Welle mit Funktionskörpern, wie Nockenwelle für Brennkraftmaschinen, Verfahren zur Herstellung solcher Wellen, sowie damit ausgerüstete Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft Wellen mit wenigstens einem getrennt davon gefertigten, und auf dieser befestigten Funktionskörpern, wie gefügte Nockenwellen, die innerhalb einer Brennkraftmaschine lagerbar sind, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Wellen und damit ausgerüstete Brennkraftmaschinen.

Zusammengesetzte Nockenwellen, sowie Verfahren zu deren Herstellung, bei denen für sich hergestellte Nocken auf einer Welle festgelegt werden, sind z.B. durch die DE-OS'en 198 31 333, 199 38791 und 101 01 539 bekannt geworden.

Derartige, zusammengesetzte Nockenwellen bringen gegenüber herkömmlichen, geschmiedeten Nockenwellen eine Reihe von Vorteilen. So z.B. werden durch die Einzelherstellung der Nocken und das Befestigen derselben auf der Welle im Gesamten Kostenreduzierungen erzielt, zumal auch die teuren und aufwändigen Schmiedewerkzeuge und Herstellungsprozesse entfallen, und es können für die Wellen und die Nocken unterschiedliche und jeweils optimale Werkstoffe eingesetzt werden. Weitere Vorteile, nämlich eine Gewichts- und Kostenreduzierungen ergeben sich beim Einsatz von hohlen Wellen. Des Weiteren ermöglicht das Prinzip der zusammengesetzten Nockenwellen erheblich breitere und preiswertere Spielräume

zur Herstellung von Abwandlungen, Anpassungen und Varianten. Außerdem kann das aufwändige Härten der Gesamtwelle entfallen.

Die Lagerung von Nockenwellen, seien es massive, mit einteilig angeformten Nocken, oder zusammengesetzte, erfolgt bisher entweder über Gleitlagerungen oder mittels geteilter Wälzlager, weil geschlossene, also ungeteilte Lager für die Anwendung zwischen zwei benachbarten Nocken nicht axial über die, einen größeren Durchmesser als die Lagerstellen aufweisenden Nocken geschoben werden können. Es war also aus den o. a. Gründen nicht möglich, Nockenwellen als vormontierte Einheiten anzuwenden und die damit verbundenen Montagemöglichkeiten auszunutzen und auch nicht die Vorteile von Wälzlagern, wie geringere Verlustleistungen.

Weitere zusammengesetzte Wellen innerhalb von Brennkraftmaschinen, auf die sich die Erfindung ebenfalls bezieht, sind z. B. Ausgleichswellen und dergleichen. Auch für solche zusammengesetzte Wellen sind die o.a. Nachteile gegeben. Die Lagerungen für solche Wellen in den entsprechenden Gehäuseabschnitten der Brennkraftmaschine sind bisher ebenfalls als Gleitlager ausgebildet oder geteilte Wälzlager, jedenfalls, soweit es Lagerungen sind, die zwischen zwei Ausgleichsgewichten vorgesehen sind.

Demgemäß lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen Nockenwellen (auch von anderen Wellen, insbesondere solchen, bei denen der Durchmesser der Funktionskörper größer ist als der der Lagerstellen und wobei sich der Wellenkörper durch die Funktionskörper hindurch erstreckt) zu beseitigen.

Insbesondere soll die Montage von Motoren verbessert, vereinfacht und verbilligt und die Verlustleistung reduziert und somit Treibstoff eingespart werden. Außerdem soll die Herstellgenauigkeit von getrennt von Wellen hergestellten und anschließend axial aufgepressten Funktionskörpern mit von der Kreisform abweichenden Form, insbesondere deren Funktionsflächen, bei Nocken also deren auf die Ventilstössel einwirkenden Flächen, verbessert werden.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Welle bzw. einer, mit einer derartigen Welle ausgerüsteten Brennkraftmaschine dadurch erzielt, dass für die Lagerung der Welle, auf der wenigstens ein Funktionskörper axial aufgepresst und drehfest festgelegt ist, der von der Welle also durchdrungen ist - zum Beispiel eine sogenannte „gefügte Nockenwelle" - , wenigstens eine der Lagerstellen als Wälzlagerung ausgebildet ist, wobei auf der Welle wenigstens ein ungeteiltes, also in sich geschlossenes Element einer Wälzlagerung vorgesehen ist und die Welle mit dem wenigstens einen Element eines Wälzlagers somit eine vorgefertigte Baueinheit bildet.

Dabei kann auf der Welle ein komplettes ungeteiltes Wälzlager aufgebracht sein, also ein solches mit Innen - und Außenring und dazwischen vorgesehenen Wälzkörpern.

Eine zweite Ausführungsfomn einer Wälzlagerung kann derart ausgebildet sein, dass die Wälzlagerelemente, nämlich Wälzkörper mit ungeteiltem Käfig und ungeteiltem Außenring auf der Welle montiert sind und die Wälzkörper sich unmittelbar auf der Welle abwälzen, also eine Lagerung ohne Innenring gebildet ist.

Eine dritte Ausführung einer Lagerung kann derart ausgebildet sein, dass lediglich die untereinander über einen ungeteilten Käfig zusammengehalten Wälzkörper, z.B Nadeln, auf der Welle montiert sind, die Wälzkörper sich also einerseits unmittelbar an der Welle abwälzen und andererseits unmittelbar an im Zylinderkopf angebrachten Abwälzbereichen.

Eine vierte Ausführung einer Wälzlagerung kann so ausgebildet sein, dass auf der Welle ein innerer Lagerring mitsamt den untereinander über einen ungeteilten Käfig zusammengehaltenen Wälzkörpern montiert ist.

Bei Ausführungsformen, bei denen unmittelbar auf der Welle wenigstens eine Laufbahn für die Wälzkörper vorgesehen ist, also bei den zuvor aufgeführten zweiten und dritten Ausführungsformen, kann es zweckmäßig sein, wenn dabei die Welle aus einem Material besteht, welches die Qualität von Lagerringen besitzt. Die Lagerstelle kann auch gehärtet sein und geschliffen oder feingedreht.

Wird eine Lagerung mit Innenriπg verwendet, also ein komplettes Lager mit Innen- und Außenring und Wälzkörpern oder ein Lager lediglich mit Innenring und Wälzkörpern, so kann es vorteilhaft sein wenn - neben den Funktionskörpern, wie den Nocken - auch der Innenring axial über einen Presssitz drehfest auf der Welle befestigt wird.

Durch die Erfindung wird es möglich, die Vorteile der Wälzlagerung, z.B. bei der Lagerung von Nockenwellen, auszunutzen, insbesondere auch bei solchen, bei

denen die radiale Nockenerstreckυng über den Radius des Lagersitzes an der Welle hinausgeht.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nockenwelle hohl ist, sodass dann Schmieröl durch die hohle Welle zugeführt werden kann, wofür zweckmäßigerweise vom Hohlraum aus eine Bohrung zur Lagerstelle führt. Bei Verwendung eines Wälzlagers mit Innenring ist es zweckmäßig, wenn entweder im Innenbereich des Innenringes eine ringförmige Auskehlung vorgesehen wird oder eine solche Auskehlung im Bereich des Lagersitzes angebracht wird, in die die bereits erwähnte, durch die Welle reichende Bohrung einmündet Zweckmäßigerweise wird im Innenring des Lagers selbst eine Bohrung angebracht, die einerseits in die Auskehlung und andererseits in die Umlaufbahn der Wälzkörper einmündet.

Bei Verwendung einer Wälzlagerung ohne Innenring und mit ungeteiltem Außenring und über einen ungeteilten Käfig zusammengehaltenen Wälzkörpern wird zweckmäßigerweise die erwähnte radiale Bohrung in der Welle angebracht, die im Bereich der Wälzkörper in die Umlaufbahn einmündet. In gleicher Weise kann die Schmiermittelversorgung bei einer Lagerung ohne Innen- und Außenring, also lediglich mit über einen ungeteilten Käfig zusammengehaltenen Wälzkörper ausgeführt werden.

Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Nockenwelle z. B. in einem Zylinderkopf, bei dem die ölversorgung in konventioneller Weise durch im Zylinderkopf vorgesehene Bohrungen erfolgt, also bei Verwendung eines Wälzlagers mit Außenring, kann es zweckmäßig sein, wenn in der Außenkontur des Außenringes und/oder in der die

Lagerung umgreifenden Kontur des Zylinderkopfes eine ringförmige Auskehlung vorgesehen ist und der Außenring eine zumindest annähernde radial von der Auskehlung aus zur Umlaufbahn der Wälzkörper führende Bohrung besitzt.

Um den durchlaufenden ölstrom zu begrenzen, kann es vorteilhaft sein, die ringförmige Auskehlung und/oder die Bohrung wenigstens in einem Teilbereich als Drossel auszubilden.

Es kann aber auch an wenigstens einer Seite der Wälzlagerung eine - ebenfalls einteilige - Abdichtung vorgesehen sein, vorteilhafterweise jedoch an beiden Seiten der Wälzkörper, da dann bei einer entsprechenden Ausbildung der Dichtungen als Spaltdichtung diese Dichtungen eine Drosselwirkung erzeugen können.

Zur axialen Führung der Nockenwelle im Zylinderkopf oder Motorblock kann es zweckmäßig sein, wenn ein Axial- und Radiallager verwendet wird, dessen Außenring in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes oder Motorblockes festgelegt sein kann.

Die axiale Festlegung der Welle kann aber auch über eine Formschluss erfolgen mittels einer von der Welle ausgehenden radialen Kontur im Zusammenwirken mit einer Gegenkontur am Zylinderkopf oder Motorblock.

Die von der Welle ausgehende radiale Kontur kann an der Welle angeformt sein, die Kontur kann aber auch durch die axial aufgepresste Scheibe oder dergleichen gebildet sein oder aber durch mindestens einen Sprengring.

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Die Erfindung erstreckt sich aber auch darauf, dass bei einer Ausgleichswelle für eine Brennkraftmaschine diese Ausgleichswelle als gefügtes Bauteil hergestellt wird, bestehend aus einem Wellengrundkörper und getrennt davon gefertigten und axial aufgeschobenen bzw. aufgepressten und axial - sowie drehfest darauf festgelegten Ausgleichsgewichten, die zweckmäßigerweise nach einem der in den DE-OS'en 19831333, 19938791 oder 10101539 beschriebenen Verfahren aufgebracht werden, wobei deren Lagerung insbesondere in der beschreibenden Weise über mindestens ein einteiliges Element eines Wälzlagers erfolgen kann. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf mit solche Wellen ausgerüstete Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf Nockenwellen oder Ausgleichswellen beschränkt, sondern betrifft auch andere Wellen, die einen aufgeschobenen bzw. aufgepressten Funktionskörper durchdringen.

Ein weiterer erfinderischer Gedanke bezieht sich auf die Herstellung von so genannten gefügten Wellen mit unrunden Funktionskörpern, also z.B. Nockenwellen, bei denen Nocken durch axiales Aufpressen auf einen Wellengrundkörper befestigt werden. Es hat sich gezeigt, das bei solchen Nockenwellen, bei denen die Nocken erst auf ihre Sollkontur geschliffen und die anschließend aufgepresst werden, die Außenform der Nocken von der Sollkontur derart abweicht das die Motorsteuerung negativ beeinflusst wird. Dabei wird nicht nur der zylinderförmige Befestigungsbereich verformt, sonder auch im Erhebungsbereich des Nockens gibt es Deformationen. Demgemäß lag dem vorliegenden weiteren Erfindungsgedanken die Aufgabe zu Grunde, derartige Verformungen zu vermeiden und insbesondere

Nockenwellen zu schaffen, bei denen die Außenkontur der Funktionskörper, also z.B. der Nocken, auch in verbautem Zustand der bestimmungsgerechten Kontur entspricht. Dies wird dadurch erzielt, dass beim Schleifen der Außenkontur eine Aufspannung des Nockens über seine Innenbohrung mittels eines Spannelementes, z.B. eines hydraulischen oder mechanischen Spanndornes erfolgt, wobei eine Aufweitung des Nockens erzeugt wird, die derjenigen Aufweitung entspricht, welche nach dem Fügen des Nockens auf die Nockenwelle entspricht. Dadurch kann die Außenkontur exakt nach der Zielkontur hergestellt werden.

Ein anderer erfinderischer Gedanke bezieht sich auf die Ausgestaltung von Funktionskörpern, wie insbesondere von Nocken für eine gefügte Nockenwelle. Diesem Teil der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, Material einzusparen, Nockenwellen zu verbilligen und die Unwucht bei Nockenwellen zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Nocken im Bereich der Nockenerhebung eine in Achsrichtung den Nocken zumindest teilweise durchdringende Auskehlung eingebracht ist. Diese Auskehlung kann in Achsrichtung durchgehend sein oder eventuell den Nocken lediglich teilweise durchdringen. Die Auskehlung - in Richtung auf die Frontseite des Nockens gesehen - kann mondsichelförmige und lediglich an einer Seite, jedoch auch von beiden Seiten her eingebracht werden. Die Auskehlung kann aber auch eine durchgehende, auch zumindest annähernd kreisförmige Ausnehmung sein.

Es ist ersichtlich, dass ein nicht unerheblicher Teil des teueren Materiales, das ansonsten bei vollen Nocken eingesetzt wird, eingespart werden kann.

An Hand der Figuren 1-3 sei die Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigt die Figur 1 eine in einem Zylinderkopf gelagerte Nockenwelle, Figur 2 eine Ansicht eines Nockens gemäß der Linie INI und Figur 3 einen Schnitt gemäß der Linie HI-III.

Die gefügte bzw. zusammengesetzte gemäß Figur 1 Nockenwelle 1 weist Nocken 2- 9 auf, die auf dem Wellengrundkörper 10 durch axiales Aufpressen sowohl in Achsrichtung als auch in Umformsrichtung fest sind. Ebenfalls axial aufgeschoben sind, zwischen jeweils zwei benachbarten Nocken vorgesehene, im dargestellten Ausführungsbeispiel unterschiedlich ausgebildete Wälzlagerausbildungen 11-15.

Zur Bildung der dargestellten Lagerung 11 ist ein komplettes Kugellager 17 mit Außenring 18 und Wälzlager 19 und Innenring 20 verwendet.

Die axiale Festlegung der Nockenwelle 1 ist hier durch vier Sprengringe 21-24 gegeben. Zur axialen Sicherung des Lagers auf dem Wellengrundkörper und damit auch der Nockenwelle im Zylinderkopf kann aber auch der Innenring ebenso wie die Nocken axial und drehfest auf dem Nockenwellengrundkörper 10 befestigt sein und zwar durch wenigstens eines der in den DE-OSen 19831333, 19938791 oder 10101539 - die Integrale Bestandteile der vorliegenden Anmeldung seien - beschriebenen Weise.

Bei der Lagerstelle 11 kann die Schmierung des Lagers in besonders vorteilhafter Weise über den Hohlraum 25 im Grundkörper 10 erfolgen, indem, wie dies unterhalb

der Mittellinie gezeigt ist, im Wellengrund körper 10 eine Bohrung 26 vorgesehen ist, die in einem im Innenring 10 vorgesehenen ringförmigen Hohlraum 27 mündet von dem aus wiederum eine radiale Bohrung 28 ausgeht, die in der Laufbahn der Kugeln 19 endet. In dem oberhalb der Mittellinie dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schmiermittelzufuhröffnung im Wellengrundkörper 10 mit 26a bezeichnet, die in den ringförmigen Hohlraum 27a im Wellengrundkörper 10 mündet. Im Bereich dieses Hohlraumes 27a führt eine Bohrung 28 zur Laufbahn der Kugeln 19. Zur Begrenzung des durch das Lager hindurchgehenden Schmiermittelvolumens können die Bohrung 28, der Ringraum 27 und die Bohrung 28 als Drossel ausgebildet sein, es können aber auch als Spaltdichtung wirksame Dichtelemente 29, 30 vorgesehen sein.

Im Falle der Ausbildung der Lagerstellen, wie sie als Beispiel die Lagerstelle 12 zeigt, enthält die vormontierte, mit ungeteilten Elementen einer Wälzlagerung versehene Nockenwelle sowohl Wälzkörper 31, die durch einen ebenfalls ungeteilten Käfig 37 zusammengehalten sind, als auch den Außenring 32. Zur Schmierung kann wiederum eine Bohrung 28 den Wellengrundkörper 10 durchdringen. Zur Drosselung des Schmierσlflusses können Dichtungen 34,35 als Spaltdichtungen ausgebildet sein. Die Sicherung des Außenringes 32 erfolgt hier über einen ringförmigen Ansatz 35 im Gehäuse und einen Sprengring 36 im Gehäuse. Die Sicherung der Nockenwelle gegenüber dem Gehäuse erfolgt über zwei im Gehäuse angebrachte ringförmige Ansätze 38 und einen Ansatz bzw. eine ringförmige Scheibe 39, die ebenfalls durch axiales Aufpressen am Wellengrundkörper 10 befestigt ist.

Bei einer Ausgestaltung einer Lagerstelle 13 ist bei einer als vormontierte Einheit hergestellten Nockenwelle lediglich durch das zweckmäßigerweise durch einen einteiligen Käfig 37 zusammengehaltene Element eines Wälzlagers, nämlich die Wälzkörper 40, vormontiert. In gleicher weise wie an der Lagerstelle 11 kann auch bei der Lagerstelle 13 die Schmierung durch eine Bohrung 28 erfolgen und die Drosselung des ölstromes durch entsprechende Spaltdichtungen 33, 34.

Bei einer Ausgestaltung einer Lagerstelle 14 enthält die vormontierte Einheit, nämlich Nockenwelle und wenigstens ungeteilte Elemente einer Wälzlagerung, den auf den Lagersitz aufgeschobenen oder aufgepressten ungeteilten Innenring 41 und die Wälzkörper 42, die über einen ungeteilten Käfig 43 zusammengehalten sind. Seitlich der Wälzkörper 42 können wiederum Dichtungen 33, 34, vorgesehen sein. Zur Schmiermittelversorgung kann, ebenso wie bei der Lagerstelle 11, eine Bohrung 26 im Grundkörper 10 vorgesehen sein, weiterhin ein ringförmiger Hohlraum 27 im Innenring und eine Bohrung 28 im Außenring. Der ringförmige Hohlraum kann aber auch im Welleng rundkörper angebracht sein und zwar in Form des Ringraumes 27a, von dem dann die Bohrung 28a in die Laufbahn mündet.

Zur Bildung von Lagerungen entsprechend der mit 15 bezeichneten Lagerstelle enthält die Nockenwelle wiederum komplette Wälzlager in Form des Nadellagers 44 mit aufgeschobenem bzw. aufgepresstem Innenring 45, Außenring 46 und Wälzkörpem 47, Käfig 48 und als Drossel ausgebildet Dichtungen 49,50. Der Außenring 46 kann hier - und auch bei der Lagerstelle 11 - durch einen Preßsitz axial festgelegt sein und als Lager ein solches mit Axialführung verwendet werden.

Die Schmiermittelzufuhr erfolgt hier in üblicher Weise über eine im Zylinderkopf vorgesehene ölzufuhrbohrung 51 zu einem um den äußeren Lagerring 45 angelegten ringförmigen Hohlraum 52, zu einer radialen Bohrung 53 im Außenring. Die Bohrung 51 kann aber auch zu einem im äußeren Lagerring 46 vorgesehenen ringförmigen Hohlraum 54 führen und von dort durch eine Bohrung 55 zur Lauffläche der Wälzkörper 47.

Bei einer Ausgestaltung der Lagerstellen entsprechend 12 oder 13 ist unmittelbar auf dem Wellengrundkörper eine Laufbahn für die Wälzkörper vorgesehen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, wenn der Wellengrundkörper die Qualitiät von Lagerringen besitzt.

Die Lagerstellen der Wellen gemäß 12,13 können aber auch gehärtet, geschliffen oder aber feingedreht sein.

Bei den Ausführungen gemäß den mit 12 und 13 bezeichneten Lagerstellen sind die Lagerstellen für die Außenlaufbahnen mit entsprechender Qualität bearbeitet.

Die Erfindung ist, wie bereits erwähnt, nicht auf Nockenwellen beschränkt, sondern bezieht sich auch auf andere Wellen, wie insbesondere Ausgleichswellen, also solche Wellen, bei denen Funktionselemente über den Wellendurchmesser hinausragen und wobei die Welle sich beidseits der Funktionselemente bis zur ihren Lagerstellen hindurchgehend weiter erstreckt und deren Funktionskörper, die insbesondere durch axiales Aufpressen radial und rotationsfest festgelegt werden, wie dies z.B. in bereits erwähnten DE-OSen beschrieben ist.

Figur 2 zeigt den Nocken 3 in Ansicht entsprechend der Linie INI der Figur 1 und Figur 3 einen Schnitt gemäß der Linie IH-III der Figur 2.

Der Nocken 3 weist eine Bohrung 60 auf und einen teilweise zylindrischen Bereich 61 , der in einen erhabenen Bereich 62 übergeht. Im erhabenen Nockenbereich 62 ist eine Auskehlung 63 zur Material- und Gewichtseinsparung eingebracht. Die Auskehlung 63 kann auch in Achsrichtung durchgehend ausgebildet sein.

Derartige Nocken werden durch entsprechende Bearbeitung, nämlich Schmieden, gegebenenfalls Strahlen, Drehen der Bohrung 60, Hartdrehen der Bohrung auf das Fügemaß, Schleifen der Umfangskontur und gegebenenfalls abschließendes Gleitschleifen auf ihr Endmaß gefertigt. Beim axialen Aufpressen der Nocken über ihre Bohrung 60 verändert sich jedoch die Außenform der Nocken gegenüber der vorgegebenen Sollkontur, und zwar nicht nur im zylindrischen Bereich 61, sondern auch im Erhebungsbereich 62. Um eine exakt der Sollkontur entsprechende Form des Nockens auch bei aufgepresstem Nocken zu gewährleisten, ist der Nocken 3 beim Schleifen der Außenkontur 64 über seine kreisförmige Innenbohrung 60 auf einer Spannvorrichtung aufgenommen, die den Nocken auf eine gleiche Weise aufweitet wie dies beim axialen Aufpressen der Fall ist. Hierfür kann dann der Nocken auf einem mechanischen oder hydraulischen Spannelement aufgenommen werden, das die gleiche Art überdeckung erzeugt wie beim auf die Welle aufgepressten Nocken. Dadurch kann die Außenkontur exakt nach der Zielkontur gefertigt werden, nach dem Entspannen des Elementes liegt eine nicht bestimmungsgerechte Form vor, jedoch nach dem Montieren des Nockens wieder die Zielform.