Nocken für gebaute Nockenwellen

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Nocken für gebaute Nockenwellen für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus dem Stand der Technik sind gebaute Nockenwellen bekannt. Dabei werden beispielsweise Nocken als Einzelteile gesintert (DE 3 717 190 C2), geschmiedet (DE 4 121 951 C1) oder aus Blechstreifen gebogen, die anschliessend ver- schweisst werden. Die Nocken werden anschliessend auf eine Welle geschoben, mit der Welle verbunden und somit zu Nockenwellen verbaut.

Die Montage der Nocken auf der Tragwelle erfolgt dabei auf unterschiedliche Wei- se. In der DE 3 717 190 C2 und der DE 4 121 951 C1 wird die Tragwelle an den Axialpositionen, an denen die Nocken befestigt sein sollen, durch Rollieren leicht aufgeweitet und anschliessend werden die Nocken über das Rohr bis an die vorgesehene Axialposition, die dem aufgeweiteten Bereich entspricht, geschoben. Dabei wird ein Form- und / oder Kraftschluss zwischen Tragwelle und Nocken er- zeugt. Es ist auch bekannt, Nocken schweisstechnisch mit der Tragwelle zu verbinden.

Allgemein ist es gewünscht, gebaute Nockenwellen mit geringem Gewicht und hohen Festigkeiten zur Verfügung zu haben. Eine Möglichkeit, zur Einsparung von Gewicht besteht darin, Nocken herzustellen, bei denen der Nocken, neben den erforderlichen Funktionsflächen für den Kontakt mit dem Nockenfolger und zur Herstellung der Fügeverbindung mit der Tragwelle, möglichst wenig Volumen und damit verbundenes Gewicht beansprucht.

Zunächst zeigt der Stand der Technik, beispielsweise in der DE 42 186 24 A1 Nocken aus Sinterwerkstoff, die auf eine Tragwelle gefügt sind. Allerdings ist die Herstellung von Nocken durch Sintern aufwändig und teuer. Ausserdem kön-

nen derartige Nocken nicht für sehr hohe Hertzsche Flächenpressungen, wie sie bei modernen Rollenabgriffen in Verbrennungsmotoren auftreten, angewendet werden. Die gesinterten Nocken sind zudem stark riss gefährdet, so dass aufwändige Qualitätskontrollen erforderlich sind. In dem zitierten Stand der Technik wird daher sogar vorgeschlagen, eine innere Hülse aus Stahl zur Herstellung der Verbindung mit der Tragwelle zu verwenden.

Zur Erreichung eines Leichtbaus werden ferner in der DE 19640872 C2 Nocken aus Blechteilen vorgeschlagen. Im Stand der Technik wird eine besondere Gleit- Schicht zur Verbindung mit der Tragwelle vorgeschlagen. In der WO 01/98020 A1 wird die Verwendung gebogener Blechstreifen zur Formung der Nocken vorgeschlagen. Derartige Blechnocken werden entsprechend der WO 01/98020 A1 schweisstechnisch mit der Welle verbunden werden, was aufwändig und teuer ist. Die Schweissverbindung erfordert eine sehr sorgfältige Materialwahl und birgt das Risiko von Mikrorissen in der Verbindung, welche nicht toleriert werden können.

Auch geschmiedete Nocken besitzen Nachteile betreffend der Herstellung von Leichtbaunocken. Solche Stahlnocken werden geschmiedet und anschliessend geglüht, um eine bestimmte Gefügestruktur zu erreichen, danach wird die äussere Kontur gehärtet und die Bohrung ausgedreht. Allerdings werden die Nocken nur mit bestimmten minimalen Radien an den Stirnseiten geschmiedet, so dass die tatsächlich als Lauffläche zur Verfügung stehende Breite kleiner als die Nockenbreite ist. Die nicht für die Nockenlaufbahn nutzbare Breite hängt stark von der Nockenkontur, dem eingesetzten Werkstoff und anderen Parametern ab und liegt üblicherweise in einem Bereich von 1 mm bis etwa 1 ,5 mm. Das Formen von Nokken durch Schmieden ist ein sehr bevorzugtes Verfahren in der Technik. Einer der Gründe dafür besteht in den sehr hohen Festigkeiten, die mit derartigen Nocken erreicht werden können und in der Robustheit des Verfahrens. Es gibt verschieden Anwendungsbereiche für Verbrennungskraftmaschinen, für welche Nockenwellen mit geschmiedeten Stahlnocken praktisch gefordert werden. Das Schmieden ist aber aufgrund der Einschränkungen bezüglich der Herstellbarkeit beliebiger Formen zur Herstellung von Leichtbaunocken bisher nicht in Betracht gezogen wor-

den. Die beschränkte Verformbarkeit des Stahles kann bei entsprechend komplizierten Formen beim Schmiedevorgang zu unerwünschten Spannungen im Material führen, aber insbesondere zu nicht tolerierbaren Rissbildungen. Zusätzliche Umformstufen mit eventuell sogar notwendigen Zwischenglühoperationen verteu- ern den Nocken sehr.

Unter Schmieden ist in diesem Zusammenhang allgemein ein Verfahren bei dem eine Druckumformung des Materials bzw. des Werkstücks mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen erfolgt, zu verstehen. Diese kann kalt oder warm, je nach den Erfordernissen des umzuformenden Werkstoffes, erfolgen. Das Fliesspressen fällt entsprechend unter den Begriff Schmieden. Entsprechend kann die Herstellung des Nockens in beliebiger bekannter Weise mittels Kalt- oder Warmschmieden aus einem Ring oder einer Ronde erfolgen. Wenn vorstehend in der Beschreibung und auch in den Patentansprüchen im Zusammenhang mit den Nocken von Schmieden die Rede ist, so ist der Begriff unter der hier getroffenen Definition zu verstehen.

Derartige Nocken werden in Ventiltrieben mit Rollenabgriffen, wie mit Rollenschlepphebeln und auch Rollenkipphebeln, eingesetzt und ertragen an der Ober- fläche Hertzsche Flächenpressungen von grösser 1000 N / m ² auf. Hierbei ist die Breite der Nockenlauffläche LB, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, vorgegeben durch den Rollenkontakt. Der Nocken 1 weist eine kreisrunde Aufnahmeöffnung mit dessen Rand 4 auf zur Aufnahme der Welle mit ihrer Rotationsachse 5. Wie bereits erwähnt können die Nocken 1 nur mit Radien R an den Stirnseiten geschmiedet werden. Dadurch entsteht ein Verlustvolumen 15, 15' an den beiden Seitenflächen 16, 16' dessen Volumen abhängig ist von der Grosse des Nockenkantenradius R. Soll der Nocken 1 um dieses unbenutzte Materialvolumen 15, 15' reduziert werden, musste bis anhin bei geschmiedeten Nocken dieses Material spanend, also beispielsweise mit abdrehen oder fräsen, entfernt werden. Dadurch konnte wohl die Masse des Nocken verringert und optimiert werden, aber das Material selbst ging dadurch verloren und der Arbeitsaufwand erzeugte entsprechende Zusatzkosten. Bei geschmiedeten Nocken, die durch Rollieren und / oder Rändeln der Nok-

kenwelle durch Aufpressen kraftformschlüssig verbunden werden, wurde darauf geachtet, dass die Breite der Montagefläche nicht verringert worden ist, um eine sichere Verbindung herzustellen, die die hohen Kräfte im Betrieb aufnehmen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zumindest einige Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, einen Nocken durch Schmieden zu Realisieren mit geringerem Gewicht, ohne dass hierbei entsprechende Materialverluste auftreten, wobei die Gewichtsreduktion innerhalb des eventuell mehrstufigen Schmiedevorgangs erzielt werden soll und dies bei hoher Qualität des Nocken und hoher Wirtschaftlichkeit in der Herstellung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Ausbildung von Nocken durch Schmieden nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nocken.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Nocken für gebaute Nockenwellen für die Ventilsteuerung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer den Nocken umschliessenden Aussenkontur als Nockenlauffläche, welche stirnseitig je eine Seitenfläche aufweist mit einer Aufnahmeöffnung für eine Welle, wo- bei der Nocken durch Schmieden geformt ist. Mindestens an einer der beiden Seitenflächen ist eine Einprägung ausgebildet, wobei zwischen der Einprägung und der Aussenkontur ein Nockenrand ausgebildet ist, derart dass die Breite des Nocken im Bereich der Einprägung verringert ist und der Nockenrand stets eine Breite aufweist die grösser als null ist und die Einprägung im übergangsbereich zum Nockenrand Auslaufradien aufweisen.

Durch das erfindungsgemässe Vorgehen ist es möglich, einen Nocken mit Schmieden zu realisieren, der vom Gewicht leichter ist und gleichzeitig bei der Herstellung entsprechend der Materialeinsparung durch die Einprägung kein Ma- terialverlust auftritt und es trotzdem möglich ist die Montagebreite des Nockens im Ausnehmungsbereich für die Welle derart zu wählen, dass eine sichere Verbindung mit der Welle gewährleistet wird. Ausserdem kann der Nocken in hoher Qua-

lität rissfrei hergestellt werden. Durch die Materialeinsparung bei der Herstellung und durch die gleichzeitige Realisierung der Einprägung in den Seitenflächen des Nocken gleichzeitig mit dem Schmiedevorgang ist eine weitere Kostenoptimierung erzielt. Die Kostenoptimierung wird dabei sowohl bei mehrstufigen als auch bei einstufigen Schmiedeoperationen erzielt.

Die Erfindung wird nun beispielsweise mit schematischen Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Nocken in Aufsicht von einer Nockenseite her betrachtet mit erfin- dungsgemässer Einbuchtung;

Fig. 2a ein Nocken gemäss Fig. 1 im Querschnitt A-A mit zwei verschiedenen Einprägungsformen;

Fig. 2b ein Querschnitt eines Nocken entsprechend Fig. 2a mit schematischer Darstellung des eingesparten Materialanteils ;

Fig. 3 ein Nocken in Schrägsicht mit exzentrisch angeordneter Einprägung;

Fig. 4 ebenfalls in schräger Ansicht ein Nocken mit kreisrunder Nockeneinprägung;

Fig. 5 eine weitere Schrägansicht des Nockens mit kreisrunder Einprägung;

Fig. 6 ein Nocken in Aufsicht mit runder Einprägung;

Fig. 7 ein Nocken im Querschnitt mit Materialverlustzonen an den Seitenflächen eines geschmiedeten Nocken gemäss Stand der Technik.

In Fig. 1 ist ein Nocken 1 in Aufsicht von der Seitenfläche her gesehen dargestellt. Der Nocken 1 weist eine runde Aufnahmeöffnung 2 für die Nockenwelle auf mit

ihrer im Zentrum liegenden Rotationsachse 5. Zur Steuerung von Ventilen in Verbrennungskraftmaschinen weist eine derartige Nocke 1 eine exzentrisch angeordnete Aussenkontur auf mit einer Nockenlauffläche 3, durch die welcher bei Rotation des Nockens um die Rotationsachse 5 der mit dem Nocken in Kontakt ste- hende Nockenfolger, der seine Bewegung auf das Ventil direkt oder indirekt überträgt, betätigt wird. Beispielsweise kann der Nockenfolger ein Rollenabgriff, wie Rollenschlepphebel, oder Rollenkipphebel sein, dessen Rolle auf der Nockenlauffläche 3 abrollt. Gezeigt ist eine für derartige Nocken typische Form mit welcher der zu steuernde Ventilhub erzielt wird. Die Nockenaussenkontur wird üblicher- weise in einen Grundkreisbereich 20 und einen Hubbereich unterteilt. Der Nocken 1 hat somit eine Nockenlänge L und eine Nockenbreite B, die dem Durchmesser des Grundkreises 20 des Nockens entspricht. Beispielsweise ist für Kraftfahrzeuge die Nockenlänge L typischerweise etwa 56 mm und die Nockenbreite B etwa 50 mm, wobei die Ausnehmung 2 beispielsweise einen Durchmesser von 27 mm aufweist. Die Breite LB der Nockenlauffläche 3 liegt hierbei typischerweise bei etwa 12 mm. Der Rand 4 der Aufnahmeöffnung 2 wird vorzugsweise, wie in der DE 4 121 951 C2 vorgeschlagen, bei der Montage mit der Welle über einen Bereich der Welle gepresst, der einen leicht erweiterten Durchmesser aufweist, welcher durch Rändeln oder Rollieren leicht aufgeweitet ist, so dass eine sichere kraft- und formflüssige Verbindung mit der Welle erzielt wird. Bei der Formgebung des Stahlnocken 1 durch Schmieden wird vorzugsweise gleichzeitig an mindestens einer der Seitenflächen 16, 16' des Nockens eine Nockeneinprägung 7, T erzeugt, wie dies auch in der Schnittdarstellung A-A in Fig. 2a dargestellt ist. Die Einprägungen 7, T dürfen nicht bis hinaus zur Aussenkontur also der Nockenlauffläche 3 des Nocken reichen. Mit den Einprägungen 7, T wird abhängig von der Form und der Einprägungstiefe 8, 8' Material verdrängt und dadurch eingespart. Die Einsparung beruht darauf, dass bereits das Einsatzgewicht des Rohteils in die Schmiedeumformung um einen entsprechenden Betrag kleiner gewählt wird. Es wird eben gerade nicht nachträglich Material abgetragen, um einfach das Gewicht des Fertigbauteils zu reduzieren. Je weiter der Randbereich der Einprägung 7, T gegen die Nockenlauffläche 3 gelegt wird, umso mehr Material kann eingespart werden, beziehungsweise umso mehr kann das Gewicht des Nocken 1 verringert

werden. Es ist allerdings darauf zu achten, dass der Rand der Einprägung 7, T höchstens bis zur Einhärttiefe der Nockenfläche 3 reicht. Somit bleibt entlang der Nockenlauffiäche 3 gegenüber dem Rand der Einprägung 7, T ein Nockenrand 6 stehen, der vorzugsweise Breiten (19) erreicht im Bereich von 1 ,5 bis 7% der Nok- kenbreite B, soweit dieser Wert grösser als 1 ,5mm ist, wobei ein solcher Rand vorzugsweise über den ganzen Umfang eingehalten wird. Das Einhalten eines derart kleinen Nockenrandes 6 ohne Einprägung ist beispielsweise möglich, wenn die Einprägung wie in den Fig. 1 , 2a und 3 dargestellt ist, exzentrische Form aufweist und somit optimal ist für die Verdrängung eines möglichst grossen Material- volumens. Diese exzentrische Einprägungsform ist durch das Schmieden etwas schwieriger zu realisieren, weil die Werkzeugkosten für nichtrunde Geometrien höher sind als für runde Geometrien. In gewissen Fällen wird deshalb eine runde Einprägungsform T gewählt, wie sie in den Fig. 2a, 2b, 4, 5 und 6 dargestellt ist. In dem Fall ist die Einprägung T konzentrisch zur Aufnahmeöffnung 2 angeordnet. Das bedeutet, dass der Nockenrand 6 nur entlang des Grundkreisbereiches 20 des Nockens innerhalb der bevorzugten Breite (19) von 1 ,5 bis 7% der Nockenbreite B, soweit dieser Wert grösser als 1 ,5mm ist, ausgebildet ist. Die Auswahl, welche Form für die Einprägung verwendet wird, erfolgt bevorzugt allein aufgrund der Abwägung des Vergleiches zwischen den etwas höheren Werkzeugkosten gegen die etwas höhere Materialeinsparung.

Für übliche Werte von Nocken für Personenkraftwagen von einer Nockenbreite B bzw. einem Grundkreisdurchmesser von 50mm ist der Nockenrand 6 nicht breiter als 3mm. Technisch ist zwar auch ein grosserer Wert einstellbar, allerdings wäre dann der Nutzen der Materialeinsparung in Bezug auf den Aufwand durch die höheren Werkzeugkosten zu gering.

In Fig. 2a sind die beiden Einprägungsformen 7, T zum Vergleich in einer einzigen Figur dargestellt, symmetrisch zur Rotationsebene 17 des Nocken 1. Bei der tat- sächlichen Ausführung wird die symmetrische Anordnung und Formgebung der Einprägungen 7, T zur Rotationsebene 17 bevorzugt, womit auch die Einprä- gungstiefe 8, 8' gleich gewählt wird.

Die Materialeinsparung wird in der Fig. 2b durch den schraffierten Bereich veranschaulicht.

Es ist günstig, wenn die Einprägungen 7, T einen flächigen Bodenbereich 18, 18' aufweisen, der insbesondere eben und senkrecht zur Nockenlauffläche 3 ausgerichtet ausgebildet ist. Beim Herstellverfahren durch Schmieden muss das Fliessverhalten des Werkstoffes berücksichtigt werden. Um hier die erforderliche Qualität erzielen zu können und den Verschleiss der Werkzeuge in Grenzen zu halten, muss die Einprägung 7, T im übergangsbereich zum Nockenrand 6 Auslaufradien 11, 12 aufweisen. Diese Auslaufradien werden bevorzugt im Bereich von 0,5mm ausgelegt. Auslaufradien im Bereich von 0,5mm bis 5mm erwiesen sich jedoch auch als vorteilhaft. Sowohl der innere Auslaufradius 11 , 11' wie auch der äussere Auslaufradius 12, 12' können ineinander übergehen und dadurch eine bogenför- mige Einprägungsübergangsfläche 10, 10' bilden. Für die Einformung der Einprägungen 7, T ist es allerdings von Vorteil, wenn in dessen Randbereich eine geneigte Einprägungsübergangsfläche 10, 10' vorgesehen ist , welche von dem inneren Auslaufradius 11 , 11' und dem äusseren Auslaufradius 12, 12' eingeschlossen ist. Diese Einprägungsübergangsfläche 10, 10' ist im Querschnitt in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Die Fläche ist gegen den Bodenbereich 18, 18' der Einprägung 7, T geneigt angeordnet. Der mittlere Neigungswinkel 13, 13' der Einprägungsübergangsfläche 10, 10' gegenüber der ursprünglichen Nockenseitenfläche 16, 16' liegt hierbei in einem Bereich zwischen 20° und 60°. Die Einprägungstiefe 8, 8' sollte so gross wie möglich sein, um möglichst viel Material zu verdrängen und damit einzusparen. Die erreichbaren Werte werden hierbei einerseits durch die Grenzen erreicht, welche durch ein hochqualitatives Schmieden und Massivumformen gesetzt sind und andererseits durch die notwendige zu erzielende Festigkeit der Fügung zwischen Welle und Nocke 1. Die Tiefe 8, 8' der Einprägung 7, 7' ist derart eingestellt, dass im Bereich der Aufnahmeöffnung 2 eine Nockenfüge- breite 9 vorgesehen wird, derart dass die notwendige Montagefestigkeit des Nokken bei vorgegebener Breite der Nockenlauffläche nicht unterschritten ist. Bei den hier vorliegenden Nocken für Anwendungen in Kraftfahrzeugen und der Anwen-

dung des Fügeverfahrens, wie es in der DE 4 121 951 C2 beschrieben ist, sind hierbei Nockenfügebreiten 9 von mindestens 4 mm notwendig, vorzugsweise Nok- kenfügebreiten im Bereich von 6 bis 8 mm. Dies gilt insbesondere für Anwendungen bei Nocken mit einer Nockenlauffläche 3, welche Breiten von 10 bis 16 mm aufweisen. Mit derartigen durch Schmieden hergestellten Nocken können durch Einprägungen 7, T Volumina im Bereich von 10 % bis 25 % des gesamten Nokkenvolumens ausgespart werden, was einer wesentlichen Werkstoffeinsparung gleich kommt.

Die Schmiedeoperation des Nockens erfolgt dabei bevorzugt in einem Folgeverbundwerkzeug, bei dem von einer Stange Abschnitte mit definiertem Gewicht geschnitten werden, in einem ersten Umformvorgang ein ballenförmiger Vorformling, in einem zweiten Umformvorgang die äussere Nockenform, umfassend die Einprägung 7, T, die Nockenaussenkontur 3 und den Nockenrand 6, mit einer Anprä- gung für die Ausnehmung 2 geschmiedet und im letzten Umformschritt die Ausnehmung 2 ausgestanzt. Die Umformung erfolgt dabei je nach Werkstoff warm oder kalt. Für besonders grosse Nocken oder besonders schwer umzuformenden Werkstoffe, kann es sinnvoll sein, zur Erzielung der Einprägung 7, T eine zusätzliche Umformstufe vorzusehen.

Derartige Nocken können nach verschiedenen Verfahren auf die Tragwelle der Nockenwelle gefügt werden. So kann die Verbindung alternativ zu dem in der DE 4 121 951 C2 beschriebenem Form-Kraftschluss auch durch Schweissen, Löten, Kleben oder einem weiteren Verfahren erfolgen. Je nach gewählten Füge- verfahren kann der geschmiedete Nocken entsprechend nachbearbeitet werden. üblicherweise wird die Nockenlauffläche 3 gehärtet, die Aufnahmeöffnung 2 gedreht und/oder geräumt und häufig auch mit einer speziellen Einlauffase versehen. Zur Verbindung des Nockens mit der Welle mittels Form-Kraftschluss wird in die Aufnahmeöffnung 2 des Nockens bevorzugt eine umlaufende Riffelung bzw. kleine Verzahnung eingebracht. Zum Abschluss, in den allermeisten Fällen erst nach der Montage auf die Nockenwelle, wird der Nocken entlang der Nockenlauffläche 3 geschliffen.