DE102009023612A1

DE102009023612A1 - Nockenschleifvorrichtung

Info

Publication number: DE102009023612A1
Application number: DE102009023612A
Authority: DE
Inventors: Roland Schacherer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010139633A1; BRPI1010025A2; US20120131790A1; EP2437916A1; CN102458762A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Schleifen von Nocken (2) für eine Nockenwelle mit zumindest einem Haltedorn (3), auf welchem die Nocken (2) während des Schleifvorgangs verdrehfest fixiert sind, wobei der wenigstens eine Haltedorn (3) zumindest bereichsweise aus Keramik ausgebildet ist. Durch den hohen E-Modul und die hohe Festigkeit des keramischen Haltedorns (3) lassen sich die Schleifkosten erheblich reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schleifen von Nocken für eine Nockenwelle, ebenso wie ein Verfahren zum Schleifen von Nocken einer Nockenwelle mit einer derartigen Schleifvorrichtung.
Generell müssen Nocken für Nockenwellen, insbesondere Nockenwellen für Verbrennungsmotoren, geschliffen werden, um ein möglichst genaues und exaktes Schalten der zugehörigen Ventile zu ermöglichen. Dies geschieht bisher mittels so genannter Nockenwellenschleifvorrichtungen, bei welchen die zu schleifenden Nocken auf einen metallischen Haltedorn, z. B. einen hydraulischen Dehnspanndorn, aufgespannt werden und so ein Schleifen von mehreren axial parallel zueinander angeordneten Nocken ermöglicht wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sich ein derartiger metallischer Haltedorn beim Schleifen der Nocken elastisch durchbiegen kann, was zu einem ungenauen Schleifen der einzelnen Nocken führt. Gleichzeitig unterliegt ein derartiger metallischer Haltedorn einem nicht zu unterschätzenden Verschleiß und muss demgemäß turnusmäßig ausgetauscht werden, was die Schleifkosten pro zu schleifendem Nocken ebenfalls erhöht. Da je Haltedorn darüber hinaus üblicherweise nur maximal vier Nocken gleichzeitig aufgenommen werden können, und jeder Nocken eine Schleifzeit von beispw. 15 Sekunden erfordert, werden so zum Schleifen von vier Nocken insgesamt 60 Sekunden benötigt. Ein gleichzeitiges Schleifen der vier Nocken ist aufgrund der Durchbiegung des metallischen Haltedorns und der damit verbundenen bzw. dann auftretenden Schleifungenauigkeiten nur dann möglich, wenn mit geringerem Anpressdruck geschliffen wird, wodurch sich die Schleifzeit wiederum erhöht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung zum Schleifen von Nocken für eine Nockenwelle, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere das Schleifen der Nocken kostengünstiger ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Vorrichtung zum Schleifen von Nocken für eine Nockenwelle, insbesondere für eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, einen bisher als metallischen Dehnspanndorn ausgebildeten Haltedorn nunmehr durch einen Haltedorn zu ersetzen, der zumindest bereichsweise, vorzugsweise gänzlich, aus Keramik ausgebildet ist. Eingesetzt werden können hierbei insbesondere so genannte Industriekeramiken. Der große Vorteil eines derartigen aus Keramik ausgebildeten Haltedorns liegt insbesondere in dem sehr hohen E-Modul der Keramik, welcher den Haltedorn derart steif macht, dass dieser auch ein gleichzeitiges Schleifen von zumindest vier auf dem keramischen Haltedorn aufgespannten Nocken ermöglicht, wodurch die Schleifzeit und damit die Schleifkosten je Nocken deutlich reduziert werden können. Durch den hohen E-Modul und die hohe Steifigkeit bedarf ein derartiger erfindungsgemäß ausgebildeter Haltedorn darüber hinaus keinerlei Abstützung und ist trotzdem in der Lage gleichviel oder mehr Nocken zum Schleifen aufzunehmen als ein bisher bekannter und aus Metall, insbesondere aus Stahl, ausgebildeter Haltedorn. Durch einen für Keramik, insbesondere für Industriekeramik, kennzeichnenden hohen Reibbeiwert wird darüber hinaus eine deutlich verbesserte Haftung der Nocken auf dem keramischen Haltedorn erreicht, wodurch eine Übertragung von einem Drehmoment von dem keramischen Haltedorn auf die zu schleifenden Nocken beim Schleifen derselben besser bewerkstelligt werden kann. Von weiterem besonderem Vorteil ist, dass eine Temperaturdehnung von Keramik lediglich ca. 25% derjenigen von Stahl beträgt, so dass die bspw. thermisch mit dem jeweiligen Haltedorn, insbesondere mit dem keramischen Haltedorn, gefügten Nocken deutlich besser mit diesem verspannt und nach dem Schleifen auch deutlich einfacher von diesem abgezogen werden können. Ein Abziehen der Nocken nach dem Schleifen erfolgt dabei durch Erwärmen, bspw. durch ein induktives Erwärmen, des jeweiligen Nockens, welcher sich dadurch ausdehnt und so einfach von dem keramischen Haltedorn, der sich induktiv nicht erwärmen lässt, abgezogen werden kann. Durch die induktive Erwärmung der Nocken werden nur diese erwärmt, nicht jedoch der keramische Haltedorn, sodass eine Erwärmung des Haltedorns ausschließlich über eine Wärmeübertragung der Nocken auf den Haltedorn und damit in nur sehr geringem Umfang stattfinden kann und den Abziehprozess der Nocken vom Haltedorn nicht negativ beeinflusst.
Da Keramikwerkstoffe, insbesondere so genannte Industriekeramiken, darüber hinaus eine deutlich höhere Dauerstandsfestigkeit aufweisen als Metalle, kann der erfindungsgemäße keramische Haltedorn deutlich länger eingesetzt werden, als ein vergleichbarer metallischer Haltedorn, wodurch ebenfalls Kosten reduziert werden können. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass der erfindungsgemäße Haltedorn nicht komplett, sondern lediglich bereichsweise aus Keramik ausgebildet ist. Besonders die vergleichsweise lange Lebensdauer und der hohe E-Modul ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Schleifkosten bezogen auf den einzelnen Nocken.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der wenigstens eine Haltedorn zumindest bereichsweise aus einer Nitridkeramik ausgebildet, die darüber hinaus Silicium aufweist und insbesondere als Si₃N₄ ausgebildet ist. Siliciumnitrid (Si₃N₄) bildet unter den Nitridkeramiken eine derzeit klar dominierende Rolle und verfügt über eine bislang von anderen Keramiken nicht erreichte Kombination von hervorragenden Werkstoffeigenschaften, die unter anderem eine hohe Zähigkeit, eine selbst bei hohen Temperaturen hohe Festigkeit, eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, eine geringe Wärmedehnung, eine lediglich mittlere Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe chemische Beständigkeit umfasst. Diese Eigenschaftskombination ergibt eine Keramik, die extremsten Einsatzbedingungen gerecht wird und insbesondere prädestiniert für Maschinenbauteile mit sehr hohen dynamischen Beanspruchungen und Zuverlässigkeitsanforderungen ist. Um dabei vergleichsweise dichte Siliciumnitridkeramiken herstellen zu können, wird von einem mit Sinteradditiven (Al₂O₃, Y₂O₃, MgO, etc.) versetzten Submicron-Si₃N₄-Pulver ausgegangen, das nach dem Formgebungsprozess bei Temperaturen zwischen 1750 und 1950°C gesintert wird. Bedingt durch die Zersetzung von Si₃N₄ ab ca. 1700°C bei Normaldruck der Sinteratmosphäre, kann während des Sinterns der N₂-Druck erhöht und damit der Zersetzung entgegenwirkt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale 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.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Schleifvorrichtung zum Schleifen von Nocken für Nockenwellen.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Schleifen von Nocken 2 einen Haltedorn 3 auf, auf welchem die Nocken 2 während eines Schleifvorgangs verdrehfest fixiert sind. Erfindungsgemäß ist nun dieser Haltedorn 3 zumindest bereichsweise, vorzugsweise überwiegend, aus Keramik, insbesondere aus einer Industriekeramik, ausgebildet. Der Haltedorn 3 ist dabei an eine Welle 4 einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung drehfest angeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Haltedorns 3 aus Keramik weist dieser einen hohen E-Modul und verbunden damit eine hohe Festigkeit auf. Dies ermöglicht es, mehrere Nocken 2, vorzugsweise beispielsweise acht Nocken 2, gleichzeitig zu schleifen, indem diese gegen ein Schleifelement 5 der Vorrichtung 1 gedrückt werden. Das Schleifelement 5 selbst besitzt üblicherweise einen schnell rotierenden Schleifkörper, der gegen die auf dem Haltedorn 3 aufgespannten Nocken 2 gedrückt wird. Selbstverständlich kann auch der Haltedorn 3 gegen das Schleifelement 5 gedrückt werden. Denkbar ist auch, dass das Schleifelement selbst als Schleifscheibe ausgebildet ist, was gemäß der 1 durch eine Rotationsachse 7 verdeutlicht werden soll.
Im Unterschied zu bisherigen, aus Metall ausgebildeten Haltedornen, ist es mit dem erfindungsgemäßen Haltedorn 3 aus Keramik möglich, eine Vielzahl von Nocken 2 gleichzeitig zu schleifen, da der erfindungsgemäße Haltedorn 3 aufgrund seiner hohen Festigkeit nahezu keine Durchbiegung während des Schleifvorgangs erfährt und dadurch das gleichzeitige exakte Schleifen mehrerer Nocken 2 ermöglicht. Mit einem aus dem Stand der Technik aus Metall ausgebildeten Haltedorn ist im Gegensatz dazu lediglich das Schleifen der Nocken 2 nacheinander oder das Schleifen von max. vier Nocken 2 gleichzeitig möglich, letzteres mit geringerem Schleifdruck, wodurch sich der Schleifvorgang insgesamt deutlich verlängert. Aufgrund der hohen Steifigkeit, Festigkeit und des hohen E-Moduls, benötigt der erfindungsgemäße Haltedorn 3 auch keine weitere Abstützung und erfährt trotz dieser nicht benötigten Abstützung keine inakzeptable Biegung welche einen negativen Einfluss auf ein Schleifergebnis darstellen würde.
Im Unterschied zu bekannten metallischen Haltedornen, weist der erfindungsgemäße keramische Haltedorn 3 zudem eine deutlich geringere Temperaturdehnung sowie einen deutlich verbesserten Reibbeiwert auf, was beides dazu beiträgt, den Schleifvorgang insgesamt zu vereinfachen. Die Nocken 2 werden auf dem Haltedorn 3 üblicherweise form- und/oder kraftschlüssig angeordnet, wozu der Haltedorn 3 bspw. an seiner Außenseite zumindest bereichsweise gerändelt, insbesondere mit einem Vielzahnprofil versehen ist, oder eine Nut-Feder-Verbindung aufweist. Eine derartige mögliche Rändelung verbessert eine Verzahnung mit den zu schleifenden Nocken 2 und dadurch eine Drehmomentübertragung zwischen den Nocken 2 und dem Haltedorn 3. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die zu schleifenden Nocken 2 thermisch mit dem Haltedorn 3 gefügt sind, wozu die Nocken 2 zunächst erwärmt und in erwärmtem Zustand auf den Haltedorn 3 aufgeschoben bzw. aufgepresst werden. Nach einer Abkühlung und einer damit einhergehenden Schrumpfung, sind die Nocken 2 drehfest auf dem Haltedorn 3 ohne Formschluss fixiert.
Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass die Nocken 2 zunächst bezüglich Ihrer Bohrung bearbeitet, anschließend induktiv erwärmt und auf den keramischen Haltedorn 3 aufgezogen werden können. Selbst wenn die Bohrung nicht exakt ausgeführt wäre, hätte dies auf die spätere Funktionsweise des Nockens 2 keinen negativen Einfluss, da der Nocken 2 mit „schiefer” Bohrung zunächst thermisch mit dem Haltedorn 3 verbunden und anschließend geschliffen wird. Durch ein erneutes induktives Erwärmen wird der Nocken 2 vom Haltedorn 3 abgezogen und vorzugsweise ohne Abkühlung und Zwischenlagerung auf die Nockenwelle des Verbrennungsmotors aufgezogen, worauf sich dieser durch Abkühlung dann „fest” schrumpft. Da an der Bohrung nichts geändert wird, nimmt der Nocken 2 nach dem Aufschrumpfen auf der Nockenwelle dieselbe Lage ein wie auf dem Haltedorn 3, das heißt denselben Passsitz, und ist somit bezüglich seiner geschliffenen Oberfläche ebenfalls identisch wie auf dem Haltedorn 3 ausgerichtet.
Alternativ ist selbstverständlich auch vorstellbar, dass die zu schleifenden Nocken 2 auf dem Haltedorn 3 verspannt sind, insbesondere über in Axialrichtung zwischen den einzelnen Nocken 2 liegende Distanzringe 6, wovon gemäß der 1 lediglich zwei beispielhaft dargestellt sind. Selbstverständlich ist dabei gemäß der 1 lediglich ein einziger Haltedorn 3 gezeichnet, welcher zudem in Axialrichtung unterbrochen ist, wobei selbstverständlich klar ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Schleifen von Nocken 2 für eine Nockenwelle auch mehrere Haltedorne 3 aufweisen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der wenigstens eine Haltedorn 3 zumindest bereichsweise aus einer Nitridkeramik ausgebildet. Darüber hinaus kann diese Nitridkeramik Silicium aufweisen und insbesondere als Si₃N₄ ausgebildet sein. In diesem Fall spricht man von Siliciumnitrid, welches eine hohe Zähigkeit, eine hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, eine niedrige Wärmedehnung, eine mittlere Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe chemische Beständigkeit besitzt.
Bisher waren derartige Haltedorne bspw. als Hydrowellen ausgebildet, welche innen liegende und im Bereich der Nocken 2 angeordnete Kammern aufwiesen, in welche Hydraulikflüssigkeit eingepresst wurde, um die außen liegenden Nocken 2 durch ein Expandieren der Welle drehfest zu fixieren. Derartige Hydrowellen waren jedoch vergleichsweise teuer, nicht ohne weiteres aus der Schleifvorrichtung 1 zu entnehmen und darüber hinaus in ihrer Einsatzdauer begrenzt, wodurch die relativ hohen Schleifkosten je Nocken 2 resultierten.
Beispielsweise ist mit dem erfindungsgemäßen Haltedorn 3 auch denkbar, dass dieser unmittelbar nach Vollendung des Schleifvorgangs aus der Vorrichtung 1 entnommen und axial fluchtend zu einer montierenden Nockenwelle eines Verbrennungsmotors positioniert wird, woraufhin anschließend die einzelnen Nocken 2 jeweils von einer Induktionszange gegriffen, induktiv erhitzt und von dem keramischen Haltedorn 3 abgezogen und direkt, das heißt ohne Abkühlung und Zwischenlagerung, auf der Nockenwelle positioniert werden. Da der keramische Haltedorn 3 elektrisch nicht leitend ist und somit einer induktiven Erwärmung nicht zugänglich, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 lediglich der Nocken 2 induktiv erwärmt, nicht jedoch der Haltedorn 3. Eine Erwärmung des Haltedorns 3 kann hier ausschließlich durch eine Wärmeübertragung vom Nocken 2 auf den Haltedorn 3 herrühren. Durch die deutlich geringere Wärmedehnung von Keramik im Vergleich zu Stahl führt aber selbst eine Erwärmung des Haltedorns 3 kaum zu thermischen Dehnungen desselben, wodurch sich der Nocken 2 stets deutlich besser vom Haltedorn 3 abziehen lässt, als dies bei einem Haltedorn aus Stahl möglich wäre. Besonders vorteilhaft ist aber die hohe Dauerstandsfestigkeit des erfindungsgemäßen Haltedorns 3 verbunden mit der damit einhergehenden langen Lebensdauer. Ebenso positiv sticht bei dem erfindungsgemäßen Haltedorn 3 heraus, dass dieser einen auf seiner Oberfläche gegenüber den Nocken 2 wirksamen hohen Reibbeiwert besitzt, welcher eine verbesserte Haftung zwischen dem Haltedorn 3 und den Nocken 2 ermöglicht und eine geringere Überdeckung zwischen Haltedorn 3 und Nocken 2 erfordert. Aufgrund des hohen E-Moduls lassen sich im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Haltedorne nunmehr mehrere Nocken 2 gleichzeitig schleifen, ohne dass befürchtet werden muss, dass sich das Schleifergebnis durch eine Durchbiegung des Haltedorns 3 verschlechtert. Bei bisher aus dem Stand der Technik bekannten Haltedornen musste jeder Nocken 2 einzelnen, das heißt alle Nocken 2 nacheinander geschliffen werden, was eine deutliche Verlängerung der Schleifzeit und damit auch einer Erhöhung der Schleifkosten bewirkte.
Selbst bei einem Verpressen der zu schleifenden Nocken 2 auf zumindest bereichsweise aus Keramik ausgebildeten Haltedorn 3 kann von einer äußerst langen Lebensdauer desselben ausgegangen werden, da seine Festigkeit und sein E-Modul erheblich größer sind als diejenige/derjenige von Stahl. Insgesamt lassen sich somit die Schleifkosten und die Schleifzeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erheblich reduzieren, wobei, zumindest über die gesamte Lebensdauer des erfindungsgemäßen keramischen Haltedorns 3 gesehen, dessen Kosten ebenfalls geringer ausfallen als die vergleichbarer Haltedorne aus Stahl.

Claims

Vorrichtung (1) zum Schleifen von Nocken (2) für eine Nockenwelle, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Haltedorn (3), auf welchem die Nocken (2) während des Schleifvorgangs verdrehfest fixiert sind, wobei der wenigstens eine Haltedorn (3) zumindest bereichsweise aus Keramik ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Haltedorn (3) zumindest bereichsweise aus einer Nitridkeramik ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitridkeramik Silicium aufweist, insbesondere als Si₃N₄ ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die zu schleifenden Nocken (2) form- und/oder kraftschlüssig auf dem Haltedorn (3) angeordnet sind, oder – dass die zu schleifenden Nocken (2) thermisch mit dem Haltedorn (3) gefügt, oder – dass die zu schleifenden Nocken (2) auf dem Haltedorn (3) verspannt sind, insbesondere über in Axialrichtung dazwischen liegende Distanzringe (6).
Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Haltedorn (3) an seiner Außenseite zumindest bereichsweise gerändelt ist oder ein Vielzahnprofil bzw. eine Nut/Feder einer Nut-Federverbindung aufweist.
Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Haltedorn (3) zumindest zur gleichzeitigen Halterung von zumindest zwei, vorzugsweise von acht, Nocken (2) ausgebildet ist.
Verfahren zum Schleifen von Nocken (2) einer Nockenwelle, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, und zur anschließenden Montage auf der Nockenwelle, bei dem – die Nocken (2) auf einem zumindest bereichsweise aus Keramik ausgebildeten Haltedorn (3) einer Schleifvorrichtung (1) drehfest fixiert und anschließend geschliffen werden, wobei eine drehfeste Fixierung mittels Kraft- und/oder Formschluss oder mittels thermischem Fügen erfolgt, – der Haltedorn (3) aus der Schleifvorrichtung (1) entnommen wird, – jeder Nocken (2), beispielsweise durch induktive Erwärmung, erhitzt und/oder durch Kraftanwendung von dem Haltedorn (3) abgezogen wird, – jeder Nocken (2) auf die Nockenwelle aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nocken (2) nach seinem Abziehen von dem Haltedorn (3) ohne Zwischenlagerung und Abkühlung auf die Nockenwelle aufgesetzt wird.