DE4008906A1

DE4008906A1 - Gebaute welle mit aufgesetzten antriebselementen und verfahren zur ihrer herstellung

Info

Publication number: DE4008906A1
Application number: DE4008906A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Urban; Wolfgang Dipl Ing Beigang
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: Mechadyne PLC
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-09-26
Also published as: DE4008906C2

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Welle, insbesondere eine Hohlwelle, mit aufgesetzten Antriebselementen, wobei die Antriebselemente mit einer Innenöffnung versehen sind und wobei ein Wellenrohr an seiner Außenoberfläche Längs nuten aufweist, in die als Mitnehmer dienende Teile in der Innenöffnung der Antriebselemente eingreifen, sowie eine gebaute Welle, insbesondere eine Hohlwelle, mit aufge setzten Antriebselementen, wobei die Antriebselemente mit einer Innenöffnung versehen sind und wobei die Hohlwelle an ihrer Außenoberfläche Längskeile aufweist, die in als Mitnehmer dienende Nuten in der Innenöffnung der Antriebs elemente eingreifen.

Eine derartige Antriebswelle ist für eine Vielzahl von Verwendungszwecken anwendbar, beispielsweise als Steuer welle oder Getriebewelle, soll aber als beispielhaft an hand einer Nockenwelle für eine Viertaktbrennkraftmaschine erläutert werden, bei der die Antriebselemente Nocken zur Steuerung der Ventile sind. Daneben können Lagerschalen, Zahnräder oder dergleichen in gleicher Weise wie die Nocken auf die Welle aufgesetzt sein.

Bei neuen Motorenkonzepten steigen die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe, was mit erheblichen Kosten verbunden sein kann. Andererseits müssen verschleißfeste Materialien nur da eingesetzt werden, wo der Verschleiß kritisch ist, während für geringer beanspruchte Teile einfache und preiswertere Werkstoffe gewählt werden können. Weiterhin ist aus Gründen der Gewichtsersparnis die Verwendung von Hohlwellen günstig.

Aus der DE 35 30 600 A1 ist ein Fügeverfahren bekannt, bei dem die Nocken mit einem inneren Freiraum mit Abstand zum Wellenrohr versehen sind und in einer vorbestimmten Position auf die Hohlwelle aufgeschoben werden. Sodann wird die Hohlwelle an der Stelle der aufgesetzten Nocken hydraulisch aufgeweitet und durch plastische Verformung in Preßverbindung mit den Nocken gebracht. Ein derartiges Fügeverfahren erfordert jedoch einen relativ hohen Ferti gungsaufwand.

Aus der DE 33 21 846 A1 sind Nockenwellen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen jeweils ein Mitnehmerkeil im Innenumfang der Nocken in Längsnuten an der Außenober fläche der Hohlwelle eingereift oder Längsvorsprünge an der Außenoberfläche der Hohlwelle in Längsnuten am Innen umfang der Nocken eingreifen. Hierbei sitzt der Nocken im übrigen ringförmig geschlossen auf der Welle auf. Derar tige Verbindungen sind durch axiales Aufpressen oder durch thermisches Schrumpfen herstellbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gebaute Welle, insbesondere eine als Hohlwelle ausgebildete Nockenwelle zu schaffen, die mit einfachen Mitteln gefer tigt werden kann, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei Wellen der erstgenannten Art dadurch, daß die Antriebselemente sich etwa diametral gegenüberliegende nach innen gerichtete Keile aufweisen und mit einem inneren Freiraum versehen ist, der in seinem Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Wellenrohres und daß der Innendurchmesser der Antriebsele mente im Bereich der Keile durch von außen aufgebrachte Radialkräfte federelastisch veränderbar ist und die Keile unter elastischer Vorspannung von Radialkräften in die Längsnuten eingreifen. In gleicher Weise wird diese Aufga be bei Wellen der zweiten genannten Art dadurch gelöst, daß die Antriebselemente sich etwa diametral gegenüber liegende nach innen offene mit den Längskeilen in Wirkver bindung bringbare Nuten aufweisen und mit einem radial inneren Freiraum versehen sind, der in seinem Innendurch messer größer ist als der Außendurchmesser des Wellenroh res und daß der Innendurchmesser der Antriebselemente im Bereich der Nuten durch von außen aufgebrachte Radial kräfte federelastisch veränderbar ist und die Nuten unter elastischer Vorspannung von Radialkräften auf den Längs keilen aufsitzen.

Durch diese Maßnahme können die Antriebselemente, insbe sondere Nocken aber auch Zahnräder oder dergleichen durch einfaches Zusammenpressen an ihren senkrecht zu den Keilen oder Nuten liegenden Seitenflanken elastisch verformt und dabei im Bereich der Keile oder Nuten aufgeweitet werden, so daß sie auf die Hohlwelle aufgeschoben werden können. Durch Wegnahme der Radialkräfte federt das Antriebselement zurück und die Keile oder Nuten kommen mit den Gegennuten oder -keilen in form- und kraftschlüssige Wirkverbindung. Die radiale Aufweitung braucht dabei nur 0,1 bis 0,2 mm zu betragen, was durch eine Annäherung der Flanken in der Größenordnung von 1 mm zu erreichen ist.

Eine unterschiedliche Nockenausrichtung kann bei Verwen dung von nur zwei sich diametral gegenüberliegenden Längs nuten oder Keilen auf dem Wellenrohr durch unterschied liche Umfangslagen der Mitnehmerelemente an den Nocken sichergestellt werden. Günstiger ist es jedoch, die Nocken einheitlich mit in Richtung der Nockenerhebung ausgerich teten Mitnehmerelementen auszuführen.

Bei an den Nocken vorgesehenen Keilen wird dann in bevor zugter Ausführung eine Mehrzahl von sich diametral gegen überliegenden Paaren von Längsnuten am Wellenrohr ausge führt. Bei an den Nocken vorgesehenen Innennuten wird dagegen vorgeschlagen, die am Wellenrohr vorgesehenen Eingriffskeile jeweils mit axialen Unterbrechungen zu versehen und die einzelnen Keilstücke umfangsversetzt zueinander am Wellenrohr anzuordnen.

Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen gebauten Welle mit Antriebselementen und/oder Lagerhülsen mit je weils einem inneren Freiraum und sich diametral gegenüber liegenden Mitnehmerelementen in Form von einstückig ausge formten Keilen oder Nuten, bei der das die Antriebselemen te und/oder Lagerhülsen aufnehmende Wellenrohr mit längs verlaufenden Gegennuten oder Gegenkeilen versehen ist, sieht vor, daß die Antriebselemente und/oder Lagerhülsen durch auf deren senkrecht zu den Mitnehmerelementen lie genden Seitenflanken gerichtete Radialkräfte feder elastisch verformt und damit im Bereich der Keile oder Nuten im Innendurchmesser vergrößert werden, die Antriebs elemente und/oder Lagerhülsen auf das Wellenrohr aufge steckt und in vorbestimmter Lage gehalten werden und die Keile oder Nuten der Antriebselemente oder Lagerhülsen durch Wegnahme der Radialkräfte auf die Seitenflanken unter Aufbau von Radialkräften in Richtung der Keile oder Nuten mit den Gegennuten oder Keilen am Wellenrohr in Wirkverbindung gebracht werden.

Der in dieser Weise erzeugte Kraft- und Formschluß kann die Verbindung alleine sicherstellen. Bevorzugt wird je doch hierdurch nur eine Fixierung erreicht und zusätzlich durch Schweißen oder Löten eine dauerhafte Verbindung hergestellt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand verschiedener Ausführungsbeispiele in der Anwendung auf eine Nockenwelle beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher be schrieben; es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Nockenwelle mit auf die Hohlwelle aufgeschobenem Nocken im zur Montage verformten Zustand in einer ersten Ausführung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle nach Fig. 1 mit kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle verbundenem Nocken,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Nockenwelle mit auf die Hohlwelle aufgeschobenem Nocken im zur Montage verformten Zustand in einer zweiten Ausführung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle nach Fig. 3 mit kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle verbundenem Nocken,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Nockenwelle nach den Fig. 1 oder 2,

Fig. 6 den Längsschnitt durch eine Nockenwelle nach den Fig. 1 bis 4.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Nockenwelle 10 besteht im wesentlichen aus einem Wellenrohr 11 mit inne ren Hohlraum 21, auf das ein Nocken 12 aufgesteckt ist. Das Wellenrohr 11 weist in jedem Schnitt mindestens zwei zueinander gegenüberliegende Längsnuten 18, 19 auf. Die Längsnuten 18, 19 können über die gesamte Länge des Wellenrohrs 11 verlaufen.

Der Nocken 12 ist radial innen mit einem Freiraum 15 ver sehen, dessen Innendurchmesser insgesamt größer als der Außendurchmesser des Wellenrohrs 11 ist. An zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Innenoberfläche 22 des Nockens 11 sind einander gegenüberliegende Keile 16, 17 vorgesehen, deren Spitzen mit Abflachungen versehen sind. Anstelle der Keile 16, 17 können auch andersartig ausge bildete Materialanhäufungen, Verstärkungen oder einge setzte Teile vorgesehen sein, beispielsweise Knaggen, Augen, Federn usw. Der erste Keil 16 ist im Bereich der äußeren Nockenerhebung 23 vorgesehen; dem ersten Keil 16 gegenüberliegend ist der zweite Keil 17 angeordnet. Statt einzelner Elemente können auch Gruppen von nahe beieinan der liegenden aber insgesamt sich diametral gegenüberlie genden Verbindungselementen vorgesehen sein.

Durch eine auf die Seitenflanken 13, 14 etwa um 90° zu der Richtung der Keile 16, 17 versetzt ausgeübte Radialkraft F_A kann gemäß Fig. 1 der Innendurchmesser D_i im Be reich der Keile 16 und 17 vergrößert werden (D_iA). Der Freiraum 15 wird dadurch oval und kann über die Außenober fläche 20 des Wellenrohrs 11 geschoben werden. Nach Weg nahme der Radialkraft F_A federn die Seitenflanken 13, 14 zurück und die Keile 16, 17 kommen, wie in Fig. 2 ge zeigt, mit den Längsnuten 18, 19 unter Einwirkung einer in Richtung der Keile 16, 17 wirkenden Federkraft F_K in form- und kraftschlüssige Wirkverbindung (D_iK).

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Nockenwelle 30 besteht aus einem abgewandelten Wellenrohr 31 mit einem inneren Hohlraum 21, auf den ein Nocken 32 aufgesteckt ist. Das Wellenrohr weist in jedem Schnitt mindestens zwei einander gegenüberliegende Längskeile 38, 39 auf, die in der dargestellten Ausführung über die ganze Länge ver laufen können.

Der Nocken 32 ist radial innen mit einem Freiraum 15 ver sehen, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurch messer des Wellenrohres 31 einschließlich des Bereiches der Keile 38, 39 ist. An zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Innenoberfläche 22 des Nocken 32 sind einander gegenüberliegende Nuten 36, 37 im Bereich von Materialver stärkungen vorgesehen. Die Nut 36 ist auch hier wieder im Bereich der Nockenerhebung 23 angeordnet, während die zweite Nut 37 dieser gegenüberliegt.

Bei der dargestellten Ausführung können umfangsversetzte Nocken gleicher Art über die Keile 38, 39 geschoben wer den. Bei verkleinertem Freiraum ist dies nicht möglich, so daß zur Änderung der Umfangsausrichtung von Nocken die Keile 38, 39 in Längsrichtung unterbrochen und in umfangs versetzten Abschnitten weitergeführt sein müssen.

Durch eine auf die Seitenflanken 13, 14 etwa um 90° zu der Richtung der Nuten 36, 37 versetzt ausgeübte Radialkraft F_A kann gemäß Fig. 3 der Innendurchmesser D_i im Be reich der Nuten 36, 37 vergrößert werden (D_iA). Der Freiraum 15 wird dadurch oval und kann die über die Außen oberfläche 20 des Wellenrohres 31 geschoben werden. Nach Wegnahme der Radialkraft F_A federn die Seitenflanken zurück und die Nuten 36, 37 setzen sich wie in Fig. 4 gezeigt unter Einwirkung einer in Richtung der Nuten wir kenden Federkraft F_K auf die Keile 38, 39 in form- und kraftschlüssiger Wirkverbindung auf (D_iK).

In Fig. 5 ist eine Nockenwelle 10 dargestellt, deren Wellenrohr 11 mehrere Gruppen von paarweise gegenüberlie genden durchgehenden Längsnuten 18, 19 aufweist und auf die in unterschiedlicher Ausrichtung der Nockenhebung 23 verschiedene Nocken 12 aufgesetzt sind. Dabei greifen geschnitten dargestellte innenliegende Keile 16, 17 an den Nocken 12 in die Längsnuten 18, 19 ein. Zwischen einzelnen der Nocken und am linken Ende der Welle liegen Lagerhülsen 33, 35, die in gleicher Weise wie die Nocken am Innenum fang ausgeführt und befestigt sind. Am rechten Ende ist eine weitere Hülse 34 im reinen Kraftschluß aufgeschoben.

In Fig. 6 ist eine Nockenwelle 50 gezeigt, deren Wellen rohr 51 jeweils zwischen zwei Nockenelementen 52 im Durch messer - beispielsweise durch Kaltverformung wie Hämmern oder hydraulisches Umformen reduzierte - Bereiche 40 auf weist, die als Lagerbereiche dienen können. Keile 16, 17 in Richtung der Nockenhebung 23 greifen in Innennuten 18, 19 auf den erweiterten Abschnitten des Wellenrohres 1. Bei den Nocken, deren Nockenhebung jeweils senkrecht zur Bild ebene stehen, sind die Freiräume 15 erkennbar. An Wellen des hier gezeigten Typs sind auch Mitnehmerelemente gemäß den Fig. 3 und 4 ausführbar, wobei dann anstelle der Längsnuten 18, 19 Keile am Wellenrohr treten und die Nocken jeweils entsprechende Innennuten aufweisen.

Bezugszeichenliste:

10 Nockenwelle
11 Wellenrohr
12 Nocken
13 Flanke
14 Flanke
15 Innenausnehmung
16 Keil
17 Keil
18 Nut
19 Nut
20 Außenoberfläche
21 Innenausnehmung
22 Innenoberfläche
23 Nockenerhebung
30 Nockenwelle
31 Wellenrohr
32 Nocken
33 Antriebselement
34 Antriebselement
35 Lagerhülse
36 Nut
37 Nut
38 Keil
39 Keil
40 Einziehung
50 Nockenwelle
51 Wellenrohr
52 Nocken

Claims

1. Gebaute Welle, insbesondere Hohlwelle mit aufgesetzten Antriebselementen, wobei die Antriebselemente mit einer Innenöffnung versehen sind und wobei ein Wel lenrohr an seiner Außenoberfläche Längsnuten auf weist, in die als Mitnehmer dienende Teile in der Innenöffnung der Antriebselemente eingreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (12) sich etwa diametral gegenüberliegende nach innen gerichtete Keile (16, 17) aufweisen und mit einem inneren Freiraum (15) versehen sind, der in seinem Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Wellenrohres (11), und daß Innendurchmesser D_i der Antriebselemente (12) im Bereich der Keile (16, 17) durch quer zu diesen von außen aufgebrachte Radialkräfte F_A federelastisch veränderbar ist und die Keile (16, 17) unter ela stischer Vorspannung von Radialkräften F_K in deren Richtung in die Längsnuten (18, 19) eingreifen.

2. Gebaute Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenoberfläche (20) des Wellenrohres (11) mehrere jeweils diametral gegenüberliegende Längsnuten (18, 19) vorgesehen sind, die insbesondere über die gesamte Länge verlaufen.

3. Gebaute Welle, insbesondere Hohlwelle mit aufgesetzten Antriebselementen, wobei die Antriebselemente mit einer Innenöffnung versehen sind und wobei die Hohl welle an ihrer Außenoberfläche Längskeile aufweist, die in als Mitnehner dienende Nuten in der Innenöff nung der Antriebselemente eingreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (32) sich etwa diametral gegenüberliegende nach innen offene mit den Längskei len (38, 39) in Wirkverbindung bringbare Nuten (36, 37) aufweisen und mit einem radial inneren Freiraum (15) versehen sind, der in seinem Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des aufnehmenden Wellenrohres (31), und daß der Innendurchmesser D_i der Antriebselemente (32) im Bereich der Nuten (36, 37) durch quer zu diesen von außen aufgebrachte Ra dialkräfte F_A federelastisch veränderbar ist und die Nuten (36, 37) unter elastischer Vorspannung von Ra dialkräften F_K in deren Richtung auf den Längskeilen (38, 39) aufsitzen.

4. Gebaute Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskeile (38, 39) in Längsrichtung um min destens eine Nockenbreite unterbrochen und abschnitts weise gegeneinander winkelversetzt verlaufen.

5. Hohlwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (12, 32) mit jeweils zwei einander gegenüberliegenden Keilen (16, 17) oder Nuten (36, 37) versehen sind.

6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (12, 32) mit einer radial nach außen weisenden Nockenerhebung (23) versehen sind und jeweils einer der Keile oder eine der Nuten auf der Innenoberfläche (22) des radial inneren Freiraumes der Antriebselemente (12, 32) mit der Nockenerhebung (23) fluchtet.

7. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebselemente (12, 32) bei unterschiedlicher Ausrichtung der Nockenerhebung (23) mit unterschied lichen diametral gegenüberliegenden Längsnuten oder Längskeilen auf dem Wellenrohr (11, 31) im Eingriff sind.

8. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zumindest einzelnen der Antriebselemente (12) Lagerschalen (35) in im wesentlichen gleicher Ausführung und Verbindungstechnik auf dem Wellenrohr (11) befestigt sind.

9. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenrohr (51) zwischen den Antriebselementen (12) zumindest zum Teil als Lagersitze dienende Be reiche (50) reduzierten Außendurchmessers gegenüber den mit Nuten oder Längskeilen versehenen Abschnitten aufweisen.

10. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Löt- oder Schweißverbindung zwischen Antriebselementen bzw. Lagerhülsen und der Hohlwelle besteht.

11. Verfahren zur Herstellung einer gebauten Welle, insbe sondere einer Hohlwelle, mit Antriebselementen und/oder Lagerhülsen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente und/oder Lagerhülsen durch auf senkrecht zur Ausrichtung der Keile oder Nuten liegende Seitenflanken gerichtete Radialkräfte F_A federelastisch verformt und damit im Bereich der Keile oder Nuten radial in ihrem Innendurchmesser vergrößert werden, die Antriebselemente und/oder Lagerhülsen auf das Wellenrohr aufgesteckt und in vorbestimmter Lage festgehalten werden, und die Keile oder Nuten durch Wegnahme der Radialkräfte F_A mit den Gegennuten oder -Keilen am Wellenrohr unter Einwirkung einer ela stischen Vorspannung in Wirkverbindung gebracht werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend eine Lötung oder eine Schweißung - insbesondere aus der Hohlwelle heraus - zur zusätz lichen stoffschlüssigen Verbindung von Antriebselemen ten bzw. Lagerhülsen und der Hohlwelle erfolgt.