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Die Erfindung bezieht sich auf eine Nockenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Her- stellung einer Nockenwelle nach Anspruch 6.
Nockenwellen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge werden heute in immer kompakteren Anordnungen eingebaut. Nockenwellen liegen beispielsweise aus Platzspar- gründen so nahe paarweise nebeneinander, dass ein direkter Zugang zu den Zylinderkopfschrauben nicht mehr möglich ist.
In diesen Fällen müssen zur Demontage des Zylinderkopfes oder zum Nachziehen von Zylinderkopfschrauben solche Nocken- wellen zuerst demontiert werden, was nicht sehr service- freundlich ist und mit Zusatzkosten verbunden ist. Eine Lö- sung besteht nun darin, bei massiv gebauten Nockenwellen im Bereich der Zylinderkopfschrauben eine querliegende nutför- mige Einbuchtung einzufräsen oder einzuschleifen. Auch ist es möglich bei massiven gegossenen Nockenwellen die Einbuch- tungen direkt zu giessen. Die Nockenwellen können dann, um Zugang zu den Zylinderkopfschrauben herzustellen, so ver- dreht werden, dass die Nockenwelleneinbuchtungen den Bereich der Zylinderkopfschraube freigeben.
Seit einiger Zeit werden aber zur Vereinfachung und zur Ko- steneinsparung Nockenwellen nicht mehr aus einem Teil herge- stellt wie gegossen, sondern als sogenannte gebaute Nocken- wellen, d. h. aus mehreren Teilen zusammengesetzt herge- stellt. Eine solche gebaute Nockenwelle besteht aus einem Rohr, auf welches vorgefertigte Nocken bis zu ihrer Position aufgeschoben werden und am Rohr fixiert werden. In solche Nockenwellenrohre können Einbuchtungen nicht in bekannter Weise beispielsweise durch Einfräsen angebracht werden. Ein
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Einfräsen würde das Nockenwellenrohr im Bereich der Einbuch- tung so stark schwächen, dass die Belastungen im Motorbe- trieb nicht ertragen würden.
Würde man zur Verstärkung der ausgefrästen Einbuchtungen im Nockenwellenrohr in das selbe ein weiteres Rohr oder gar eine Vollwelle einpressen, würde eine ausreichende Festigkeit in vielen Fällen immer noch nicht sichergestellt sein und die Gewichtsvorteile von ge- bauten hohlen Nockenwellen vermindern, wenn nicht gar voll- ständig aufheben und es würden zusätzliche Kosten verur- sacht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu beseiti- gen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Nockenwel- le als Rohr ausgebildet und in dessen Rohrwandung Ausbuch- tungen anzubringen, welche in eingebautem Zustand den Zugang zu Zylinderkopfschrauben ermöglichen ohne den Vorteil von sogenannten gebauten Nockenwellen zu verlieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Anordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie nach dem Herstellverfah- ren nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche defi- nieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Herstellung von Einbuchtungen in einer Nockenwelle die Wan- dung im gewünschten Bereich einer rohrförmigen Nockenwelle derart eingepresst wird, dass die gewünschte Einkerbung in Querrichtung zur Nockenwellenachse erzeugt wird. Es ist hierbei besonders vorteilhaft wenn beim Einpressvorgang die entstehende Deformation im Rohrwandbereich nicht zu einer Überragung des ursprünglichen Aussendurchmessers des Rohres führt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Nocken präzise
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über das mit den Einbuchtungen versehene Rohr an ihre Posi- tion geschoben werden können und dort mit den üblichen Mon- tageverfahren fixiert werden können.
Die Nockenwelle kann in bekannter Weise aus dem Rohr, Nocken und den weiteren be- kannten Komponenten wie Axiallagerring, Kettenrad usw. auf bekannte Art präzise nach dem Herstellen der eingepressten Einbuchtungen zusammengebaut werden als gebaute Nockenwelle.
Wie bereits erwähnt ist zu beachten, dass die Nocken nach dem Einpressvorgang präzise über diese und das Rohr gescho- ben werden können. Bei der Einbuchtung sollte der Rohreinzug schmal sein, damit Nocken auch dicht neben Einbuchtungen liegen können. Hierbei darf das Rohr nicht oder nur wenig geschwächt werden wegen der notwendigen Steifigkeit gegen Knickung und Verdrehung. In der Einbuchtung wird der Rohrum- fang um bis zu 30 % reduziert, wobei dieser Werkstoff so verdrängt werden muss, dass kein Überstand bezogen auf den Rohraussendurchmesser entsteht. Ausserdem darf das Rohr beim Einbuchtungsvorgang nicht verbiegen. Bei Herstellverfahren zwischen der Erzeugung der Einbuchtung in der Welle und der Montage der Teile ist ein weiterer Verfahrenszwischenschritt unerwünscht.
Zwischenschritte wie überschleifen, drehen etc. sollen vermieden werden, indem der Rohrdurchmesser durch das Einbuchtungsverfahren nicht oder nur unwesentlich vergrö- ssert wird. Das Nockenwellenrohr wird zur Erzeugung der Ein- buchtung passgenau am Ort der erzeugenden Einbuchtung in ei- ner Matrize gehalten, wobei diese Matrize vorzugsweise als Vorspannwerkzeug ausgebildet ist. Die Matrize weist im Be- reich der zu erzeugenden Einbuchtung eine Öffnung auf, in welcher ein Einpressstempel geführt wird. Mit diesem Ein- pressstempel wird die Rohrwandung derart deformiert, dass die gewünschte Einbuchtung in der Rohrwandung entsteht.
Durch präzises umschliessendes Halten des Rohres in der Ma-
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trize wird erreicht, dass beim Pressvorgang die gesamte Werkstoffverdrängung in die Wandstärke erfolgt und nicht über eine Deformation nach aussen. Mit diesem Verfahren kön- nen passgenaue Einbuchtungen erzeugt werden auf einfache und kostengünstige Art unter Verwendung der bewährten rohrförmi- gen Nockenwellenbautechnik bekannt als gebaute Nockenwellen.
Es ist auch möglich, eine Überragung des Ursprünglichen Aussendurchmessers im Bereich der eingepressten Einbuchtung zu zulassen. Solche Deformationen können bei den üblichen Nockenwellenabmessungen bis zu einigen Millimetern betragen.
Es muss dann aber darauf geachtet werden, dass solche Über- ragungen beim drehen der Welle nicht in Konflikt mit den üb- rigen, benachbarten Teilen des Motoraggregates kommen und berühren oder gar ein Drehen verunmöglichen. Die Überragung sollte hierbei mit Vorteil höchstens soweit ausgeprägt sein, dass diese nicht in die Ebene der Nockenlauffläche hinein- ragt beziehungsweise etwas davon beabstandet ist. Sollte ei- ne Überragung zugelassen werden ist es möglich die Nocken vor der Ausbildung der Einbuchtung über das Rohr zu ziehen und an dem dafür vorgesehenen Ort zu montieren und die Ein- buchtung am Rohr danach anzubringen.
Dieses Vorgehen weist zwar Vorteile gegenüber dem Stand der Technik mit eingefrä- sten Einbuchtungen auf ist aber gegenüber der vorerwähnten, bevorzugten und präziseren Ausführung ohne Überragungen des Aussendurchmessers des Rohres weniger günstig im Fertigungs- ablauf und aufwendiger in der Herstellung.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. la schematisch und in Seitenansicht eine zusammenge- baute rohrförmige Nockenwelle mit erfindungsgemä- ssen Einbuchtungen Fig. lb schematisch und im Querschnitt eine rohrförmige zusammengebaute Nockenwelle mit erfindungsgemässen
Einbuchtungen Fig. 2 schematisch und im Querschnitt eine rohrförmige
Nockenwelle mit mehreren erfindungsgemäss einge- pressten Einbuchtungen Fig. 3 schematisch und in dreidimensionaler Ansicht ein
Matrizenpaar zur Aufnahme des Nockenwellenrohres Fig. 4 schematisch und in dreidimensionaler Ansicht ein
Einpressstempel Fig. 5 schematisch und in dreidimensionaler Ansicht eine
Matrizen- und Stempelanordnung zur Erzeugung meh- rer Einbuchtungen auf ein Nockenwellenrohr Fig.
6 schematisch und im Querschnitt eine rohrförmige
Nockenwelle mit Einbuchtungen mit am Ende einge- schobenem Hilfsdorn Ein sogenannte gebaute Nockenwelle wie sie aus verschiedenen Teilen zusammengebaut wird, ist in Seitenansicht in der Fig. la dargestellt. Die Nockenwelle besteht aus einem Nockenwel- lenrohr 1 mit Länge 1, auf welches die Nocken 3 aufgescho- ben, positioniert und befestigt sind, sowie zusätzlichen Elementen für die Lagerung und den Antrieb beispielsweise
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ein Antriebszahnrad. Die Nockenwelle 1 ist im eingebauten Zustand um ihre Achse 4 drehbar gelagert angeordnet. Er- sichtlich sind auch die erfindungsgemässen Einbuchtungen 2, welche entlang dem Rohr 1 entsprechend der gewünschten Posi- tion angeordnet sind, wo ein Zugang zu den Zylinderkopf- schrauben in eingebautem Zustand nötig ist.
Bei den immer enger werdenden Bauraumanforderungen bei den Verbrennungsmo- toren, wo solche Nockenwellen vorgesehen sind, erlauben die- se Einbuchtungen den Zugang zu den Zylinderkopfschrauben auch nach Einbau der Nockenwelle, wenn diese Einbuchtungen 2 entsprechend geformt sind und in Bezug auf die Zylinderkopf- schrauben positioniert sind. Werden solche Nockenwellen paarweise eingebaut und stehen sehr eng beieinander können Einbuchtungen 2 auf beiden Nockenwellenrohren 1 vorgesehen werden, die sich gegenüberstehen und somit den Zugang zu den Zylinderkopfschrauben ermöglichen, wenn die Wellen in ent- sprechend ausgerichtete Position gedreht werden. In Fig. lb ist eine Nockenwellenanordnung entsprechend der Fig. la im Längsschnitt dargestellt. Ein Nockenwellenrohr 1 mit mehre- ren Einbuchtungen 2 ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Einbuch- tung 2 wird durch seitliches Einpressen in das Rohr 1 herge- stellt, wobei die Einbuchtung 2 quer zur Längsachse 4 des Rohres 1 liegt und gegenüber dem Ursprungsaussendurchmesser d auf eine Tiefe 6 eingepresst wird, welche um bis zu 40 %, vorzugsweise bis 30 %, des Rohraussendurchmessers d einge- presst wird. Hierbei ist es besonders wichtig, dass durch den Einpressvorgang das Rohr nicht derart deformiert wird, dass ein Überstand gegenüber dem Ursprungsrohraussendurch- messer d entsteht. Die Nockenwellenbauteile wie die Nocken 3 könnten ansonsten nicht mehr über die Einbuchtungen auf das Rohr in ihre Position geschoben werden oder es müsste so viel Spiel vorgesehen werden, dass die geforderte Präzision nicht mehr gewährleistet wäre.
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Wie bereits erwähnt ist das Einpressen von Einbuchtungen 2 wegen den entstehenden Deformationen problematisch und es muss dafür gesorgt werden, dass Rohre nicht unzulässig im Aussendurchmesserbereich d verformt werden beziehungsweise so vorgespannt werden, dass sie nach dem Einpressen eine bleibende Verbiegung aufweisen. Nockenwellenrohre, welche sich auch für Einpresstechnik eignen, bestehen aus einem Me- tall, wobei vorzugsweise ein Stahl ST52 verwendet wird und/ oder Aluminium oder ihre entsprechenden Legierungen. Zur Halterung des Rohres für den Einpressvorgang wird eine Ma- trize verwendet, die das Rohr derart aufnimmt, dass es beim Einpressvorgang im Aussendurchmesser nicht über den Aussen- durchmesser deformiert werden kann. In Fig. 3 ist eine be- vorzugte Matrize 11 dargestellt mit einer passgenauen Aus- nehmung für das Rohr.
Die Matrize 11 ist vorzugsweise zwei- teilig ausgebildet aus einem linken Matrizenteil 12 und ei- nem rechten Matrizenteil 13, welche sich entlang der Rohrachse 4 trennen lässt, um somit die Rohrmontage bezie- hungsweise Demontage zu erleichtern. In den Matrizenteilen 12,13 ist eine bahnförmige Ausnehmung 14 vorgesehen, in welcher ein Pressstempel 10 geführt wird, derart dass der Pressstempel präzise seitlich an das Rohr 1 herangeführt werden kann, um eine Einpressung 2 entsprechend der Ausbil- dung des Stempels 10 zu erzeugen. Der Pressstempel 10 be- sitzt eine Ausformung 15, welche den Stempelgrund bildet und entsprechend der gewünschten Einbuchtungsform 2 ausgebildet ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Auf der gegenüber- liegenden Seite des Stempelgrund 15 wird der Stempel als Stempelhalterung 16 ausgebildet, mit welcher der Stempel 10 an der Pressmaschine befestigt werden kann. Vorteilhafter- weise wird die Ausnehmung 14 an den Matrizen 12,13 stirn- seitig einseitig offen an den Matrizenteilen 12,13 ausge-
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bildet, womit die Anordnung leichter zu montieren bezie- hungsweise demontieren ist und modular aufgebaut werden kann. Dies ist vor allem auch dann vorteilhaft, wenn wie in Fig. 5 dargestellt, mehrere Presswerkzeuge hintereinander angeordnet werden sollen, um mehrere Einbuchtungen 2 erzeu- gen zu können. Hierbei kann der Pressvorgang durch mehrere Stempel 10 und Matrizenpaare 12,13 gleichzeitig erfolgen oder auch sequentiell nacheinander vorgenommen werden.
Wei- terhin können mit dieser Technologie durch weiteres Aneinan- derreihen der Presswerkzeuge 10,12, 13 auch mehrere Nocken- wellenrohre 1 gleichzeitig eingespannt entlang der Achsrich- tung 4 und somit gleichzeitig bearbeitet werden.
Die Matrize 12,13 wird vorzugsweise nicht in der gleichen Richtung wie der Stempel 10 zugeführt sondern quer dazu, um zu Vermeiden, dass im Werkzeugspalt ein Grat entstehen kann.
Der modulare Aufbau ermöglicht ohne weiteres, eine unter- schiedliche Anzahl von Einbuchtungen 2 auch in verschiedenen Abständen auf einfache Weise zu realisieren. Hierbei erfolgt die Prozessführung mit Vorteil durch eine Weg-Anschlag- Steuerung. Die vorliegende Anordnung ermöglicht, auch dick- wandige Rohre auf einfache Weise umzuformen. Bei den erwähn- ten grossen Tiefen 6 von Einbuchtungen 2, welche mit der In- nenhochdruckumformtechnik, auch bekannt als Hydroforming, nicht oder nur schwierig mit mehreren Arbeitsschritten zu realisieren wäre. Das Verfahren benötigt keine innere Gegen- kraft, allein die Spannung des Rohres genügt hierbei. Die Matrize 12,13 sollte wie gesagt das Rohr 1 passgenau auf- nehmen zur Vermeidung von Rohraussendeformationen.
Hierbei sollte die Präzision der Passgenauigkeit im Bereich von bes- ser 5 % des Rohraussendurchmessers d liegen, wobei vor- zugsweise eine Vorspannung einzustellen ist. Die Form des Stempels sollte vorzugsweise, wie dies in Fig. 4 dargestellt
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ist, als Schuh ausgeführt werden, der über das Rohr gescho- ben werden kann und einen Stempelgrund 15 besitzt, dessen Form auf den geforderten Einbuchtungsradius angepasst wird.
Für die Auslegung dieser Formen ist die Verwendung der Fini- te Element Simulationsrechnung hilfreich. Durch das passge- naue Halten des Rohres mit der Matrize 11, insbesondere als Vorspannwerkzeug, wird erreicht, dass die gesamte Werkstoff- verdrängung bei Pressvorgang in die Wandstärke w des Rohres 1 erfolgt und der Aussendurchmesser d nicht vergrössert wird. Ausserdem wird bei diesem Verfahren ermöglicht, dass kein Zwischenschritt in der Produktion, wie Nachschleifen, Überdrehen etc., zwischen der Einbringung der Einbuchtungen und der Montage erforderlich wird. Dies bedeutet eine hohe Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens. Selbst ein unter bestimmten Umständen erforderliches Nachrichten der Rohre, wird die Wirtschaftlichkeit kaum reduzieren, da das automatisiert in die Prozessfolge integriert werden kann.
Zusätzlich können neben den Matrizen 12,13 beim Einpress- vorgang für die Einbuchtungen 2 im Endbereich des Rohres 1 passgenau Hilfsdorne 18,19 eingeschoben werden, um eine Stützwirkung zu erzielen wie dies in Fig. 6 beispielsweise dargestellt ist. Diese Massnahme verhindert, dass im Endbe- reich des Rohres unerwünschte Deformationen auftreten, weil die Eigenstützkraft des Rohres 1 im Endbereich ohne Gegen- massnahme verringert ist. Die Masshaltigkeit wird mit diesem Vorgehen zusätzlich verbessert. Die Präzision kann zusätz- lich erhöht werden, indem der Einschubdorn 18 auf seiner Stirnfläche eine Verkleinerung des Radius um mindestens 10 % aufweist, womit der Hilfsdorn näher an die zu erzeugende Einbuchtung 2 herangeführt werden kann und damit die Stabi- lisierwirkung weiterhin erhöht werden kann.