TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle mit mehreren auf einer Welle durch mindestens jeweils eine Schweissung befestigten Nocken, wobei die Welle aus einem ersten, niedergekohiten Stahl besteht und die Nocken eine gehärtete oder härtbare Kipphebei-Ablauffläche aus einem hochgekohlten Stahl aufweisen.

Die Erfindung betrifft auch Herstellungverfahren für eine solche Nockenwelle sowie die dazu benötigten Nocken.

STAND DER TECHNIK Gebaute Nockenwellen mit auf einer Welle schweisstechnisch befestigten Nocken sind im Stand der Technik bereits mehrfach beschrieben worden. Aus der US 4,983,797 A1 sowie der DE 34 33 595 A1 ist auch der Einsatz eines Lasers zur Herstellung der Schweissverbindung bekannt. Die genannten Dokumente gehen offenbar davon aus, dass das Schweissen keine grösseren Probleme bereitet, jedenfalls erwähnen sie solche Probleme nicht explizit.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass das Schweissen wegen der für die Nocken zu verwendenden Materialien, in der Regel hochgekohlte härtbare Stähle, nicht ganz so einfach ist und dauerhafte, den Anforderungen in Verbrennungsmotoren genügende Verbindungen nicht ohne weiteres hergestellt werden können. Entsprechend konnten sich Schweissverbindungen bei gebauten Nockenwellen bisher auch nicht durchsetzen. Im Einsatz sind immer noch sehr teure, aus einem Stück schmiedetechnisch hergestelle Nockenwellen oder solche, bei denen einzelne Nocken formkraftschlüssig, wärmetechnisch und/oder durch Einsatz des Innenhochdruckverfahrens auf einer Welle fixiert sind.

Aus der DE 3743816 C2 ist eine Nocke für eine gebaute Nockenwelle bekannt, bei welcher in die Nockenspitze ein Hartmetall-Einsatz eingebettet ist, welcher mit dem übrigen Nockenmaterial verlötet ist und der im Bereich der Nockespitze höheren Flächenpressung besser standhält. Bezüglich der Befestigung der Nocken auf der Welle wird nichts ausgeführt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie bei einer gebauten Nockenwelle der eingangs genannten Art eine den Dauerbelastungen in der Praxis genügende Schweissverbindung auf kostengünstige Weise erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Nockenwelle erfindungsgemäss gelöst durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Massnahmen. Die erfindungsgemäss Lösung besteht demnach in der Verwendung von Nocken, welche aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sind und für welche in mindestens einem von der Schweissung betroffenen Bereich jeweils ein zweiter niedergekohlter, mit dem Stahl der Welle gut verschweissbarer Stahl verwendet ist.

Die unterschiedlichen Materialien der Nocken können löt-, platter-, formschluss-, kraftschluss-, formkraftschluss-, klebe-, niet, und/oder schweisstechnisch, insbesondere jedoch widerstandspress-undloder reibschweisstechnisch, miteinander verbunden werden.

Beim Widerstandspress-und oder Reibschweissen kann unter dem dabei aufgewendeten Druck insbesondere die Bildung von Mikro-und/oder Makrorissen vermieden werden.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform weisen die Nocken einen die Kipphebel- Ablauffläche umfassenden und aus dem hochgekohlten Stahl bestehenden Kern auf, welcher in axialer Richtung zwischen mindestens zwei ringförmigen und/oder ringabschnittsförmigen, mit der Welle verschweissten Elementen aus dem zweiten niedergekohlten Stahl angeordnet ist.

Umgekehrt könnten die Nocken einen mit der Welle verschweissten Kern aus dem zweiten niedergekohiten Stahl aufweisen, welcher in axialer Richtung zwischen zwei die Kipphebel- Ablauffläche umfassenden, aus dem hochgekohiten Stahl bestehenden ringförmigen Elementen angeordnet ist.

Gemäss einer anderen Ausführungsform könnten die Nocken auch mindestens zweischalig aufgebaut sein und eine die Kipphebel-Ablauffläche umfassende äussere Schale aus dem hochgekohlten Stahl sowie mindestens eine innere, mit der Welle verschweisste Schale aus dem zweiten niedergekohlten Stahl aufweisen.

Schliesslich sind auch noch Übergangsformen zwischen diesen Varianten möglich.

Bevorzugt sind das oder die Teile der Nocken aus dem zweiten, niedergekohlten Stahl vollumlaufend mit der Welle verschweisst. Hierdurch wird eine hohe Stabilität der Nocken erreicht.

In besonders wirtschaftlicher Weise lassen sich die die Kipphebel-Ablaufflächen bildenden oder umfassenden Teile der Nocken aus gebogenen Profilstreifen herstellen, wobei der oder die Profilstreifen zu Gewichts-und Materialersparnis vorzugsweise im Bereich der Nockenspitze jeweils von der Welle abstehen. Aufeinanderstossende Enden des oder der Profilstreifen können hierbei miteinander, insbesondere widerstandspressschweisstechnisch, verschweisst sein. Möglich wäre es aber auch, wenn die aufeinanderstossenden Enden lediglich über das oder die Teile der Nocken aus dem zweiten, niedergekohlten Stahl miteinander verbunden sind. Besonders dabei kann es von Vorteil sein, wenn die aufeinanderstossende Enden in Umfangsrichtung einander überlappend ausgebildet sind.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform können die die Kipphebel-Ablaufflächen bildenden oder umfassenden Teile der Nocken auch einstückig ausgebildet sein und die Welle z. B. vollumfänglich bündig umschliessen.

Das Anbringen der Schweissung zur Befestigung der Nocken auf der Welle lässt sich dadurch erleichtern, dass in mindestens einem der von der Schweissung betroffenen Bereiche in dem oder den Teilen aus dem zweiten niedergekohlten Stahl angrenzend an die Welle ein Fussring vorgesehen und die Schweissung durch diesenFussring hindurch ausgeführt ist.

Der für die Welle verwendete erste, niedergekohlte Stahl und/oder der für die Nocken verwendete zweite niedergekohlte Stahl sollte einen Kohlenstoffgehalt von weniger als als 0.5 % aufweisen. Demgegenüber kann der für die Kipphebel-Ablauffläche der Nocken verwendete hochgekohite Stahl, um gut und ausreichend härtbar zu sein, einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0.5 %, insbesondere jedoch von mehr als 0.75 % aufweisen.

In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäss durch wenigstens eines der Verfahren gemäss den Ansprüchen 15-19 gelöst.

Bei dem Verfahren gemäss Anspruch 15 werden die Kipphebel-Ablaufflächen der Nocken vor dem Fügen bereits auf ihre sogenannte Ansprungshärte (z. B. auf 64 HRc++) gehärtet sowie zusätzlich ggf. angelassen. Hierdurch wird mit Vorteil eine thermische Belastung der gesamten Nockenwelle, die zu einem Wellenverzug führen könnte, vermieden.

Wegen des niedrigen Kohlenstoffgehalts des Materials der Nocken aus dem zweiten niedergekohiten Stahl und des niedergekohiten Stahls der Welle wird bei ihrem Verschweissen eine Aufhärtung im Bereich der Schweissnaht bzw. der sogenannten Wärmeeinflusszone vermieden. Dadurch kommt es auch nicht zur einer Aufweitung des Fügespaltes verbunden mit dem Auftreten von feinen Rissen. Gemäss Anspruch 16 kann das Verschweissen dadurch bei Umgebungstemperatur der miteinander zu verschweissenden Teile durchgeführt werden. Ein Vorwärmen der Wellen zur Vermeidung zu hoher Wärmespannungen ist nicht erforderlich. Auch ist eine nachträgliche Erwärmung der gefügten Nockenwellen zur Reduktion einer zu hohen Schweissnahthärte nicht erforderlich, wodurch schliesslich eine Veränderung der Härte der vorgängig gehärteten Kipphebel-Ablaufflächen der Nocken vermieden wird. Die Schweissung der Nocken ist auf die beschriebene Art prozesssicher ausführbar. Die Qualtiät der Schweissnaht muss nicht laufend überprüft werden.

Gemäss Anspruch 17 erfolgt die Schweissung zur Befestigung der Nocken auf der Welle lasertechnisch.

Wegen der guten Verschweissbarkeit des Materials der Nocken aus dem zweiten niedergekohlten Stahl mit dem niedergekohlten Stahl der Welle kann die Schweissung zur Befestigung der Nocken auf der Welle gemäss dem Verfahren von Anspruch 18 mit einer Schweissgeschwindigkeit von grösser als 2 m/s, inbesondere jedoch von grösser als 4 m/s, ausgeführt werden. Hierdurch lassen sich hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreichen und die bei Verwendung von Laserschweissvorrichtungen teuren Installationen optimal ausnutzen.

Gemäss Anspruch 19 werden bei der Herstellung einer Nockenwelle nach der Erfindung die Nocken vor ihrer Verschweissung mit der Welle auf der Welle dadurch vorfixiert, dass ihre mit der Welle zu verschweissenden Elemente aus dem zweiten niedergekohiten Stahl mit der Welle verstemmt werden. Dies lässt sich z. B. durch einfachen Zangendruck ausführen und erleichtert das nachfolgende Schweissen, bei welchem die Nocken auf der Welle nicht extra festgehalten werden müssen und die Welle mit den vorfixierten Nocken unter einem otsfesten Schweissstrahl hindruchgedreht werden können.

Gegenstand der Erfindung sind auch gemäss Anspruch 20 die einzelnen Nocken, wie sie sich in ihrem Aufbau aus den auf die Nockenwelle als Ganzes gerichteten Ansprüchen ergeben.

Ein generelle Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Nockenmaterial praktisch frei wählbar ist und zwar unabhängig von der Schweissverbindungstechnologie zwischen Nocken und Welle.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt : Fig. 1 unter a) eine erste Ausführungsform, einer erfindungsgemäss Nocke in einer Stirnansicht und unter b) die gleiche Nocke im Schnitt (A-A) ; Fig. 2 unter a) in einem Längsschnitt einen Längsabschnitt einer erfindungsgemässen Nockenwelle mit einer Nocke gemäss Fig. 1 und unter b) einen Querschnitt (B-B) durch diese Nockenwelle ; Fig. 3 in einer Art Ausschnittsvergrösserung von Fig. 2 a) eine spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemässen Nocke mit Schweissfuss ; Fig. 4 verschiedene Formen von Kernen für erfindungsgemäse Nocken ; Fig. 5 eine geschlossene Hohinocke unter a) in Ansicht und unter b) im Schnitt (C-C) ; Fig. 6 unter a)- weitere Ausführungsformen von Kernen für erfindungsgemässe Nocken ; und Fig. 7 unter a)-g) jeweils im Schnitt sowie in Ausschnittsdarstellungen weitere Ausführungsformen von erfindungsgemässen Nocken.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Die Nocke 1 von Fig. 1 weist einen eine Kipphebel-Ablauffläche 2 umfassenden und aus -einem hochgekohiten Stahl bestehenden Kern 3 auf, welcher in axialer Richtung zwischen zwei kreisringförmigen Elementen 4 aus einem niedergekohiten Stahl angeordnet ist. Der Kern weist über seinen Umfang betrachtet eine im wesentlichen einheitliche und der Breite b der kreisringförmigen Elemente 4 entsprechende Dicke 8 auf. Durch den Kern 3 ist eine Nockenerhebung bzw. Nockenspitze 5 ausgebildet. Entlang der Kipphebel-Ablauffläche 2 ist der Kern 3 gehärtet. Die entsprechende Oberflächen-Härtezone ist mit 6 bezeichnet.

Dort wo sie sich gegenseitig überlappen sind der Kern 3 und die beiden kreisringförmigen Elemente 4 durch eine unter Gegeneinanderpressen der Teile ausgeführte Widerstandsschweissung 7 miteinander verbunden. Durch diese Art der Verbindungstechnik können die beiden unterschiedlichen Stähle poren-und rissfrei miteinander verschweisst werden.

Fig. 2 zeigt die Nocke 1 von Fig. 1 mit ihrer Durchgangsöffnung 8 auf eine Welle 9 aus einem niedergekohiten Stahl aufgeschoben und mit der Welle 9 unter Ausbildung einer Nockenwelle 10 verschweist, wobei die Schweissung 11 jeweils vollumlaufend über 360° entlang der Nahtstelle zwischen den beiden kreisringförmigen Elementen 4 und der Welle 9 insbesondere laserschweisstechnisch ausgeführt ist. Indem sowohl die Welle 9 als auch die beiden kreisringförmigen Elemente 4 aus einem niedergekohiten Stahl bestehen, sind sie gut und selbst bei Umgebungstemperatur der Teile poren-und rissfrei miteinander verschweissbar.

Der unter anderem durch den Innendurchmesser der kreisringförmigen Elemente 4 bestimmte Durchmesser d der Durchgangsöffnung 8 der Nocke 1 entspricht dem Aussendurchmesser D der Welle 9, so das die Nocke 1 auf der Welle 9 im wesentlichen spaltfrei aufsitzt. Dies gilt auch für den Kern 3, soweit er nicht im Bereich der Nockenspitze 5 unter Ausbildung eines Hohlraumes 12 von der Welle 9 absteht.

Fig. 3 zeigt in einer Art Ausschnittsvergrösserung von Fig 2 a) eine besondere Ausführungsform der beiden kreisringförmigen Elemente 4, wobei diese jeweils mit einer ringförmigen Nut 13 versehen sind. Durch die ringförmige Nut 13 entsteht eine Art Schweissfuss 14 durch welchen hindurch die Schweissung 11 im rechten Teil von Fig. 3 ausgeführt ist. Durch das Vorhandensein des Schweissfusses 14 ergibt sich ein vorteilhaft breiter Schweissquerschnitt zwischen den ringförmigen Elementen 4 und der Welle 9, welcher sehr stabil und hoch belastbar ist. Im linken Teil von Fig. 3 ist die Schweissung 11 weggelassen, um den Schweissfuss 14 besser sichtbar zu machen.

Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform der Nocke 1 gemäss Fig. 1 weist der Kern 3 über seinen Umfang eine einheitliche Dicke 5 auf, wodurch sich im Bereich der Nockenspitze 5 ein Abstand bzw. ein Hohlraum 12 zwischen dem Kern 3 und der Welle 9 ergibt. Fig. 4 zeigt unter a) den Kern 3 nochmals in dieser Ausbildung. Dies ist jedoch nur eine Möglichkeit, die dann besonders vorteilhaft ist, wenn der Kern, wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben, aus einem Profilstreifen durch Biegen hergestellt wird. Der Kern 3 könnte jedoch genausogut im Bereich der Nockenspitze auch eine grössere Dicke aufweisen, so wie dies Fig. 4 z. B. unter b) zeigt, wo die die Durchgangsöffnung 8 kreiszylindrisch ist und ein Hohlraum 12 überhaupt vermieden wird. Man könnte hier auch von einer Vollkernnocke sprechen. Es versteht sich, dass die Ausführungsart von Fig. 4 b) gegenüber der von Fig. 4 a) im Bereich der Nockenspitze 5 eine höhere Biegesteifigkeit aufweist. Demgegenüber zeichnet sich die Ausführungsart von Fig. 4 a) aber durch ein geringeres Nockengewicht, durch einen geringeren Materialverbrauch, durch eine geringere Unwucht bei Drehung sowie durch eine einfachere Herstellbarkeit aus. Fig. 4 c) zeigt eine Übergangsform zwischen den Ausführungsarten von Fig. 4 a) und 4 b). Dort ist der Kern 3 jeweils im Übergangsbereich zu einem Hohlraum 12 mit Verdickungen 15 versehen, die sich an die Wellenoberfläche anschmiegen und für die Nockenspitze 5 eine gewisse Versteifungswirkung haben. Eine vergleichbare Versteifung der Nockenspitze 5 bewirken andererseits aber auch die beiden ringförmigen Elemente 4, da diese ja vollumlaufend mit der Welle in Kontakt sind. Ggf. reicht diese zusätzliche Versteifungswirkung durch die ringförmigen Elemente 4 bereits aus, um in der Praxis den Kern 3 gemäss Fig. 4 a) ausführen zu können.

Eine die Steifigkeit der Nockenspitze 5 weiter erhöhende Massnahme könnte auch darin bestehen, die ringförmigen Elemente 4 anstelle von kreisringförmig bezüglich ihrer Form entsprechend der Querschnittsform des Vollkerns von Fig. 4 b) auszubilden und sie vollumlaufend mit einem Kern 3 gemäss Fig. 4 a) zu verbinden sowie wie dies Fig. 5 unter a) und b) zeigt. Auch die Nockenspitze 5 würde dann über die beiden so geformten, stanztechnisch ohne weiteres herstellbaren Elemente 4 auf der Welle abgestüzt und wäre zusätzlich in sich gegen Querkräfte stabilisiert.

Wie bereits erwähnt, kann der Kern der vorbeschrieben Nocken 1 auf einfache Weise durch Biegen aus einem, jedoch auch aus mehreren Profilstreifen hergestellt werden, die z. B. von einem längeren Streifen abgelängt werden. Fig. 6 zeigt unter a) einen einfachen Profilstreifen 20 und unter b) den Kern 21 für eine Nocke 1, wie er durch Zusammenbiegen der beiden Enden des Profilstreifens 20 entsteht. Nachfolgend können die beiden Enden noch miteinander verbunden und der Kern 21 dadurch geschlossen werden. Hierzu eignet sich insbesondere wieder das Widerstandspressschweissen. Eine dabei allfällig entstehende Schweissraupe müsste kann nachträglich noch entfernt werden.

Unter c) zeigt Fig. 6 einen Profilstreifen 22 von nicht einheitlicher Dicke, aus welchem durch Zusammenbiegen seiner Enden der unter d) dargestellte Nockenkern 23 herstellbar ist und welcher dem von Fig. 4 c) entspricht.

Unter e) zeigt Fig. 6 einen Nockenkern 24, der aus zwei, jeweils zu Halbschalen 25,26 gebogenen Profilstreifen zusammengesetzt ist. Die beiden Stossstellen der beiden Halbschalen 25,26 können wieder miteinander verschweisst sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Profilstreifen nicht so stark gebogen werden müssen und das Material dadurch weniger Belastungen ausgesetzt ist. Unter f) zeigt Fig. 6 wie aus zwei Halbschalen 27,28 z. B. auch ein Vollkern 29 gemäss Fig. 4 b) herstellbar ist.

Bei allen Ausführungsformen von Fig. 6 könnten die Stossstellen entlang des Nockenumfangs auch an anderer Stelle angeordnet sein, inbesondere jeweils um 180° bzw.

90° versetzt, wie sich dies auch aus dem Vergleich der Figuren 6 e) und 6 ergibt.

Indem und sofern die Stossstellen der biegetechnisch hergestellen Nockenkerne gemäss Fig.

6 durch das beidseitige Hinzufügen der ringförmigen Elemente 4 überbrückt werden und somit ein Schliessen des Kerns dadurch sowieso erfolgt, kann ggf. auf ein vorgängiges Verbinden der Stossenden wie vorstehend beschrieben sogar verzichtet werden. Günstig wäre es in diesem Fall jedoch, die Stossenden des Kerns in Umfangsrichtung etwas einander überlappen zu lassen (z. B. Schrägschnitt). Umgekehrt wäre es möglich, anstelle geschlossener Ringelemente 4 lediglich Ringabschnitte zu verwenden und z. B. deren Stossstellen durch den Kern zu überbrücken.

Fig. 7 zeigt unter a)-g) weitere Ausführungsformen von erfindungsgemässen Nocken.

Bei der Variante von Fig. 7 a) wird ein Kern 30 aus einem hochgekohlten Stahl von zwei beidseitig von ihm angeordneten, mit ihm formschlüssig sowie z. B. widerstandpressschweisstechnisch verbundenen, im Querschnitt c-fömigen Ringelementen 31 aus einem niedergekohiten Stahl flankiert. Bei der Variante von Fig. 7 b) ist die Breite b von zwei beidseitig eines Kerns 32 aus einem hochgekohlten Stahl angeordneten ringförmigen Elementen 33 aus einem niedergekohlten Stahl geringer gewählt als die Dicke 8 des Kerns 32, so dass dieser radial nach aussen über die Elemente 33 übersteht. Bei der Variante von Fig. 7 c) sind die Verhältnisse bezüglich der Breiten b) bzw. Dicke 8 umgekehrt.

Auch überlappen sich hier der Kern 34 und die ringförmigen Elemente 35 jeweils in axialer Richtung. Bei der Variante von Fig. 7 d) sind der Fig. 7 b) entsprechende ringförmige Elemente 36 in seitliche Nuten eines Kerns 37 eingebettet bzw. der Kern 37 beiseitig nach aussen über die ringförmigen Elemente 36 bis zu deren Stirnseiten vorgezogen.

Entsprechendes gilt für die Variante von Fig. 7 e), nur dass hier die ringförmigen Elemente 38im Querschnitt dreiecksförmig sind. Bei der Ausführungsform von Fig. 7 ist nur ein einzelnes, ringförmiges Element 39 aus einem niedergekohlten Stahl vorhanden, weiches vollständig unterhalb eines Kerns 40 aus einem hochgekohlten Stahl angeordnet ist. Die Nocke ist erhält dadurch einen zweischaligen Aufbau. Bei der Ausführungsform von Fig. 7 g) sind schliesslich die Verhältnisse insofern umgekehrt, als dass hier beidseitig eines Kerns 41 aus einem niedergekohiten Stahl zwei aus einem hochgekohlten Stahl bestehende ringförmige Elemente 42 angeordnet sind. Die Verschweissung mit der Welle der Nockenwelle müsste hierbei z. B. durch den Kern 41 hindurch ausgeführt werden.

Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen könnten zur Verbindung der Teile aus dem hochgekohlten Stahl einerseits und dem niedergekohlten Stahl andererseits ausser dem erwähnten Widerstandspresschweissen auch andere Verbindungstechniken eingesetzt werden, darunter löt-, plattier-, formschluss-, kraftschluss-, formkraftschluss-, klebe-, niet, und/oder reibschweisstechnische Verfahren.