WO2016116593A1 - Verfahren zum fügen einer funktionsbaugruppe sowie funktionsbaugruppe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for joining a functional assembly, comprising a frame structure defining at least one bearing lane, and at least one built composite shaft, which comprises a hollow shaft with on this rotatably fixed attachments len and mounted on the frame structure is.
- the invention further relates to such a functional assembly, which may be configured in particular as an engine assembly, for example as a camshaft assembly, cylinder head assembly, mass balance assembly or in a similar manner.
- a functional assembly which may be configured in particular as an engine assembly, for example as a camshaft assembly, cylinder head assembly, mass balance assembly or in a similar manner.
- a similar method is known from DE 10 2010 045 047 A1.
- the known method is used to assemble a module for a motor vehicle engine, which has at least one cylinder head cover with bearing receptacles and one in the bearing receptacles mounted camshaft, wherein the camshaft is built in the course of assembly of the module of a support shaft and with the support shaft to be connected components, and wherein the components have through holes for receiving the support shaft.
- the components to be mounted on the support shaft are positioned in a predetermined order in the cylinder head cover so that through holes of the components are arranged in alignment with the bearing receivers of the cylinder head cover.
- the support shaft is axially fed, wherein a compression of the support shaft is carried out with the components, which is carried out on the basis of the thermal joining, wherein the support shaft is cooled and the components to be fastened thereto are heated.
- the known method is advantageous in that so-called "closed" non-split cylinder head assemblies with corresponding non-split bearing mounts with camshafts can be fitted.
- This allows an integral design of the cylinder head cover and reduces in particular manufacturing costs and installation costs, which are unavoidable in multi-part cylinder head covers.
- the joining method on which DE 10 2010 045 547 A1 is based is subject to technological limits.
- a press bond usually requires a defined axial and / or radial overlap between the parts to be joined together to attach the male part, such as the cam, highly accurate in the desired axial position, angular position and in particular suitable for rotational drive on the support shaft.
- a joint diameter of the components to be mounted thereon can be increased by heating.
- temperature limits must be observed. Excessive heating of the components to be fastened can adversely affect their properties, for example, lead to a loss of hardness or even structural changes. Likewise, excessive cooling of the carrier wave can negatively impact.
- the present invention seeks to provide alternative methods for joining compound shafts and provided with composite shafts function modules, which are particularly suitable for functional assemblies with non-split housings or non-shared storage lanes and thus allow the generation of integrally designed functional modules.
- the method can contribute to reducing the manufacturing costs, in particular to reduce the joining costs. It is further preferred if the joining method contributes to increasing the process reliability and in particular allows the production of functional assemblies with built-up composite shafts which are provided with attachments that are designed for rotational drive, which can be used to transmit high torques which may arise during operation of the functional assembly Functional safety and reliability can allow.
- the joining method preferably allows a reduction in the use of auxiliaries and consumables and the use of energy when joining the functional assembly.
- the method allows a joining of the functional assembly at room temperature.
- Composite shaft are given for a functional assembly, which can be generated according to at least some basic principles of the method.
- the object of the invention is achieved by a method for joining a built composite shaft, which comprises a hollow shaft with attachments fixed thereto in a rotationally fixed manner, the method comprising the following steps:
- Provision of a hollow shaft which has at least one support section for the at least one attachment, the attachment having a receiving seat adapted to the support section,
- hollow shaft is plastically deformed in the region of its support sections, and wherein at least one attachment of the at least one attachment is elastically deformed.
- the attachments are, for example, at least partially rolling bearings, cams, gears or the like.
- An embodiment of the above method comprises the joining of bearings, in particular roller bearings provided with rolling elements.
- Bearings include Chvel an inner ring, an outer ring and a plurality of rolling elements, which are received between the inner ring and the Au thiring.
- the hollow shaft When sectionally expanding the hollow shaft, the hollow shaft can be joined to the inner ring of the bearing. Accordingly, the inner ring is elastically deformed in the rolling bearing, namely elastically expanded. This can be taken into account in the design of the rolling bearing or the joining process.
- bearings can be used which consciously have a defined radial clearance between the inner rings, the outer rings and the rolling elements received therebetween. In other words, the inner ring, for example, deliberately a little too small
- Diameter up After the expansion of the inner ring is deformed so that the diameter corresponds to the desired finished size and the desired accuracy or the required clearance is guaranteed.
- An alternative embodiment relates to the mounting or joining of an at least partially integrated rolling bearing.
- the inner ring or the inner portion of the rolling bearing is formed directly on the hollow shaft or integrated in this.
- This may include a surface treatment, in particular a tread machining.
- this may include the formation of a bearing groove or similar shape elements on the hollow shaft.
- the joining of the attachments to the hollow shaft according to the above aspect is also suitable for functional assemblies, in which a joining of the composite shaft in the preassembled state is not essential.
- An advantage of this embodiment is the reduction or even avoidance of post-processing or finishing to produce end contours of the attachments.
- the object of the invention is achieved by a method for joining a functional assembly comprising a frame assembly. structure, which defines at least one bearing lane, and at least one composite shaft built, which comprises a hollow shaft with on this rotatably fixed attachments and is mounted on the frame structure, the method comprising the following steps:
- a frame structure in particular a bearing frame or a housing, which defines a bearing lane with at least one circumferentially closed bearing seat,
- Provision of a hollow shaft which has at least one support section for the attachments, the attachments having a receiving seat adapted to the support section,
- hollow shaft is plastically deformed in the region of its support sections, and wherein at least some of the at least two attachment parts are elastically deformed.
- the hollow shaft which can also be generally referred to as a carrier shaft, is deformed (plastically) in a preassembled state in order to secure the attached thereto attachments captive and suitable for torque transmission.
- the hollow shaft can be fitted with attachments that are actually too big for the bearing seats of the frame structure to to be fed axially through this.
- the design of the bearing seats no special consideration must be taken to the dimensions of the attachments.
- the widening of the hollow shaft can take place in such a way that the hollow shaft is plastically radially widened in areas which are arranged within the attachment parts by internal pressure application, so that the attachment parts are fixed in a permanent press fit on the hollow shaft.
- EP 1 334 784 A2 deals with the so-called hydroforming of tubular components, in particular hollow shafts.
- Hydroforming processes are also commonly referred to as hydroforming processes.
- Hydroforming joining processes differ significantly from joining processes which fundamentally start from an interference fit or interference fit of joining partners involved and in which the joining takes place, for example, by using thermal expansions and / or by generating high pressing forces.
- a significant advantage of the joining method is that the composite of attachments and hollow shaft can be generated essentially in one stage. In particular, it is not necessary to thermally treat the elements to be joined and additionally to press them together. Ideally, in the non-compressed state between the attachments and the hollow shaft, there is a sufficiently large joining play, which allows aligning and pre-assembly of the elements without significant joining forces.
- the expansion of the hollow shaft to produce the interference fit has the further advantage that basically high overlaps can be achieved, which can produce a high-strength composite.
- Procedures involving thermal joining often require additional measures to increase friction between the adding components. There are known applications in which only in this way the desired load capacity and strength of the connection can be generated. In the case of joining processes which exploit the thermal expansion of the joining partners, such measures may necessitate further processing operations, such as the production of friction-increasing structures and / or corresponding coatings.
- the joining based on a plastic expansion of the hollow shaft enables heavy-duty connections. This can lead to the fact that attachments of lesser width can be used in comparison to known thermal joining methods.
- add-on parts designed for thermal joining must have a minimum width (axial extent) in order to be able to provide desired transmission torques.
- this can already be achieved by the potentially greater coverage, so that a corresponding reduction of the width is made possible. This can contribute to the weight reduction of the composite shaft.
- hollow shaft is used both
- hollow shaft is also to be understood as carrier shafts which are provided, at least in sections, with a hollow profile or a corresponding recess.
- carrier waves may also be referred to as hollow shafts which have partially closed profile sections.
- the hollow shaft is designed completely tubular.
- the hollow shaft before expanding a uniform, continuous hollow profile or ring profile, so that over the longitudinal extent of the hollow shaft substantially no diameter deviations, ie, no gradations or the like arise.
- the hollow shaft may be at least partially provided with tapers, punctures and the like.
- the hollow shaft is designed stepped at least on its outer periphery.
- the frame structure is preferably a frame structure produced in one piece or at least integrally manufactured.
- the frame structure is preferably not divided, ie not composed of two or more elements (frame halves).
- the circumferentially closed bearing seat may in particular be a bearing seat with a single circumferential mating surface for a bearing.
- the bearing lane of the frame structure for the hollow shaft not radially passable.
- the hollow shaft can therefore be introduced only axially into the storage lane.
- the bearing lane of the frame structure is usually defined by a plurality of aligned (concentrically arranged) bearing seats.
- the torsionally rigid fixation of the attachments on the hollow shaft allows in particular a
- the elastically deformed attachments after the expansion of the hollow shaft on a final contour which is in particular post-processing, and are provided with an outer circumference having actual dimensions, the functionally predetermined predetermined dimensions of the outer circumference.
- the attachments before the expansion of the hollow shaft have a Au OHkontur which is smaller than a functionally predetermined target Au OHkontur, and wherein the elastically deformed attachments after the expansion of the hollow shaft an actual outer contour have, which corresponds to the functionally predetermined desired outer contour.
- the remaining elastic deformation of the attachments can be anticipated and kept in the not yet attached attachments.
- the add-on parts are provided with functional surfaces, in particular with circumferential running surfaces, the surface of which is finished prior to the expansion of the hollow shaft on its outer contour. It is emphasized again in this connection that a significant advantage of the method is that no erosive reworking of the attached attachments is required. Even if the dimensions of the outer contour of the add-on parts change as a result of the expansion of the hollow shaft, the surface finish remains essentially the same. This is due in particular to the fact that the relative deformation is only very small. If, however, the add-on parts were joined according to generally known methods for joining by means of internal high-pressure forming, a subsequent machining would be required to produce the desired surface quality. This would significantly increase the effort and costs.
- the attachments are before the expansion of the
- Hollow shaft on its outer contour finished by abtragender processing methods and have dimensions that are defined in consideration of the remaining after the expansion of the hollow shaft elastic deformation.
- the attachments are so aware, something "too small” made to be dimensionally accurate after expansion.
- Attachments also include:
- Attachment parts have the same joint-target orientation. This can significantly simplify the handling and feeding of the attachments. Furthermore, the alignment of the attachments can be simplified because about the cost of providing suitable positioning recordings decreases. According to a further embodiment, the method after supplying the
- the method further comprises a sequential processing of the following steps for a plurality of attachments:
- each attachment may have the desired angular orientation in the composite by the hollow shaft is aligned in accordance with the respective joining.
- Another conceivable advantage of sequential joining is that the joining pressure can be readjusted during each processing. Thus it can be defined how much the respective section of the hollow shaft should be widened.
- the (imaginary) overlap between the support section and the attachment after joining can be varied. In this way, joining forces or holding forces can be influenced. For example, it may be necessary for attachments in the form of cams to generate high holding forces to prevent twisting or slipping of the cam safely.
- Other attachments, about Sensor wheels made of sintered metal or similar materials with reduced strength or elasticity may require joining by expansion with reduced joint pressure in order to avoid damage to the attachments.
- the required joining pressure with which a carrier section is widened may depend on the function, the dimensions and / or the material of the attachments.
- the joining pressure can be understood as the pressure with which the respective support portions of the hollow shaft are widened from the inside. This may be, for example, the pressure of the fluid, which is acted upon from the inside to the inner sides of the support sections.
- sequential joining may include a separate joining of each attachment.
- a plurality of add-on parts together, at least during some processing. This may concern, for example, a cam pair with an intake cam and an exhaust cam.
- attachments may be affected, which are to be added axially adjacent to each other with the hollow shaft.
- a composite wave it should be understood to mean an assembly consisting of several elements, in particular a carrier shaft and corresponding attachments. This does not necessarily mean that the elements of the composite shaft are made of dissimilar materials. Usually, the essential elements of the composite shaft made of metal materials, in particular steel materials.
- the functional module is preferably a preassembled camshaft assembly which comprises, for example, a housing, corresponding bearings and a camshaft accommodated therein.
- the composite shaft does not necessarily have to be designed as a camshaft. It is also conceivable to make the composite shaft approximately as a balance shaft, generally as a control shaft or in a similar manner.
- the functional assembly as engine subassembly in particular as a camshaft assembly or cylinder head group, is configured, wherein the composite shaft provided with the hollow shaft in the assembled state as a control shaft, in particular as a camshaft, is formed.
- Other applications may include camshaft timing control shafts, balancer shafts, injection system control shafts, or the like.
- the composite shaft is directly or indirectly associated with a valve train, mass balancing drive or crank drive of an internal combustion engine.
- the attachments are selected from the group consisting of: cams, flanges, bearing sleeves, pulser, gears, spacers and sprockets.
- the hollow shaft is equipped with a plurality of corresponding attachments, which may correspond to various of the aforementioned types.
- a camshaft has a plurality of cam pairings (intake cams, exhaust cams).
- at least one gear or sprocket is regularly provided for driving the camshaft.
- For detecting a rotational position of the camshaft pulse generator or similar encoders are included, for example.
- other attachments are conceivable.
- attachments are conceivable that are not used for torque transmission. This may be about spacers, inner rings of bearings and similar components. It is therefore conceivable that at least some attachments are pressed in a simple manner on the hollow shaft. However, it is preferred if at least cams, gears and similar attachments designed for torque transmission are fixed by plastic widening on the hollow shaft.
- this further comprises, before the
- a processing of both the support portion and the associated receiving seat takes place.
- an outer diameter of the hollow shaft and an inner diameter of the attached partly adapted to each other so that there is a defined mounting gap, which allows a sufficiently large mounting game to allow easy pre-assembly without much effort. This is done in particular by axial insertion of the hollow shaft in the storage lane, in which the attachments are already provided.
- the defined mounting clearance is chosen to be significantly less than in generally known in the art hydroforming method.
- the assembly play can amount to a few thousandths (o) of the joint diameter between the hollow shaft and the respective attachment.
- a relatively small mounting gap can bring various advantages.
- a significant advantage can be seen in the fact that, when expanding the hollow shaft due to the small gap to be overcome for joining the hollow shaft with the attachment only an extremely small delay in the hollow shaft and the attachments results. In this way can be dispensed with a post-processing of the joined composite shaft. Such post-processing would be very expensive given the fact that the joined composite shaft is already inevitably included in the frame structure.
- a low defined assembly clearance allows a secure joining of the hollow shaft with the attachments at a relatively low degree of deformation of the hollow shaft. In this way, excessive embrittlement of the hollow shaft can be avoided.
- Another advantage can be seen in the fact that the small mounting gap that has to be overcome during joining, contributes to the fact that no solid counter-holder is required for the attachments, which supports them circumferentially. In other words, a resulting deformation on the circumference of the attachment, which is induced by the expansion of the hollow shaft, predicted with sufficient accuracy and / or determined during the joining or immediately thereafter. The expected deformation / expansion is extremely low.
- the mounting clearance between the hollow shaft and the attachments is a maximum of 150 ⁇ (microns), preferably at most 100 ⁇ , more preferably at most 50 ⁇ .
- the support sections of the hollow shaft and the receiving seats of the attachments associated therewith can be made and berabei- tet that results in a joining play in the range between 20 ⁇ to 75 ⁇ , preferably in the range between 30 ⁇ to 50 ⁇ .
- the hollow shaft is at least partially plastically deformed during expansion.
- the remaining plastic deformation deforms again around the respective attachment.
- the deformation of the attachment is preferably substantially elastic.
- the plastic expansion of the hollow shaft accordingly causes a permanent elastic expansion of the attachment, such as the cam.
- the attached attachment after the joining process at its periphery is slightly larger than before joining.
- the remaining expansion can be, for example, in the range from 25 ⁇ m to 75 ⁇ m, preferably in the range from 40 ⁇ m to 60 ⁇ m, and more preferably approximately 50 ⁇ m.
- this expansion can be taken into account or kept in the production and finishing of the attachment before joining.
- the expansion can be determined or predicted by calculations, simulations and / or supplementary experiments. In this way, the attachment can be made aware of something "too small", so that after the joining and the associated elastic expansion results in the desired dimensions or the desired shape.
- the method further comprises, prior to supplying the
- Hollow shaft to the frame structure the step of processing, preferably finishing, at least one bearing portion of the hollow shaft, which is assigned in the assembled state a bearing seat of the storage lane.
- the hollow shaft is already completely processed prior to insertion into the storage lane, so that after the insertion and the joining no further processing is required. Although this increases to some extent the effort for machining before the joining process, but avoids downstream machining operations.
- the hollow shaft is provided continuously or substantially continuously with a uniform outer diameter.
- At least some of the add-on parts, in particular bearings and similar attachments not designed for torque transmission can be pressed axially.
- Other parts which are designed for torque transmission can be fixed in rotation against the hollow shaft by radial expansion and pressing.
- a stepped design of the hollow shaft is conceivable.
- the at least one bearing section and the at least one support section of the hollow shaft are machined substantially identically, wherein preferably the at least one bearing section and the at least one support section have the same diameter. Ideally, this applies at least to adjacent support sections and bearing sections. This may further include that the machining of the bearing portion and the support portion is made such that both comprise the same nominal size and both the same tolerance field. Furthermore, both may have the same surface roughness.
- the method further comprises the step of joining at least one bearing element, which allows a relative rotation between the hollow shaft and the frame structure, in particular arranging at least one bearing element between a bearing portion of the hollow shaft and an associated bearing seat of the bearing lane.
- the method may also include the step of processing, preferably finishing, the at least one attachment before feeding the hollow shaft.
- this further comprises the steps:
- non-axial feeding preferably radial feeding of the at least one
- a positioning receptacle may be provided, for example, which defines the desired relative position of the attachment to the hollow shaft, in particular to further attachment parts for the hollow shaft.
- the relative position may, on the one hand, comprise an axial position of the attachments relative to one another and with respect to the hollow shaft. Further, the relative position may include an angular position of the attachments relative to each other and relative to the hollow shaft.
- the step of expanding the hollow shaft further comprises
- the expansion of at least one of the support sections takes place without counter-holding by an outer die.
- at least one of the add-on parts does not have a solid counter-holder, which is intended to control deformations in the attachment that result from the widening of the hollow shaft.
- the expansion of the hollow shaft takes place in such a way that only slight deformations or widening of the attachment are associated therewith. If these deformations are sufficiently predictable, the attachment can be designed so that the desired final contour results after the expansion of the hollow shaft with high security and sufficiently tight tolerances.
- a die or an anvil is a solid die that defines a resulting outer contour of the fixture. Such dies are often required in conventional hydroforming processes.
- the method further comprises joining at least one bearing element, which allows a relative rotation between the hollow shaft and the frame structure, between two axially offset support portions of the hollow shaft, wherein the joining of the at least one bearing element preferably takes place before the expansion of the two adjacent support sections .
- the feeding of the bearing element can basically also be radial.
- the abovementioned aspects of the method expressly also relate to a composite shaft produced according to the method, which is accommodated in a functional module or can be accommodated.
- a functional assembly in particular a camshaft assembly, with a frame structure defining at least one bearing lane, and with at least one built composite shaft, which is mounted on the frame structure and a hollow shaft and rotationally fixed on this fixed attachment parts
- the frame structure has a radially closed bearing lane, preferably a radially inaccessible to the hollow shaft bearing lane
- the attachments have receiving seats which are adapted to a respective support portion of the hollow shaft, wherein the support portion of the hollow shaft is widened to the respective attachment to torsionally rigid to fix the hollow shaft
- the hollow shaft is plastically deformed in the region of its support sections, and wherein at least some of the at least two attachment parts are elastically deformed and pressed with their support sections.
- the functional assembly is manufactured or joined according to at least some aspects of the method described above.
- the support section is in particular widened plastically.
- the bearing lane for the built composite shaft is axially inaccessible. This may mean, for example, that at least one of the attachment parts that are rigidly fixed to the hollow shaft is simply "too large" to be guided through a bearing seat of the storage lane, for example.
- At least one bearing element is provided, which connects a bearing section of the hollow shaft and an associated bearing section of the frame structure, wherein the bearing element is arranged between two adjacent widened support sections, on each of which an attachment is rotatably received.
- the composite shaft is further achieved by a built composite shaft, in particular a camshaft, which is designed to be received on a frame structure defining at least one bearing lane, wherein the composite shaft comprises a hollow shaft and non-rotatably mounted on this add-on parts, at least one attachment wherein the attachments comprise receiving seats, which are adapted to a respective support portion of the hollow shaft, wherein the support portion of the hollow shaft is widened to fix the respective attachment torsionally rigid on the hollow shaft, wherein the hollow shaft is plastically deformed in the region of its support sections, and wherein at least some of the attachments are elastically deformed and pressed with their support sections.
- a built composite shaft in particular a camshaft, which is designed to be received on a frame structure defining at least one bearing lane
- the composite shaft comprises a hollow shaft and non-rotatably mounted on this add-on parts, at least one attachment wherein the attachments comprise receiving seats, which are adapted to a respective support portion of the hollow shaft, wherein the support portion of
- Figure 1 is a perspective view of a built composite shaft, which is designed as a camshaft
- Figure 2 is a schematic exploded view of the camshaft of FIG. 1;
- Figure 3 is a perspective simplified view of a housing, as about
- Camshaft housing is designed and houses two camshafts
- Figure 4 is a simplified perspective view of a bearing frame, on the two
- FIG. 5 is a perspective view of a non-stocked bearing frame that is based on the design of the bearing frame according to FIG. 4;
- Figure 6 is a simplified schematic plan view of a built as a camshaft built composite shaft, which is accommodated on a frame structure, during a joining operation;
- Figure 7 is a side view of the camshaft of Figure 6, wherein the representation of the frame structure has been omitted, and wherein a forming tool in a Au ßer-engaged position is shown.
- FIG. 8 shows a simplified schematic partial view of a composite to be joined from a hollow shaft and an attachment in a non-joined state
- FIG. 9 is a sectional view similar to FIG.
- FIG. 10, 11, 12 and 13 schematic, highly simplified perspective views of a composite shaft designed as a camshaft for illustrating aspects of exemplary joining operation
- Figure 14 is a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a
- a method of joining a functional assembly according to at least some principles of the present disclosure.
- a built shaft 10 which may be configured as a camshaft 12, for example.
- the shaft may also be referred to as a composite shaft 10.
- camshafts 12 in principle other shafts which are used, for example, in internal combustion engines can also be designed as built-up composite shafts 10.
- camshaft 12 is used uniformly, but this is not to be understood as limiting.
- the camshaft 12 has a semi-finished product, which is also referred to as a support shaft 14
- the support shaft 14 may be a hollow shaft 16.
- the hollow shaft 16 is provided at least in sections with a hollow profile 18, preferably continuously along its entire longitudinal extent.
- the term hollow shaft 16 is used uniformly, without this having to be construed restrictively.
- the camshaft 12 is shown in Fig. 1 in a built, joined state and in Fig. 2 in an exploded state.
- the attachments 16 may be, for example, cams 22, gears 24 (see in particular FIG. 3), sleeves 26, bearings or bearing rings 28, flanges 30 and the like.
- cam 22 is primarily used below, even if the attachment parts 20 can basically be other parts.
- At least some of the add-on parts 20, in particular the cams 22 and the toothed wheels 24, have to be fixed firmly on the hollow shaft 16 in such a way that a torque transmission is safely possible.
- a relative rotation between the cams 22 and the gears 24 and their hollow shaft 16 must can be excluded with high security.
- the cams 22 have functional surfaces in the form of circumferential raceways 32, which are usually finished.
- FIGS. 3 and 4 show functional assemblies 40 that include integrally formed frame structures 42.
- a frame structure 42 is intended to include, for example, a housing 44 (see Fig. 3), a bearing frame 46 (compare Fig. 4 and Fig. 5) and similar structural elements for receiving camshafts 12 (generally assembled composite shafts 10) ). Therefore, the term frame structure 42 is assumed below in a unifying manner.
- the integral, in particular the at least largely one-piece production of the frame structure 42 can bring significant benefits.
- joining processes can be avoided in comparison with multi-part frame structures.
- the joining of multi-part frame structures requires on the one hand the corresponding joining work and on the other hand a corresponding pretreatment of the joining surfaces. It is therefore of considerable advantage to be able to carry out the frame structures 42 in one piece.
- the frame structure 42 designed as a housing 44 according to FIG. 3 has a housing wall 50, side webs 52 and intermediate webs 54.
- the frame structure 42 defines at least one storage lane 56, cf. in particular Fig. 5.
- the bearing lane 56 has a plurality of bearing seats 58, which are formed in the frame structure 42 and arranged concentrically with each other. Bearing seats 58 are particularly in the Side webs 52 and formed in the intermediate webs 54.
- Fig. 3 shows that the
- FIG. 4 shows that the side webs 52 and the intermediate webs 54 are connected to one another by longitudinal webs 60.
- Both the housing 44 (FIG. 3) and the bearing frame 46 (FIG. 4) are designed in one piece, it also being possible for installation elements to be provided, such as press-fit sleeves, threaded inserts, dowel sleeves or the like.
- Fig. 5 is further indicated by a designated double arrow 64, a first direction or
- Supply direction indicated which can also be referred to as a radial feed direction.
- a second feed direction indicated by a double arrow designated 66 which can also be described as an axial feed direction.
- the axial feed direction 66 is usually parallel or concentric with the longitudinal extent of the bearing lane 56 defined by the bearing seats 58.
- the radial feed direction 64 is usually oriented substantially perpendicular to the bearing lane 56.
- the cams 22 are preferably larger in their radial extension (or: their silhouette) than at least some of the bearing seats 58 of the bearing lane 56.
- the corresponding cam 22 or a similar attachment 20 just can not pass through the bearing seat 58 be introduced axially into the storage lane 56.
- at least the cams 22 are fed radially in the direction of the storage lane 56 in the first feed direction 64. The same may apply to at least some of the other attachments 20.
- the hollow shaft 16 is not easily guided radially through the intermediate webs 54 or side webs 52 in the direction of their desired end position in the bearing lane 56.
- the hollow shaft 16 must be fed axially in the second feed direction 66.
- a composite of the camshaft can therefore be generated only in the frame structure 42.
- the joined camshaft 12 is taken captive in the assembled structure or assembled state in the frame structure 42 and can not be dismantled or removed non-destructively.
- FIG. 6 shows a simplified section through an at least preassembled camshaft 12.
- the camshaft 12 is inserted into a bearing lane 58 of a frame structure 42 and rotatably received via bearings 28 at corresponding bearing seats 58 of side webs 52 and intermediate webs 54.
- the camshaft 12 has a hollow shaft 16 provided with a hollow profile 18 indicated by dashed lines, on which a plurality of add-on parts 20, in particular cams 22, are accommodated.
- the camshaft 12 has a sprocket or gear 24 which is received at one of the two ends of the hollow shaft 16.
- the cams 22 and the gear 24 are rotationally received on the hollow shaft 16.
- FIG. 6 shows by way of example an orientation in which "from above” or “from below” is looked at the corresponding function module 40.
- FIG. 7 shows another schematically greatly simplified longitudinal section through the camshaft 12 with an orientation rotated by 90 ° relative to the orientation in FIG. 6. The plane of view of FIG. 7 is oriented perpendicular to the plane of view of FIG. 6.
- a representation of the frame structure 42 has been dispensed with for reasons of illustration.
- the cams 22 can therefore be introduced substantially “from above” or “from below” radially in the first feed direction 64 into the storage lane, where they are at least pre-mounted or pre-assembled with the hollow shaft 16.
- a (final) joining the hollow shaft 16 with the cam 22, the gear 24 or other attachments 20 is preferably carried out by expansion, in particular by local expansion, the hollow shaft 16, see. with 80 designated double arrows in Fig. 7.
- the expansion can be performed approximately by means of a forming tool 70, which is adapted to the hollow profile 18 of the hollow shaft 16.
- the forming tool 70 has a mandrel 72, which may also be referred to as a shank or lance.
- the mandrel 72 has, for example, at least one forming section 74, cf. Fig. 7.
- the forming section 74 is usually limited by a seal assembly 76 (axially).
- seal assembly 76 axially
- FIG. 9 By way of example, at least one channel 82 for a fluid is formed in the forming tool 70, which is brought to the forming section 74 at high pressure for expanding the hollow shaft 16.
- the expansion of the hollow shaft 16 takes place in each case at least in support sections 78, the attachment parts 20, in particular cam 22 and gears 24, are assigned.
- the hollow shaft 16 may further comprise so-called bearing portions 84, in which bearings 28 are accommodated, which need not necessarily be pressed with such a high bias voltage with the hollow shaft 16. Accordingly, a corresponding expansion of the hollow shaft 16 by the forming section does not necessarily have to take place in the bearing sections 84.
- Tool 70 done. Nevertheless, it is conceivable that at least inner rings of a bearing 28 are fixed to or on the hollow shaft 16, for example by widening. It is also conceivable to design running surfaces for bearings 28 directly on the hollow shaft 16 so that bearing inner shells can be saved.
- the forming tool 70 in such a way that all supporting sections 78 are widened in one pass. Accordingly, the mandrel or shank 72 of the forming tool 70 would have to be adapted to the overall extension of the hollow shaft 16 and the supporting sections 78 defined thereon and provided with a plurality of forming sections 74. However, it would also be conceivable to expand the support sections 78 sequentially piece by piece.
- a positioning receptacle for a cam 22 is also indicated by 88.
- This positioning receptacle is designed to specify a joining position of the cam 22 with sufficient accuracy to ensure that the cam 22 in its desired position and orientation relative to the hollow shaft 16 and the remaining cam 22 is firmly joined to the support portion 78, if a corresponding widening of the support section 78 takes place.
- the positioning receiver 88 may be associated with a cam 22, but furthermore with a plurality of cams 22.
- the positioning receptacle 88 is designed primarily to define a rotational position or angular position of the cam.
- the positioning receptacle 88 in particular does not serve as a counterholder or die for the cam 22 when it is fixed by widening the corresponding bearing portion 84 on the hollow shaft 16. Since the cam 22 need not necessarily be supported by an anvil (a die, a die or the like), the running surface of the cam is accessible to measuring means to monitor the expansion or the joining process.
- Fig. 8 shows a detailed view of the hollow shaft 16 during insertion or threading in the
- the hollow shaft 16 may be performed with a first end to which a taper 92 is exemplified by a bearing 28 which is received on a bearing seat 58 of a side web 52 or gutter 54.
- Fig. 8 shows a cam 22 having a maximum dimension 98 which is greater than an inner diameter 96 of the Bearing seat 58 is formed. Accordingly, the cam 22 can not be axially fed in the second feed direction 66 through the bearing seat. Instead, the cam 22 is fed in the first feed direction 64 radially in the direction of the storage lane 56.
- the joining operation between the hollow shaft 16 and the attachment parts to be fastened thereto is not effected by thermal joining by utilizing the thermal expansion of the hollow shaft 16 and / or the attachments 20.
- the widening of the support portion 78 for joining the support portion 78 with the Receiving seat 90 of the attachment 20 or cam 22 without a die or a corresponding counter-holder on the outer circumference of the attachment 20 or cam 22 is formed. Since the joining play (outer diameter 100 - inner diameter 102) is only very small, only a small expansion of the hollow shaft 16 must be made in order to ensure a sufficiently tight fit of the attachment 20. This is advantageously done with only minor changes in shape or shape changes on the outer circumference of the attachment 20 or cam 22. Thus, can be dispensed with a complex fixation by a die or a correspondingly shaped counter-holder (also: die).
- an inner diameter 102 of the receiving seat 90 is at least slightly larger than a Au - prepare for assembly of the hollow shaft 16, in particular of the support portion 78 which is associated with the receiving seat 90.
- the resulting joining game is nevertheless as small as possible. In this way, namely by a relatively small expansion of the hollow shaft 16, a sufficiently tight seat of the cam 22 on the support portion 78 can be ensured.
- FIGS. 10, 11, 12 and 13 an exemplary assembly procedure for joining a camshaft 12 in a frame structure or housing 44 will be explained.
- the housing 44 is indicated for illustrative reasons only block-like. Furthermore, the block representation of the housing 44 in FIGS. 11, 12 and 13 has again been omitted for reasons of illustration.
- FIG. 10 illustrates a state in which add-on parts, in particular cams 22, have been supplied to the housing 44 and aligned there approximately in positioning receptacles 88. This is not explicitly shown in FIG. 10.
- a hollow shaft 16 can now be introduced axially (laterally) and penetrate receiving seats 90 of the cams 22, cf.
- an arrow designated 104 to illustrate an axial joining direction as well as the representation in Fig. 8.
- the camshaft 12 to be joined has a total of four cam pairs.
- Fig. 1 1 shows that the cam 22 are aligned by Positionierfactn 88 such that your receiving seats 90 are arranged in alignment so as to be able to be joined to the hollow shaft 16.
- Each of the cam pairs is assigned a separate positioning receptacle 88-1, 88-2, 88-3 and 88-4 by way of example.
- Positioning receptacle 88-1 is associated with a first cam pair, positioning receptacle 88-2 a second cam pair, positioning receptacle 88-3 a third cam pair and positioning receptacle 88-4 a fourth cam pair. It is understood that a single positioning receptacle 88 can be provided, which aligns all cam pairs accordingly.
- the positioning receivers 88-1, 88-2, 88-3 and 88-4 effect a defined angular orientation of all the cams 22 of the pairs of cams.
- this may initially include a similar angular orientation of all the cams 22 or pairs of cams. This position does not correspond to the desired relative orientation of the cam 22 in the final joined state.
- the joining of the hollow shaft 16 with the cam 22 takes place in the manner already described above by partially expanding the hollow shaft 16 in sections, cf. Also Fig. 9.
- a forming tool 70 is inserted into the hollow shaft 16.
- the first cam pair which was previously aligned by the positioning receptacle 88-1, has already been pressed or fixed in a rotationally rigid manner by section-wise widening of the hollow shaft 16. This can be done, for example, in the alignment shown in Fig. 1 1 orientation in the positioning receptacle 88-1, when the hollow shaft 16 is aligned accordingly.
- the positioning receptacle 88-2 Before the hollow shaft 16 are then joined to the second cam pair can be aligned by the positioning receptacle 88-2, now takes place an angular orientation of the hollow shaft 16 relative to the second pair of cams to effect the desired alignment between the first pair of cams and the second pair of cams. This is done by a defined rotation of the hollow shaft, see. a curved arrow indicated by 106 in FIG. 12. Subsequently, the second cam pair can be joined by section-wise widening of the hollow shaft 16.
- Fig. 13 indicates that equally the third cam pair can be joined that in
- Fig. 12 is still aligned by the positioning receptacle 88-3. Accordingly, in turn, a defined alignment of the hollow shaft 16 takes place in order to bring about the desired angular orientation between the third cam pair and the cam pairs already connected. Similarly, the fourth cam pair can be joined. Overall, a sequential assembly process results, comprising a repeated sequence of alignment and joining.
- each cam 20 and each cam of a pair of cams, separately aligned by rotation of the hollow shaft 16 (indirectly) and joined by section-wise expansion of the hollow shaft 16.
- Such an embodiment has the further advantage over that illustrated with reference to FIGS. 10 to 13 that the positioning receptacle 88 or its sub-elements can be made even simpler.
- the advantage may arise that in each case only a very short axial section of the hollow shaft 16 has to be widened, cf. the support section 78 in FIG. 6.
- Fig. 14 shows a highly simplified schematic block diagram of a conceivable one
- Sequence of a joining method making use of at least some embodiments of the present disclosure may include optional steps, and that additions to the method by further steps or alternative steps are conceivable without departing from essential core aspects of the invention.
- the method may include various provisioning steps S10, S12, S14, S16.
- a step S10 may comprise providing a frame structure, in particular a frame structure forming a closed storage lane.
- the frame structure may be configured as a housing or bearing frame.
- the frame structure may comprise a one-piece manufactured housing or frame part, which forms a storage lane with a plurality of bearing seats, which are formed circumferentially closed.
- the step S12 may include the provision of at least one bearing, for example at least one roller bearing and / or sliding bearing.
- at least one bearing for example at least one roller bearing and / or sliding bearing.
- camshafts or similar built shafts are accommodated on the frame structure via several bearings.
- the step S14 may include the provision of attachments, which together with a designed approximately as a hollow shaft semi-finished product (also: carrier shaft) form a built composite shaft.
- the attachments may be about cams, gears, sprockets, flanges and similar components.
- at least some of the components are designed to be received torsionally rigid for rotational drive on the hollow shaft.
- the step S16 may accordingly comprise the provision of a semifinished product, which may also be referred to as a carrier shaft.
- a semifinished product which may also be referred to as a carrier shaft.
- step S16 comprises the provision of a hollow shaft provided with a hollow profile.
- the hollow shaft may be designed in particular tubular.
- the hollow shaft may also have stepped portions.
- the provisioning steps S10, S14 and S16 may include processing steps S20,
- the step S20 may include the processing of at least one bearing seat of the bearing lane defined by the frame structure. In this way, a suitable receptacle for the bearing or bearings provided in step S12 can be provided on the frame structure.
- the step S22 may include the processing of at least one receiving seat of an attachment.
- the step S24 may include the machining of at least one support portion of the hollow shaft or the carrier shaft.
- steps S22 and S24 are matched to one another such that approximately one
- Inner diameter which is produced in step S22, adapted to an outer diameter, which is generated in step S24.
- the inner diameter and the outer diameter produced in steps S22, S24 are adapted to one another in such a way that joining (threading) of the carrier shaft through the receiving seat of the attachment is made possible at room temperature in a simple manner.
- step S24 the entire carrier wave can be processed.
- the joining play which is produced by steps S22 and S24, is preferably minimized in such a way that even a slight widening of the carrier shaft in a subsequent step can take place a fixed, in particular a rotationally fixed, connection between the carrier shaft and the attachments.
- a first joining step S30 may follow, which includes loading the frame structure with the bearings provided in step S12.
- a further step S32 may follow, which may in particular include feeding the attachments provided in step S14 into the storage lane of the frame structure. This may in particular include a defined (coarse) orientation and (coarse) positioning of the attachments. Ideally, the supplied attachments are aligned with their receiving seats in alignment with the bearing seats of the storage lane. At least some of the attachments are supplied radially.
- the step S32 comprises aligning at least some of the attachments.
- this can include aligning some or all of the add-on parts in their desired relative position to one another, which they should also have in the final state.
- cams of camshafts must be angularly highly accurately aligned with each other to achieve the desired timing of the valve train to be able to.
- On the one hand relates to the relative position between the inlet and exhaust cams of a cam pair, but also the alignment of cam pairs with each other.
- attachments such as all cams or at least a subset of the cams to align in a common angular position, such as in a common positioning receptacle.
- step S32 As an intermediate stage, it would be imaginable to align intake cams and exhaust cams of each cam pair of a plurality of cams already defined in step S32 to one another, for example in a common positioning receptacle, which effects a desired angular offset.
- the desired final relative position between the individual cam pairs would not yet be set with high precision in step S32. Rather, the cam pairs could be aligned in a common angular position, which differs from their desired final orientation to each other.
- step S34 which includes a supply, in particular an axial feed, the carrier shaft.
- the carrier shaft can be passed through the bearings, in particular through their inner diameter, and through the attachments, in particular their receiving seats, to take their desired position in the frame structure.
- step S36 which in principle can also be part of the steps S32 and S34, the carrier shaft and the attachments to be attached thereto are aligned.
- This may include an axial alignment, but also include a Drehauscardi.
- the add-on parts comprise a plurality of cams
- a corresponding relative position of the cams can be of great importance.
- This can be effected in step S36, for example by means of gauges or other positioning recordings, however, depending on the design, in some cases already in step S32.
- a joining step S38 which includes in particular a section-wise widening of the carrier wave.
- a forming tool in particular a mandrel-like or shank-like forming tool, which is designed to pressurize the carrier shaft from the inside in such a way that it is widened at least in sections.
- a high-strength, in particular torsionally rigid, connection between the carrier shaft and at least some of the attachments can be generated.
- step S40 An arrow indicated by dashed lines, denoted by S40, indicates that steps S36 and S38 can alternatively take place several times in succession, in particular sequentially. According to this embodiment, therefore, the alignment and the joining take place by widening the carrier shaft sequentially.
- the step S36 may include the desired axial alignment of the carrier shaft in the first processing, so include the complete insertion of the carrier shaft.
- Step S36 may further include aligning the angular position between the carrier shaft and a first attachment (such as a first cam) during the first execution. It may be followed by a first execution of the step S38, in which a portion of the support shaft is widened plastically and thus a solid bond between the carrier shaft and the first attachment is generated.
- a first attachment such as a first cam
- Align the angular position between the carrier shaft and a next attachment include.
- the already attached to the support shaft first attachment is rotated together with this relative to the next attachment to effect the desired relative angular orientation between the attachments (such as the cam).
- Carrier shaft in the desired relative (angular) position are fixed to each other.
- the carrier shaft can be rotated accordingly.
- the forming tool can be moved axially during each execution of the steps S36 and S38 in order to widen a further section of the carrier shaft.
- the sequential joining may require reorienting and widening for each fixture.
- pairs of noses with intake cam and exhaust cam each to add a subset (about two) of the attachments together and align the carrier shaft relative to this subset beforehand. This may require a pre-alignment (relative orientation) of the attachments of the subset to each other.
- At least the pre-assembly and the final joining of the attachments and the carrier shaft takes place without utilizing the thermal expansion of the materials used.
- the method is also essentially completed with the step S38 or after the sequential processing of the steps S36 and S38. This implies that preferably no reworking has to be made on the carrier shaft or the attachments received thereon. In particular, it is preferred if the joining takes place with such high precision that no reworking of peripheral peripheral surfaces of the cams is required.
- the method of FIG. 14 may be modified according to alternative embodiments.
- the subject of the disclosure also includes a method for joining a built composite wave, which does not necessarily have to be preceded by step S10 or step S20. Rather, the feeding, aligning and joining of the hollow shaft and the attachments, for example, according to the steps S30 to S40, also au save a storage lane comprehensive frame structure take place.
- various advantages can be realized, in particular with regard to the reduction and / or avoidance of post-processing or finishing. In this way, for example, camshafts or similar composite shafts can be produced, in which bearings and / or other attachments attached or at least partially integrated.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Funktionsbaugruppe (40), umfassend Bereitstellung einer Rahmenstruktur (42), insbesondere eines Lagerrahmens (46) oder eines Gehäuses (44), die eine Lagergasse (56) mit zumindest einem umfänglich geschlossenen Lagersitz (58) definiert; Bereitstellung zumindest zweier Anbauteile (20); Bereitstellung einer Hohlwelle (16), die zumindest einen Tragabschnitt (78) für die zumindest zwei Anbauteile (20) aufweist, wobei die Anbauteile (20) einen an den Tragabschnitt (78) angepassten Aufnahmesitz (90) aufweisen; Zuführen der Anbauteile (20) in die Lagergasse (56) in einer ersten Zuführrichtung (64); Zuführen der Hohlwelle (16) in die Lagergasse (56) in einer zweiten Zuführrichtung (66), wobei die Hohlwelle (16) in den jeweiligen Aufnahmesitz (90) der zumindest zwei Anbauteile (20) eingeführt wird; und nach dem Zuführen der Anbauteile (20) und der Hohlwelle (16) in die Lagergasse (56), zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle (16) zur drehsteifen Fixierung der zumindest zwei Anbauteile (20) mit ihren Aufnahmesitzen (90) am jeweiligen Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16). Die Erfindung betrifft ferner eine Funktionsbaugruppe (40), die vorzugsweise gemäß dem Verfahren gefertigt ist.
Description
Verfahren zum Fügen einer Funktionsbauqruppe sowie Funktionsbauqruppe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Funktionsbaugruppe, umfassend eine Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und zumindest eine gebaute Verbundwelle, die eine Hohlwelle mit auf dieser drehfest festgelegten Anbautei- len umfasst und an der Rahmenstruktur gelagert ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine derartige Funktionsbaugruppe, die insbesondere als Motorenbaugruppe, beispielsweise als Nockenwellenbaugruppe, Zylinderkopfbaugruppe, Massenausgleichsbaugruppe oder in ähnlicher Weise ausgestaltet sein kann.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 10 2010 045 047 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren dient zum Zusammenbau eines Moduls für einen Kraftfahrzeugmotor, welches zumindest eine Zylinderkopfhaube mit Lageraufnahmen und eine in den Lageraufnahmen
gelagerte Nockenwelle umfasst, wobei die Nockenwelle im Zuge des Zusammenbaus des Moduls aus einer Tragwelle und mit der Tragwelle zu verbindenden Bauteilen gebaut wird, und wobei die Bauteile Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Tragwelle aufweisen. Ferner werden die Bauteile, die auf der Tragwelle zu befestigen sind, derart in einer vorbestimmten Reihenfolge in der Zylinderkopfhaube so positioniert, dass Durchgangsöffnungen der Bauteile fluchtend zu den Lageraufnahmen der Zylinderkopfhaube angeordnet sind. Die Tragwelle wird axial zugeführt, wobei ein Verpressen der Tragwelle mit den Bauteilen erfolgt, das auf Basis des thermischen Fügens durchgeführt wird, wobei die Tragwelle abgekühlt sowie die auf dieser zu befestigenden Bauteile erwärmt werden.
[0004] Das bekannte Verfahren ist insofern vorteilhaft, als dass sogenannte "geschlossene" nicht geteilte Zylinderkopfbaugruppen mit entsprechenden nicht geteilten Lageraufnahmen mit Nockenwellen bestückbar sind. Dies erlaubt eine integrale Gestaltung der Zylinderkopfhaube und reduziert insbesondere Fertigungskosten und Montagekosten, die bei mehrteiligen Zylinderkopfhauben nicht vermeidbar sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Fügeverfahren, auf dem die DE 10 2010 045 547 A1 beruht, technologischen Grenzen unterworfen ist. Ein Pressverbund erfordert üblicherweise eine definierte axiale und/oder radiale Überdeckung zwischen den miteinander zu fügenden Teilen, um das aufzunehmende Teil, etwa den Nocken, hochgenau in der gewünschten Axialposition, Winkellage und insbesondere zur Drehmitnahme geeignet auf der Tragwelle zu befestigen. Insbesondere bei Bauteilen, die zumindest teilweise zur Drehmomentübertragung genutzt werden, wie etwa bei Zahnrädern, Nocken, Riemenscheiben und dergleichen, muss sichergestellt werden, dass im Betrieb der Nockenwelle keine Relativverdrehungen zwischen den Bauteilen und der Tragwelle auftreten können. Derartige Fehler können nämlich zu beträchtlichen Schäden am Zylinderkopf und ggf. sogar zu Totalschäden des Motors führen.
[0005] Somit muss bei der Auslegung einer thermisch zu verpressenden Nockenwelle einerseits eine notwendige Fügepassung, die das Verpressen als solches überhaupt ermöglicht, beachtet werden. Ferner muss die nach dem Verpressen (theoretisch) verbleibende Überdeckung zwischen den Bauteilen sichergestellt werden, die die Lagefixierung ermöglicht. Das thermische Verfügen macht sich dabei zunutze, dass die verwendeten Werkstoffe, insbesondere Metallwerkstoffe, einer bestimmten Wärmedehnung unterliegen.
Somit kann etwa ein Fügedurchmesser der Tragwelle durch Abkühlen verringert werden.
Ferner kann ein Fügedurchmesser der auf dieser zu befestigenden Bauteile durch Erwärmen vergrößert werden. Hierbei müssen jedoch Temperaturgrenzen beachtet werden. Ein übermäßiges Erwärmen der zu befestigenden Bauteile kann deren Eigenschaften negativ beeinflussen, etwa zu einem Härteverlust oder gar zu Gefügeveränderungen führen. Gleichermaßen kann sich ein übermäßiges Abkühlen der Trägerwelle negativ auswirken.
[0006] Im Hinblick auf das Abkühlen sind ferner Grenzen zu beachten, die wirtschaftlich
einsetzbare Kühlverfahren mit sich bringen. Beispielsweise können Bauteile mit flüssigem Stickstoff bis auf ungefähr -176° (Grad Celsius) abgekühlt werden. Somit kann einerseits das Montagespiel nicht beliebig groß und andererseits auch die (theoretische) Überdeckung der Bauteile bei Raumtemperatur nicht beliebig groß ausgewählt werden. Dies kann einerseits problematisch für die Montage sein, da die Genauigkeitsanforderungen umso mehr steigen, je kleiner das Fügespiel ist. Andererseits kann eine nur relativ geringe Überdeckung nach dem Fügen die Funktionssicherheit der Nockenwelle beeinträchtigen.
[0007] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, alternative Verfahren zum Fügen von Verbundwellen sowie mit Verbundwellen versehenen Funktionsbaugruppen anzugeben, die insbesondere für Funktionsbaugruppen mit nicht geteilten Gehäusen bzw. nicht geteilten Lagergassen geeignet sind und somit die Erzeugung integral gestalteter Funktionsbaugruppen erlauben. Vorzugsweise kann das Verfahren zur Verringerung der Fertigungskosten, insbesondere zur Verringerung der Fügekosten, beitragen. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Fügeverfahren zur Erhöhung der Prozesssicherheit beiträgt und insbesondere die Herstellung von Funktionsbaugruppen mit gebauten Verbundwellen erlaubt, die mit zur Drehmitnahme ausgebildeten Anbauteilen versehen sind, die die Übertragung von Drehmomenten, die sich im Betrieb der Funktionsbaugruppe ergeben können, mit hoher Funktionssicherheit und Ausfallsicherheit erlauben können. Ferner erlaubt das Fügeverfahren vorzugsweise eine Verringerung des Einsatzes an Hilfs- und Betriebsstoffen sowie des Energieeinsatzes beim Fügen der Funktionsbaugruppe. Vorzugsweise erlaubt das Verfahren ein Fügen der Funktionsbaugruppe bei Raumtemperatur.
Ferner soll im Rahmen dieser Offenbarung eine Funktionsbaugruppe sowie eine
Verbundwelle für eine Funktionsbaugruppe angegeben werden, die gemäß zumindest einigen Grundprinzipien des Verfahrens erzeugbar sind.
Die Herstellung einer Verbundwelle betreffend wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Fügen einer gebauten Verbundwelle, die eine Hohlwelle mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen umfasst, gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung zumindest eines Anbauteils, insbesondere einer Mehrzahl von
Anbauteilen,
- Bereitstellung einer Hohlwelle, die zumindest einen Tragabschnitt für das zumindest eine Anbauteil aufweist, wobei das Anbauteil einen an den Tragabschnitt an- gepassten Aufnahmesitz aufweist,
- Zuführen des zumindest einen Anbauteils,
- Zuführen der Hohlwelle, wobei die Hohlwelle in den jeweiligen Aufnahmesitz des zumindest einen Anbauteils eingeführt wird, und
- nach dem Zuführen der Anbauteile und der Hohlwelle, zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle zur Fixierung des zumindest einen Anbauteils mit seinem Aufnahmesitz am jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle,
wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt wird, und wobei zumindest ein Anbauteil des zumindest einen Anbauteils elastisch verformt wird.
Bei den Anbauteilen handelt es sich beispielsweise zumindest teilweise um Wälzlager, Nocken, Zahnräder oder dgl. Ein Vorteil des obigen Verfahrens ist die nachbearbeitungsarme und/oder nachbearbeitungsfreie Montage von Anbauteilen durch Aufweiten. Im Stand der Technik genutzte Verfahren erfordern regelmäßig eine aufwändige Nachbearbeitung, um gewünschte Abmessungen und Toleranzen einzuhalten. Insbesondere kann gemäß dem obigen Verfahren auf eine Fertigbearbeitung verzichtet werden.
Eine Ausführungsform des obigen Verfahrens umfasst das Fügen von Lagern, insbesondere von mit Wälzkörpern versehenen Wälzlagern. Wälzlager umfassen
cherweise einen Innenring, einen Außenring sowie eine Mehrzahl von Wälzkörpern, die zwischen dem Innenring und dem Au ßenring aufgenommen sind.
Beim abschnittsweisen Aufweiten der Hohlwelle kann die Hohlwelle mit dem Innenring des Wälzlagers gefügt werden. Demgemäß wird beim Wälzlager primär der Innenring elastisch verformt, nämlich elastisch aufgeweitet. Dies kann bei der Auslegung des Wälzlagers bzw. der Fügeverfahrens berücksichtigt werden. Es können zum Beispiel Lager genutzt werden, die bewusst ein definiertes Radialspiel zwischen den Innenringen, den Au ßenringen und den dazwischen aufgenommenen Wälzkörpern aufweisen. Mit anderen Worten weist der Innenring zum Beispiel bewusst einen etwas zu kleinen
Durchmesser auf. Nach dem Aufweiten ist der Innenring verformt, so dass der Durchmesser dem gewünschten Fertigmaß entspricht und die gewünschte Genauigkeit bzw. das erforderliche Lagerspiel gewährleistet ist.
Eine alternative Ausgestaltung bezieht sich auf das Montieren oder Fügen eines zumindest teilweise integrierten Wälzlagers. Gemäß dieser Ausgestaltung ist der Innenring bzw. der innere Abschnitt des Wälzlagers direkt an der Hohlwelle ausgebildet bzw. in diese integriert. Dies kann eine Oberflächenbearbeitung umfassen, insbesondere eine Laufflächenbearbeitung. Ferner kann dies das Ausbilden einer Lagernut oder ähnlicher Gestaltelemente an der Hohlwelle umfassen. Beim Aufweiten der Hohlwelle wird dieser Abschnitt ebenso aufgeweitet und zumindest teilweise elastisch verformt. Dies kann eine Lagesicherung der Wälzkörper und der Außenrings an der Hohlwelle bewirken, um das integral gestaltete Wälzlager zu formen.
Grundsätzlich eignet sich das Fügen der Anbauteile an der Hohlwelle gemäß dem obigen Aspekt auch für Funktionsbaugruppen, bei denen ein Fügen der Verbundwelle im vormontierten Zustand nicht unbedingt erforderlich ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht in der Verringerung oder gar Vermeidung einer Nachbearbeitung bzw. Fertigbearbeitung, um Endkonturen der Anbauteile zu erzeugen.
Die Herstellung einer Funktionsbaugruppe betreffend wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Fügen einer Funktionsbaugruppe, umfassend eine Rahmen-
struktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und zumindest eine gebaute Verbundwelle, die eine hohle Welle mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen umfasst und an der Rahmenstruktur gelagert ist, gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung einer Rahmenstruktur, insbesondere eines Lagerrahmens oder eines Gehäuses, die eine Lagergasse mit zumindest einem umfänglich geschlossenen Lagersitz definiert,
- Bereitstellung zumindest zweier Anbauteile, insbesondere einer Mehrzahl von Anbauteilen,
- Bereitstellung einer Hohlwelle, die zumindest einen Tragabschnitt für die Anbauteile aufweist, wobei die Anbauteile einen an den Tragabschnitt angepassten Aufnahmesitz aufweisen,
- Zuführen der Anbauteile in die Lagergasse in einer ersten Zuführrichtung,
- Zuführen der Hohlwelle in die Lagergasse in einer zweiten Zuführrichtung, die von der ersten Zuführrichtung verschieden ist, wobei die Hohlwelle in den jeweiligen Aufnahmesitz der zumindest zwei Anbauteile eingeführt wird, und
- nach dem Zuführen der Anbauteile und der Hohlwelle in die Lagergasse, zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung der zumindest zwei Anbauteile mit ihren Aufnahmesitzen am jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle,
wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt wird, und wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile elastisch verformt werden.
[0016] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollständig gelöst.
[0017] Erfindungsgemäß können nämlich die mit dem thermischen Fügen einhergehenden
Nachteile vermieden werden, indem die Hohlwelle, die allgemein auch als Trägerwelle bezeichnet werden kann, in einem vormontierten Zustand (plastisch) verformt wird, um die auf dieser zu befestigenden Anbauteile verliersicher und zur Momentenübertragung geeignet festzulegen.
[0018] Ferner ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass die Hohlwelle mit Anbauteilen bestückt werden kann, die eigentlich zu groß für die Lagersitze der Rahmenstruktur sind, um durch
diese axial hindurch zugeführt zu werden. Somit muss bei der Gestaltung der Lagersitze keine besondere Rücksicht auf die Abmessungen der Anbauteile genommen werden.
Das Aufweiten der Hohlwelle kann derart erfolgen, dass die Hohlwelle in Bereichen, die innerhalb der Anbauteile angeordnet sind, durch innere Druckaufgabe plastisch radial aufgeweitet wird, so dass die Anbauteile in bleibendem Presssitz auf der Hohlwelle festgelegt werden. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die EP 1 334 784 A2 verwiesen, die sich mit dem sogenannten Innenhochdruckumformen von rohrartigen Bauteilen, insbesondere von Hohlwellen befasst. Innenhochdruckumformverfahren werden allgemein auch als IHU-Verfahren bezeichnet. IHU-Fügeverfahren unterscheiden sich deutlich von Fügeverfahren, die grundsätzlich von einer Presspassung bzw. Übermaßpassung beteiligter Fügepartner ausgehen und bei denen das Fügen etwa unter Nutzung thermischer Ausdehnungen und/oder der Erzeugung hoher Presskräfte erfolgt.
Ein wesentlicher Vorteil des Fügeverfahrens besteht darin, dass der Verbund aus Anbauteilen und Hohlwelle im Wesentlichen einstufig erzeugt werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, die zu fügenden Elemente thermisch zu behandeln und zusätzlich miteinander zu verpressen. Idealerweise liegt im nicht miteinander verpressten Zustand zwischen den Anbauteilen und der Hohlwelle ein hinreichend großes Fügespiel vor, das ein Ausrichten und vormontieren der Elemente ohne wesentliche Fügekräfte ermöglicht.
Das Aufweiten der Hohlwelle zur Erzeugung des Presssitzes hat den weiteren Vorteil, dass grundsätzlich hohe Überdeckungen erzielt werden können, die einen hochbelastbaren Verbund erzeugen können. Bei Verfahren, die ein thermisches Fügen beinhalten, sind häufig weitere Maßnahmen erforderlich, um etwa Reibwerte zwischen den zufügenden Bauteilen zu erhöhen. Es sind Anwendungen bekannt, bei denen nur auf diese Art und Weise die gewünschte Tragfähigkeit und Festigkeit der Verbindung erzeugt werden kann. Derartige Maßnahmen können bei Fügeverfahren, die die Wärmedehnung der Fügepartner ausnutzen, weitere Bearbeitungsgänge erforderlich machen, wie etwa die Erzeugung reibwerterhöhender Strukturen und/oder entsprechender Beschichtungen.
Im Gegensatz dazu ermöglicht das Fügen auf Basis einer plastischen Aufweitung der Hohlwelle hochbelastbare Verbindungen. Dies kann im Vergleich zu bekannten thermischen Fügeverfahren etwa dazu führen, dass Anbauteile geringerer Breite verwendbar sind. Häufig müssen Anbauteile, die für das thermische Fügen ausgelegt sind, eine Mindestbreite (axiale Erstreckung) aufweisen, um gewünschte Übertragungsmomente bereitstellen zu können. Dies kann jedoch bei IHU-basierten Verfahren bereits durch die potentiell größere Überdeckung erzielt werden, so dass eine entsprechende Reduzierung der Breite ermöglicht ist. Dies kann etwa zur Gewichtsreduzierung der Verbundwelle beitragen.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind unter dem Begriff Hohlwelle sowohl
Trägerwellen zu verstehen, die durchgängig mit einer Ausnehmung versehen sind, also durchgängig "hohl" gestaltet sind. Ferner sind unter dem Begriff Hohlwelle auch Trägerwellen zu verstehen, die zumindest abschnittsweise mit einem Hohlprofil bzw. einer entsprechenden Ausnehmung versehen sind. Mit anderen Worten können im Sinne dieser Offenbarung auch Trägerwellen als Hohlwellen bezeichnet werden, die teilweise geschlossene Profilabschnitte aufweisen. Gleichwohl ist es bevorzugt, wenn die Hohlwelle vollständig rohrartig gestaltet ist.
Vorzugsweise weist die Hohlwelle vor dem Aufweiten ein einheitliches, durchgehendes Hohlprofil oder Ringprofil auf, so dass sich über die Längserstreckung der Hohlwelle im Wesentlichen keine Durchmesserabweichungen, also etwa keine Abstufungen oder dergleichen ergeben. Gleichwohl ist es vorstellbar, dass die Hohlwelle zumindest abschnittsweise mit Verjüngungen, Einstichen und Ähnlichem versehen sein kann. Es sind jedoch auch Gestaltungen denkbar, bei denen die Hohlwelle zumindest an ihrem Außenumfang gestuft gestaltet ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Rahmenstruktur um eine einteilig gefertigte oder zumindest integral gefertigte Rahmenstruktur. Mit anderen Worten ist die Rahmenstruktur vorzugsweise nicht geteilt, also nicht aus zwei oder mehr Elementen (Rahmenhälften) zusammengesetzt. Demgemäß kann es sich bei dem umfänglich geschlossenen Lagersitz insbesondere um einen Lagersitz mit einer einzigen umlaufenden Passfläche für ein Lager handeln. Mit anderen Worten ist die Lagergasse der Rahmenstruktur für die Hohl-
welle nicht radial passierbar. Die Hohlwelle kann demgemäß lediglich axial in die Lagergasse eingeführt werden. Die Lagergasse der Rahmenstruktur wird üblicherweise durch eine Mehrzahl von miteinander fluchtend ausgerichteten (konzentrisch angeordneten) Lagersitzen definiert.
[0026] Die drehsteife Fixierung der Anbauteile an der Hohlwelle erlaubt insbesondere eine
Drehmomentübertragung zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen. Mit anderen Worten sind die Anbauteile verdrehsicher an der Hohlwelle aufgenommen.
[0027] Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weisen die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle eine Endkontur auf, die insbesondere nachbearbeitungsfrei ist, und mit einem Außenumfang versehen sind, der Ist-Abmessungen aufweist, die funktionsseitig vorgegebenen Soll-Abmessungen des Außenumfangs entsprechen. Dies hat den Vorteil, die Verbundwelle, die ja der Rahmenstruktur gefügt ist, also etwa im Gehäuse, keiner weiteren materialabtragenden Bearbeitung unterzogen werden braucht. Eine solche Nachbearbeitung würde zu deutlich erhöhtem Aufwand führen, da die Verbundwelle ja bereits "verbaut" ist. Dies wäre unter anderem durch die schlechte Zugänglichkeit der Verbundwelle bzw. der Anbauteile und die mit der Nachbearbeitung einhergehende Verschmutzung der Funktionsbaugruppe bedingt.
[0028] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, sind die elastisch verformten Anbauteile nach dem
Aufweiten der Hohlwelle unter Vorspannung mit ihren Tragabschnitten verpresst, wobei die Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle eine Au ßenkontur aufweisen, die kleiner als eine funktionsseitig vorgegebene Soll-Au ßenkontur ist, und wobei die elastisch verformten Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle eine Ist-Außenkontur aufweisen, die der funktionsseitig vorgegebenen Soll-Außenkontur entspricht. Mit anderen Worten kann die verbleibende elastische Verformung der Anbauteile antizipiert und bei den noch nicht gefügten Anbauteilen vorgehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass die Anbauteile nach dem Aufweiten der Hohlwelle die gewünschten Abmessungen aufweisen, die erforderliche Außenkontur der Anbauteile vor dem Fügen kann durch Berechnungen, Simulationen und/oder durch Versuche ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind zumindest einige der Anbauteile vor dem Aufweiten der Hohlwelle an ihrer Außenkontur mit Funktionsflächen, insbesondere mit umlaufenden Laufflächen versehen, deren Oberfläche endbearbeitet ist. Es wird in diesem Zusammengang nochmals betont, dass ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens darin besteht, dass keine abtragende Nachbearbeitung der gefügten Anbauteile erforderlich ist. Auch wenn sich die Abmessungen der Außenkontur der Anbauteile durch das Aufweiten der Hohlwelle verändern, so bleibt doch die Oberflächegüte im Wesentlichen erhalten. Dies beruht insbesondere darauf, dass die relative Verformung nur sehr gering ist. Würden die Anbauteile hingegen gemäß allgemein bekannter Verfahren zum Fügen mittels Innenhockdruckumformung gefügt werden, wäre eine spanende Nachbearbeitung zur Erzeugung der gewünschten Oberflächengüte erforderlich. Dies würde den Aufwand und die Kosten deutlich erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Anbauteile vor dem Aufweiten der
Hohlwelle an ihrer Außenkontur mittels abtragender Bearbeitungsverfahren endbearbeitet und weisen Abmessungen auf, die unter Beachtung der nach dem Aufweiten der Hohlwelle verbleibenden elastischen Verformung definiert sind. Die Anbauteile werden also bewusst, etwas "zu klein" gefertigt, um nach dem Aufweiten maßhaltig zu sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist der Schritt des Zuführens der
Anbauteile ferner Folgendes auf:
Ausrichten der Anbauteile, wobei zumindest zwei der Anbauteile in einer Füge- Soll-Orientierung angeordnet werden, die eine relative Orientierung der Anbauteile zueinander erzeugt, die von einer Soll-Orientierung der Anbauteile zueinander im gefügten Zustand abweicht.
Dies kann etwa bedeuten, dass mehrere oder sämtliche als Nocken ausgeführte
Anbauteile die gleiche Füge-Soll-Orientierung aufweisen. Dies kann die Handhabung und das Zuführen der Anbauteile deutlich vereinfachen. Ferner kann die Ausrichtung der Anbauteile vereinfacht werden, da etwa der Aufwand zur Bereitstellung geeigneter Positionieraufnahmen sinkt.
Gemäß einer weitern Ausgestaltung weist das Verfahren nach dem Zuführen der
Hohlwelle in die Lagergasse Folgendes auf:
axiales Ausrichten der Hohlwelle,
Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle in Bezug auf zumindest ein Anbauteil, und
abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen Anbauteils am zugeordneten Tragabschnitt der Hohlwelle.
Dies hat den Vorteil, dass die Winkelausrichtung der Anbauteile zueinander mittelbar durch das Ausrichten der Hohlwelle folgen kann. Mehrere Anbauteile können daher nach dem Zuführen die gleiche Füge-Soll-Orientierung aufweisen, obwohl sie im final gefügten Zustand eine hiervon abweichende Soll-Orientierung aufweisen.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verfahren ferner ein sequentielles Abarbeiten der folgenden Schritte für eine Mehrzahl von Anbauteilen auf:
Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle in Bezug auf zumindest ein nächstes
Anbauteil,
Aufweiten eines nächsten Tragabschnitts der Hohlwelle zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen nächsten Anbauteils,
wobei sich durch das sequentielle Ausrichten und Aufweiten eine gewünschte Relativlage, insbesondere eine gewünschte relative Winkelausrichtung, zwischen den Anbauteilen ergibt.
Damit kann ein sequentielles Fügen realisiert werden. Ferner kann jedes Anbauteil die gewünschte Winkelorientierung im Verbund aufweisen, indem die Hohlwelle entsprechend vor dem jeweiligen Fügen ausgerichtet wird. Ein weiterer denkbarer Vorteil des sequentiellen Fügens besteht darin, dass der Fügedruck bei jeder Abarbeitung neu angepasst werden kann. Somit kann definiert werden, wie stark der jeweilige Abschnitt der Hohlwelle aufgeweitet werden soll. Die nach dem Fügen vorhandene (gedachte) Überdeckung zwischen dem Tragabschnitt und dem Anbauteil kann variiert werden. Auf diese Weise können Fügekräfte bzw. Haltekräfte beeinflusst werden. So kann es beispielsweise bei Anbauteilen in Form von Nocken erforderlich sein, hohe Haltekräfte zu erzeugen, um ein Verdrehen oder Verrutschen der Nocken sicher zu verhindern. Andere Anbauteile, etwa
Sensorräder aus Sintermetall oder ähnlichen Werkstoffen mit verringerter Festigkeit bzw. Elastizität, können ein Fügen durch Aufweiten mit reduziertem Fügedruck erforderlich machen, um Beschädigungen der Anbauteile zu vermeiden.
Allgemein kann der erforderliche Fügedruck, mit dem ein Trägerabschnitt aufgeweitet wird, von der Funktion, den Abmessungen und/oder dem Werkstoff der Anbauteile abhängig sein. Der Fügedrück kann als der Druck verstanden werden, mit dem die jeweiligen Tragabschnitte der Hohlwelle von innen aufgeweitet werden. Dabei kann es sich etwa um den Druck des Fluids handeln, mit dem von innen auf die Innenseiten der Tragabschnitte eingewirkt wird.
Es versteht sich, dass das sequentielle Fügen ein separates Fügen jedes Anbauteils umfassen kann. Alternativ ist es vorstellbar, zumindest bei einigen Abarbeitungen eine Mehrzahl von Anbauteilen gemeinsam zu fügen. Dies kann etwa ein Nockenpaar mit einem Einlassnocken und einem Auslassnocken betreffen. Allgemein können Anbauteile betroffen sein, die einander axial benachbart mit der Hohlwelle zu fügen sind.
Sofern im Rahmen dieser Offenbarung von einer Verbundwelle die Rede ist, soll darunter eine Baugruppe verstanden werden, die aus mehreren Elementen, insbesondere aus einer Trägerwelle und entsprechenden Anbauteilen, besteht. Dies umfasst nicht notwendigerweise, dass die Elemente der Verbundwelle aus verschiedenartigen Werkstoffen bestehen. Üblicherweise bestehen die wesentlichen Elemente der Verbundwelle aus Metallwerkstoffen, insbesondere aus Stahlwerkstoffen.
Bei der Funktionsbaugruppe handelt es sich vorzugsweise um eine vormontierte Nockenwellenbaugruppe, die beispielsweise ein Gehäuse, entsprechende Lager sowie eine darin aufgenommene Nockenwelle umfasst. Die Verbundwelle muss jedoch nicht unbedingt als Nockenwelle gestaltet sein. Es ist auch vorstellbar, die Verbundwelle etwa als Ausgleichswelle, allgemein als Steuerwelle oder in ähnlicher Weise zu gestalten.
In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn die Funktionsbaugruppe als Motorenbaugruppe, insbesondere als Nockenwellenbaugruppe oder Zylinderkopfbau-
gruppe, ausgestaltet ist, wobei die mit der Hohlwelle versehene Verbundwelle im gefügten Zustand als Steuerwelle, insbesondere als Nockenwelle, ausgebildet ist. Andere Anwendungen können etwa Steuerwellen zur Nockenwellenverstellung, Massenausgleichswellen, Steuerwellen für Einspritzsysteme oder Ähnliches umfassen. Vorzugsweise ist die Verbundwelle mittelbar oder unmittelbar einem Ventiltrieb, Massenausgleichstrieb oder Kurbeltrieb eines Verbrennungsmotors zugeordnet.
[0042] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sind die Anbauteile aus der Gruppe ausgewählt, die aus Folgendem besteht: Nocken, Flansche, Lagerhülsen, Impulsgeber, Zahnräder, Distanzhülsen und Kettenräder. Vorzugsweise ist die Hohlwelle mit einer Mehrzahl entsprechender Anbauteile bestückt, die verschiedenen der vorgenannten Typen entsprechen können. Üblicherweise weist etwa eine Nockenwelle eine Mehrzahl von Nockenpaarungen auf (Einlassnocken, Auslassnocken). Ferner ist regelmäßig zumindest ein Zahnrad oder Kettenrad zum Antrieb der Nockenwelle vorgesehen. Zur Erfassung einer Drehlage der Nockenwelle sind beispielsweise Impulsgeber oder ähnliche Drehgeber aufgenommen. Selbstverständlich sind auch andere Anbauteile denkbar.
[0043] In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass nicht zwangsläufig jedes Anbauteil, das an der Hohlwelle aufgenommen ist, durch plastisches Aufweiten der Hohlwelle mit dieser gefügt werden muss. Beispielhaft sind Anbauteile vorstellbar, die nicht zur Drehmomentübertragung eingesetzt werden. Hierbei kann es sich etwa um Distanzhülsen, Innenringe von Lagern und ähnliche Bauteile handeln. Es ist daher vorstellbar, dass zumindest einige Anbauteile in einfacher Weise auf die Hohlwelle aufgepresst werden. Jedoch ist es bevorzugt, wenn zumindest Nocken, Zahnräder und ähnliche zur Drehmomentübertragung ausgebildete Anbauteile durch plastisches Aufweiten auf der Hohlwelle fixiert sind.
[0044] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist dieses ferner, vor dem
Zuführen der ein Anbauteile und der Hohlwelle zur Rahmenstruktur, den Schritt der Bearbeitung zumindest eines Tragabschnitts der Hohlwelle oder des zugeordneten Aufnahmesitzes der Anbauteile zur Erzeugung eines definierten Montagespiels zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen auf. Vorzugsweise erfolgt eine Bearbeitung sowohl des Tragabschnitts als auch des zugeordneten Aufnahmesitzes. Idealerweise werden dabei also ein Außendurchmesser der Hohlwelle und ein Innendurchmesser des Anbau-
teils derart aneinander angepasst, dass sich ein definierter Montagespalt ergibt, der ein hinreichend großes Montagespiel ermöglicht, um eine einfache Vormontage ohne großen Kraftaufwand zu erlauben. Dies erfolgt insbesondere durch axiales Einführen der Hohlwelle in die Lagergasse, in der bereits die Anbauteile bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist das definierte Montagespiel deutlich geringer als bei allgemein im Stand der Technik bekannten IHU-Verfahren gewählt. Insbesondere kann das Montagespiel wenige Promille ( o) des Fügedurchmessers zwischen der Hohlwelle und dem jeweiligen Anbauteil betragen.
Ein relativ kleiner Montagespalt kann verschiedene Vorteile mit sich bringen. Ein wesentlicher Vorteil kann darin gesehen werden, dass sich beim Aufweiten der Hohlwelle aufgrund des geringen zu überwindenden Spaltes zum Fügen der Hohlwelle mit dem Anbauteil nur ein äu ßerst geringer Verzug bei der Hohlwelle und den Anbauteilen ergibt. Auf diese Weise kann auf eine Nachbearbeitung der gefügten Verbundwelle verzichtet werden. Eine solche Nachbearbeitung wäre angesichts der Tatsache, dass die gefügte Verbundwelle bereits zwangsläufig in der Rahmenstruktur aufgenommen ist, mit großem Aufwand verbunden.
Allgemein erlaubt ein geringes definiertes Montagespiel ein sicheres Fügen der Hohlwelle mit den Anbauteilen bei einem relativ geringen Umformgrad der Hohlwelle. Auf diese Weise kann auch eine übermäßige Versprödung der Hohlwelle vermieden werden. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass der geringe Montagespalt, der beim Fügen überwunden werden muss, dazu beiträgt, dass kein massiver Gegenhalter für die Anbauteile erforderlich ist, der diese umfänglich abstützt. Mit anderen Worten kann eine sich ergebende Verformung am Umfang des Anbauteils, die durch das Aufweiten der Hohlwelle induziert wird, hinreichend präzise vorhergesagt und/oder während des Fügens oder unmittelbar im Anschluss danach festgestellt werden. Die zu erwartende Verformung/Ausdehnung ist äußerst gering.
Auf diese Weise wird eine In-Prozess-Uberwachung oder eine nahezu In-Prozess- Überwachung ermöglicht. Dies kann insbesondere bei Anbauteilen, die als Nocken
ausgestaltet sind, wesentlich sein, da entsprechende Auswirkungen auf Steuerzeiten von Verbrennungsmotoren das Betriebsverhalten des Motors wesentlich beeinflussen können. Da jedoch kein massiver Gegenhalter (Matrize oder Gesenk) für das jeweilige Anbauteil erforderlich ist, kann gewissermaßen bereits während des Aufweitens die Außenkontur, insbesondere die Lauffläche, des Nockens überwacht werden. Idealerweise kann demgemäß bereits während des Aufweitens eine Rückkopplung zwischen der Überwachung der Au ßenkontur und der zum Aufweiten genutzten Vorrichtung erfolgen. Demgemäß können Prozessparameter des Umformvorgangs in Abhängigkeit der sich ergebenden Außenkontur des Nockens beeinflusst werden.
[0049] In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Montagespiel zwischen der Hohlwelle und den Anbauteilen maximal 150 μηι (Mikrometer), vorzugsweise maximal 100 μηι, weiter bevorzugt maximal 50 μηι. Beispielsweise können die Tragabschnitte der Hohlwelle und die Aufnahmesitze der diesen zugeordneten Anbauteile derart gefertigt und berabei- tet sein, dass sich ein Fügespiel im Bereich zwischen 20 μηι bis 75 μηι, vorzugsweise im Bereich zwischen 30 μηι bis 50 μηι ergibt.
[0050] Bekannte IHU-Verfahren, etwa gemäß der EP 1 334 784 A2, gehen allgemein von einem wesentlich größeren Fügespalt aus, der durch die Umformung der Hohlwelle überwunden werden muss. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Fügevorgang als solcher einfacher erfolgen kann. Auch eine Vorbearbeitung der entsprechenden Fügeflächen der Hohlwelle und des Anbauteils kann mit weniger Aufwand und weniger Präzision durchgeführt werden. Jedoch geht damit häufig der Nachteil einher, dass nach dem Fügevorgang aufgrund der Verformungen bzw. des Verzugs der Hohlwelle bzw. des Anbauteils Nachbearbeitungen erforderlich sind. Häufig umfasst die Nachbearbeitung sogar ein Richten der gefügten Welle, da die Verformungen schlichtweg zu groß sind. Dies wird gemäß der vorliegenden Offenbarung durch eine hinreichend genaue Bearbeitung vor dem Fügen und den deutlich verringerten Fügespalt vermieden.
[0051 ] Die Hohlwelle wird beim Aufweiten zumindest teilweise plastisch verformt. Dies beinhaltet jedenfalls während der tatsächlichen Krafteinwirkung (Umformkraft) ein teilweises elastisches Verformen, wobei eine plastische Verformung verbleibt, wenn die Umformkraft nicht mehr auf die Hohlwelle einwirkt. Die verbleibende plastische Verformung verformt wiede-
rum das jeweilige Anbauteil. Die Verformung es Anbauteils ist vorzugsweise im Wesentlichen elastisch. Die plastische Aufweitung der Hohlwelle bewirkt demgemäß eine bleibende elastische Aufweitung des Anbauteils, etwa des Nockens. Mit anderen Worten ist das gefügte Anbauteil nach dem Fügevorgang an seinem Umfang etwas größer als vor dem Fügen. Die verbleibende Aufweitung kann beispielhaft im Bereich von 25 μηι bis 75 μηι, vorzugsweise im Bereich von 40 μηι bis 60 μηι liegen und weiter bevorzugt etwa 50 μηι betragen.
[0052] Diese Aufweitung kann jedoch bei der Fertigung und Endbearbeitung des Anbauteils vor dem Fügen berücksichtigt bzw. vorgehalten werden. Die Aufweitung kann durch Berechnungen, Simulationen und/oder ergänzende Versuche bestimmt bzw. vorhergesagt werden. Auf diese Weise kann das Anbauteil bewusst etwas "zu klein" gefertigt werden, so dass sich nach dem Fügen und dem damit verbundenen elastischen Aufweiten die gewünschten Abmessungen bzw. die gewünschte Gestalt ergibt.
[0053] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner, vor dem Zuführen der
Hohlwelle zur Rahmenstruktur, den Schritt des Bearbeitens, vorzugsweise des Fertigbearbeitens, zumindest eines Lagerabschnitts der Hohlwelle, der im gefügten Zustand einem Lagersitz der Lagergasse zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn die Hohlwelle bereits vor dem Einführen in die Lagergasse vollständig bearbeitet ist, so dass nach dem Einführen und dem Fügen keinerlei weitere Bearbeitung erforderlich ist. Dies erhöht zwar in gewissem Umfang den Aufwand für die Bearbeitung vor dem Fügevorgang, vermeidet jedoch nachgelagerte Bearbeitungsgänge.
[0054] Idealerweise ist die Hohlwelle durchgehend oder im Wesentlichen durchgehend mit einem einheitlichen Au ßendurchmesser versehen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Anbauteilen auf dieser aufgenommen sein. Zumindest einige der Anbauteile, insbesondere Lager und ähnliche nicht zur Drehmomentübertragung ausgebildete Anbauteile, können axial aufgepresst werden. Andere Teile, die zur Drehmomentübertragung ausgebildet sind, können durch radiales Aufweiten und Aufpressen drehfest an der Hohlwelle festgelegt werden. Es versteht sich, dass auch eine gestufte Gestaltung der Hohlwelle denkbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden der zumindest eine Lagerabschnitt und der zumindest eine Tragabschnitt der Hohlwelle im Wesentlichen gleichartig bearbeitet, wobei vorzugsweise der zumindest eine Lagerabschnitt und der zumindest eine Tragabschnitt den gleichen Durchmesser aufweisen. Idealerweise trifft dies zumindest auf benachbarte Tragabschnitte und Lagerabschnitte zu. Dies kann ferner beinhalten, dass die Bearbeitung des Lagerabschnitts und des Tragabschnitts derart erfolgt, dass beide das gleiche Nennmaß und beide das gleiche Toleranzfeld umfassen. Ferner können beide die gleiche Oberflächenrauheit aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Fügens zumindest eines Lagerelements, das eine Relativverdrehung zwischen der Hohlwelle und der Rahmenstruktur erlaubt, insbesondere ein Anordnen zumindest eines Lagerelements zwischen einem Lagerabschnitt der Hohlwelle und einem zugeordneten Lagersitz der Lagergasse. Ferner kann das Verfahren auch den Schritt des Bearbeitens, vorzugsweise des Fertigbearbeitens, des zumindest eines Anbauteils vor dem Zuführen der Hohlwelle umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst dieses ferner die Schritte:
- nicht-axiales Zuführen, vorzugsweise radiales Zuführen des zumindest einen
Anbauteils in die Lagergasse,
axiales Zuführen der Hohlwelle in die Lagergasse, und
- Ausrichtung des zumindest einen Anbauteils in der Lagergasse in einer definierten Relativlage
Zu diesem Zweck kann etwa eine Positionieraufnahme vorgesehen sein, die die gewünschte Relativlage des Anbauteils zur Hohlwelle, insbesondere zu weiteren Anbau- teilen für die Hohlwelle, festlegt. Die Relativlage kann einerseits eine axiale Position der Anbauteile zueinander und in Bezug auf die Hohlwelle umfassen. Ferner kann die Relativlage eine Winkelposition der Anbauteile relativ zueinander und relativ zur Hohlwelle umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt des Aufweitens der Hohlwelle ferner
- Einführen eines lanzenartigen oder dornartigen Umformwerkzeugs in die Hohlwelle, und
- sequentielles oder simultanes Aufweiten mehrerer Tragabschnitte der Hohlwelle, die jeweiligen Anbauteilen zugeordnet sind, wobei vorzugsweise das Aufweiten zumindest eines der Tragabschnitte (78) ohne Gegenhaltung durch eine äußere Matrize erfolgt.
Diese Schritte können sequentiell durchgeführt werden, wobei die Hohlwelle in Einzelabschnitten plastisch aufgeweitet wird, die einzelnen oder mehreren Anbauteilen zugeordnet sind. Demgemäß kann der Fügevorgang Stück für Stück erfolgen. Es wäre jedoch auch vorstellbar, dass die verschiedenen Tragabschnitte der Hohlwelle simultan aufgeweitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Aufweiten zumindest eines der Tragabschnitte ohne Gegenhaltung durch eine äußere Matrize. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es von Vorteil, wenn zumindest eines der Anbauteile keinen massiven Gegenhalter aufweist, der etwa sich durch das Aufweiten der Hohlwelle ergebende Deformationen beim Anbauteil steuern soll. Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten der Hohlwelle derart, dass nur geringe Deformationen bzw. Aufweitungen des Anbauteils damit einhergehen. Sofern diese Deformationen hinreichend vorhersagbar sind, kann das Anbauteil derart ausgelegt werden, dass sich nach dem Aufweiten der Hohlwelle die gewünschte Endkontur mit hoher Sicherheit und hinreichend engen Toleranzen ergibt.
Im Sinne dieser Offenbarung ist eine Matrize oder ein Gegenhalter ein massives Gesenk, das eine sich ergebende Au ßenkontur des Anbauteils definiert. Derartige Gesenke sind häufig bei konventionellen IHU-Verfahren erforderlich. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn das Fügen der Hohlwelle mit den Anbauteilen gesenkfrei oder matrizenfrei erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner ein Fügen zumindest eines Lagerelements, das eine Relativverdrehung zwischen der Hohlwelle und der Rahmenstruktur erlaubt, zwischen zwei axial zueinander versetzten Tragabschnitten der Hohlwelle, wobei das Fügen des zumindest einen Lagerelements vorzugsweise vor dem Aufweiten der beiden benachbarten Tragabschnitte erfolgt. Das Zuführen des Lagerelements kann grundsätzlich auch radial erfolgen. Es ist jedoch auch vorstellbar, Lagerelemente axial in die Lagergasse zuzuführen, da diese üblicherweise an Lagersitze der Lagergasse angepasst sind. Auch kombinierte radial-axiale Zuführbewegungen sind denkbar.
Die oben genannten Aspekte des Verfahrens beziehen sich ausdrücklich auch auf eine Verfahrensgemäß gefertigte Verbundwelle, die in einer Funktionsbaugruppe aufgenommen ist oder aufnehmbar ist.
Die Funktionsbaugruppe betreffend wird die Aufgabe der Erfindung ferner gelöst durch eine Funktionsbaugruppe, insbesondere eine Nockenwellenbaugruppe, mit einer Rahmenstruktur, die zumindest eine Lagergasse definiert, und mit zumindest einer gebauten Verbundwelle, die an der Rahmenstruktur gelagert ist und eine Hohlwelle und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile umfasst, wobei die Rahmenstruktur eine radial geschlossene Lagergasse aufweist, vorzugsweise eine für die Hohlwelle radial unzugängliche Lagergasse, wobei die Anbauteile Aufnahmesitze aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle angepasst sind, wobei der Tragabschnitt der Hohlwelle aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil drehsteif an der Hohlwelle zu fixieren, wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt ist, und wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten verpresst sind.
Vorzugsweise ist die Funktionsbaugruppe gemäß zumindest einigen Aspekten des oben beschriebenen Verfahrens gefertigt oder gefügt. Der Tragabschnitt ist insbesondere plastisch aufgeweitet.
Gemäß einer Weiterbildung der Funktionsbaugruppe ist die Lagergasse für die gebaute Verbundwelle axial unzugänglich. Dies kann etwa bedeuten, dass zumindest eines der drehsteif an der Hohlwelle fixierten Anbauteile schlichtweg "zu groß" ist, um etwa durch einen Lagersitz der Lagergasse hindurchgeführt zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Funktionsbaugruppe ist zumindest ein Lagerelement vorgesehen, das einen Lagerabschnitt der Hohlwelle und einen zugeordneten Lagerabschnitt der Rahmenstruktur miteinander verbindet, wobei das Lagerelement zwischen zwei benachbarten aufgeweiteten Tragabschnitten angeordnet ist, an denen jeweils ein Anbauteil drehfest aufgenommen ist.
Die Verbundwelle betreffen wird die Aufgabe der Erfindung ferner gelöst durch eine gebaute Verbundwelle, insbesondere eine Nockenwelle, die zur Aufnahme an einer Rahmenstruktur ausgebildet ist, die zumindest eine Lagergasse definiert, wobei die Verbundwelle eine Hohlwelle und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile umfasst, zumindest ein Anbauteil, wobei die Anbauteile Aufnahmesitze aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt der Hohlwelle angepasst sind, wobei der Tragabschnitt der Hohlwelle aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil drehsteif an der Hohlwelle zu fixieren, wobei die Hohlwelle im Bereich ihrer Tragabschnitte plastisch verformt ist, und wobei zumindest einige der Anbauteile elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten verpresst sind.
Es versteht sich, dass von Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch Ausgestaltungen von Verfahren und Verbundwellen bzw. Funktionsbaugruppen umfasst sind, bei denen lediglich ein einziges Anbauteil durch abschnittsweises Aufweiten einer Hohlwelle mit der Hohlwelle gefügt wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung 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.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer gebauten Verbundwelle, die als Nockenwelle gestaltet ist;
Figur 2 eine schematische Explosionsdarstellung der Nockenwelle gemäß Fig. 1 ;
Figur 3 eine perspektivische vereinfachte Ansicht eines Gehäuses, das etwa als
Nockenwellengehäuse gestaltet ist und das zwei Nockenwellen beherbergt;
Figur 4 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Lagerrahmens, an dem zwei
Nockenwellen aufgenommen sind;
Figur 5 eine an die Gestaltung des Lagerrahmens gemäß Fig. 4 angelehnte perspektivische Darstellung eines nicht bestückten Lagerrahmens;
Figur 6 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf eine als Nockenwelle ausgeführte gebaute Verbundwelle, die an einer Rahmenstruktur aufgenommen ist, während eines Fügevorgangs;
Figur 7 eine Seitenansicht der Nockenwelle gemäß Fig. 6, wobei auf die Darstellung der Rahmenstruktur verzichtet wurde, und wobei ein Umformwerkzeug in einer Au ßer-Eingriff-Stellung dargestellt ist;
Figur 8 eine vereinfachte schematische Teilansicht eines zu fügenden Verbundes aus einer Hohlwelle und einem Anbauteil in einem nicht gefügten Zustand;
Figur 9 eine der Darstellung gemäß Fig. 8 ähnliche Schnittansicht einer mit einem
Anbauteil zu fügenden Hohlwelle, wobei ein Umformwerkzeug in die Hohlwelle eingeführt ist, um einen Tragabschnitt der Hohlwelle aufzuweiten;
Figur 10, 1 1 , 12 und 13
schematische, stark vereinfachte perspektivische Ansichten einer als Nockenwelle ausgeführten Verbundwelle zur Veranschaulichung von Aspekten beispielhaften Fügevorgangs; und
Figur 14 eine schematische Blockdarstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines
Verfahrens zum Fügen einer Funktionsbaugruppe gemäß zumindest einigen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
[0073] Anhand der Fig. 1 , 2 und 3 wird eine beispielhafte Gestaltung einer gebauten Welle 10 veranschaulicht, die etwa als Nockenwelle 12 ausgestaltet sein kann. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Welle auch als Verbundwelle 10 bezeichnet werden. Neben Nockenwellen 12 können grundsätzlich auch andere Wellen, die etwa bei Verbrennungsmotoren zur Anwendung kommen, als gebaute Verbundwellen 10 gestaltet sein. Nachfolgend wird einheitlich der Begriff Nockenwelle 12 verwendet, dies soll jedoch nicht einschränkend verstanden werden.
[0074] Die Nockenwelle 12 weist ein Halbzeug auf, das auch als Tragwelle 14 bezeichnet
werden kann. Insbesondere kann es sich bei der Tragwelle 14 um eine Hohlwelle 16 handeln. Die Hohlwelle 16 ist zumindest abschnittsweise mit einem Hohlprofil 18 versehen, vorzugsweise durchgängig entlang ihrer gesamten Längserstreckung. Nachfolgend wird einheitlich der Begriff Hohlwelle 16 verwendet, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.
[0075] Die Nockenwelle 12 ist in Fig. 1 in einem gebauten, gefügten Zustand und in Fig. 2 in einem explodierten Zustand dargestellt. An der Hohlwelle 16 ist eine Mehrzahl von Anbauteilen 20 aufgenommen, vgl. Fig. 1 . Bei den Anbauteilen 16 kann es sich etwa um Nocken 22, Zahnräder 24 (vgl. insbesondere Fig. 3), Hülsen 26, Lager oder Lagerringe 28, Flansche 30 und dergleichen handeln. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend primär der Begriff Nocken 22 verwendet, auch wenn es sich bei den Anbauteilen 20 grundsätzlich um andere Teile handeln kann. Zumindest einige der Anbauteile 20, insbesondere die Nocken 22 und die Zahnräder 24, müssen derart fest auf der Hohlwelle 16 fixiert werden, dass eine Drehmomentübertragung sicher ermöglicht ist. Eine Relativverdrehung zwischen den Nocken 22 bzw. den Zahnrädern 24 und ihrer Hohlwelle 16 muss
mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden können. Die Nocken 22 weisen Funktionsflächen in Form umlaufender Laufflächen 32 auf, die üblicherweise feinbearbeitet sind.
[0076] Im Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, Nocken 22 und ähnliche Anbauteile durch sogenannte Innenhochdruckumformverfahren (IHU-Verfahren) mit Hohlwellen 16 zu fügen, um gebaute Nockenwellen 12 zu erzeugen. In diesem Zusammenhang wird erneut auf die EP 1 3344 784 A2 und den darin grundsätzlich beschriebenen Verfahrensablauf sowie die darin grundsätzlich beschriebenen Vorrichtungen verwiesen.
[0077] Ein weiterer Trend in der Fertigungstechnik, insbesondere bei der Fertigung von Modulbaugruppen oder Funktionsbaugruppen für Verbrennungsmotoren, geht dahin, Gehäuseteile, Rahmenstrukturen und Ähnliches möglichst integral zu fertigen, um aufwändige Bearbeitungsprozesse und/oder Fügeprozesse zu vermeiden. In diesem Zusammenhang zeigen beispielhaft die Fig. 3 und 4 Funktionsbaugruppen 40, die integral gestaltete Rahmenstrukturen 42 umfassen. Unter einer Rahmenstruktur 42 sollen im Sinne der vorliegenden Offenbarung etwa ein Gehäuse 44 (vgl. Fig. 3), ein Lagerrahmen 46 (vgl. Fig. 4 und Fig. 5) und ähnliche Strukturelemente zur Aufnahme von Nockenwellen 12 (allgemein von gebauten Verbundwellen 10) verstanden werden. Daher wird nachfolgend vereinheitlichend von dem Begriff Rahmenstruktur 42 ausgegangen.
[0078] Die integrale, insbesondere die zumindest weitgehend einstückige Fertigung der Rahmenstruktur 42 kann wesentliche Vorteile mit sich bringen. Insbesondere lassen sich im Vergleich zu mehrteiligen Rahmenstrukturen Fügevorgänge vermeiden. Das Fügen mehrteiliger Rahmenstrukturen erfordert einerseits die entsprechenden Fügearbeiten und andererseits eine entsprechende Vorbehandlung der Fügeflächen. Es ist daher von wesentlichem Vorteil, die Rahmenstrukturen 42 einteilig ausführen zu können.
[0079] Die als Gehäuse 44 ausgebildete Rahmenstruktur 42 gemäß Fig. 3 weist eine Gehäusewandung 50, Seitenstege 52 und Zwischenstege 54 auf. Allgemein definiert die Rahmenstruktur 42 zumindest eine Lagergasse 56, vgl. insbesondere Fig. 5. Die Lagergasse 56 weist eine Mehrzahl von Lagersitzen 58 auf, die in der Rahmenstruktur 42 ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet sind. Lagersitze 58 sind insbesondere in den
Seitenstegen 52 sowie in den Zwischenstegen 54 ausgebildet. Fig. 3 zeigt, dass die
Gehäusewand 50 des Gehäuses 44 die Seitenstege 52 und die Zwischenstege 54 miteinander verbindet. Fig. 4 zeigt, dass die Seitenstege 52 und die Zwischenstege 54 durch Längsstege 60 miteinander verbunden sind. Sowohl das Gehäuse 44 (Fig. 3) als auch der Lagerrahmen 46 (Fig. 4) sind einstückig gestaltet, wobei auch Einbauelemente vorgesehen sein können, wie etwa Einpresshülsen, Gewindeeinsätze, Passhülsen oder dergleichen.
[0080] In Fig. 5 ist ferner durch einen mit 64 bezeichneten Doppelpfeil eine erste Richtung oder
Zuführrichtung angedeutet, die auch als radiale Zuführrichtung bezeichnet werden kann. Ferner ist durch einen mit 66 bezeichneten Doppelpfeil eine zweite Zuführrichtung angedeutet, die auch als axiale Zuführrichtung beschrieben werden kann. Die axiale Zuführrichtung 66 ist üblicherweise parallel oder konzentrisch mit der Längserstreckung der durch die Lagersitze 58 definierten Lagergasse 56. Die radiale Zuführrichtung 64 ist üblicherweise im Wesentlichen senkrecht zur Lagergasse 56 orientiert.
[0081 ] Mit besonderem Verweis auf Fig. 2 und Fig. 5 wird ferner ein Zuführkonzept für die
Hohlwelle 16 sowie daran oder darauf zu befestigende Anbauteile 20 veranschaulicht. Insbesondere die Nocken 22 sind vorzugsweise in ihrer radialen Erstreckung (oder: ihrer Silhouette) größer als zumindest einige der Lagersitze 58 der Lagergasse 56. Dies heißt mit anderen Worten, der entsprechende Nocken 22 oder ein ähnliches Anbauteil 20 kann eben nicht durch den Lagersitz 58 hindurch axial in die Lagergasse 56 eingeführt werden. Somit werden zumindest die Nocken 22 in der ersten Zuführrichtung 64 radial in Richtung auf die Lagergasse 56 zugeführt. Gleiches kann für zumindest einige der übrigen Anbauteile 20 zutreffen.
[0082] Es ist grundsätzlich auch vorstellbar, zumindest einige der Anbauteile 20 axial in der zweiten Zuführrichtung 66 zuzuführen, so etwa diejenigen Lager 28, die im Lagersitz 58 des Seitenstegs 52 aufgenommen oder eingepresst sind. Diejenigen Lager 28, die etwa zwischen zwei Nocken 22 an der Hohlwelle 16 aufgenommen sind, werden beispielhaft durch eine kombinierte Bewegung zunächst in der ersten Zuführrichtung 64 zugeführt und ferner in der zweiten Zuführrichtung 66 in einen entsprechenden Lagersitz 58 eines Zwischenstegs 54 eingebracht.
Die in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Rahmenstrukturen 42 sind für die Hohlwelle 16 in der ersten Zuführrichtung (radiale Zuführrichtung) 64 nicht zugänglich. Dies ist in erster Linie dadurch bedingt, dass zumindest einige der Lagersitze 58 als umlaufende oder geschlossene Lagersitze ausgeführt sind. Mit anderen Worten kann die Hohlwelle 16 nicht einfach radial durch die Zwischenstege 54 oder Seitenstege 52 in Richtung auf ihre gewünschte Endlage in der Lagergasse 56 geführt werden. Somit muss die Hohlwelle 16 axial in der zweiten Zuführrichtung 66 zugeführt werden. Ein Verbund der Nockenwelle kann daher erst in der Rahmenstruktur 42 erzeugt werden. Die gefügte Nockenwelle 12 ist im fertig montierten oder gefügten Zustand verliersicher in der Rahmenstruktur 42 aufgenommen und kann nicht zerstörungsfrei demontiert oder ausgebaut werden.
Ein beispielhafter Fügevorgang für die Nockenwelle 12 wird nachfolgend anhand der Fig. 6 bis 9 veranschaulicht und näher erläutert.
Fig. 6 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch eine zumindest vormontierte Nockenwelle 12. Die Nockenwelle 12 ist in eine Lagergasse 58 einer Rahmenstruktur 42 eingeführt und über Lager 28 an entsprechenden Lagersitzen 58 von Seitenstegen 52 und Zwischenstegen 54 drehbar aufgenommen. Die Nockenwelle 12 weist eine mit einem durch gestrichelte Linien angedeuteten Hohlprofil 18 versehene Hohlwelle 16 auf, an der eine Mehrzahl von Anbauteilen 20, insbesondere Nocken 22, aufgenommen ist. Ferner weist die Nockenwelle 12 ein Kettenrad oder Zahnrad 24 auf, das an einem der beiden Enden der Hohlwelle 16 aufgenommen ist. Die Nocken 22 und das Zahnrad 24 sind verdrehfest an der Hohlwelle 16 aufgenommen.
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Orientierung in der "von oben" oder "von unten" auf die entsprechende Funktionsbaugruppe 40 geblickt wird. Fig. 7 zeigt einen weiteren schematisch stark vereinfachten Längsschnitt durch die Nockenwelle 12 mit einer gegenüber der Orientierung in Fig. 6 um 90 ° gedrehten Orientierung. Die Ansichtsebene von Fig. 7 ist senkrecht zur Ansichtsebene von Fig. 6 orientiert. In Fig. 7 wurde aus Veranschauli- chungsgründen auf eine Darstellung der Rahmenstruktur 42 verzichtet.
[0087] Wie vorstehend bereits beschrieben, erfolgt ein Zuführen oder Einführen der Hohlwelle 16 in axialer Zuführrichtung 66. Bevor jedoch die Hohlwelle 16 in die Lagergasse eingeführt wird, werden die Anbauteile 20, insbesondere die Nocken 22, entsprechend in die Lagergasse 56 eingeführt, so dass die Hohlwelle 16 diese durchdringen kann. Die Nocken 22 können daher im Wesentlichen "von oben" oder "von unten" radial in der ersten Zuführrichtung 64 in die Lagergasse eingebracht und dort mit der Hohlwelle 16 zumindest vorgefügt oder vormontiert werden. Ein (finales) Fügen der Hohlwelle 16 mit den Nocken 22, dem Zahnrad 24 oder sonstigen Anbauteilen 20 erfolgt vorzugsweise durch Aufweiten, insbesondere durch lokales Aufweiten, der Hohlwelle 16, vgl. mit 80 bezeichnete Doppelpfeile in Fig. 7.
[0088] Das Aufweiten kann etwa mittels eines Umformwerkzeugs 70 durchgeführt werden, das an das Hohlprofil 18 der Hohlwelle 16 angepasst ist. Das Umformwerkzeug 70 weist einen Dorn 72 auf, der auch als Schaft oder Lanze bezeichnet werden kann. Der Dorn 72 weist beispielhaft zumindest einen Umformabschnitt 74 auf, vgl. Fig. 7. Der Umformabschnitt 74 ist üblicherweise durch eine Dichtungsanordnung 76 (axial) begrenzt. In diesem Zusammenhang wird ergänzend auf Fig. 9 verwiesen. Beispielhaft ist im Umformwerkzeug 70 zumindest ein Kanal 82 für ein Fluid ausgebildet, das zum Aufweiten der Hohlwelle 16 mit hohem Druck an den Umformabschnitt 74 herangeführt wird. Nach au ßen hin ist der Umformabschnitt 74 durch die Dichtungsanordnung 76 abgedichtet, wenn das Umformwerkzeug 70 entsprechend in die Hohlwelle 16 eingeführt ist. Demgemäß kann lokal mit einem sehr hohen Druck abschnittsweise radial auf die Hohlwelle 16 eingewirkt werden, um diese aufzuweiten. Demgemäß kann eine plastische Verformung der Hohlwelle 16 induziert werden.
[0089] Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten der Hohlwelle 16 jeweils zumindest in Tragabschnitten 78, die Anbauteilen 20, insbesondere Nocken 22 und Zahnräder 24, zugeordnet sind. Erneut wird in diesem Zusammenhang auf die mit 80 bezeichneten Doppelpfeile in Fig. 7 verwiesen, die aufgeweitete oder aufzuweitende Bereiche der Hohlwelle 16 beschreiben. Die Hohlwelle 16 kann ferner sogenannte Lagerabschnitte 84 aufweisen, bei denen Lager 28 aufgenommen sind, die nicht unbedingt mit derart hoher Vorspannung mit der Hohlwelle 16 verpresst werden müssen. Demgemäß muss in den Lagerabschnitten 84 nicht unbedingt eine entsprechende Aufweitung der Hohlwelle 16 durch das Umform-
Werkzeug 70 erfolgen. Gleichwohl ist es vorstellbar, dass etwa durch Aufweiten zumindest Innenringe eines Lagers 28 an oder auf der Hohlwelle 16 fixiert werden. Es ist auch vorstellbar, direkt auf der Hohlwelle 16 Laufflächen für Lager 28 auszubilden, so dass Lagerinnenschalen eingespart werden können.
[0090] Grundsätzlich wäre es vorstellbar, das Umformwerkzeug 70 derart auszuführen, dass sämtliche Tragabschnitte 78 in einem Durchgang aufgeweitet werden. Demgemäß müsste der Dorn oder Schaft 72 des Umformwerkzeugs 70 an die Gesamterstreckung der Hohlwelle 16 und die darauf definierten Tragabschnitte 78 angepasst und mit mehreren Umformabschnitten 74 versehen sein. Es wäre jedoch auch vorstellbar, die Tragabschnitte 78 Stück für Stück sequentiell aufzuweiten.
[0091 ] In Fig. 7 ist ferner mit 88 eine Positionieraufnahme für einen Nocken 22 angedeutet.
Diese Positionieraufnahme ist dazu ausgebildet, eine Fügeposition des Nockens 22 hinreichend genau vorzugeben, um zu gewährleisten, dass der Nocken 22 in seiner gewünschten Lage und Orientierung relativ zur Hohlwelle 16 bzw. zu den übrigen Nocken 22 fest mit dem Tragabschnitt 78 gefügt wird, wenn eine entsprechende Aufweitung des Tragabschnitts 78 erfolgt. Die Positionieraufnahme 88 kann einem Nocken 22, ferner jedoch einer Mehrzahl von Nocken 22 zugeordnet sein. Die Positionieraufnahme 88 ist in erster Linie dazu ausgebildet, eine Drehlage oder Winkellage des Nockens festzulegen. Die Positionieraufnahme 88 dient insbesondere nicht als Gegenhalter oder Matrize für den Nocken 22, wenn dieser durch Aufweiten des entsprechenden Lagerabschnitts 84 an der Hohlwelle 16 fixiert wird. Da der Nocken 22 nicht zwingend durch einen Gegenhalter (eine Matrize, ein Gesenk oder dgl.) abgestützt werden muss, ist die Lauffläche des Nockens für Messmittel zugänglich, um das Aufweiten bzw. den Fügevorgang zu überwachen.
[0092] Fig. 8 zeigt eine Detaildarstellung der Hohlwelle 16 beim Einführen oder Einfädeln in die
Rahmenstruktur 42. Ein Zuführen erfolgt axial, vgl. die zweite Zuführrichtung 66. Demgemäß kann die Hohlwelle 16 mit einem ersten Ende, an dem beispielhaft eine Verjüngung 92 ausgebildet ist, durch ein Lager 28 durchgeführt werden, das an einem Lagersitz 58 eines Seitenstegs 52 oder Zwischenstegs 54 aufgenommen ist. Ferner zeigt Fig. 8 einen Nocken 22, der ein Größtmaß 98 aufweist, das größer als ein Innendurchmesser 96 des
Lagersitzes 58 ausgebildet ist. Demgemäß kann der Nocken 22 nicht axial in der zweiten Zuführrichtung 66 durch den Lagersitz hindurch zugeführt werden. Stattdessen wird der Nocken 22 in der ersten Zuführrichtung 64 radial in Richtung auf die Lagergasse 56 zugeführt.
[0093] Vorzugsweise erfolgt der Fügevorgang zwischen der Hohlwelle 16 und den daran zu befestigenden Anbauteilen eben nicht durch thermisches Fügen unter Ausnutzung der Wärmeausdehnung der Hohlwelle 16 und/oder der Anbauteile 20. Vorzugsweise erfolgt das Aufweiten des Tragabschnitts 78 zum Fügen des Tragabschnitts 78 mit dem Aufnahmesitz 90 des Anbauteils 20 oder Nockens 22, ohne dass eine Matrize oder ein entsprechender Gegenhalter am Außenumfang des Anbauteils 20 oder Nockens 22 ausgebildet ist. Da das Fügespiel (Außendurchmesser 100 - Innendurchmesser 102) nur sehr klein ist, muss nur eine geringe Aufweitung der Hohlwelle 16 erfolgen, um einen hinreichend festen Sitz des Anbauteils 20 zu gewährleisten. Dies erfolgt vorteilhaft mit nur geringen Formänderungen bzw. Gestaltänderungen am Außenumfang des Anbauteils 20 oder Nockens 22. Somit kann auf eine aufwändige Fixierung durch eine Matrize oder einen entsprechend gestalteten Gegenhalter (auch: Gesenk) verzichtet werden.
[0094] Zur Vormontage der Hohlwelle 16 ist es wünschenswert, dass ein Innendurchmesser 102 des Aufnahmesitzes 90 zumindest leicht größer als ein Au ßendurchmesser 100 der Hohlwelle 16, insbesondere des Tragabschnitts 78 ist, der dem Aufnahmesitz 90 zugeordnet ist. Jedoch ist es bevorzugt, wenn das resultierende Fügespiel gleichwohl möglichst gering ist. Auf diese Weise kann nämlich bereits durch eine relativ geringe Aufweitung der Hohlwelle 16 ein hinreichend fester Sitz des Nockens 22 am Tragabschnitt 78 gewährleistet werden.
[0095] Mit Verweis auf Fig. 10, 1 1 , 12 und 13 wird ein beispielhafter Montagevorgang zum Fügen einer Nockenwelle 12 in einer Rahmenstruktur bzw. einem Gehäuse 44 erläutert. Das Gehäuse 44 ist aus Veranschaulichungsgründen lediglich blockartig angedeutet. Ferner wurde wiederum aus Veranschaulichungsgründen auf die Blockdarstellung des Gehäuses 44 in den Fig. 1 1 , 12 und 13 verzichtet.
Fig. 10 veranschaulicht einen Zustand, in dem bereits Anbauteile, insbesondere Nocken 22, dem Gehäuse 44 zugeführt und dort etwa in Positionieraufnahmen 88 ausgerichtet wurden. Dies ist in Fig. 10 nicht explizit dargestellt. Eine Hohlwelle 16 kann nun axial (seitlich) eingeführt werden und Aufnahmesitze 90 der Nocken 22 durchdringen, vgl. hierzu einen mit 104 bezeichneten Pfeil zur Veranschaulichung einer axialen Fügerichtung sowie auch die Darstellung in Fig. 8. Beispielhaft weist die zu fügende Nockenwelle 12 insgesamt vier Nockenpaare auf. Fig. 1 1 zeigt, dass die Nocken 22 durch Positionieraufnahmen 88 derart ausgerichtet sind, dass Ihre Aufnahmesitze 90 fluchtend angeordnet sind, um mit der Hohlwelle 16 gefügt werden zu können. Jedem der Nockpaare ist beispielhaft eine separate Positionieraufnahme 88-1 , 88-2, 88-3 und 88-4 zugeordnet.
Positionieraufnahme 88-1 ist einem ersten Nockenpaar, Positionieraufnahme 88-2 einem zweiten Nockenpaar, Positionieraufnahme 88-3 einem dritten Nockenpaar und Positionieraufnahme 88-4 einem vierten Nockenpaar zugeordnet. Es versteht sich, dass auch eine einzige Positionieraufnahme 88 vorgesehen sein kann, die sämtliche Nockenpaare entsprechend ausrichtet.
Neben der fluchtenden Ausrichtung bewirken die Positionieraufnahmen 88-1 , 88-2, 88-3 und 88-4 eine definierte Winkelorientierung sämtlicher Nocken 22 der Nockenpaare. Insbesondere wird anhand der Fig. 10 und 1 1 ersichtlich, dass dies zunächst eine gleichartige Winkelausrichtung sämtlicher Nocken 22 oder Nockenpaare umfassen kann. Diese Lage entspricht nicht der gewünschten Relativausrichtung der Nocken 22 im final gefügten Zustand. Das Fügen der Hohlwelle 16 mit den Nocken 22 erfolgt in vorstehend bereits beschriebener Weise durch abschnittsweise plastisches Aufweiten der Hohlwelle 16, vgl. auch Fig. 9. Zu diesem Zweck wird ein Umformwerkzeug 70 in die Hohlwelle 16 eingeführt.
Beim Ubergang zwischen den Zuständen gemäß Fig. 1 1 und Fig. 12 ist bereits das erste Nockenpaar, das vormals durch die Positionieraufnahme 88-1 ausgerichtet war, durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 mit dieser drehsteif verpresst oder fixiert worden. Dies kann beispielsweise in der in Fig. 1 1 gezeigt ausgerichteten Orientierung in der Positionieraufnahme 88-1 erfolgen, wenn die Hohlwelle 16 entsprechend ausgerichtet ist. Bevor die Hohlwelle 16 anschließend mit dem zweiten Nockenpaar gefügt werden
kann, dass durch die Positionieraufnahme 88-2 ausgerichtet ist, erfolgt nun eine Winkelausrichtung der Hohlwelle 16 relativ zum zweiten Nockenpaar, um die gewünschte Ausrichtung zwischen dem ersten Nockenpaar und dem zweiten Nockenpaar zu bewirken. Dies erfolgt durch ein definiertes Verdrehen der Hohlwelle, vgl. einen mit 106 bezeichneten gekrümmten Pfeil in Fig. 12. Anschließend kann das zweite Nockenpaar durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 gefügt werden.
[00100] Fig. 13 deutet an, dass gleichermaßen das dritte Nockenpaar gefügt werden kann, dass in
Fig. 12 noch durch die Positionieraufnahme 88-3 ausgerichtet ist. Demgemäß erfolgt wiederum ein definiertes Ausrichten der Hohlwelle 16, um die gewünschte Winkelorientierung zwischen dem dritten Nockenpaar und den bereits gefügten Nockenpaaren herbeizuführen. Gleichermaßen kann auch das vierte Nockenpaar gefügt werden. Insgesamt ergibt sich ein sequentieller Montageablauf, der eine wiederholte Abfolge des Ausrichtens und Fügens umfasst.
[00101] Es versteht sich, dass der anhand der Fig. 10 bis 13 gezeigte sequentielle Montageablauf auch jedes einzelne Anbauteil 20, insbesondere jeden einzelnen Nocken 22, betreffen kann. Demgemäß kann jeder Nocken 20, auch jeder Nocken eines Nockenpaares, separat durch Verdrehen der Hohlwelle 16 (mittelbar) ausgerichtet und durch abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle 16 gefügt werden. Eine solche Ausführung weist gegenüber anhand der Fig. 10 bis 13 veranschaulichten Ausgestaltung der weiteren Vorteil auf, dass die Positionieraufnahme 88 bzw. deren Teilelemente noch einfacher gestaltet sein kann/können. Ferner kann sich der Vorteil ergeben, dass jeweils nur ein sehr kurzer axialer Abschnitt der Hohlwelle 16 aufgeweitet werden muss, vgl. den Tragabschnitt 78 in Fig. 6.
[00102] Fig. 14 zeigt eine stark vereinfachte schematische Blockdarstellung eines denkbaren
Ablaufs eines Fügeverfahrens, das von zumindest einigen Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung Gebrauch macht. Es versteht sich, dass das Verfahren fakultative Schritte enthalten kann und dass ferner Ergänzungen des Verfahrens durch weitere Schritte oder alternative Schritte denkbar sind, ohne von wesentlichen Kernaspekten der Erfindung abzuweichen.
[00103] Das Verfahren kann verschiedene Bereitstellungsschritte S10, S12, S14, S16 umfassen.
Ein Schritt S10 kann die Bereitstellung einer Rahmenstruktur umfassen, insbesondere einer Rahmenstruktur, die eine geschlossene Lagergasse ausbildet. Die Rahmenstruktur kann etwa als Gehäuse oder Lagerrahmen ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Rahmenstruktur ein einteilig gefertigtes Gehäuse oder Rahmenteil umfassen, das eine Lagergasse mit einer Mehrzahl von Lagersitzen ausbildet, die geschlossen umlaufend ausgebildet sind.
[00104] Der Schritt S12 kann die Bereitstellung zumindest eines Lagers umfassen, beispielsweise zumindest eines Wälzlagers und/oder Gleitlagers. Üblicherweise sind Nockenwellen oder ähnliche gebaute Wellen über mehrere Lager an der Rahmenstruktur aufgenommen.
[00105] Der Schritt S14 kann die Bereitstellung von Anbauteilen umfassen, die gemeinsam mit einem etwa als Hohlwelle ausgestalteten Halbzeug (auch: Trägerwelle) eine gebaute Verbundwelle bilden. Bei den Anbauteilen kann es sich etwa um Nocken, Zahnräder, Kettenräder, Flansche und ähnliche Bauteile handeln. Vorzugsweise sind zumindest einige der Bauteile dazu ausgebildet, drehsteif zur Drehmitnahme an der Hohlwelle aufgenommen zu werden.
Der Schritt S16 kann demgemäß die Bereitstellung eines Halbzeugs umfassen, das auch als Trägerwelle bezeichnet werden kann. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Schritt S16 die Bereitstellung einer mit einem Hohlprofil versehenen Hohlwelle umfasst. Die Hohlwelle kann insbesondere rohrartig gestaltet sein. Die Hohlwelle kann auch abgestufte Abschnitte aufweisen.
[00107] An die Bereitstellungsschritte S10, S14 und S16 können sich Bearbeitungsschritte S20,
S22, S24 anschließen. Der Schritt S20 kann die Bearbeitung zumindest eines Lagersitzes der durch die Rahmenstruktur definierten Lagergasse umfassen. Auf diese Weise kann eine geeignete Aufnahme für das oder die in Schritt S12 bereitgestellten Lager an der Rahmenstruktur geschaffen werden.
[00108] Der Schritt S22 kann die Bearbeitung zumindest eines Aufnahmesitzes eines Anbauteils umfassen. Der Schritt S24 kann die Bearbeitung zumindest eines Tragabschnitts der Hohlwelle bzw. der Trägerwelle umfassen.
[00109] Idealerweise sind die Schritte S22 und S24 derart aufeinander abgestimmt, dass etwa ein
Innendurchmesser, der im Schritt S22 hergestellt wird, an einen Au ßendurchmesser angepasst ist, der im Schritt S24 erzeugt wird. Idealerweise werden die in den Schritten S22, S24 erzeugten Innendurchmesser und Außendurchmesser derart aneinander angepasst, dass etwa bei Raumtemperatur in einfacher Weise ein Fügen (Einfädeln) der Trägerwelle durch den Aufnahmesitz des Anbauteils ermöglicht ist. Im Schritt S24 kann die gesamte Trägerwelle bearbeitet werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Trägerwelle lediglich abschnittsweise im Bereich ihrer Tragabschnitte zu bearbeiten. Das Fügespiel, das durch die Schritte S22 und S24 erzeugt wird, ist vorzugsweise derart minimiert, dass schon ein leichtes Aufweiten der Trägerwelle in einem nachfolgenden Schritt eine feste, insbesondere eine drehfeste, Verbindung zwischen der Trägerwelle und den Anbauteilen erfolgen kann.
Es kann sich ein erster Fügeschritt S30 anschließen, der das Bestücken der Rahmenstruktur mit den im Schritt S12 bereitgestellten Lagern umfasst.
Es kann sich ein weiterer Schritt S32 anschließen, der insbesondere ein Zuführen der im Schritt S14 bereitgestellten Anbauteile in die Lagergasse der Rahmenstruktur beinhalten kann. Dies kann insbesondere eine definierte (Grob-) Ausrichtung und (Grob-) Positionierung der Anbauteile beinhalten. Idealerweise sind die zugeführten Anbauteile mit ihren Aufnahmesitzen fluchtend mit den Lagersitzen der Lagergasse ausgerichtet. Zumindest einige der Anbauteile werden radial zugeführt.
Der Schritt S32 umfasst gemäß einer Ausgestaltung ein Ausrichten zumindest einiger der Anbauteile. Dies kann einerseits ein Ausrichten einiger oder sämtlicher Anbauteile in ihrer gewünschten Relativlage zueinander umfassen, die sie auch im Endzustand aufweisen sollen. Beispielsweise müssen Nocken von Nockenwellen winkelmäßig hochgenau zueinander ausgerichtet sein, um die gewünschten Steuerzeiten des Ventiltriebs erzielen
zu können. Die betrifft einerseits die Relativlage zwischen Einlass- und Auslassnocken eines Nockenpaares, ferner jedoch auch die Ausrichtung von Nockenpaaren untereinander.
Andererseits ist es gemäß einer alternativen Ausgestaltung vorstellbar, die Anbauteile zwar definiert auszurichten, aber gerade nicht in ihrer finalen Relativlage zueinander. Dies kann beinhalten, dass die Anbauteile, etwa sämtliche Nocken oder zumindest eine Untermenge der Nocken, in einer gemeinsamen Winkellage auszurichten, etwa in einer gemeinsamen Positionieraufnahme.
Als Zwischenstufe wäre es etwa vorstellbar, Einlassnocken und Auslassnocken jedes Nockenpaares einer Mehrzahl von Nocken bereits im Schritt S32 definiert zueinander auszurichten, etwa in einer gemeinsamen Positionieraufnahme, die einen gewünschten Winkelversatz bewirkt. Die gewünschte finale Relativlage zwischen den einzelnen Nockenpaaren würde jedoch beim Schritt S32 noch nicht hochgenau eingestellt. Vielmehr könnten die Nockenpaare in einer gemeinsamen Winkellage ausgerichtet werden, die von ihrer gewünschten Endausrichtung zueinander abweicht.
Es kann sich ein Schritt S34 anschließen, der ein Zuführen, insbesondere ein axiales Zuführen, der Trägerwelle beinhaltet. Demgemäß kann die Trägerwelle durch die Lager, insbesondere durch deren Innendurchmesser, und durch die Anbauteile, insbesondere deren Aufnahmesitze, hindurchgeführt werden, um ihre Soll-Lage in der Rahmenstruktur einzunehmen.
In einem weiteren Schritt S36, der grundsätzlich auch Bestandteil der Schritte S32 und S34 sein kann, erfolgt eine Ausrichtung der Trägerwelle und der daran zu befestigenden Anbauteile. Dies kann eine axiale Ausrichtung, ferner jedoch auch eine Drehausrichtung umfassen. Insbesondere dann, wenn die Anbauteile mehrere Nocken umfassen, kann eine entsprechende Relativlage der Nocken (Winkellage) von hoher Bedeutung sein. Dies kann im Schritt S36 etwa über Lehren oder sonstige Positionieraufnahmen bewirkt werden, je nach Ausgestaltung jedoch teilweise auch bereits im Schritt S32.
[00117] Es kann sich ein Fügeschritt S38 anschließen, der insbesondere ein abschnittsweises Aufweiten der Trägerwelle beinhaltet. Dies kann vorteilhafterweise durch ein Umform- werkzeug, insbesondere ein dornartiges oder schaftartiges Umformwerkzeug, erfolgen, das dazu ausgebildet ist, die Trägerwelle derart von innen mit Druck zu beaufschlagen, dass diese zumindest abschnittsweise aufgeweitet wird. Auf diese Weise kann eine hochfeste, insbesondere drehsteife, Verbindung zwischen der Trägerwelle und zumindest einigen der Anbauteile erzeugt werden.
[00118] Ein mit S40 bezeichneter, gestrichelt dargestellter Pfeil deutet an, dass die Schritte S36 und S38 alternativ mehrmals nacheinander ablaufen können, insbesondere sequentiell. Gemäß dieser Ausgestaltung erfolgen also das Ausrichten und das Fügen durch Aufweiten der Trägerwelle sequentiell. Der Schritt S36 kann bei der ersten Abarbeitung die gewünschte axiale Ausrichtung der Trägerwelle beinhalten, also auch das vollständige Durchstecken der Trägerwelle umfassen.
[00119] Der Schritt S36 kann ferner bei der ersten Abarbeitung ein Ausrichten der Winkellage zwischen der Trägerwelle und einem ersten Anbauteil (etwa einem ersten Nocken) beinhalten. Es kann sich eine erste Abarbeitung des Schrittes S38 anschließen, bei dem ein Abschnitt der Trägerwelle plastisch aufgeweitet und somit ein fester Verbund zwischen der Trägerwelle und dem ersten Anbauteil erzeugt wird.
[00120] Eine nächste Abarbeitung der Schritte S36 und S38 kann demgemäß ein erneutes
Ausrichten der Winkellage zwischen der Trägerwelle und einem nächsten Anbauteil beinhalten. Mit anderen Worten wird das bereits an der Trägerwelle fixierte erste Anbauteil gemeinsam mit dieser relativ zum nächsten Anbauteil verdreht, um die gewünschte relative Winkelausrichtung zwischen den Anbauteilen (etwa den Nocken) zu bewirken.
[00121] Die Schritte S36 und S38 können wiederholt werden, bis sämtliche Anbauteile an der
Trägerwelle in der wünschten Relativ(winkel)lage zueinander fixiert sind. Bei jeder Abarbeitung kann die Trägerwelle entsprechend verdreht werden. Ferner kann das Umformwerkzeug bei jeder Abarbeitung der Schritte S36 und S38 axial bewegt werden, um einen weiteren Abschnitt der Trägerwelle aufzuweiten.
Das sequentielle Fügen kann für jedes Anbauteil ein erneutes Ausrichten und Aufweiten erforderlich machen. Alternativ ist es jedoch vorstellbar, insbesondere bei Nockpaaren mit Einlassnocken und Auslassnocken, jeweils eine Teilmenge (etwa zwei) der Anbauteile gemeinsam zu fügen und entsprechend vorher die Trägerwelle relativ zu dieser Teilmenge auszurichten. Dies kann eine Vorausrichtung (Relativausrichtung) der Anbauteile der Teilmenge zueinander erforderlich machen.
Idealerweise erfolgt zumindest das Vormontieren und das finale Fügen der Anbauteile und der Trägerwelle ohne Ausnutzung der thermischen Ausdehnung der verwendeten Werkstoffe.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Verfahren mit dem Schritt S38 bzw. nach dem sequentiellen Abarbeiten der Schritte S36 und S38 ebenfalls im Wesentlichen abgeschlossen ist. Dies beinhaltet, dass vorzugsweise keine Nachbearbeitung an der Trägerwelle oder der daran aufgenommenen Anbauteile erfolgen muss. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Fügen derart hochgenau erfolgt, dass keine Nachbearbeitung von umlaufenden Umfangsflächen der Nocken erforderlich ist.
Das Verfahren gemäß Fig. 14 kann gemäß alternativen Ausgestaltungen abgewandelt werden. Ferner ist vom Gegenstand der Offenbarung auch ein Verfahren zum Fügen einer gebauten Verbundwelle umfasst, dem nicht zwingend der Schritt S10 bzw. der Schritt S20 vorgeschaltet sein muss. Vielmehr kann das Zuführen, Ausrichten und Fügen der Hohlwelle sowie der Anbauteile, zum Beispiel gemäß den Schritten S30 bis S40, auch au ßerhalt einer eine Lagergasse umfassenden Rahmenstruktur erfolgen. Auch im Rahmen dieser Ausgestaltung lassen sich diverse Vorteile verwirklichen, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung und/oder Vermeidung einer Nachbearbeitung bzw. Fertigbearbeitung. Auf diese Weise können zum Beispiel Nockenwellen oder ähnliche Verbundwellen erzeugt werden, bei denen Lager und/oder weitere Anbauteile befestigt bzw. zumindest abschnittsweise integriert sind.
Claims
Patentansprüche
Verfahren zum Fügen einer gebauten Verbundwelle (10), die eine Hohlwelle (16) mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen (20) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung zumindest eines Anbauteils (20), insbesondere zumindest zweier Anbauteile (20),
- Bereitstellung einer Hohlwelle (16), die zumindest einen Tragabschnitt (78) für das zumindest eine Anbauteil (20) aufweist, wobei das Anbauteil (20) einen an den Tragabschnitt (78) angepassten Aufnahmesitz (90) aufweist,
- Zuführen des zumindest einen Anbauteils (20),
- Zuführen der Hohlwelle (16), wobei die Hohlwelle (16) in den jeweiligen Aufnahmesitz (90) des zumindest einen Anbauteils (20) eingeführt wird, und
- nach dem Zuführen der Anbauteile (20) und der Hohlwelle (16), zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle (16) zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen Anbauteils (20) mit seinem Aufnahmesitz (90) am jeweiligen Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16),
wobei die Hohlwelle (16) im Bereich ihrer Tragabschnitte (78) plastisch verformt wird, und wobei das zumindest eine Anbauteil (20) elastisch verformt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Funktionsbaugruppe (40), umfassend eine Rahmenstruktur (42), die zumindest eine Lagergasse (56) definiert, und zumindest eine gebaute Verbundwelle (10), die eine Hohlwelle (16) mit auf dieser drehfest festgelegten Anbauteilen (20) umfasst und an der Rahmenstruktur (42) gelagert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellung einer Rahmenstruktur (42), insbesondere eines Lagerrahmens (46) oder eines Gehäuses (44), die eine Lagergasse (56) mit zumindest einem umfänglich geschlossenen Lagersitz (58) definiert,
Fügen der gebauten Verbundwelle (10) gemäß Anspruch 1 , wobei
- der Schritt des Zuführens der Anbauteile (20) ein Zuführen der Anbauteile (20) in die Lagergasse (56) in einer ersten Zuführrichtung (64) umfasst,
- der Schritt des Zuführens der Hohlwelle (16) ein Zuführen der Hohlwelle (16) in die Lagergasse (56) in einer zweiten Zuführrichtung (66), die von der ersten Zuführrichtung (64) verschieden ist, umfasst, wobei die Hohlwelle (16) in den jeweiligen Aufnahmesitz (90) der zumindest zwei Anbauteile (20) eingeführt wird, und
- wobei der Schritt des Aufweitens der Hohlwelle (16) umfasst:
nach dem Zuführen der Anbauteile (20) und der Hohlwelle (16) in die Lagergasse (56), zumindest abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle (16) zur drehsteifen Fixierung der zumindest zwei Anbauteile (20) mit ihren Aufnahmesitzen (90) am jeweiligen Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elastisch verformten Anbauteile (20) nach dem Aufweiten der Hohlwelle (16) eine Endkontur aufweisen, die insbesondere nachbearbeitungsfrei ist, und mit einem Au ßenumfang versehen sind, der Ist- Abmessungen aufweist, die funktionsseitig vorgegebenen Soll-Abmessungen des Außenumfangs entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elastisch verformten Anbauteile (20) nach dem Aufweiten der Hohlwelle (16) unter Vorspannung mit ihren Tragabschnitten (78) verpresst sind, wobei die Anbauteile (20) vor dem Aufweiten der Hohlwelle (16) eine Au ßenkontur aufweisen, die kleiner als eine funktionsseitig vorgegebene Soll-Außenkontur ist, und wobei die elastisch verformten Anbauteile (20) nach dem Aufweiten der Hohlwelle (16) eine Ist-Außenkontur aufweisen, die der funktionsseitig vorgegebenen Soll-Außenkontur entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest einige der Anbauteile (20) vor dem Aufweiten der Hohlwelle (16) an ihrer Außenkontur mit Funktionsflächen (32), insbesondere mit umlaufenden Laufflächen versehen sind, deren Oberfläche endbearbeitet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anbauteile (20) vor dem Aufweiten der Hohlwelle (16) an ihrer Außenkontur mittels abtragender Bearbeitungsverfahren endbearbeitet sind und Abmessungen aufweisen, die unter Beachtung der nach dem Aufweiten der Hohlwelle (16) verbleibenden elastischen Verformung definiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Zuführens der Anbauteile (20) ferner Folgendes aufweist:
Ausrichten der Anbauteile (20), wobei zumindest zwei der Anbauteile (20) in einer Füge-Soll-Orientierung angeordnet werden, die eine relative Orientierung der Anbauteile (20) zueinander erzeugt, die von einer Soll-Orientierung der Anbauteile (20) zueinander im gefügten Zustand abweicht.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner aufweisend, insbesondere nach dem Zuführen der Hohlwelle (16) in die Lagergasse (56):
axiales Ausrichten der Hohlwelle (16),
Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle (16) in Bezug auf zumindest ein Anbauten (20), und
abschnittsweises Aufweiten der Hohlwelle (16) zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen Anbauteils (20) am zugeordneten Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16).
Verfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend sequentielles Abarbeiten der folgenden Schritte für eine Mehrzahl von Anbauteilen (20):
Ausrichten der Winkellage der Hohlwelle (16) in Bezug auf zumindest ein nächstes Anbauteil (20),
Aufweiten eines nächsten Tragabschnitts (78) der Hohlwelle (16) zur drehsteifen Fixierung des zumindest einen nächsten Anbauteils (20),
wobei sich durch das sequentielle Ausrichten und Aufweiten eine gewünschte Relativlage, insbesondere eine gewünschte relative Winkelausrichtung, zwischen den Anbauteilen (20) ergibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 bis 9, sofern mittelbar oder unmittelbar auf Anspruch 2 zurückbezogen, wobei die Funktionsbaugruppe (40) als Motorenbaugruppe, insbesondere als Nockenwellenbaugruppe oder Zylinderkopfbaugruppe, ausgestaltet ist, wobei die mit der Hohlwelle (16) versehene Verbundwelle (10) im gefügten Zustand als Steuerwelle, insbesondere als Nockenwelle (12) ausgebildet ist, und wobei die zumindest zwei Anbauteile (20), vorzugsweise die Mehrzahl von Anbauteilen (20), aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Nocken, Flansche, Lagerhülsen, Impulsgeber, Zahnräder, Distanzhülsen und Kettenräder.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend, vor dem Zuführen der Anbauteile (20) und der Hohlwelle (16), insbesondere zur Rahmenstruktur (42), Bearbeitung zumindest des Tragabschnitts (78) der Hohlwelle (16) oder des zugeordneten Aufnahmesitzes (90) der Anbauteile (20) zur Erzeugung eines definierten Montagespiels zwischen der Hohlwelle (16) und den Anbauteilen (20).
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , ferner aufweisend, vor dem Zuführen der Hohlwelle (16), insbesondere zur Rahmenstruktur (42), Bearbeiten, vorzugsweise Fertigbearbeiten, zumindest eines Lagerabschnitts (58) der Hohlwelle (16), der im gefügten Zustand einem Lagersitz (58) der Lagergasse (56) zugeordnet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, sofern mittelbar oder unmittelbar auf Anspruch 2 rückbezogen, ferner aufweisend Fügen zumindest eines Lagerelements (28), das eine Relativverdrehung zwischen der Hohlwelle (16) und der Rahmenstruktur (42) erlaubt, insbesondere Anordnen zumindest eines Lagerelements (28) zwischen einen Lagerabschnitt (58) der Hohlwelle (16) und einem zugeordneten Lagersitz (58) der Lagergasse (56).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des
Aufweitens der Hohlwelle (16) ferner aufweist:
- Einführen eines lanzenartigen oder dornartigen Umformwerkzeugs in die Hohlwelle (16), und
sequentielles oder simultanes Aufweiten mehrerer Tragabschnitte (78) der Hohlwelle (16), die jeweiligen Anbauteilen (20) zugeordnet sind, wobei vorzugsweise das Aufweiten zumindest eines der Tragabschnitte (78) ohne Gegenhaltung durch eine äu ßere Matrize erfolgt.
15. Funktionsbaugruppe (40), insbesondere gemäß den Ansprüchen 2 oder 3 bis 14, sofern mittelbar oder unmittelbar auf Anspruch 2 rückbezogen, gefertigte Nocken- wellenmodulbaugruppe, mit einer Rahmenstruktur (42), die zumindest eine Lagergasse (56) definiert, und mit zumindest einer gebauten Verbundwelle (10), die an der Rahmenstruktur (42) gelagert ist und eine Hohlwelle (16) und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile (20) umfasst, wobei die Rahmenstruktur (42) eine radial geschlossene Lagergasse (56) aufweist, vorzugsweise eine für die Hohlwelle (16) radial unzugängliche Lagergasse (56), wobei die Anbauteile (20) Aufnahmesitze (90) aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16) an- gepasst sind, wobei der Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16) aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil (20) drehsteif an der Hohlwelle (16) zu fixieren, wobei die Hohlwelle (16) im Bereich ihrer Tragabschnitte (78) plastisch verformt ist, und wobei zumindest einige der zumindest zwei Anbauteile (20) elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten (78) verpresst sind.
16. Funktionsbaugruppe (40) nach Anspruch 15, wobei die Lagergasse (56) für die gebaute Verbundwelle (10) axial unzugänglich ist, und wobei zumindest ein Lagerelement (28) vorgesehen ist, das einen Lagerabschnitt (58) der Hohlwelle (16) und einen zugeordneten Lagersitz (58) der Rahmenstruktur (42) miteinander verbindet, wobei das Lagerelement (28) zwischen zwei benachbarten aufgeweiteten Tragabschnitten (78) angeordnet ist, an denen jeweils ein Anbauteil (20) drehfest aufgenommen ist.
17. Gebaute Verbundwelle (10), insbesondere gemäß den Ansprüchen 1 bis 14
gefertigte Nockenwelle (12), die zur Aufnahme an einer Rahmenstruktur (42) ausgebildet ist, die zumindest eine Lagergasse (56) definiert, wobei die Verbundwelle
eine Hohlwelle (16) und drehfest auf dieser festgelegte Anbauteile (20) umfasst, wobei die Anbauteile (20) Aufnahmesitze (90) aufweisen, die an einen jeweiligen Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16) angepasst sind, wobei der Tragabschnitt (78) der Hohlwelle (16) aufgeweitet ist, um das jeweilige Anbauteil (20) drehsteif an der Hohlwelle (16) zu fixieren, wobei die Hohlwelle (16) im Bereich ihrer Tragabschnitte (78) plastisch verformt ist, und wobei zumindest einige der Anbauteile (20) elastisch verformt und mit ihren Tragabschnitten (78) verpresst sind.
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