CH689215A5 - Nockenwelle und Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft Nockenwellen für die Betätigung von Ventilen bei Kolbenmotoren und insbesondere Nockenwellen und ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, wobei die Nocken und die Welle als einzelne Elemente hergestellt und zur Bildung der Nockenwelle miteinander verbunden werden. 



  Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen werden die Nocken separat hergestellt, beispielsweise mittels Pulvermetallurgie. Die Nocken werden dann mit bekannten Befestigungsmethoden mit einem hohlen Rohr verbunden, beispielsweise durch Verschweissen, Verlöten oder durch Expansion des hohlen Rohres. Auf dem hohlen Rohr werden zwischen den Nocken Lager- oder Steuerflächen eingearbeitet. 



  Ein weiteres Verfahren zur Befestigung der Nokken ist im US-Patent Nr. 4 858 295 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf der Aussenseite des hohlen Rohres zwischen den Nocken belassen. Diese Vorsprünge müssen zur Bildung der Steuerflächen entfernt werden. 



  Die Verschiebung von Material in einem hohlen Rohr bei der Expansion mittels eines Expansionswerkzeuges verursacht Verhärtungen und Spannungen im Rohr. Die Vermeidung oder Begrenzung von Verhärtungen während der Bearbeitung würde das Risiko eines Ausfalls durch Rohrspaltung vermindern. 



  Vorgehend sind Einschränkungen illustriert, die bei bestehenden Nockenschäften existieren. Es ist somit offensichtlich, dass ein Bedürfnis bestand, eine Alternative zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere der obengenannten Nachteile vermeidet. Die Erfindung schafft eine geeignete Alternative, welche Merkmale umfasst, die nachfolgend näher beschrieben sind. 



  Die Aufgabe ist gemäss vorliegender Erfindung durch eine Nockenwelle gelöst, welche umfasst: ein rotierbares Rohr mit einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneten ersten Bereichen und einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneten zweiten Bereichen, wobei ein erster Bereich benachbart zu einem zweiten Bereich ist, jeder erste Bereich weist eine Mehrzahl im Umfang des Rohres im Abstand zueinander angeordnete Segmente auf, wobei die Wandstärke  jedes Segmentes grösser ist als die Wandstärke eines benachbarten zweiten Bereiches: und eine Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneter Nocken, die auf dem rotierbaren Rohr montiert sind, wobei jeder Nocken eine axiale \ffnung aufweist und in einem ersten Bereich positioniert ist. 



  Die Aufgabe ist ferner gemäss vorliegender Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Nockenschaftes gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellung eines hohlen Rohres; Herstellung einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneter erster Zonen auf dem hohlen Rohr mittels Rollformung, wobei jede erste Zone eine Mehrzahl von Segmenten aufweist, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind und einen reduzierten Durchmesser aufweisen; Herstellung einer Mehrzahl von Nockenelementen, wobei jedes Nockenelement eine axiale \ffnung aufweist; Einführen des hohlen Rohres in die Nockenelemente, wobei jedes Nockenelement bei einer ersten Zone positioniert wird; und Erweitern der Segmente mit reduziertem Durchmesser des hohlen Rohres in einen mechanischen Eingriff mit den Nockenelementen. 



  Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Teils einer ersten Ausführung des Nockenschaftes gemäss der Erfindung; 
   Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein hohles Rohr, an dem die ersten Herstellungsschritte ausgeführt sind; 
   Fig. 3 einen Längsschnitt des hohlen Rohres gemäss Fig. 2 nach der Bearbeitung des äusseren Durchmessers, und Schnitte durch auf dem Rohr angeordneter Nocken; 
   Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3; 
   Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Nockenwelle mit Nocken, wobei ein Expansionswerkzeug teilweise in das hohle Rohr eingeführt ist;

   
   Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Nocken und ein hohles Rohr einer zweiten Ausführung der Nokkenwelle gemäss der vorliegenden Erfindung; 
   Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Nockenwelle gemäss der zweiten Ausführung, wobei die Nocken gezeigt sind und ein Expansionswerkzeug teilweise in das hohle Rohr eingeführt ist; 
   Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 der Fig. 7; 
   Fig. 9 eine weitere Ansicht eines Längsschnittes eines Teils eines hohlen Rohres nach ersten Bearbeitungsschritten; und 
   Fig. 10 einen Querschnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9. 
 



  Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, werden bei der Herstellung der Nockenwelle Nocken 10 auf ein hohles Rohr 13 aufgeschoben. Weitere Elemente (in Fig. 7 mit 12 bezeichnet) können zusätzlich zu den Nocken 10 mit dem gleichen Verfahren auf dem hohlen Rohr 13 befestigt werden. Diese weiteren Elemente können beispielsweise Zeitsteuernokken, Druckringe, Lagerringe usw. sein. Das hohle Rohr 13 besitzt eine Mehrzahl von Bereichen 16, welche Segmente 17 aufweisen, die eine grössere Wandstärke besitzen als benachbarte Bereiche 18. Infolge der dickeren Wandsegmente oder Segmente mit einem reduzierten Durchmesser 17, weisen die Bereiche 16 bezüglich der dünneren Wandbereiche 18 einen effektiv verminderten Innendurchmesser auf. Die Nocken 10 sind bei den Bereichen mit reduziertem Durchmesser 16 positioniert.

   Einige der dünnwandigeren Bereiche 18 werden als Lager- oder Steuerflächen verwendet. 



  Das hohle Rohr 13 ist vorzugsweise hergestellt aus formbarem Stahl, mit einer maximalen Härte von Rc30. Die Nocken 10 sind vorzugsweise hergestellt aus einem Stahl der härtbar ist und eine minimale Härte von Rc55 aufweist. Pulver geschmiedetes AISI 4680 Serienmaterial wurde ebenfalls erfolgreich für die Nocken 10 verwendet. 



  Die durchmesserreduzierten Bereiche 16 und die dünneren Bereiche 18 werden hergestellt, indem in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Segmente 17 in das hohle Rohr 13 gepresst werden, wie dies in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, um dadurch den äusseren Durchmesser der Segmente 17 zu reduzieren, wonach das hohle Rohr 13 auf einen gleichförmigen äusseren Durchmesser bearbeitet wird. Die Fig. 2 zeigt das hohle Rohr 13 nach dem Pressen. Nach der bevorzugten Methode werden Formsegmente über den Umfang des hohlen Rohres 13 gerollt. Die durchmesserreduzierten Segmente oder Taschen 17 werden hierbei bei bestimmten Umfangspositionen am äusseren Durchmesser des hohlen Rohres 13 gebildet. Dieses Verfahren würde im wesentlichen einen inneren Keileffekt bewirken (siehe Fig. 10) und zwar an bestimmten axialen Stellen korrespondierend zu den einzelnen Nockenelementen 10.

   Die Fig. 2 zeigt zudem einen inneren Dorn 15, der benutzt wird, um den inneren Durchmesser der Segmente 17 zu stützen, wenn das hohle Rohr 13 gerollt wird. Die Benutzung eines inneren Dorns 15 ist jedoch nicht zwingend. Beim Vorsehen einer inneren Stütze kann jedoch der erhaltene Innendurchmesser der Segmente 17 besser kontrolliert werden. Indem der Materialfluss reduziert wird auf denjenigen, der zur Rollformung der Segmente 17 notwendig ist, kann die Materialdeformation und eingebrachte Spannung im hohlen Rohr 13 wesentlich vermindert werden. 



  Die bevorzugte axiale Länge der durchmesserreduzierten Bereiche 16 ist etwas kleiner als der axiale Durchmesser ei nes Nockens 10. Dadurch soll eine Änderung im äusseren Durchmesser der dünneren Bereiche 18 bei der Befestigung der Nocken 10 am hohlen Rohr 13 minimalisiert oder ausgeschlossen werden. 



  Nach der Rollbearbeitung wird der Umfang des hohlen Rohres 13 auf einen gleichförmigen äusseren Durchmesser abgearbeitet. Die Aussenseite des hohlen Rohres 13 kann hierbei glatt geschliffen werden, um eine bearbeitete Fläche zu erhalten, die als Lager- oder Steuerfläche geeignet ist. Das hohle Rohr 13 kann typischerweise mit einer spitzenlosen Schleifmaschine bearbeitet werden. Andere Verfahren, wie beispielsweise Drehen können jedoch ebenfalls eingesetzt werden. Nach diesem Verfahrensschritt weist das hohle Rohr 13 eine Mehrzahl von durchmesserreduzierten Bereichen 16 und eine Mehrzahl von dünneren Wandbereichen 18 auf. Für übliche Nockenschäfte eines Kraftfahrzeuges beträgt die bevorzugte Stärke der Segmente 17 0.155 Inches und die bevorzugte Stärke der dünneren Wandungen 18 0.128 Inches.

   Die Fig. 3 zeigt das hohle Rohr 13 nachdem sein Umfang zur Herstellung des gleichförmigen Aussendurchmessers bearbeitet wurde. Der Unterschied zwischen den Wandstärken der beiden Bereiche 17 und 18 wurde aus Gründen der Klarheit übertrieben. 



  Die Nocken 10 werden dann auf dem hohlen Rohr 13 wie in Fig. 3 gezeigt angeordnet. Jeder Nocken 10 ist auf einen durchmesserreduzierten Bereich 16 ausgerichtet. Die axiale \ffnung des Nockens 10 ist leicht grösser als der äussere  Durchmesser des hohlen Rohrs, so dass ein schmaler Spalt zwischen dem Nocken 10 und dem Rohr 3 geschaffen wird, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. 



  Die Nocken 10 werden in der genauen Winkelausrichtung gehalten, während ein Expansionswerkzeug 36 in das hohle Rohr 13 eingeführt wird. Die Fig. 5 zeigt das Expansionswerkzeug 36 nach seiner Einführung über zwei Nocken 10 hinaus. Der äussere Durchmesser des Expansionswerkzeuges 36 ist grösser als der innere Durchmesser der durchmesserreduzierten Bereiche 16 (d.h. der Segmente 17). Der äussere Durchmesser des Expansionswerkzeugs 36 ist schmaler als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18. Beim Einführen des Expansionswerkzeuges 36 in das hohle Rohr 13 werden die Segmente 17 der durchmesserreduzierten Bereiche 16 nach aussen erweitert und mit den axialen \ffnungen des Nockens 10 in Kontakt gebracht. Diese Expansion verbindet die Nocken 10 und das hohle Rohr 13 durch einen mechanischen Eingriff, wobei die Nocken 10 axial gehalten sind.

   Da der äussere Durchmesser des Expansionswerkzeugs 36 kleiner ist als der innere Durchmesser der schmaleren Wandbereiche 18, werden diese Wandbereiche während der Einführung des Expansionswerkzeugs 36 nicht erweitert. Die Bereiche 18 müssen deshalb üblicherweise nachträglich nicht bearbeitet werden. 



  Für Anwendungen mit unterschiedlichen Elementen auf der Nockenwelle, wie beispielsweise Nokken, Steuernocken usw., kann der Grad der Expansion, der notwendig ist, um ein Element auf der Welle zu sichern, unterschiedlich sein. Um un terschiedliche Expansionen zu erhalten, kann die Wandstärke der Segmente 17 unterschiedlich sein. Um unterschiedliche Wandstärken zu erhalten, kann die Durchmesserreduktion während der Rollbearbeitung und auch das Ausmass der Bearbeitung des Umfangs nach der Rollbearbeitung variiert werden. 



  Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine Variante der vorliegenden Erfindung. Jeder Nocken 10a weist eine Mehrzahl von Vertiefungen 22 auf, die über die Fläche der axialen \ffnung des Nockens 10a verteilt und im Abstand zueinander angeordnet sind. Das hohle Rohr 13a ist wie oben erläutert hergestellt, wobei eine Mehrzahl von durchmesserreduzierten Bereichen 16a und dünnere Wandbereiche 18a gebildet werden. Jeder durchmesserreduzierte Bereich 16a weist eine Mehrzahl von radial beabstandeten dickeren Wandsegmenten 17a auf. Nach dem Aufbringen der Nocken 10a auf das hohle Rohr 13a wird das Expansionswerkzeug 36a in das hohle Rohr 13a eingeführt. Das Expansionswerkzeug 36a weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilte Vorsprünge 28 aus hartem Material auf, die in der Nähe eines Endes des Expansionswerkzeuges 36a angeordnet sind.

   Der wirksame Durchmesser der Vorsprünge 28 ist hinreichend grösser als der innere Durchmesser der dickeren Wandsegmente 17a des hohlen Rohres 13a, so dass die Vorsprünge 28 Bereiche der dickeren Wandsegmente 17a in die Nockenvertiefungen 22 expandieren, um damit die Nocken auf dem hohlen Rohr 13a permanent zu sichern. Der wirksame Durchmesser der Vorsprünge 28 ist hinreichend kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18a des  hohlen Rohres 13a, so dass die dünneren Wandbereiche 18a durch das Expanisionswerkzeug 36a nicht expandiert werden. 



  Wie in Fig. 8 gezeigt, sind die Vorsprünge 28 aus hartem Material so positioniert, dass die Vorsprünge 28 innerhalb des Rohres über die Nocken 10 bewegt werden, so dass die Vorsprünge 28 aus hartem Material das weichere Rohrmaterial und insbesondere die Segmente 17a in die Vertiefungen 22 verdrängen. Irgendwelche zusätzlichen Elemente 12, die auf dem hohlen Rohr 13a angeordnet sind, wie beispielsweise Steuerscheiben, können ohne Vertiefungen 22 in der Fläche der inneren \ffnung befestigt werden. 



  In der Regel werden für einen Achtzylindermotor acht Nockenvertiefungen 22, für einen Sechszylindermotor sechs Nockenvertiefungen 22 und für einen Vierzylindermotor vier Nockenvertiefungen 22 verwendet. Vorzugsweise ist die Anzahl der in Umfangsrichtung beabstandeten dickeren Wandsegmente 17a gleich der Anzahl der Nockenvertiefungen 22. Die dickeren Wandsegmente 17a, die Nokkenvertiefungen 22 und die Vorsprünge 28 sind gemäss Fig. 8 in Umfangsrichtung ausgerichtet. 

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, umfassend die Schritte: Herstellung eines hohlen Rohres (13); Herstellung einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneter Nockenbereiche (16) auf dem hohlen Rohr (13) mittels Rollformung, wobei jeder Nockenbereich (16) eine Mehrzahl von Segmenten aufweist, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind und einen reduzierten Durchmesser aufweisen; Herstellung einer Mehrzahl von Nockenelementen (10), wobei jedes Nockenelement (10) eine axiale \ffnung aufweist; Einführen des hohlen Rohres (13) in die Nockenelemente (10), wobei jedes Nockenelement (10) in einem Nockenbereich positioniert wird; und Ausweiten der Segmente mit reduziertem Durchmesser des hohlen Rohres (13) zur Bildung eines mechanischen Eingriffs mit den Nockenelementen (10).

2.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereiche des hohlen Rohres (13), welche benachbart zu den Nockenbereichen (16) sind und einen grösseren Durchmesser aufweisen und die Segmente der Nockenbereiche (17) mit einem grösseren Durchmesser während der Expansion der durchmesserreduzierten Bereiche nicht aufgeweitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildung einer Mehrzahl von Nockenbereichen (16) ein Dorn (15) in das hohle Rohr (13) eingeführt wird, und der Dorn (15) während der Bildung einer Mehrzahl Nockenbereichen (16) durch Rollformung im hohlen Rohr (13) verbleibt.

4.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einführung des hohlen Rohres (13) in die Nockenelemente (10) das hohle Rohr (13) zur Bildung eines gleichförmigen äusseren Durchmessers bearbeitet wird, wobei die durchmesserreduzierten Segmente (17) dickere Wandsegmente bilden.

5.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Rollformung ein Dorn (15) in das hohle Rohr (13) eingeführt wird; dieser Dorn (15) nach der Rollformung aus dem Inneren des hohlen Rohres (13) entfernt wird; vor der Einführung des hohlen Rohres (13) in die Nockenelemente (10) das hohle Rohr (13) zur Bildung eines gleichförmigen Aussendurchmessers bearbeitet wird, wobei die Nockenbereiche (16) in Umfangsrichtung unterbrochene dickere Wandbereiche bilden, und die Bereiche des hohlen Rohres (13) benachbart zu den in Umfangsrichtung unterbrochenen dickeren Wandbereichen (17) dünnere Wandbereiche (18) bilden, und dass ein Expansionswerkzeug mit einem Durchmesser, der grösser ist als der wirkliche innere Durchmesser der in Umfangsrichtung unterbrochenen dickeren Wandbereiche (17) und schmaler als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche (18) bereitgestellt wird,

und anschliessend die durchmesserreduzierten Segmente des hohlen Rohres (13) zur Bildung eines mechanischen Eingriffes mit den Nockenelementen (10), expandiert werden, wobei das Expansionswerkzeug (36) in das hohle Rohr (13) eingeführt wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, umfassend die Schritte: Herstellen eines hohlen Rohres (13); Einführen eines Dornes (15) in das hohle Rohr (13); Bilden einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneter durchmesserreduzierter Segmente (17), wobei die durchmesserreduzierten Segmente (17) in einer Mehrzahl von axial im Abstand zueinander angeordneter Nockenbereiche (16) positioniert sind; Entfernen des Dornes (15) aus dem Innern des hohlen Rohres (13);

Bearbeitung des hohlen Rohres (13) zur Bildung eines gleichförmigen Aussendurchmessers, wobei die durchmesserreduzierten Segmente (17) dickere Wandsegmente bilden; Herstellen einer Mehrzahl von Nockenelementen (10), wobei jedes Nockenelement (10) eine axiale \ffnung aufweist und die Fläche der axialen \ffnung eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneter sich axial erstrekkender Vertiefungen (22) aufweist; Einführung des hohlen Rohres (13) in die Nockenelemente (10), wobei jedes Nockenelement (10) in einem Nockenbereich (16) positioniert wird; Expandieren der durchmesserreduzierten Segmente (17) des hohlen Rohres (13) zur Bildung eines mechanischen Eingriffs mit den Vertiefungen (22).

7.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Expandieren der durchmesserreduzierten Segmente (17) ein Expansionswerkzeug (36) eingeführt wird, das über den Umfang verteilt separate Vorsprünge (28) aus hartem Material aufweist, wobei die Vorsprünge (28) in radialer Ausrichtung mit den Vertiefungen (22) positioniert sind, so dass dann, wenn die Vorsprünge (28) innerhalb des Rohres über die Nockenelemente (10) bewegt werden, die Vorsprünge (28) aus hartem Material die durchmesserreduzierten Segmente (17) in die Vertiefungen (22) expandieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bereiche des hohlen Rohres (13), die benachbart sind zu den Nockenbereichen (16) und dünnere Wandbereiche (18) definieren, und die dünne ren Wandbereiche (18) während der Expansion der durchmesserreduzierten Segmente (17) nicht expandiert werden.

9.

Nockenwelle, umfassend ein rotierbares Rohr (10) mit einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneten Nockenbereichen (16) und einer Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneten nockenlosen Bereichen, wobei ein Nockenbereich (16) benachbart zu einem nockenlosen Bereich ist und jeder Nockenbereich (16) eine Mehrzahl im Umfang des Rohres im Abstand zueinander angeordnete Segmente (17) aufweist, wobei die Wandstärke jedes Segmentes (17) grösser ist als die Wandstärke eines benachbarten nockenlosen Bereiches; und eine Mehrzahl axial im Abstand zueinander angeordneter Nocken (16), die auf dem rotierbaren Rohr (13) montiert sind, wobei jeder Nocken (10) eine axiale \ffnung aufweist und in einem Nockenbereich (16) positioniert ist.

10. Nockenwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Rohr (13) einen gleichförmigen Aussendurchmesser aufweist.

11.

Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Sicherung der Nocken (10) auf dem rotierbaren Rohr (13) vorgesehen sind.

12. Nockenwelle nach Anspruch 11, wobei die Mittel zur Sicherung eine Mehrzahl von im Umfang im Abstand zueinander angeordnete Vertiefungen (22) auf der inneren Fläche der axialen \ffnung jedes Nockens (10) umfassen, wobei jedes Segment (17) sich in eine Vertiefung eines Nockens (10) erstreckt.

13. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von axial im Abstand zueinander angeordneter Nokken (10) mit dem hohlen Rohr (13) mechanisch verbunden sind, indem die Segmente (17) des rotierbaren Rohres expandiert sind.