägt, sowie mit einer Innenwelle 104, die Innennocken 105a, 105b, 105c und 105d mit radialem Abstand trägt. Die Innennocken 105a bis 105d besitzen jeweils Hülsenansätze 122a bis 122d, durch die Befestigungsstifte 123a bis 123d radial hindurchge steckt sind. Die Befestigungsstifte 123 sitzen im Festsitz in den Hülsenansätzen und in Durchgangsbohrungen der Innenwelle 104. Sie durchdringen die Längsabschnitte 106a bis 106d der Außenwelle 102 in Umfangsschlitzen, die hier nicht im einzelnen erkennbar sind. Die Außenwelle 102 ist aus ersten Längsabschnitten 106a und 106d, zweiten Längsab schnitten 106b und 106c sowie einem mittleren Längsab schnitt 106m zusammengesetzt, während die Innenwelle 104 einstückig ist. Die Längsabschnitte bestehen - mit Aus nahme des mittleren - jeweils aus einem Zylinderabschnitt mit einer äußeren Wellenverzahnung 108a bis 108d; die äußeren Längsabschnitte 106a, 106d haben eine Erweiterung, in der jeweils eine Lagerbuchse 121a, 121d einsitzt. Auf die Längsab schnitte mit den äußeren Wellenverzahnungen sind jeweils die Außennocken 103a bis 103d sowie Lagereinheiten 111a bis 111d axial aufge schoben. Der mittlere Längsabschnitt 106m ist außen als glatter Zylinder ausgebildet und läuft in einem Lager 111m. Die Montage der Gesamtanordnung erfolgt axial von der Mitte nach außen. Auf den Mittelabschnitt 106m mit eingesteckter Innenwelle 104 werden zunächst das mittlere Lager 111m und die Nocken 105b und 105c aufgeschoben. Diese werden durch Einsetzen der Stifte 123b und 123c auf der Innenwelle 104 befestigt. Anschließend werden die Längsabschnitte 106b und 106c mit dem mittleren Längsab schnitt 106m verschweißt. Die Längsabschnitte 106b und 106c können dabei bereits die entsprechenden Außennocken 103b und 103c tragen. Anschließend werden die ent sprechenden Lager 111b und 111c und die Nocken 105a und 105d aufge schoben und letztere wie oben beschrieben mit der Innenwelle 104 verbunden. Dann werden wiederum Längsab schnitte 106a, 106d aufgeschoben und mit den anderen Längsabschnitten verschweißt. Die Längsabschnitte 106a und 106c tragen dabei bereits die zugeordneten Nocken 103a, 103d und die Lager 111a, 111d. Die Lager werden dann axial durch Hülsen 124a, 124d festgelegt. Jeweils zwischen Lagern und Nocken befinden sich nicht näher bezeichnete Distanzhülsen auf der Außenwelle 102.

Im Querschnitt nach Fig. 2 ist erkennbar, wie ein Innen nocken 105a mittels eines radial in Richtung der Nockener hebung durch eine angesetzte Hülse durchgesteckten Stiftes 123a auf der Innenwelle 104 festgelegt ist. Der Stift ist hierbei durch sich radial gegenüberliegende Umfangs schlitze 125a₁ und 125a₂ in einem Abschnitt 106b der Außenwelle 102 durch gesteckt. Auf einer nicht sichtbaren Außenverzahnung dieses Abschnittes 106b sitzt der Außennocken 103b auf.

Nach Fig. 3a bis Fig. 3e kann die Nockenbefestigung der Innennocken mit der Innenwelle in Kombination mit einer Nockenbefestigung der Außennocken mit der Außenwelle erfolgen. Die Schnitte nach Fig. 3a oder Fig. 3b sind gedanklich mit einem der Schnitte nach Fig. 3c bis Fig. 3e in Deckung zu bringen, wobei das Außenrohr hinter der Schnittebene fingerartig mit zwei Umfangsbereichen auszuführen ist.

In Fig. 3b ist ein Außennocken 203′′ entsprechend der Ausführung in Fig. 1a im Querschnitt gezeigt. Das ent sprechende Rohrsegment der Außenwelle 202′′ ist hierbei axial außerhalb des Bereiches der Finger geschnitten und ist somit über dem Umfang vollständig dargestellt.

In Fig. 3c ist ein Innennocken 205′ entsprechend der Ausführung in Fig. 1a gezeigt, der in gleicher Weise auf eine Innenwelle 204′ befestigt ist, wie dort dargestellt. Hierbei ist jedoch die Innenwelle 204′ als Vollwelle aus geführt.

Fig. 3d zeigt eine Abwandlung in der Weise, daß die Um fangsschlitze 210₁′′ und 210₂′′ voll aus dem Material des Nocken 205′′ ausgeführt sind, so daß ein vollständiger Ringkörper 218′′ mit Innenverzahnung auf der außen vollkommen über dem Umfang verzahnten Vollwelle 204′′ aufsitzt.

In Fig. 3e ist der Innennocken 205′′′ mit einer Durchgangsbohrung versehen. Die Innenwelle 204′′′ ist unprofiliert und als Vollwelle ausgeführt. Ein Stift 219′′′, der radial in Richtung der Nockenerhebung von außen eingesteckt ist, fixiert die Teile gegeneinander und bildet zugleich die Umfangsschlitze 210₁′′′ und 210₂′′′aus.

In Fig. 3a ist eine Außenwelle 202′ mit glatter Außen oberfläche vorgesehen, auf der ein Außennocken 203′ auf sitzt. Die formschlüssige Verbindung der Teile erfolgt durch Stifte 219a, 219b, die in Richtung der Nockenerhe bung eingesetzt sind, wobei das Einsetzen von der Gegen seite der Nockenerhebung aus erfolgt. Der Stift 219b hat hierbei einen größeren Durchmesser als der Stift 219a.

Die Fig. 4 läßt einen ersten Längsabschnitt 306a und einen zweiten Längsabschnitt 306b erkennen, wobei jeder der Längsabschnitte eine Innenzentrierung 308a bzw. 308b und eine Außenzentrierung 309a bzw. 309b aufweist. Es sind weiterhin Außenverzahnungsbereiche erkennbar, auf die Nocken 303a, 303b aufgeschoben sind, sowie eine Umfangsschweißnaht 325.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwellenanordnung für ventilgesteuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinander liegenden Wellenelementen, die als Innen- und Außenwelle ineinander gelagert und relativ zueinander um einen begrenzten Winkel verdrehbar sind, wobei erste als Innennocken bezeichnete Nocken ins besondere für die Einlaßventile mit dem innenliegenden Wellenelement und zweite als Außennocken bezeichnete Nocken insbesondere für die Auslaßventile mit dem außenliegenden Wellenelement verbunden sind und die Außenwelle Wandöff nungen aufweist, durch die Befestigungselemente der Innen nocken radial hindurchtreten und wobei zumindest eines der Wellenelemente aus einzelnen Längsabschnitten zusammenge setzt ist, die mit zumindest einem zugeordneten Nocken formschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nocken (3, 5, 103, 105) vor dem Zusammensetzen der einzelnen Längs abschnitte (6, 106) zu einer Außenwelle (2, 102) fertig bearbeitet, gehärtet und geschliffen werden und
daß abschließend die einzelnen Längsabschnitte (6, 106) mit den vollständig fertiggestellten Nocken (3, 103) miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Längsabschnitte (6, 106) mit aneinander angepaßten Zentrierungen (308, 309) hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine aus Längsabschnitten (6, 106) zusammengesetzte Wellenelement axial betrachtet von der Mitte ausgehend zusammengesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsabschnitte (6, 106, 306a, 306b) durch Laserschweißen miteinander verbunden werden.