CN1922389A - 组装式多路凸轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组装式多路凸轮，它可以成本经济地加工并且灵活地应用并且在轴向上需要一个微少的结构空间。为此建议，所述组装式多路凸轮包括下列构件：一个第一分凸轮(1)，它具有一个孔(12)、一个凸轮轮廓A(4)和一个轴向设置在这个凸轮轮廓旁边的具有一个外表面(7a)的接合轮廓(7)，还包括一个第二分凸轮(2)，它具有一个孔(12)、一个凸轮轮廓A(5)和一个轴向设置在这个凸轮轮廓旁边的具有一个外表面(8a)的接合轮廓(8)，还包括一个环(3)，它具有一个与凸轮轮廓A不同的凸轮轮廓B(6)和一个具有内表面(9a)的内轮廓(9)，其中该环(3)通过其内表面(9a)可以推到分凸轮(1，2)的外表面(7a，8a)上，以及包括连接机构，它们在环(3)与分凸轮(1，2)之间是有效的并且在这些构件之间建立一个可靠的连接。本发明还公开了一种可以加工一个组装式凸轮轴的方法，该凸轮轴具有至少一个按照本发明的组装式多路凸轮。

Description

组装式多路凸轮
本发明涉及一种如权利要求1所述的组装式多路凸轮，一种如权利要求11所述的具有至少一个组装式多路凸轮的凸轮轴以及如权利要求12、13和14所述的用于加工具有至少一个组装式多路凸轮的凸轮轴的方法。
在气门控制的内燃机领域中的发展总是对用于控制气门的凸轮轴提出更多的要求。一个重要的趋势是使用可变控制气门控制时间的技术。在这方面最近已经创立了系统，其中气门的升程通过两个相互间不同的凸轮轮廓控制，因此可以在两个不同的气门升程之间转换。为此使用具有多路凸轮的凸轮轴，在其上构成至少两个不同的凸轮轮廓。作为这种系统的示例可以给出系统“VarioCam Plus”，它应用于Porsche公司的汽车。对于这个系统使用所谓的可切换的杯形顶杆，其工作原理对于相关技术领域的专业人员是公知的。
为了改善作用力在凸轮与凸轮组件(例如一个可切换的杯形顶杆)之间的力流中的分布通常使凸轮分成三个部分，其中在两个相同的、相互间轴向间隔的具有相同凸轮轮廓的外部凸轮之间设置一个具有一个第二凸轮轮廓的内部的第二凸轮，它与外部凸轮的凸轮轮廓是不同的。由现有技术已知，这种多路凸轮可以例如通过铣削成一个工件构成或者通过将三个独立的凸轮组装到一起构成。
由DE 196 06 732 C2已知多路凸轮，它们由多个单个部件组成，它们在轴向组装到一起。在此单个部件通过局部非圆的管段构成，它们在相互面对的端部上具有同心的环形台阶。这些台阶被推到一起，用于由单个部件组成一个多路凸轮。这些同心的环形台阶在横截面中圆形地构成并且约是管段壁厚的一半。由此使得在将单个部件推到一起以后在推上到一起的台阶部位中也呈现管段的全部壁厚。
由DE 196 06 732 C2已知的多路凸轮存在缺陷，单个部件之间在同心的环形截段处的连接是相对薄弱的。尤其是在单个部件之间的连接不足以不可相对转动。因此在DE 196 06 732 C2中公开的多路凸轮只能适用于按照内部高压变形工艺加工的凸轮轴。
本发明的任务是，提供一种组装式多路凸轮，它可以成本经济地加工并灵活地使用并且在轴向需要微少的结构空间。它尤其能够借助于简单的接合方法接合到凸轮轴的支承轴上并且可以用于不是按照内部高压变形工艺加工的组装式凸轮轴。本发明的任务还要提供一种凸轮轴，它可以成本经济地加工并且适用于具有不同的凸轮组件的气门传动机构中，例如可切换的杯形顶杆、滚轮杠杆或类似机构。最后本发明的目的还要提供一种方法，通过它可以加工这种组装式凸轮轴。
关于多路凸轮，这个任务按照本发明通过一个具有权利要求1特征的多路凸轮得以实现。关于凸轮轴，这个任务通过一个具有权利要求11特征的凸轮轴得以实现。关于加工方法所述任务通过权利要求12，13和14得以实现。
按照本发明的多路凸轮由三个单个部件组成，即，两个分凸轮和一个使这些分凸轮相互连接的环。每个单个部件以大批量工艺成本经济地加工。不仅分凸轮而且环都在其外表面上具有凸轮轮廓。通过将环推到分凸轮接合轮廓的外表面上，用于在这三个构件之间连接所需的连接机构径向设置在环下面并且无需附加的轴向结构空间。通过这种结构得到一个多路凸轮，它在轴向上需要一个微小的结构空间。
所述多路凸轮的单个部件可以相互独立地以完全不同的方式加工。因此可以使分凸轮例如不仅通过烧结技术而且通过冷变形或热变形(锻造)产生。也可以设想，通过切削加工方法(铣削、车削)加工分凸轮。因此可以根据凸轮在发动机运行中的负荷选择分凸轮的加工方法和材料。所述环或者可以由钢环、例如一个拉制管段制成或者由热成形件或冷成形件或者由烧结件制成。也可以使环直接由实心体通过切削加工工艺制成。对于环也可以通过选择加工工艺和材料使其与发动机运行所需的强度相匹配。
所述分凸轮和环可以分别以单独的方式硬化并在需要时回火处理。同时可以使用和自由组合所有的热处理和调质工艺，因为三个构成多路凸轮的单个部件不必共同地进行处理。例如可以使分凸轮感应地硬化而使环在等离子中渗氮或者作为松散材料热处理。
对于按照本发明的多路凸轮所述环具有一个非圆的内轮廓。相应地也使分凸轮的接合轮廓以相同的方式非圆地构成，用于能够推上环。通过这种方式在环与分凸轮之间实现在圆周方向上有效的形状配合连接。这种形状配合连接保证多路凸轮在将单个部件一起推上后在圆周方向上不可相对转动地预装配。
在环与分凸轮之间有效的连接机构有利地由压配合构成。为了实现这种压配合例如以公知的方式确定分凸轮的接合轮廓与环的内轮廓的加工公差尺寸，使得相互推上的表面构成压配合。通过这种方式使用于预装配多路凸轮的工作费用保持较少，因为除了将环推到分凸轮的接合轮廓上以外无需其它的用于在构件之间实现所期望的固定连接的独立工作步骤。
在完成凸轮轴的组装工作以后，通过磨削产生凸轮的最终轮廓。为了也可以容易地实现环的凸轮轮廓的磨削，使环的凸轮轮廓与分凸轮的凸轮轮廓具有一个轴向间距是有利的。这个轴向间距也称为自由位置。为了以简单的方式实现这个自由位置，至少一个分凸轮在从接合轮廓到凸轮轮廓的过渡部位中具有一个凸肩，它在径向上突出于分凸轮的外表面。这个凸肩在将环推到接合轮廓上时起到间隔体的作用，它产生环的凸轮轮廓与分凸轮的凸轮轮廓之间的所期望的轴向距离。通过确定凸肩的轴向长度尺寸可以使这个距离的大小按照具体情况的需要进行调整。所述凸肩可以是分凸轮的一个集成组成部件(例如一个半径和一个烧结棱角)或者通过一个单独的构件如一个适配于分凸轮接合轮廓的环形元件构成。也可以使自由位置是中间环的一个集成组成部件。
为了使加工成本和加工分凸轮时的费用保持较少，希望在多路凸轮组装状态中相互面对的分凸轮端面不必再机械加工(例如通过磨削)。如果分凸轮的上述端面在组装状态不接触，即当在其之间保留一个间隙，则可以取消这种机械加工。一个这样的间隙以简单的方式通过使环具有一个轴向长度得以实现，该长度大于分凸轮接合轮廓的轴向长度之和。通过这种方式环将分凸轮的上述端面相互间分开。
为了使环与分凸轮之间的连接达到特别好的强度并且易于实现环与分凸轮之间的接合操作有利地在分凸轮接合轮廓的外表面上和/或在环内轮廓的内表面上设有一个沟槽纹。这个沟槽纹例如通过滚压或滚花实现。由此在将环推到分凸轮的接合轮廓上时以专业人员公知的方式产生环在分凸轮接合轮廓上的传力连接和/或形状配合连接，这使构件相互间产生一个特别可靠的连接。此外有利的是，通过这个沟槽纹可以明显降低对多路凸轮(分凸轮和环)的单个部件的公差要求。如果以烧结工艺加工分凸轮，则可以使这个沟槽纹直接在烧结时由锯齿形的、在轴向上延伸的具有径向向外指向的齿尖的齿部构成。在这种情况下可以使环附加地具有一个沟槽纹，它例如通过滚花或滚压制成。同样可以使分凸轮由没有沟槽纹的烧结部件制成并且只在环上设有沟槽纹。
为了易于将环推到分凸轮的接合轮廓上，环的内轮廓有利地在其轴向端部上具有一个径向扩宽部分。以类似的方式如果分凸轮的孔具有一个内轮廓，则使预装配的多路凸轮或分凸轮易于推到支承轴上，该内轮廓在首先推到支承轴上的那个端面部位中或者在推到支承轴上的端部上与孔相比漏斗形地扩宽。
一个支承一个或多个按照本发明的多路凸轮的凸轮轴本身由于多路凸轮的成本经济的可加工性可以成本经济地制成。该凸轮轴由于多路凸轮的微少轴向结构空间需求尤其适用于操纵可切换的杯形顶杆，公知地在轴向非常有限的空间上安置两个具有不同凸轮轮廓的凸轮，用于实现不同大小的阀升程。但是使用一个按照本发明的凸轮轴不局限于“可切换的杯形顶杆”的使用情况。它可以灵活且有利地也用于操纵其它的凸轮组件如滚轮杠杆。
对于本发明有利的是，所述多路凸轮可以没有其它构件的辅助措施地通过将三个构件“第一分凸轮”、“环”和“第二分凸轮”推上到一起进行预装配。在此使预装配的多路凸轮的构件可靠地相互连接，使得多路凸轮为了继续组装凸轮轴可以可靠地运输。
通过这样的多路凸轮可以通过简单的方式由此实现凸轮轴的组装，将预装配的多路凸轮推到一个支承轴上直到支承轴的一个给定的截段上并且在推上时或紧接着推上将多路凸轮轴向且不可相对转动地固定在支承轴的这个给定截段上。在此所述固定可以通过不同的方法实现。例如可以通过将多路凸轮通过一个射线焊接工艺、例如激光或电子射线焊接固定焊接在支承轴上。也可以选择使固定以公知的方式通过传力连接和/或形状配合连接实现。为此可以使多路凸轮或者推到一个事先通过滚压或滚花扩宽的支承轴段上或者使支承轴在多路凸轮部位在其定位后通过内部高压变形扩宽。滚压或滚花扩宽不仅可以用于空心的而且可以用于实心的支承轴，而通过内部高压变形扩宽只能使用空心支承轴。最后也可以通过磨削或滚轧在支承轴中带来直径差并使多路凸轮固定在具有较大直径的轴向位置上。
在权利要求13中给出一个与上述加工方法不同的加工方法。按照这个加工方法制备一个支承轴，它具有至少一个截段，该截段通过滚压或滚花进行表面加工，使得它具有一个与不加工的支承轴段相比加大的外直径。然后在这个支承轴上将第一分凸轮、环和第二分凸轮依次推到该支承轴的一个截段上，其外径没有通过滚压或滚花加大并且它靠近具有加大外径的截段。在此这样实现推上，使得分凸轮的接合轮廓面对环并且将分凸轮和环相对于支承轴调整到所期望的角位置。然后接着通过一起推上这些构件使第一分凸轮、环和第二分凸轮顶压到支承轴的滚压或滚花截段上，其中将环通过其内表面推到分凸轮的外表面上，由此构成多路凸轮并且传力连接和/或形状配合连接地轴向且不可相对转动地固定在规定位置上、即在支承轴的规定截段上。
上述的将分凸轮和环一起推上的方法的优点是，只需要一个工作过程，用于构成多路凸轮同时将它固定在支承轴的规定位置上。当然也可以使单个构件分别且依次地推到支承轴的滚压或滚花的截段上。
在另一实施方式中以上述方式也构成具有多于3个凸轮轮廓的多路凸轮。使分凸轮分别具有一个用于控制一个凸轮组件的凸轮轮廓和在轴向与该凸轮轮廓错开的两个接合轮廓。因此构成一个由多个环和多个分凸轮组成的多路凸轮。只具有一个接合轮廓的分凸轮分别构成多路凸轮的轴向终端。
此外也可以使接合轮廓在分凸轮上并且使内轮廓在环上基本上圆形地构成。在此可以使接合轮廓与支承轴同心地构成。
下面借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中：
图1以轴向截面图示出一个按照本发明的多路凸轮的单个部件，
图2以透视图示出一个按照本发明的多路凸轮的单个部件，
图3以轴向截面图示出一个组装的多路凸轮，它推到一个支承轴的一个给定截段上，
图4以立体图示出一个预装配的按照本发明的多路凸轮。
图1示出一个分凸轮1，它具有一个孔12、一个外凸轮轮廓4和一个接合轮廓7。以类似的方式分凸轮2具有一个孔12、一个凸轮轮廓5和一个接合轮廓8。附加地在分凸轮2上设有一个凸肩13，它与分凸轮2组合地构成。该分凸轮1，2的孔12的大小是相同的。环3具有一个外凸轮轮廓6以及一个内轮廓9，它具有一个内表面9a。如果要由在图1中所示的单个部件组装成一个多路凸轮，则将环3通过其内表面9a推到接合轮廓7，8的外表面7a，8a上。在推上到时在内表面9a与接合轮廓7，8的外表面7a，8a之间构成压配合。为了使这个压配合达到一个特别高的强度，使接合轮廓7，8的外表面7a，8a和/或环3的内表面9a配有沟槽纹，它们例如通过滚压或滚花实现。
在图2中清楚地看到，所述分凸轮1，2的接合轮廓7，8与环3的内轮廓9同样非圆地构成。通过这种方式使环3的内轮廓9构成与分凸轮1，2的接合轮廓7，8的形状配合连接。通过这种方法保证构件在圆周方向上相互间不可相对转动地定位。
在图3的轴向截面图中示出的支承轴10具有一个截段14，它在推上预装配的多路凸轮之前通过滚压或滚花进行过表面处理，因此在这个截段14上呈现一个比支承轴10的其余直径加大的外径。为了使多路凸轮轴向且不可相对转动地布置在支承轴10的截段14上，首先与支承轴10无关地预装配多路凸轮。为此首先将环3推到分凸轮2上。接着将环3推到分凸轮1的相应接合轮廓7上，由此实现预装配的多路凸轮。然后这个多路凸轮推到支承轴10的一个来滚压或未滚花的部位上并推到滚压或滚花的截段14上。在此所述分凸轮1，2的孔12的内表面可以具有一个齿部，其齿尖在轴向上延伸。在此齿深约为0.01至0.1mm是有利的。此外该孔12至少在推向支承轴10上的端部上具有一个漏斗形扩宽部分，它使相关的分凸轮易于推到支承轴10上。对于孔12的这种直径扩宽的适合数值适配于通过滚压所实现支承轴扩宽地在0.05mm至0.33mm的范围里面。如果将上述尺寸用于齿深或直径扩宽，则能够实现一种形状配合连接或传力连接。
在将预装配的多路凸轮推向以上述方式制备的截段14上后，可以将多路凸轮推到截段14上。在此在支承轴10与多路凸轮的分凸轮1，2之间构成形状配合连接和/或传力连接。对此要指出，按照本发明的多路凸轮具有一个相对较大的接合长度，由此提高连接强度并且减少分凸轮1，2在接合过程中的负荷。
对于上述的将多路凸轮固定在支承轴10的截段14上的方式和方法也可以选择通过射线焊接实现多路凸轮的固定。在这种情况下对于在图3中所示的结构使焊接射线有利地沿着缝隙16导引。由此在多路凸轮不与凸轮组件(未示出)接触的部位中实现焊接连接。在图3中通过以X表示的线表示焊接射线。如果通过射线焊接进行多路凸轮在支承轴10上的固定，则只在一个或在两个分凸轮1，2上构成凸肩13是不重要的。同样不重要的是，凸肩13是否与分凸轮2一体地构成或者是否由单独的构件构成，如图3所示的那样。
在图4中以透视图示出一个预装配的多路凸轮15。以上述方式得到这个预装配的多路凸轮15，方式是通过将环3推上到接合轮廓7，8上使在图1和2中所示的单个部件(分凸轮1、环3和分凸轮2)组合到一起。
附图标记列表
1.  分凸轮
2.  分凸轮
3.  环
4.  凸轮轮廓
5.  凸轮轮廓
6.  凸轮轮廓
7.  接合轮廓
7a  外表面
8.  接合轮廓
8a  外表面
9.  内轮廓
9a  内表面
10  支承轴
12  孔
12a 内轮廓
12b 内轮廓
13  凸肩
14  截段
15  多路凸轮
16  缝隙
X   焊接射线

Claims (15)

1.用于凸轮轴的组装式多路凸轮，包括
·第一分凸轮(1)，它具有孔(12)、凸轮轮廓A(4)和轴向设置在这个凸轮轮廓旁边的具有外表面(7a)的接合轮廓(7)，
·第二分凸轮(2)，它具有孔(12)、凸轮轮廓A(5)和轴向设置在这个凸轮轮廓旁边的具有外表面(8a)的接合轮廓(8)，
·环(3)，它具有与凸轮轮廓A不同的凸轮轮廓B(6)和具有内表面(9a)的内轮廓(9)，其中该环(3)通过其内表面(9a)可以推到分凸轮(1，2)的外表面(7a，8a)上，
·以及连接机构，它们在环(3)与分凸轮(1，2)之间作用并且保证这些构件之间固定的连接。
2.如权利要求1所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述环(3)的内轮廓(9)和分凸轮(1，2)的接合轮廓(7，8)非圆形。
3.如权利要求1或2所述的组装式多路凸轮，其特征在于，优选使在环(3)与分凸轮(1，2)之间作用的连接机构由压配合和/或形状配合连接构成。
4.如权利要求1至3中所述的组装式多路凸轮，其特征在于，在两个分凸轮(1，2)的至少一个分凸轮上在从接合轮廓(7，8)到凸轮轮廓(4，5)的过渡部位中设置凸肩(13)，它在径向上突出于分凸轮(1，2)的外表面(7a，8a)。
5.如权利要求4所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述凸肩(13)与分凸轮(1，2)一体地、例如以半径或棱角构成。
6.如上述权利要求中任一项所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述环(3)的轴向长度大于接合轮廓(7，8)的轴向长度之和。
7.如上述权利要求中任一项所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述外表面(7a，8a)配有例如通过滚压或滚花设置的沟槽纹。
8.如上述权利要求中任一项所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述内部环表面(9a)具有沟槽纹或一个轴向延伸的齿部。
9.如上述权利要求中任一项所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述环(3)的内轮廓(9)在其轴向端部上具有径向的扩宽部分。
10.如上述权利要求中任一项所述的组装式多路凸轮，其特征在于，所述孔(12)在至少一个分凸轮(1，2)的至少一个端部上具有相对于孔(12)漏斗形地扩宽的内轮廓(12a，12b)。
11.组装式凸轮轴，其具有至少一个如权利要求1至10中任一项所述的组装式多路凸轮。
12.用于加工具有至少一个如权利要求1至10中任一项所述的多路凸轮(15)的组装式凸轮轴的方法，其特征在于下列方法步骤：
a组装多路凸轮(预装配)
b将预装配的多路凸轮推到支承轴(10)上直到支承轴(10)的一个给定截段(14)，
c将多路凸轮轴向且不可相对转动地固定在支承轴(10)的这个给定截段(14)上。
13.用于加工具有至少一个如权利要求1至10中任一项所述的多路凸轮(15)的组装式凸轮轴的方法，其特征在于下列方法步骤：
a制备支承轴(10)，它具有至少一个截段(14)，该截段通过滚压或滚花已经进行表面加工，使得它具有与支承轴(10)的未加工截段相比更大的外径，
b将第一分凸轮(1)、环(3)和第二分凸轮(2)推到支承轴(10)的一个截段上，该截段的外径不通过滚压或滚花加大并且它靠近表面加工过的截段(14)，其中接着推入，使得分凸轮(1，2)的接合轮廓(7，8)面对环(3)并且调定分凸轮(1，2)和环(3)相对于支承轴(10)的所期望的角位置，
c压上第一分凸轮(1)、环(3)和第二分凸轮(2)，将这些构件一起推到支承轴(10)的表面加工过的截段(14)上，其中环(3)通过其内表面(9a)推到分凸轮(1，2)的外表面(7a，8a)上，由此构成多路凸轮并且传力连接和/或形状配合连接地轴向且不可相对转动地固定在给定位置(截段14)上。
14.用于加工组装式凸轮轴的方法，该凸轮轴具有一个支承轴(10)、例如管或杆，凸轮轴具有至少一个对应于权利要求1至10中任一项所述的多路凸轮(15)，该多路凸轮具有至少三个轴向相邻设置的凸轮轮廓，其特征在于，分别交替地且直到达到所需的凸轮轮廓数量地
·首先将具有凸轮轮廓的第一分凸轮(1)、
·其次将具有凸轮轮廓的环(3)、
·然后将具有凸轮轮廓的另一分凸轮(2)
推到支承轴(10)上并接着以在支承轴(10)上以给定径向角度轴向且不可相对转动地固定在给定的轴向位置上来形成多路凸轮(15)。
15.如权利要求12或14所述的用于加工组装式凸轮轴的方法，其特征在于，为了固定至少一个分凸轮(1，2)使焊接射线(X)、例如激光射线或电子射线穿过分凸轮(1，2)径向传导到轴向位置上，在该轴向位置上所述环(3)与要被焊接的分凸轮(1，2)以缝隙(16)间隔，并由此使分凸轮(1，2)与支承轴(10)至少点焊。
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