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Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und eine Nockenwelle; insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe sowie eine zugehörige Nockenwelle.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Da die Beanspruchung einer Nockenwelle in einer Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe weitaus größer ist als die einer gewöhnlichen Nockenwelle, sind sämtliche Nockenwellen für Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpen, die in China und im Ausland hergestellt werden, aus einem Stück gefertigt, d. h. eine Welle und ein Nockenstück werden zusammen aus demselben Pressling gefertigt. Aus dem einteiligen Aufbau der Nockenwelle ergeben sich größere Schwierigkeiten bei der Bearbeitung und höhere Kosten. Deshalb zieht es der Anmelder der vorliegenden Erfindung in Betracht, den einteiligen Aufbau durch eine Kombistruktur zu ersetzen, d. h. die Welle und das Nockenstück werden separat gefertigt und anschließend zusammengefügt. Allerdings zeigt sich in der Praxis, dass sich eine montierte Nockenwelle, die die technischen Anforderungen erfüllt, nicht mit dem konventionellen Prozess herstellen lässt, wenn die Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe als zusammengefügte Struktur ausgelegt ist. Die Probleme liegen dabei in der Presspassungs-Montage des Nockenstücks und der Welle sowie in der Wärmebehandlung des Nockenstücks.
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Bekannte Verfahren auf dem Fachgebiet, mit denen sich eine Presspassungs-Montage eines Mantelteils und eines ummantelten Teils erreichen lässt, umfassen das Tauchen, die Hitzeverfahren, das Kälteverfahren und das Öldruckverfahren. Da die Beanspruchung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe hoch ist, muss die Presspassung zwischen einer Welle und einem Nockenstück groß sein (bis zu etwa 0,1 mm), jedoch kann die Presspassungs-Montage der Welle und des Nockenstücks der Nockenwelle für die Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe nicht mittels Tauch-, Kälte- und Öldruckverfahren erfolgen. Deshalb ist das Hitzeverfahren das einzige Presspassungs-Montageverfahren, welches sich für die Nockenwelle einer Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe eignet, wobei es beim Erhitzen des Nockenstücks während des Hitzeverfahrens allerdings zu Problemen kommt.
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Die kritischsten Abläufe im Presspassungs-Montageprozess durch das Hitzeverfahren betrafen die Regelung der Erwärmungstemperatur und die zeitliche Abfolge der Wärmebehandlung der Teile. Die Erwärmungstemperatur eines Mantelteils hat ohne Wärmebehandlung unter 400°C zu liegen, während die eines Mantelteils, das eine Wärmebehandlung durchläuft, unter der Anlasstemperatur zu liegen hat. Folglich sind beim derzeitigen Hitzeverfahren die Wärmebehandlung und die Presspassungs-Montage der Mantelteile voneinander getrennt, d. h. ein Mantelteil wird wärmebehandelt und anschließend mit dem ummantelten Teil zusammengefügt, oder das Mantelteil wird mit dem ummantelten Teil montiert und danach wärmebehandelt.
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Da die Oberflächenhärte des Nockenstücks sehr hoch zu sein hat, muss das Nockenstück einer erfindungsgemäßen Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe einer Vergütungs-Wärmebehandlung unterzogen werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich bei einer Presspassungs-Montage des Nockenstücks an der Welle mittels Hitzeverfahren und anschließender Vergütungs-Wärmebehandlung der Sitz zwischen Welle und Nockenstück infolge der Verformung des Nockenstücks im Ergebnis der Wärmebehandlung lockert und das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle nur 200 bis 300 Nm erreicht, womit die Nutzungsanforderungen nicht erfüllt werden. Wenn allerdings das Nockenstück einer Vergütungs-Wärmebehandlung unterzogen und anschließend mittels Hitzeverfahren an der Welle durch Presspassung montiert wird, muss die Erwärmungstemperatur des Nockenstücks infolge der großen Presspassung zwischen dem Nockenstück und der Welle hoch sein. Darüber hinaus liegt die Anlasstemperatur des Nockenstücks allgemein bei etwa 160°C und die Erwärmungstemperatur des Nockenstücks während des Hitzeverfahrenes wird weitaus höher sein als dessen Anlasstemperatur, die einer Normalglühbehandlung des Nockenstücks entspricht, wodurch die Oberflächenhärte des Nockenstücks auf ungefähr HRC30 verringert wird, so dass die Nutzungsanforderungen an die Nockenwelle für die Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe nicht eingehalten werden. Im Ergebnis dessen kann die montierte Nockenwelle für die nach dem bisherigen Stand der Technik gefertigte Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe die Anforderungen nicht erfüllen, wonach das Arretierungsdrehmoment zwischen Nockenstück und Welle, die durch Presspassung verbunden sind, deutlich über 300 Nm und die Oberflächenhärte des Nockenstücks weit über HRC30 liegt.
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Ein Verfahren zum Befestigen von Nocken auf einer zylindrischen Welle wird in der
DE 34 28 733 A1 offenbart. Aus den
JP 11210413 A und
DE 10 2007 024 091 A1 sind zwei Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen bekannt, bei denen eine Presspassung eines Nockenstücks zeitglich mit einer Oberflächenhärtung des Nockenstücks erfolgt. Eine Presspassungs-Montagevorrichtung für eine Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe kann der
JP 2000073709 A entnommen werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe gemäß Anspruch 1 und eine mit einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe gemäß Anspruch 6 bereit.
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Das erste durch die Erfindung zu lösende technische Problem besteht in der Bereitstellung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe sowie einer Welle und eines Nockenstücks der Nockenwelle, welche durch Presspassung zusammengefügt sind, so dass das geforderte Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle erfüllt und die Oberflächenhärte des Nockenstücks gewährleistet werden können. Das zweite durch die Erfindung zu lösende technische Problem besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe, wobei das Verfahren eine Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück begünstigen kann, so dass das geforderte Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle erfüllt und die Oberflächenhärte des Nockenstücks gewährleistet werden können. Das dritte durch die Erfindung zu lösende technische Problem besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Presspassungs-Montieren einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe mit dem Verfahren. Das vierte durch die Erfindung zu lösende technische Problem besteht in der Schaffung eines Presspassungs-Montageverfahrens für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil, wobei das Verfahren das geforderte hohe Arretierungsdrehmoment zwischen dem Mantel- und dem ummantelten Teil nach der Presspassungsmontage durch Anwendung des Hitzeverfahrens bietet und die Oberflächenhärte des Nockenstücks gewährleistet. Das fünfte durch die Erfindung zu lösende technische Problem besteht in der Schaffung einer Presspassungs-Montagevorrichtung für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil.
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Die erfindungsgemäße Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe, welche das erste technische Problem löst, umfasst eine Welle und ein an der Welle angeordnetes Nockenstück, wobei das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle nicht unter 500 Nm liegt, nachdem das Nockenstück und die Welle durch Presspassung miteinander verbunden wurden, und die Oberflächenhärte des Nockenstücks nicht unter HRC58 liegt. Der Anmelder des Patents ist der Auffassung, dass sich diese Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe von der vorhandenen Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe unterscheidet. Das technische Merkmal, wonach das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle nicht unter 500 Nm liegt, kennzeichnet das Passverhältnis zwischen dem Nockenstück und der Welle nach dem Hitzeverfahren, während das technische Merkmal, wonach die Oberflächenhärte des Nockenstücks nicht unter HRC58 liegt, die Materialeigenschaften des Nockenstücks nach dem Hitzeverfahren kennzeichnet. Durch diese technischen Merkmale unterscheidet sich die Nockenwelle gemäß der Patentanmeldung wesentlich von der vorhandenen Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe; diese Unterschiede sind allerdings auf das kreative Denken und Handeln des Erfinders der vorliegenden Patentanmeldung zurückzuführen und entsprechende Anleitungen oder theoretische Darlegungen liegen nach dem Stand der Technik bislang nicht vor.
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Wenn bei der Nockenwelle für die Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle nicht unter 500 Nm liegt, kann die Nockenwelle die Anforderungen für den Gebrauch in der Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe erfüllen, weshalb davon ausgehend das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle vorzugsweise nicht unter 3000 Nm liegt, nachdem das Nockenstück und die Welle die Welle durch Presspassung beim Hitzeverfahren miteinander verbunden wurden, wodurch sich das Leistungsvermögen der Nockenwelle weiter verbessert.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe zur Lösung des zweiten technischen Problems umfasst die folgenden Schritte: Durchführen einer Presspassungs-Montage des Nockenstücks und der Welle bei gleichzeitiger Durchführung einer Vergütungs-Wärmebehandlung am Nockenstück, d. h. Installieren der Welle in dem durch die Wärme ausgedehnten Nockenstück in der Erwärmungsphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung und anschließend schnelles Abkühlen des mit der Welle ausgestatteten Nockenstücks in der Abkühlphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung, wodurch eine montierte Nockenwelle entsteht. Der innovative Aspekt des Verfahrens liegt in der gleichzeitigen Umsetzung der Vergütungs-Wärmebehandlung des Nockenstücks und der Presspassungs-Montage zwischen dem Nockenstück und der Welle, d. h. das Nockenstück wird auf Anlasstemperatur erwärmt, die Welle und das Nockenstück werden während des Erwärmens montiert und anschließend wird das Nockenstück schnell abgekühlt, wodurch das Nockenstück durch Presspassung an der Welle montiert wird, während gleichzeitig das Vergüten des Nockenstücks abgeschlossen wird. Das Verfahren vermeidet das Problem der Abfolge zwischen Hitzeverfahren und Vergüten, wodurch sich der Sitz zwischen der Welle und dem Nockenstück nicht lockert und auch die Oberflächenhärte des Nockenstücks nicht abnimmt.
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Tests haben ergeben, dass mit dem Verfahren eine Nockenwelle für eine Common-Rail-Hochdruck-Ölpumpe mit einem Arretierungsdrehmoment eines Nockenstücks in Bezug auf die Welle von nicht weniger als 500 Nm und einer Oberflächenhärte des Nockenstücks von nicht unter HRC58 direkt entsteht. Hierbei sollte unterstrichen werden, dass nach dem Stand der Technik keine Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe mit einem Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle von nicht unter 500 Nm und einer Oberflächenhärte des Nockenstücks von nicht unter HRC58 durch Presspassungs-Montage von Nockenstück und Welle bereitgestellt werden kann, so dass die vorliegende Nockenwelle ein neuartiges Produkt ist und das Verfahren zum Herstellen der Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe gemäß der Anmeldung das Herstellungsverfahren für ein neuartiges Produkt ist.
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Als weitere Verbesserung des Verfahrens kann das Nockenstück auf einen Aufspanndorn vormontiert werden, und der Aufspanndorn ist axial und lösbar über eine Stirnflächenverbindung mit der Welle zusammengefügt, so dass eine Wellenbaugruppe entsteht. Während der Vergütungserwärmung bewegt sich die Wellenbaugruppe axial so lange zum Nockenstück, bis sich das Nockenstück in die voreingestellte Position an der Welle bewegt, und der Aufspanndorn wird entfernt. Bei der Verbesserungsmaßnahme wird ein Aufspanndorn als Hilfswerkzeug verwendet. Der Vorteil der Verwendung des Aufspanndorns liegt in der Vorpositionierung des Nockenstücks, so dass das Nockenstück und die Welle zusammengefügt werden und dabei die Montagegenauigkeit sichergestellt wird. Ausgehend von der Verbesserungsmaßnahme befindet sich die Wellenbaugruppe vorzugsweise in einer vertikalen Position und fällt durch die Schwerkraft herunter, wenn sich das Nockenstück durch die Wärme ausdehnt, wodurch eine manuelle oder mechanische Ausführung der relativen Axialbewegung zwischen der Wellenbaugruppe und dem Nockenstück vermieden wird.
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Der Aufspanndorn und die Welle können durch verschiedenste Mittel axial und lösbar durch Stirnflächenverbindung zusammengefügt werden. Zum Beispiel können der Aufspanndorn und die Welle mit Stiften direkt miteinander verbunden werden, oder der Aufspanndorn und das Verbindungsende der Welle werden durch eiche leichte Pressverbindung miteinander gekoppelt. Die speziellen Einrichtungen gemäß der vorliegenden Patentanmeldung sind wie folgt: im Aufspanndorn ist eine axiale Durchgangsbohrung vorgesehen, auf einer Stirnfläche der Welle ist eine Gewindebohrung vorgesehen, die der axialen Durchgangsbohrung entspricht, und der Aufspanndorn wird durch eine Schraube, die in der axialen Durchgangsbohrung angeordnet ist, über eine Stirnflächenverbindung lösbar mit der Welle verbunden und mit der Gewindebohrung verbunden. Vorzugsweise weist ein Ende des Aufspanndorns eine Positionierkerbe auf, so dass das Wellenende mit der Positionierkerbe in Übereinstimmung gebracht und dadurch die Positionsgenauigkeit zwischen dem Aufspanndorn und der Welle verbessert werden kann.
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Die mit der Anmeldung bereitgestellte Presspassungs-Montagevorrichtung für eine Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe zum Lösen des dritten technischen Problems umfasst ein Gestell, wobei das Gestell eine Nockenstück-Positioniereinheit, eine Nockenstück-Vergütungserwärmungseinheit, eine Nockenstück-Vergütungsabkühleinheit und eine Wellen-Positioniereinheit aufweist und die relative Position zwischen der Nockenstück-Positioniereinheit und der Wellen-Positioniereinheit ausgehend von den konstruktionsmäßigen Positionen des Nockenstücks und der Welle eingestellt wird. Die Vorrichtung wird wie folgt verwendet: Zuerst wird das Nockenstück so auf der Nocken-Positioniereinheit angeordnet, dass das Nockenstück von der Nockenstück-Positioniereinheit genau umfasst wird; Erwärmen des Nockenstücks mit der Nockenstück-Vergütungserwärmungseinheit und Installieren der Welle im durch die Wärme ausgedehnten Nockenstück in der Erwärmungsphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung durch die relative Bewegung zwischen dem Nockenstück und der Welle, genaues Umreißen der Welle durch die Wellen-Positioniereinheit, wenn sich das Nockenstück und die Welle in Bezug auf die Konstruktionspositionen des Nockenstücks und der Welle bewegen; schnelles Abkühlen des Nockenstücks durch die Nockenstück-Vergütungsabkühleinrichtung zum Abschluss des Vergütens des Nockenstücks und Montage der Nockenwelle.
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Aus den dargelegten Gründen sind die Nockenstück-Positioniereinheit und die Wellen-Positioniereinheit vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Welle durch Schwerkraft in Bezug auf das Nockenstück herunterfällt und schließlich von der Wellen-Positioniereinheit umfasst wird, wenn das Nockenstück durch die Wärme ausgedehnt ist. Zusätzlich weist das Gestell eine Wellen-Führungseinheit auf, die die Welle während der Montage von Nockenstück und Welle derart führt, dass die Genauigkeit der relativen Bewegung zwischen dem Nockenstück und der Welle gewährleistet werden kann.
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Das gemäß der Patentanmeldung bereitgestellte Presspassungs-Montageverfahren für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil zur Lösung des vierten technischen Problems läuft wie folgt ab: Durchführung der Presspassungs-Montage des Mantelteils und des ummantelten Teils, während gleichzeitig die Vergütungs-Wärmebehandlung an dem Mantelteil erfolgt, konkret Installieren des ummantelten Teils im durch die Wärme ausgedehnten Mantelteil in der Erwärmungsphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung, anschließend schnelles Abkühlen des mit dem ummantelten Teil versehenen Mantelteils in der Abkühlphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung, wodurch die Montage abgeschlossen wird.
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Wenn das ummantelte Teil zu einer Welle gehört, kann das Mantelteil an einem Aufspanndorn vormontiert werden, wobei der Aufspanndorn axial und lösbar durch Stirnflächenverbindung mit dem ummantelten Teil verbunden ist und eine Wellenbaugruppe bildet. Während der Vergütungserwärmung bewegt sich die Wellenbaugruppe axial so lange zum Mantelteil, bis sich das Mantelteil in die voreingestellte Position auf dem ummantelten Teil bewegt, und der Aufspanndorn wird entfernt. Wenn sich das Mantelteil durch Wärme ausdehnt, befindet sich die Wellenbaugruppe vorzugsweise in einer vertikalen Position, so dass die Wellenbaugruppe durch Schwerkraft herunterfällt.
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Der Aufspanndorn weist eine axiale Durchgangsbohrung auf, eine Stirnfläche des ummantelten Teils hat eine Gewindebohrung, die der axialen Durchgangsbohrung entspricht, und der Aufspanndorn ist über eine Schraube, die in der Durchgangsbohrung angeordnet und mit der Gewindebohrung verbunden ist, durch Stirnflächenverbindung lösbar mit dem ummantelten Teil verbunden. Vorzugsweise weist ein Ende des Aufspanndorns eine Positionierkerbe auf, so dass die Enden des ummantelten Teils mit der Positionierkerbe in Übereinstimmung gebracht werden.
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Die mit der Anmeldung bereitgestellte Presspassungs-Montagevorrichtung für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil zum Lösen des fünften technischen Problems umfasst ein Gestell, wobei das Gestell eine Mantelteil-Positioniereinheit, eine Mantelteil-Vergütungserwärmungseinheit, eine Mantelteil-Vergütungsabkühleinheit und eine Positioniereinheit für das ummantelte Teil umfasst und die relative Position zwischen der Mantelteil-Positioniereinheit und der Positioniereinheit für das ummantelte Teil ausgehend von den konstruktionsmäßigen Positionen des Mantelteils und des ummantelten Teils eingestellt wird.
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Die Mantelteil-Positioniereinheit und die Positioniereinheit für das ummantelte Teil sind vorzugsweise derart ausgelegt, dass das ummantelte Teil durch Schwerkraft in Bezug auf das Mantelteil herunterfällt und letztlich durch die Positioniereinheit für das ummantelte Teil umfasst wird, wenn sich das Mantelteil durch Wärme ausdehnt. Zusätzlich weist das Gestell eine Führungseinheit für das ummantelte Teil auf, die das ummantelte Teil während der Montage von Mantelteil und ummanteltem Teil derart führt, dass die Genauigkeit der relativen Bewegung zwischen dem Mantelteil und dem ummantelten Teil gewährleistet werden kann.
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Zum besseren Verständnis werden das Presspassungs-Montageverfahren für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil sowie die Presspassungs-Montagevorrichtung für ein Mantelteil und ein ummanteltes Teil in der Anmeldung als Herstellungsverfahren und Presspassungs-Montagevorrichtung für die Nockenwelle einer Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe zusammengefasst. Für den Fachmann auf dem Gebiet des Maschinenbaus ist es offensichtlich, dass das Mantelteil und das ummantelte Teil zwei Teile einschließen können, z. B. ein Getriebe und eine Getriebewelle mit mehreren Naben-Presspassungsverbindungen.
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Nun wird die Anmeldung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen und bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben. Einige zusätzliche Aspekte und Vorteile der Anmeldung werden nachstehend beschrieben und werden aus der Beschreibung oder durch die praktische Anwendung der Erfindung deutlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Montagediagramm eines Aufspanndorns und eines Nockenstücks gemäß der Anmeldung.
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2 ist eine Draufsicht von 1.
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3 ist ein schematisches Diagramm der Stirnflächenverbindung zwischen einem Aufspanndorn mit Nockenstück und einem Nockenstück gemäß der Anmeldung.
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4 ist ein schematisches Diagramm einer Presspassungs-Montagevorrichtung (vor der Presspassung) gemäß der Anmeldung.
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5 ist ein schematisches Diagramm einer Presspassungs-Montagevorrichtung (nach der Presspassung) gemäß der Anmeldung.
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6 ist ein schematisches Diagramm einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe gemäß der Anmeldung.
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7 ist ein schematisches Diagramm zum Prüfen des Arretierungsdrehmoments eines Nockenstücks in Bezug auf eine Welle gemäß der Anmeldung.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Zuerst wird das Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe im Detail beschrieben. Wie in 6 dargestellt, umfasst eine Nockenwelle für eine Hochdruck-Common-Rail-Ölpumpe eine Welle 2 und ein Nockenstück 1, welches auf der Welle 2 angeordnet ist, wobei die Welle 2 und das Nockenstück 1 separat gefertigt werden und die Welle 2 und das Nockenstück 1 nach dem Stand der Technik hergestellt sind; nachdem die Welle 2 und das Nockenstück 1 hergestellt sind, kann die Welle 2 einer Wärmebehandlung unterzogen werden, damit die Materialeigenschaften den Konstruktionsanforderungen entsprechen; da die Oberflächenhärte des Nockenstücks 1 sehr hoch sein muss, muss das Nockenstück 1 ebenfalls einer Vergütungs-Wärmebehandlung unterzogen werden; das Nockenstück 1 dehnt sich durch die Wärme aus und der Durchmesser seiner Innenbohrung nimmt in der Erwärmungsphase während der Vergütungs-Wärmebehandlung des Nockenstücks 1 zu, die Welle 2 wird sofort im Nockenstück 1 installiert, wobei die relative Position zwischen dem Nockenstück 1 und der Welle 2 während der Montage beibehalten wird; nach der Aufrechterhaltung der Wärme über einen bestimmten Zeitraum wird das Nockenstück 1 durch ein Kühlmedium (Kühlmedien können Wasser, Öl, Luft, etc. sein) rasch abgekühlt, wodurch eine montierte Nockenwelle entsteht. Nach dem Vergüten kann das Nockenstück 1 einer Anlassbehandlung unterzogen werden, um die Spannung im Materialinnern zu reduzieren. Vor der Vergütungs-Wärmebehandlung kann das Nockenstück aufgekohlt, nitriert oder karbonitriert werden, um dessen Oberflächenhärte weiter zu erhöhen. Der innovative Aspekt des Verfahrens besteht in der Vermeidung des Abfolgeproblems beim Hitzeverfahren und Vergüten, wodurch sich die Passung zwischen der Welle 2 und dem Nockenstück 1 nicht lockert und die Oberflächenhärte des Nockenstücks ebenfalls nicht abnimmt.
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Wie in 6 abgebildet, kann nach Beendigung der Presspassungs-Montage zwischen der Welle 2 und dem Nockenstück 1 ein Stift 3 zwischen die Welle 2 und einer Nabe des Nockenstücks 1 eingesetzt werden. Wenn die Welle 2 wenigstens zwei Nockenstücke 1 aufweist, wird der Stift 3 vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Nockenstücken 1 angeordnet. Der Stift 3 kann das Nockenstück 1 genau positionieren und die axiale und Umfangslast des Nockenstücks 1 erhöhen.
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Als weiterer innovativer Aspekt der Anmeldung wird zum Sicherstellen der Montagegenauigkeit des Nockenstücks 1 während der Anwendung des Verfahrens, wie in 1 abgebildet, zudem ein Aufspanndorn 4 verwendet, wobei der Aufspanndorn 4 und das Nockenstück 1 leicht aneinandergepresst sind, so dass das Nockenstück 1 durch gemeinsame Presspassung an dem Aufspanndorn 4 montiert werden kann und eine Verschiebung zwischen dem Nockenstück 1 und dem Aufspanndorn 4 nicht ohne weiteres auftreten kann. Während der Installation sollte die relative Position zwischen dem Nockenstück 1 und dem Aufspanndorn 4 gewährleistet sein; insbesondere die Umfangsposition zwischen dem Nockenstück 1 und dem Aufspanndorn 4. Das heißt, der relative Winkel zwischen den Nockenstücken 1 sollte wie in 2 garantiert werden, wenn wenigstens zwei Nockenstücke 1 vorhanden sind, und es sollte die Axialposition zwischen dem Nockenstück 1 und dem Aufspanndorn 4 sichergestellt sein. Wie in 1 abgebildet, weist der Aufspanndorn 4 eine axiale Durchgangsbohrung 401 auf, wobei an einem Ende der axialen Durchgangsbohrung 401 eine Positionierkerbe 402 vorhanden ist und zwischen dem anderen Ende der axial Durchgangsbohrung 401 und der Positionierkerbe 402 eine stufenförmige Bohrung existiert. Wie aus 3 hervorgeht, weist ein Ende der Welle 2 einen Wellenzapfen 202 auf, der an die Positionierkerbe 402 angepasst werden kann, und eine Stirnseite des Wellenzapfens 202 weist eine Gewindebohrung 201 auf, die der axialen Durchgangsbohrung 401 entspricht. Der Aufspanndorn 4 ist mittels einer Schraube 5, die in der axialen Durchgangsbohrung 401 angeordnet und mit der Gewindebohrung 201 verbunden ist, lösbar durch Stirnflächenverbindung an der Welle 2 befestigt. Der Aufspanndorn 4 ist mittels Schraube 5 axial und lösbar durch Stirnflächenverbindung an der Welle 2 befestigt, so dass eine Wellenbaugruppe entsteht. Wenn am Nockenstück 1 eine Vergütungserwärmung durchgeführt wird, kann sich das Nockenstück 1 in die vorher eingestellte Position an der Welle 2 bewegen, indem die Wellenbaugruppe einfach axial in Bezug auf das Nockenstück 1 bewegt wird. Schließlich wird der Aufspanndorn 4 entfernt, um die Montage der Nockenwelle zu beenden. Wenn das Nockenstück 1 auf dem Aufspanndorn 4 installiert ist, hat das Nockenstück die genaue Position. Daher kann die relative Position zwischen dem Nockenstück 1 und der Welle 2 solange sichergestellt werden, wie die Entfernung der Wellenbaugruppenbewegung gesteuert wird, wenn sich die Wellenbaugruppe axial zum Nockenstück bewegt.
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Um das Verfahren besser umsetzen zu können, wird mit der Anmeldung eine Presspassungs-Montagevorrichtung bereitgestellt. Wie in den 4 und 5 dargestellt, umfasst die Presspassungs-Montagevorrichtung ein Gestell 801, wobei das Gestell 801 eine Nockenstück-Positioniereinheit, eine Nockenstück-Vergütungserwärmungseinheit, eine Nockenstück-Vergütungsabkühleinheit und eine Wellen-Positioniereinheit aufweist und die relative Position zwischen der Nockenstück-Positioniereinheit und der Wellen-Positioniereinheit ausgehend von den konstruktionsmäßigen Positionen des Nockenstücks 1 und der Welle 2 eingestellt wird. Vorzugsweise weist das Gestell 801 eine Wellen-Führungseinheit auf, die die Welle 2 während der Montage von Nockenstück 1 und Welle 2 führen kann. Wenn konkret wie in 4 abgebildet, der Aufspanndorn 4 mit dem daran befindlichen Nockenstück 1 axial durch Stirnflächenverbindung mit der Welle 2 verbunden ist, wird der Aufspanndorn 4 von der Nockenstück-Positioniereinheit auf dem Gestell 801 platziert, wobei die Nockenstück-Positioniereinheit einen Halteblock 806 umfasst, der sich unten am Nockenstück 1 befindet, damit der Aufspanndorn 4 und die Welle 2 in vertikale Positionen gelangen können. Die Nockenstück-Vergütungserwärmungseinheit umfasst eine Induktionsheizspule 802, bei der es sich um ein ringförmiges, hohles Kupferrohr handelt. Nachdem das Nockenstück 1 auf dem Halteblock 806 platziert worden ist, befindet sich das Nockenstück 1 genau in der Induktionsheizspule 802. Die Nockenstück-Vergütungsabkühleinheit umfasst Düsen 804, die zum Nockenstück 1 ausgerichtet, fortlaufend an der Innenwand der Induktionsheizspule 802 in Umfangsrichtung angeordnet sind und mit einem Innenhohlraum des hohlen Kupferrohres in Verbindung stehen. Die Wellen-Positioniereinheit umfasst einen Arretierblock 803, der unter dem Halteblock 806 angeordnet ist, wobei der Arretierblock 803 und der Halteblock 806 unterschiedliche Höhen haben. Die Wellen-Führungseinheit umfasst ein Führungselement 805, das sich zwischen dem Arretierblock 803 und dem Halteblock 806 befindet. Der Aufbau der Induktionsheizspule 802 und der Düse 804 entspricht dem Stand der Technik und ist bereits an verschiedenen Induktions-Löschspulen zum Einsatz gekommen.
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Wie in 4 gezeigt, wird das Nockenstück 1 nach dem Einschalten der Induktionsheizspule 802 schnell erwärmt und die Wellenbaugruppe beginnt herunterzufallen, wenn sich die Innenbohrung des Nockenstücks 1 ausdehnt. Wenn ein unteres Ende des Aufspanndorns 4 wie in 5 den Arretierblock 803 berührt, ist das Nockenstück 1 gerade an der eingestellten Position der Welle 2 montiert. Nachdem die Wärme für einige Zeit aufrechterhalten worden ist, wird das Nockenstück 1 sofort abgekühlt, d. h. das Nockenstück 1 wird zum Abkühlen mittels der Düsen 804 besprüht, und daraufhin wird der Aufspanndorn 4 entfernt, um die Montage abzuschließen.
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Beispiele und Vergleichsbeispiele
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Vergleichsbeispiel 1
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Zuerst wurden eine Welle und ein Nockenstück gefertigt, anschließend wurde die Welle vergütet und das Nockenstück aufgekohlt, wobei die Einsatzhärtetiefe an der Oberfläche des Nockenstücks bei 1,2 mm lag und die gemessene Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück vor der Montage 0,12 mm betrug; danach wurde das Nockenstück durch eine Induktionsheizspule schnell auf 400°C aufgeheizt, die Welle wurde in dem durch die Wärme ausgedehnten Nockenstück installiert, und das Hitzeverfahren an der Welle und Nockenstück wurde nach der natürlichen Abkühlung beendet; und das Nockenstück wurde nach dem Hitzeverfahren vergütet, während der Vergütung induktiv auf 900°C aufgeheizt, 5 Sekunden so belassen, 25 Sekunden zum Abkühlen besprüht und zum Anlassen nach dem Vergüten auf 160°C aufgeheizt. In Tabelle 1 sind das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle und die Oberflächenhärte des Nockenstücks nach dem Anlassen abgebildet.
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Vergleichsbeispiel 2
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Zuerst wurden eine Welle und ein Nockenstück gefertigt, anschließend wurde die Welle vergütet und das Nockenstück aufgekohlt, wobei die Einsatzhärtetiefe an der Oberfläche des Nockenstücks bei 1,1 mm lag und die gemessene Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück vor der Montage 0,11 mm betrug; danach wurde das Nockenstück vergütet, während des Vergütens induktiv auf 400°C aufgeheizt, 3Sekunden so belassen, 20 Sekunden zum Abkühlen besprüht und zum Anlassen nach dem Vergüten auf 160°C aufgeheizt; und die Welle und das Nockenstück wurden mittels Hitzeverfahren behandelt, das Nockenstück wurde von einer Induktionsheizspule schnell auf 500°C aufgeheizt, die Welle wurde in dem durch die Wärme ausgedehnten Nockenstück installiert, und nach dem natürlichen Abkühlen war das Hitzeverfahren der Welle und des Nockenstücks abgeschlossen. In Tabelle 1 sind das gemessene Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle und die Oberflächenhärte des Nockenstücks abgebildet.
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Beispiel 1
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Zuerst wurden eine Welle und ein Nockenstück gefertigt, anschließend wurde die Welle vergütet und das Nockenstück aufgekohlt, wobei die Einsatzhärtetiefe an der Oberfläche des Nockenstücks bei 1,15 mm lag und die gemessene Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück 0,1 mm betrug; danach wurde das Nockenstück induktiv schnell auf 900°C aufgeheizt, das Hitzeverfahren der Welle und des Nockenstücks wurde in diesem Prozess abgeschlossen, danach wurde das Nockenstück 5 Sekunden so belassen, 25 Sekunden zum Abkühlen besprüht und zum Anlassen nach dem Vergüten auf 160°C aufgeheizt. In Tabelle 1 sind das gemessene Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle und die Oberflächenhärte des Nockenstücks abgebildet.
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Beispiel 2
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Zuerst wurden eine Welle und ein Nockenstück gefertigt, anschließend wurde die Welle vergütet und das Nockenstück aufgekohlt, wobei die Tiefe der aufgekohlten Schicht an der Oberfläche des Nockenstücks bei 1,2 mm lag und die gemessene Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück 0,12 mm betrug; danach wurde das Nockenstück induktiv auf 920°C aufgeheizt, das Hitzeverfahren der Welle und des Nockenstücks wurde in diesem Prozess abgeschlossen, danach wurde das Nockenstück 5 Sekunden so belassen, 25 Sekunden zum Abkühlen besprüht und zum Anlassen nach dem Vergüten auf 160°C aufgeheizt. In Tabelle 1 sind das gemessene Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle und die Oberflächenhärte des Nockenstücks abgebildet.
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Beispiel 3
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Zuerst wurden eine Welle und ein Nockenstück gefertigt, anschließend wurde die Welle vergütet und das Nockenstück aufgekohlt, wobei die Einsatzhärtetiefe an der Oberfläche des Nockenstücks bei 1,0mm lag und die gemessene Presspassung zwischen der Welle und dem Nockenstück 0,09mm betrug; danach wurde das Nockenstück induktiv schnell auf 860°C aufgeheizt, das Hitzeverfahren der Welle und des Nockenstücks wurde in diesem Prozess abgeschlossen, danach wurde das Nockenstück 3 Sekunden so belassen, 20 Sekunden zum Abkühlen besprüht und zum Anlassen nach dem Vergüten auf 160°C aufgeheizt. In Tabelle 1 sind das gemessene Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle und die Oberflächenhärte des Nockenstücks abgebildet. Tabelle 1
| Nr. | Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle (Nm) | Oberflächenhärte des Nockenstücks (HRC) |
| Vergleichsbeispiel 1 | 213 | 59 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 4852 | 32 |
| Beispiel 1 | 6147 | 60 |
| Beispiel 2 | 6220 | 61 |
| Beispiel 3 | 5911 | 60 |
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Nachfolgende Einrichtungen werden in der vorliegenden Anmeldung einheitlich zum Prüfen des Arretierungsdrehmoments des Nockenstücks in Bezug auf die Welle verwendet:
Wie in 7 abgebildet, wird nahe einer Nase auf einer Seite des Nockenstücks 1 ein kreisförmiger Vorsprung 6 angeschweißt, daraufhin wird der Abstand D zwischen dem Scheitelpunkt des Vorsprungs 6 und dem Mittelpunkt der Welle 2 gemessen und ein Teil der zylindrischen Oberfläche der Welle 2 wird so beschnitten, dass er an eine Öffnung auf der Montageplatte 5 angepasst ist, wodurch die Welle 2 nach dem Aufsetzen auf die Montageplatte 5 am Rand von der Montageplatte 5 gehalten wird. Nun wird die Montageplatte 5, auf der sich die Nockenwelle befindet, auf eine Presse gelegt, damit die Presse den Vorsprung 6 pressen kann, und der vom Vorsprung 6 auf die Presse ausgeübte Druck ist an einer Feedback-Schnittstelle der Presse sichtbar. Wenn sich das Nockenstück 1 in Bezug auf die Welle 2 dreht, fällt der Druck drastisch ab, so dass ein Höchstdruck vor dem starken Druckabfall erreicht werden kann, und das Arretierungsdrehmoment des Nockenstücks in Bezug auf die Welle 2 kann durch Multiplizieren des Höchstdrucks mit dem Abstand D errechnet werden.