Nockenwelle mit aufgepressten Nocken
Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle zur Aufnahme von Nocken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfah- ren zur Herstellung einer Nockenwelle gemäss Anspruch 10.
Nockenwellen dieser Art werden eingesetzt zur Steuerung von Maschinenteilen insbesondere zur Steuerung von Teilen in Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise für Ventile. Bei sogenannten zusammengesetzten Nockenwellen, auch bezeichnet als gebaute Nockenwellen, werden Steuernocken auf die NOk- kenwelle aufgezogen und am dafür vorgesehenen Ort befestigt, beispielsweise durch Schweissen oder Verpressen mit der Welle. Es wurde auch schon vorgeschlagen, Nocken mit einer Welle zu Verkleben, um diese an der Welle zu fixieren. Nockenwellen dieser Bauart sind beispielsweise aus.,der europäischen Patentschrift EP 0 340 128 Bl bekannt geworden.
Alle bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von gebauten Nockenwellen zielen darauf ab, die Nocke zuverlässig und mechanisch stabil und passgenau auf die Welle fügen zu müssen. Nocken werden üblicherweise verpresst, aufgesintert oder mittels Schrumpfen gefügt. Neuerdings wird auch ver- sucht, Nocken mittels Laserschweissen zu fügen. Diesen bekannten Fügeverfahren haften verschiedene Nachteile an wie beispielsweise hoher Aufwand, unerwünschte Deformationen von Nocken, ungenügende Festigkeit von Nocken, Begrenzung der Verringerung von Baumassen, insbesondere von Breiten mit geringen Bundstärken der Nocken, erhöhter Aufwand für Nachbearbeitung etc.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Nockenwelle mit geeignetem Herstellungsverfahren zu realisieren, welche es ermöglicht, Nocken masspräzi- se mit geringer Deformation auf die Welle zu fügen mit gleichbleibend hoher Qualität und dies mit hoher Wirtschaftlichkeit .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Ausbildung ei- ner Nockenwelle nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Herstellverfahren nach den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nockenwelle beziehungsweise des Herstellungsverfahrens.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Nocken mit seiner Ausnehmung, welche eine strukturierte Oberfläche aufweist, über eine Welle mit ebenfalls strukturierter Oberfläche aufgezogen wird, wobei die noch verblei- benden Räume gebildet durch die Oberflächenstrukturierungen zwischen der Nockenausnehmung und der Welle mit einem aushärtbaren Klebstoff oder Kitt vekittet ist. Im weiteren soll der Begriff Klebstoff als Oberbegriff für Kitt, Klebstoff oder andere für die Anwendung geeignete Kunststoffma- ssen verwendet werden. Die Strukturierung der Wellenoberfläche wird abschnittweise dort vorgesehen, wo Nocken fixiert werden sollen. Ausserdem soll die Strukturierung der Wellenoberfläche derart mechanisch erfolgen, dass der entstehende neue Durchmesser der Strukturierung durch Materi- alverdrängung grösser ist als der ursprüngliche Rohrdurchmesser und somit die Nocke auch über den nichtstrukturierten Rohrteil ungehindert geschoben werden kann. Die Struk-
turierung der Ausnehmung des Nocken weist gegenüber der strukturierten Oberfläche der Welle einen etwas geringeren Durchmesser auf, so dass beim Aufziehen des Nocken auf die Wellenstrukturierung eine Verpressung erfolgt, derart dass die Oberflächenstrukturen insbesondere diejenige der Welle leicht deformiert oder gar leicht zerspant wird durch die Oberflächenstrukturierung der Ausnehmung des Nocken. Vor dem Aufziehen des Nocken auf die Welle werden die strukturierten Oberflächen mit einem aushärtbaren Klebstoff verse- hen. Dieser Klebstoff kann von der Art ein Mehrkomponentenklebstoff sein oder ein Klebstoff, der aushärtbar ist durch Wärme, UV oder andere bekannte Methoden. Vorteilhafterweise wird allerdings ein Klebstoff vorgesehen, der beim Aufziehvorgang zur Aushärtung unmittelbar aktiviert wird. Hierzu werden zwei Arten von Klebstoff bevorzugt. In der einen Art handelt es sich um Klebstoff, der mindestens zwei Komponenten aufweist. Dabei können die Komponenten durch Auftrag der einen Komponente auf die Oberfläche der Ausnehmung des Nockens und der anderen Komponente auf die Oberfläche der Welle aufgetragen sein. Dadurch erfolgt die Aktivierung genau beim Fügeprozess, wenn die beiden Komponenten des Klebstoffs sich am endgültigen Fügeort vermischen. In der anderen Art ist der Klebstoff selbst in sehr kleine Kügelchen eingekapselt, die auf die Oberfläche in einer Masse aufge- strichen werden und beim Auftreten von Druckkräften aufplatzen. Damit wird der eigentliche Klebstoff und die entsprechenden chemischen Reaktionen freigegeben, so dass die Verklebung bzw. Verkittung erfolgt. Auch hier erfolgt durch die Verpressung der beiden Komponenten genau am endgültigen Fügeort die Aktivierung des Klebstoffes, hier durch Freigabe des Klebstoffes aus den sehr kleinen Kügelchen.
Durch das erfindungsgemässe Vorgehen wird nicht nur eine mechanische Pressverbindung der Nocken mit der Welle erzeugt, sondern zusätzlich durch das Füllen der verbleibenden Zwischenräume zwischen Nocken und Welle mit einem Kleb- stoff wird eine Verkittung der Teile erzielt, welche einen besseren Kraft- und Formschluss der Teile ermöglicht, mit dem Ergebnis, dass eine hohe Festigkeit der Verbindung ermöglicht wird. Der ausgehärtete Kitt ermöglicht somit die Übertragung eines Drehmomentes. Der verwendete Klebstoff sollte hierzu nicht schrumpfende Eigenschaften aufweisen, sondern mit Vorteil beim Aushärtevorgang leicht expandieren. Die erfindungsgemässe Ausbildung der Verbindung ermöglicht nun, die zu verbindenden Teile mit ihren strukturierten zu verpressenden Oberflächen derart zu dimensionieren, dass wesentlich geringere Kräfte zur Verpressung notwendig sind als dies bisher üblich war. Dadurch wird es erst möglich, Nocken präziser und mit weniger Deformation aufzuziehen. Somit ist es auch möglich filigrane Nocken, wie beispielsweise leicht deformierbare dünne Blechnocken aufzu- bringen mit der geforderten Endpräzision und geringen Fügespannungen. Hiermit kann auch der teure Nachbearbeitungsaufwand minimiert werden oder gar ganz eliminiert werden. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein wenn der Kitt Die Zwischenräume nicht vollständig ausfüllt und bewusst Hohlräume bestehen bleiben. Diese Hohlräume können dann beispielsweise einen bestimmten Ölfluss bzw. ein Kriechen von Öl für Schmierzwecke durch die Verbindung erlauben. In diesem Fall kann der Auftrag des Klebstoffes einfach durch gegenüber liegende Walzen erfolgen, so dass das Rohr nicht auf dem gesamten Umfang eingestrichen wird.
Die Erfindung wird nun beispielsweise mit schematischen Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt einer Nockenwelle mit zwei Nocken in dreidimensionaler Darstellung
Fig. 2 ein Querschnitt eines Nockens für eine Nockenwelle nach Fig. 1
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teilabschnittes einer Welle mit strukturiertem Oberflächenbereich, wo ein Nocken positioniert und fixiert werden soll
Fig. 4 eine Seitenansicht des Teilbereiches einer Welle nach Fig. 3 mit aufgezogenem Nocken und erfin- dungsgemässer Verkittung der Räume zwischen den strukturierten Oberflächen
Ein Teilabschnitt einer zusammengebauten erfindungsgemässen Nockenv/elle ist in dreidimensionaler schräger Aufsicht in Fig. 1 gezeigt. Die Welle 1 besteht vorzugsweise aus einem rohrförmigen Körper und die Nocken 2 sind auf die Welle 1 auf die gewünschte Position aufgezogen und fixiert. Sowohl die Welle 1 wie auch die Welle 2 sind aus einem duktilen Material gefertigt, wobei mindestens eines der beteiligten Teile aus einem Metall, vorzugsweise beide der beiden Teile, aus einem Metall wie Stahl oder legiertem Stahl besteht. Um den Nocken 2 auf eine Welle 1 aufschieben zu können, weist dieser eine Ausnehmung 4 auf mit einem Grund- kreisdurchmesser A, wie dies im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. An der nach innen gerichteten Oberfläche dieser Ausnehmung 4 ist eine Strukturierung vorgesehen, welche
vorzugsweise in Achsrichtung 3 der Welle 1 ausgebildet ist, und welche aus mindestens einem Vorsprung 5 besteht. Vorteilhafterweise werden mehrere Vorsprünge 5 an der Oberfläche der Ausnehmung 4 angeordnet und mit Vorteil auf deren Kreisumfang verteilt. Die Oberfläche 5' der strukturierten Ausnehmung 4 gebildet aus den Vorsprüngen 5 umschliessen den Kreisdurchmesser AI, welcher gegenüber dem Durchmesser A der Ausnehmung 4 kleiner ist. Eine solche strukturierte Oberfläche 5, 5' wird beispielsweise durch ein Räumverfah- ren hergestellt. Es ist dann ohne weiteres möglich, die Anzahl der Vorsprünge 5 derart zu erhöhen, dass die Oberfläche der Ausnehmung 5 in Form einer Art Innenverzahnung erzeugt werden kann. Zwischen den Vorsprüngen 5 beziehungsweise der Innenverzahnung, welche die Oberflächenstruktu- rierung darstellen, bildet sich ein Strukturzwischenraum 7 aus .
Auf der Gegenseite wird die Oberfläche der Welle 1 mindestens in Teilbereichen, wo ein Nocken 2 fixiert werden soll, etwa auf die Breite des zu fixierenden Nockens eine Oberflächenstruktur 6 auf die Welle 1 aufgebracht. Der äu- ssere Durchmesser Dl der strukturierten Wellenoberfläche 6 soll etwas grösser sein, als der ursprüngliche danebenliegende Wellendurchmesser D. Die strukturierte Oberfläche 6 der Welle 1 soll vorteilhafterweise durch Materialverdrängung ausgebildet werden, wie insbesondere mit einem Rändelverfahren, Walzen oder auch mit Polieren.
Der Nocken 2 wird zur Fixierung auf die Welle 1 an die ent- sprechende Position aufgezogen und dadurch als Vorfixierung verpresst. Da der Durchmesser Dl der strukturierten Wellenoberfläche 6 etwas grösser ist als der Durchmesser AI der
strukturierten Oberfläche 5' der Ausnehmung 4 des Nocken 2, muss das Aufziehen des Nocken 2 auf die Welle 1 mit entsprechendem Kraftaufwand erfolgen, um eine Verpressung und damit eine Vorfixierung des Nockens 2 auf der Welle 1 zu erzielen. Bei diesem Vorgang werden mindestens Teile der einen und / oder anderen strukturierten Oberfläche 6, 5' zumindest elastisch deformiert. Auch ist es möglich, wenn auch nicht bevorzugt, dass bei diesem Vorgang teilweise etwas vom Material der Oberflächenstrukturen zerspant wird. Um den Vorgang zu Erleichtern, kann an einer Seite der Ausnehmung 4 des Nocken 2 eine Einführfase angebracht werden. Mindestens eine der beiden strukturierten Oberflächen 6, 51 der Welle 1 und der Ausnehmung 4 des Nocken 2 werden mit einem aushärtbaren Klebstoff vor dem Aufziehen des Nocken 2 belegt. Somit sind die Strukturzwischenräume der Oberflächenstrukturen 6, 5' der Welle 1 und der Nockenausnehmung 4 mit einem fliessenden Klebstoff aufgefüllt. Nach dem Aufpressen des Nocken 2 auf die Welle 1 sind somit die verbleibenden Strukturzwischenräume 7, 8 der strukturierten Oberflächen 6, 5' ebenfalls mit Klebstoff verfüllt, wie dies in Fig. 4 im Querschnitt dargestellt ist. Durch die Vorfixierung des Nockens 2 auf der Welle 1 wird der Klebstoff entsprechend aktiviert, wie das bereits oben beschrieben wurde.
Der Klebstoff sollte nach der Aushärtung keine Schrumpfung aufweisen. Es ist besser, einen Klebstoff zu verwenden, der nach der Aushärtung mindestens leicht expandiert. Dadurch wird sichergestellt, dass ein guter Form- und Kraftschluss der Verbindung erzeugt wird und der Nocken 2 auf der Wel¬ lenoberfläche gut abgestützt ist.
Hierbei werden gute Resultate bezüglich verkitten der Strukturzwischenräume 7, 8 erzielt, wenn der Klebstoff ein Komponentenklebstoff ist, wie beispielsweise ein Zweikomponentenklebstoff. Für den Fall, dass ein Komponentenkleb- stoff aus zwei Komponenten verwendet wird, wird auf die strukturierte Oberfläche 6 der Welle 1 eine Komponente aufgetragen und auf die strukturierte Oberfläche 5 der Ausnehmung 4 des Nockens 1 die andere Komponente des Klebstoffs aufgetragen. Wenn die beiden Komponenten durch die Vorfi- xierung des Nockens 2 auf der Welle 1 in Verbindung gebracht werden, vermischen sich die beiden Komponenten, beispielsweise durch Diffusion, und der Klebstoff ist aktiviert, heisst kann seine Wirkung als Klebstoff entfalten.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Klebstoff verwendet wird, der beim Aufziehvorgang durch die mechanisch einwirkenden Presskräfte aktiviert wird. Hierbei wird mit Vorteil ein Klebstoff verwendet, der eingebettet in die flüssige Masse in kleine neutrale Kügelchen eingeschlossen ist, die bei Einwirken der Druckspannung zerdrückt werden und damit den Klebstoff für die Reaktion freisetzen. Dabei können die Flüssige Masse und der in die neutralen Kügelchen eingeschlossene Klebstoff auch zwei Komponenten eines Komponentenklebstoffes sein. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, die Aushärtung des Klebstoffes durch Einwirkung von Temperatur zu erzielen. Mit der Kombination der vorerwähnten Aushärtmöglichkeiten sind zusätzliche Vorteile in Bezug auf Steuerung des Aushärtevorganges erzielbar.
Die gewünschte Expansion des Klebstoffes kann auch durch die Einlagerung von Bestandteilen der Umgebungsatmosphäre,
insbesondere der Wasserdampfpartikel der Luftfeuchtigkeit in den Klebstoff nach der Aktivierung erfolgen.
Grundsätzlich kann auch auf die Aktivierung des Klebstoffs durch die Vorfixierung verzichtet werden und der Klebstoff quasi von vorne herein aktiv sein. Das hat jedoch den Nachteil, dass die Fügeoperation innerhalb sehr kurzer Zeit nach Auftrag des Klebstoffes erfolgen muss und die Gefahr von ungenügenden Festigkeiten und Fehlorientierungen der Verbindung steigt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, die Verpresskräfte durch Dimensionierung der mechanischen Verpressung derart vorzugeben, dass nur noch geringe Ver- pressungskräfte notwendig sind, womit nun ein schonendes Fügeverfahren für Nocken 2 auf eine Welle 1 möglich ist. Die Dimensionierung der Oberflächenstrukturen 5, 6 abhängig von den verwendeten Materialien und den ineinander zu verwirkenden Durchmessern Dl, AI der strukturierten Oberflä- chen 5, 6 können nun derart gewählt werden, dass wesentlich kleinere Aufpresskräfte notwendig sind, als bis anhin, nämlich weniger als 8 kN . Besonders vorteilhaft werden Aufpresskräfte vorgegeben von weniger als 5 kN . Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden durch die Verkittung der Strukturzwischenräume 7, 8 trotzdem mechanisch stark belastbare Verbindungen der Nocken 2 mit der Welle 1 erzielt. Der wesentliche Vorteil hierbei besteht darin, dass die Nocken wesentlich weniger deformiert werden müssen, um die gleiche Festigkeit der Verbindung zu erzielen. Es können dadurch auch sehr empfindliche Nocken wie vorzugsweise Blechnocken und auch schmale Nocken mit geringer Deformati¬ on beziehungsweise Verzug an der Welle 1 angeordnet werden.
Weiterhin ist auch der Einsatz von Sinternocken möglich. In allen Fällen können die Nocken entgegen der bisherigen Praxis vor der Montage durchgehärtet sein, was als Schüttgut besonders kostengünstig ist. Die Dimensionierung der mecha- nischen Verpressung wird ausserdem mit Vorteil derart vorgenommen, dass der Innendurchmesser A der Ausnehmung 4 des Nocken 2 in einem Bereich von 0,05 % bis 0,5 % des Durchmessers durch das Aufpressen aufgeweitet ist. Durch das er- findungsgemässe Vorgehen kann allerdings das Aufweiten be- vorzugterweise noch weiter reduziert werden, nämlich auf 0,1 % bis 0,2 % des Innendurchmessers A der Ausnehmung 4 des Nocken 2. Durch die wesentlich geringeren Aufziehkräfte können nun auch Nocken fixiert werden mit wesentlich geringeren Bundstärken, beispielsweise von weniger als 4 mm Stärke im Grundkreisbereich.