CZ20004442A3 - Způsob výroby vačkového hřídele a vačkový hřídel vyrobený tímto způsobem - Google Patents

Description

Oblast_t 22tíGÍ!SX

Vynález se týká způsobu výroby vačkových hřídelů a vačkového hřídele vyrobeného tímto způsobem. S výhodou se jedná o vačkové hřídele pro motory motorových vozidel, avšak tento způsob je také vhodný pro výrobu obdobných předmětů, jako například na hřídeli uspořádaných křivkových kotoučů.

To jsou elementy, které převádějí rotační pohyb do zdvihového pohybu, zatímco zdvihové elementy se pohybují na rotujících kotoučích s různým zakřivením a proti směru otáčení.

Dosayadní_stav_techniky

Jsou známé vačkové hřídele, které jsou vyrobeny z jednoho kusu, to znamená, že jsou vykovány nebo odlity. Pohybové dráhy na vačkách, které podléhají otěru, jsou po mechanickém třískovém obrábění přetaveny prostřednictvím laserových paprsků, elektronických paprsků nebo wolframových elektrod nebo jsou například indukčním nebo tepelně chemickým procesem vytvrzeny. Potom následuje další mechanické opracování, například broušení ložisek a tvarů vaček. Tyto vačkové hřídele mají tu nevýhodu, že jejich hmotnost a tím také pohybující se hmotnost je značně vysoká. Vysoká hmotnost vačkového hřídele působí nevýhodně na spotřebu paliva. Další nevýhoda spočívá ve vysokých mechanických nákladech při opracovávání polotovaru.

Dále je známé vyrábět vačkové hřídele z jednotlivých součástí. Jednotlivé vačky se na hřídele nanášejí a jsou s ním spojeny s výhodou například prostřednictvím svařování, jsou nalisovány nebo jsou naraženy. U tohoto provedení je • ·

- 2 sice nedostatek vysoké hmotnosti masivních křivkových kotoučů z jednoho kusu odstraněn, protože hřídel může být vytvořen jako dutý hřídel, avšak náklady na výrobu jsou stále ještě vysoké.

Podle dalšího provedení způsobu je také známé upevnit jednotlivé vačky na dutém hřídeli tak, že se dutý hřídel po nasunutí vaček působením tlaku rozšíří. Jako tlaková média se přednostně používají kapaliny. Tlak je vytvářen prostřednictvím pístu nebo razníku, jak je to patrno z DE 34 09 541 a DE 35 21 206. Tento způsob však má tu nevýhodu, že výroba jednotlivých součástí, zejména jejich spojení, je technologicky komplikovaná a vnitřní obrys vaček je omezen.

Dále je známé vyrábět vačkové hřídele tak, že u podlouhlého dutého tělesa, to znamená dutého hřídele, se prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem vytvarují vačky buď jednotlivě nebo postupně nebo současně.

V souladu s dvoudílnými nebo čtyřdílnými nástroji je posunutím dutého hřídele v axiálním směru zajištěno, že vačky vzniknou definovaně ve své poloze a že se uskuteční jednodílné vytvarování, jak je to patrno z WO 97/46341.

Podle tohoto způsobu vyrobený vačkový hřídel má však ten nedostatek, že i když jsou výrobní náklady proti vykovaným nebo složeným vačkovým hřídelům menší, tak je nedostatečná odolnost proti otěru vačkových ploch. Není totiž možné vykonávat s materiálem, který by zabezpečoval dostatečnou pevnost v otěru, způsob tváření s vysokým vnitřním tlakem. Mimoto není možné při malém odstupu vaček na hřídeli, jak je to zpravidla u motorů motorových vozidel potřebné, vytvářet rovnou pohybovou plochu na vačkách, protože v místech s největším stupněm přetvoření je materiál nutně zeslaben, což záporně ovlivňuje pevnost.

• ·· · ··

Pokud se pro dutý hřídel použije materiál, který přispívá ke zmenšení těchto nedostatků, tak sice připouští dobré přetvoření, ale prostřednictvím následného vytvrzovacího procesu nelze dosáhnout požadované tvrdosti, případně odolnosti proti otěru. Právě tvrdost a odolnost proti otěru vaček je ale základním předpokladem pro vysokou životnost vačkových hřídelů v motorech motorových vozidel. Je však také velmi obtížné, pokud je to vůbec možné, dosáhnout v celé oblasti vačkového hřídele, to znamená vlastního hřídele a speciálně boků a špiček vaček potřebných materiálových tlouštěk.

Dále je také známé vyrábět vačkovou dráhu vytvářející trubkové úseky s excentrickým profilováním a toto zesilovat při využití lisovacího sedlového svazku. Výroba vačky se usku tečnuje explozivním přetvařováním trubky. Jednotlivé vačky jsou příslušně k sobě navzájem přesazeny a upevněny na vačkovém hřídeli, jak je to známé z DD 243 223. Tyto v současnosti vyráběné vačkové hřídele vyžadují vysoké výrobní náklady a mají vysokou hmotnost. Plastický proces přetvařování není ovladatelný v závislosti na čase.

ř2l§tata_vynálezu

Vynález si klade za úkol vytvořit způsob pro výrobu vačkových hřídelů, prostřednictvím kterého by při využití známého způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem bylo možné vyrábět vačkové hřídele, které by byly pevné, které by měly nepatrný průhyb, které by měly vysokou pevnost ve zkrutu a vysokou tuhost v ohybu v plochách zatížení na bocích a špičkách vaček. Tento způsob výroby má být jednoduchý. Nanášení přídavné vrstvy, to znamená vrstvy odolné proti otěru v dalším kroku procesu má odpadnout, stejně tak jako nákladné mechanické dodatečné obrábění. Materiálové nasazení má být • · nepatrné. Počet potřebných jednotlivých součástí pro celý vačkový hřídel má být ve srovnání se známými způsoby výroby vačkových hřídelů redukován.

Podle vynálezu je vytvčený úkol řešen prostřednictvím znaků patentového nároku 1 a 8. Výhodná uspořádání jsou uvedena v patentových nárocích 2 až 7 a 9 až 17.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že v odděleném způsobu se vyrábějí odpovídá-jící tvrdé a v otěru odolné nosné kroužky s malou tloušťkou stěny a konečným tvarem vačky, tyto nosné kroužky se prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitř ním tlakem vkládají do nástroje způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem a prostřednictvím nástroje způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem a do trubky zaváděných axiálních sil ve spojení prostřednictvím tlakového média vytvářenými vnitřními silami se provádí jedno- nebo dvoustupňové přetvařování trubky vačkového hřídele.

Společně s ukončením procesu přetvařování se uskutečňuje silově a tvarově pevné spojení vačky s nosným kroužkem.

Na koncích vačkového hřídele jsou uspořádány o sobě známé úložné elementy, které jsou o sobě známým způsobem upevněny.

V dalším výhodném uspořádání způsobu se ve stupni, který předchází uvedenému způsobu, plasticky deformuje trubka z hmo ty, která má požadované vlastnosti pro deformování a splňuje mechanické požadavky, a to prostřednictvím známého zahnětení, nazývaného také valivé zahnětení, nebo prostřednictvím spěcho vání, a to tak, že se přetvařuje trubka zcela nebo jen částečně a nebo plasticky jen konce vačkového hřídele, tedy například protáhnou a/nebo se stlačí. Na koncích se tak vytvoří tvarové elementy pro poháněči a ovládací elementy, například sedla pro ozubená kola. Ve stupni způsobu, který následuje za předcházejícím, se způsobem tváření s vysokým vnitř··· · ním tlakem rozšíří trubka v té oblasti, ve které jsou uspořádány vačky, přičemž před tím se do nástroje způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem vloží nosné kroužky v souladu s polohami vaček.

U vaček, které jsou velmi špičaté, vzniká, pokud mají nosné kroužky shodnou tlouštku stěny,ta nevýhoda, že trubka musí být podrobena značnému stupni přetvařování a za určitých okolností je potřebný i vícestupňový proces přetvařování. Tím narůstají výrobní náklady při klesající produktivitě. Mimoto existují vně vačkového hřídele v hlavě válce rušivé kontury mezi, případně vedle vaček. Prostřednictvím nich je omezen konstrukční prostor, který je k dispozici a je znesnadněn proces způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem. Tato omezení lze odstranit, pokud je to vůbec možné, jen komplikovaným vícestupňovým procesem způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem. To opět vyžaduje vysoké výrobní náklady. Proto spočívá výhodné vytvoření způsobu, případně podle něj vyrobeného vačkového hřídele v tom, že nosné kroužky, které se vyrábějí v odděleném způsobu, odpovídají na vnější straně funkčně podmíněnému obrysu a uvnitř mají o něco větší průměr než trub ka. Síla stěny nosného kroužku není rovnoměrná, ale má v oblasti špičky vačky větší tlouštku. To znamená, že nosný kroužek má jako vačka variabilní tlouštku a vnitřní obrys není kruhový.

Způsob podle vynálezu spočívá v podstatě v tom, že se navzájem kombinují dva nebo více známé moderní způsoby výroby.

Je výhodné, když se v nosném kroužku upraví radiálně nejméně jedna drážka, Čímž se zabrání bočnímu posunu nosného kroužku, protože při tlakovém působení se tato drážka vyplní materiálem hřídele.

• ·

Další výhodné uspořádání způsobu spočívá v tom, že se na hřídeli upevní poháněči a/nebo ovládací elementy také prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem. Také úložné plochy mohou být vytvořeny prostřednictvím rozšíření trubky prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem. Výhodné je zejména zpevnění trubkového materiálu za studená, které vznikne působením plastického deformačního procesu.

Vačkový hřídel, který je vyroben způsobem podle vynálezu, je z hlediska dutých vaček a velmi tenkostenných nosných kroužků hmotnostně velmi lehký a má vysokou tuhost. Vytváří se také ta výhoda, že nosné kroužky nemusejí být bud vůbec nebo jen nepatrně mechanicky dodatečně opracovávány. Jejich tvrdost je již dána v souladu s požadavky, čímž se uspoří obvyklé dodatečné vytvrzování, například indukční vytvrzování nebo tavné vytvrzování ve vakuovém procesu.

Prostřednictvím dalšího uspořádání způsobu vzniká přídavná výhoda, která spočívá v tom, že kruhové zahnětení nebo spěchování ve spojení se způsobem tváření s vysokým vnitřním tlakem vyžaduje na rozdíl od všech známých způsobů výroby velmi nízké výrobní náklady a tím také hospodářské náklady. Ty se zmenšují především také ještě tím, že počet odděleně vyráběných a následně spojovaných jednotlivých součástí je velmi malý. Prostřednictvím této výroby podle vynálezu také odpadnou zdroje chyb, které mohly vzniknout prostřednictvím dosavadního spojování koncových kusů. Podstatná výhoda způsobu spočívá také v tom, že prostřednictvím procesu zahnětení lze vyrábět funkční elementy, které z hlediska svojí geometrie, dodržování rozměrů a kvalitní povrchové plochy vyžadují jen velmi nepatrné mechanické dodatečné opracování. Zpravidla je potřebný pro dohotovení jen jeden proces broušení.

• ·

4 4 · ♦ «444

444· 4 4 44 44 4 • 4 · 4 · 4 4 4

4444 ·4 44· 44· 44 44

- 7 Vačkový hřídel vyrobený způsobeni podle vynálezu sestává jen z nepatrného počtu jednotlivých součástí. Prostřednictvím ukončení procesu přetvařování jsou vačkové kroužky spojeny silově a tvarově pevně s hřídelem.

Výhodné také je opatřit nosný kroužek na straně přivrácené k trubce po jedné straně nebo po obou stranách fasetami. Tím se zabrání bočnímu posunutí na hřídeli.

Výhodné provedení nosných kroužků spočívá v tom, že nosný kroužek na rozdíl od stavu techniky sestává z plastických hmot nebo ze slinovacích materiálů. Tyto materiály poskytují výhodu jednoduché výroby při nízkých výrobních nákladech.

Dále je možné použít keramické materiály. Ty totiž mají výhodu při nejvyšší odolnosti proti otěru a nejmenší hmotnosti zajistit výrobu nejlehčího vačkového hřídele.

Další výhodné vytvoření vačkového hřídele spočívá v tom, že trubka sestává z aluminia nebo z titanu. Tím je vačkový hřídel velmi lehký.

Přeh I _ 52 2 _Y XÍSI £ §£ £h

Vynález je v dalším podrobněji popsán na dvou příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 je znázorněn podélný řez hotovým vačkovým hřídelem.

Na obr. 2 je znázorněn příčný řez vačkou na hřídeli.

Na obr. 3 je znázorněn výřez ve tvaru podélného řezu skrz vačku na hřídeli.

·· *· • · · · · «

Λ ···· · · · · • · · · · *· 9 9 9 9 99 99 9

Na obr. 4 je znázorněn vačkový hřídel s konci přetvařovanými prostřednictvím kruhového hnětení a spěchování.

Na obr. 5 je znázorněn vačkový hřídel s nosnými kroužky s variabilní tlouštkou v řezu.

?£íHIady_provedení_vynálezu

Na obr. 1 až obr. 3 je znázorněna výroba vačkového hřídele prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem.

Na tenkostěnné trubce X z dobře deformovatelného materiálu se prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem v lisovací formě vyrobí vačkový hřídel blízký požadovanému obrysu, to znamená, že ta místa, kde má vačka 2 svoje místo, jsou vytvarována v souladu s rozměry vačky 2 a její polohy. Hřídel se svými vačkami 2 je jediné duté těleso. Ve známém procesu se nezávisle zhotoví nosné kroužky 3, jak je to patrno z obr. 2 a obr. 3. K tomu účelu je například trubka JL z materiálu odolného proti otěru profilováno tak, že se vytvoří konečný tvar nosného kroužku 3, to je vačky, a vytvrdí se. Předem zhotovená trubka 1^ která se tvarnjě do vačkového hřídele, se zasune skrz nosné kroužky 3 a společně s nimi se vloží do otevřeného nástroje pro přetvařování. Všechny jednotlivé součásti jsou tímto způsobem polohově fixovány. Nástroj pro přetvařování se axiálně uzavře a radiálně lze zavést sílu pro přetvařování. Zavedení síly začíná působením definované axiální síly na trubku 1. a/nebo nástroj, přičemž je podporováno definovaným vnitřním tlakem v trubce JL Po úplném axiálním a radiálním uzavření nástroje se uskuteční čistým způsobem tváření s vysokým vnitřním tlakem proces tvarově a silově pevného spojení trubky JL a nosného kroužku

3. Na konci trubky X jsou známým způsobem uspořádány úložné,

Μ • 9

9

999 ·· · |σ> 'jí<

poháněči nebo ovládací elementy 5. Je také možné tyto upevnit na trubce JL prostřednictvím procesu způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem.

Je také možné upravit uvnitř nosného kroužku 3 radiálně drážku 4, čímž se zdokonalí držení na vačce 2, protože tato drážka 4 se vyplní materiálem trubky JL. Možné je také opatřit nosný kroužek 3 na vnitřním průměru fasetami, které se při uzavření procesu způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem naplní materiálem.

Na dalším příkladu provedení je popsána výroba vačkového hřídele prostřednictvím způsobu tváření s vysokým vnitř ním tlakem v kombinaci se způsobem hnětení podle obr. 4.

Trubka JL z dobře tvarovatelného materiálu je na svých koncích kruhovým hnětením nebo spěchováním vytvarována zesíleně. Na jedné straně se tím její vnitřní průměr IL změn a její vnější průměr se vytvoří tak, že vznikne oblast zesilující vačkový hřídel. Na nejvíce vně upraveném konci vznikne funkční element 7, jehož sedlo se broušením uvede na jeho koncový rozměr. Na opačném konci se také prostřednictvím hnětení nebo spěchování, současně s hnětením již popsaného konce, také zmenší vnitřní průměr IL a vytvoří se další funkční element J7, jako například ložiskové sedlo, ovládací vačka atd. V následujícím kroku způsobu je současně také spěchován nákružek 8, který je potřebný pro připojení jiných agregátů.

Po prvním stupni způsobu se upraví v odděleném způsobu vyrobené nosné kroužky 3, které mají tvar odpovídající vačkám 2 a je na nich upraveno neznázorněné řetězové kolo prostřednictvím silově a tvarově pevného způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem. K tomu účelu se vloží nosné kroužky 3 a řetězové kolo do nástroje způsobu tváření s vysokým vnitř♦ * • · · · • · ♦ · · • · · · • ·* ·· • 9 · · • ·♦· · · • · · ·«·· ···

- 10 ním tlakem.

Na obr. 5 je znázorněn příklad provedení vačkového hřídele, u kterého má nosný kroužek 3 rozdílnou tlouštku.

Trubka χ z dobře deformovatelného materiálu má vnější průměr d . Nosný kroužek 3 ze slinutého kovu má vně funkcí podmíněný tvar a uvnitř není vytvořen ve tvaru kruhu. Jeho vnitřní průměr D. je o něco větší než vnější průměr d trubky χ. Tlouštka nosného kroužku 2 není konstantní. Výška A, která by vznikla, kdyby se vycházelo od konstantní tlouštky nosného kroužku 3, je větší než výška A maximálního deformování trubky χ a tak je poloměr JU_ v oblasti deformování trubky χ větší proti poloměru ÍL při případné shodné tloušťce c nosného kroužku 3. V této oblasti je tlouštka c' nosného kroužku 3 větší a je upravena v konstantní tloušťce jc.

I když je také nosný kroužek 3 v této podobě ve své výrobě nepatrně dražší, tak převažují snížené náklady pro proces způsobu tváření s vysokým vnitřním tlakem, který je možné provádět jednostupňové.

Claims (17)

1. patentové nároky

   1. Způsob výroby vačkového hřídele z trubky (1), která se deformuje působením axiálních sil a prostředí pod vysokým vnitřním tlakem, v y z n a č u j í c í s e tím, že v odděleném způsobu vyrobené nosné kroužky (3) odpovídající obrysu vačky (2), požadované tvrdosti, pevnosti a odolnosti proti opotřebení se vloží do tvářecího nástroje s vnitřním vysokým tlakem společně s přetvářenou trubkou (l), a že působením axiálních sil a prostředí pod vysokým vnitřním tlakem se rozšířením trubky (l) nosné kroužky (3) silově a tvarově pevně upevní.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v prvním kroku způsobu před přetvořením vysokým vnitřním tlakem se oblasti, s výhodou konce trubek (1), které jsou vně oblastí, ve kterých jsou upraveny vačky (2), zahnětují a nebo spěchují tak, že se zesílí a/nebo stáhnou a přitom se vytvoří jiné funkční elementy.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi konci vačkového hřídele se v prvním kroku způsobu před přetvořením vysokým vnitřním tlakem vytvářejí úložné plochy a pozdější oblasti, ve kterých mají vačky (2) svoje uložení prostřednictvím kruhového hnětení, zatímco průměr se v této oblasti redukuje na požadovaný rozměr.
4. 4. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že mezi vačkami (2) se vytvářejí úložné plochy přetvářením vysokým vnitřním tlakem prostřednictvím rozšíření trubky (1).
5. 5. Způsob podle nejméně jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že nosné kroužky (3) se před

   - 12 • 9 99 • 9 9 9

   9 9 *

   9 999

   9 9

   9999 99

   vložením do nástroje pro přetváření vysokým vnitřním tlakem známým způsobem vytvrdí.
6. 6. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že v odděleném způsobu vytvořené ozubené nebo řetězové kolo se vložením do nástroje pro přetváření vysokým vnitřním tlakem a přetvářením vysokým vnitřním tlakem silově a/nebo tvarově pevně spojí.
7. 7. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že po vytvoření zhuštěných nebo zúžených konců vačkových hřídelů prostřednictvím kruhového hnětení se v přídavném kroku způsobu, který je integrován do uvedeného způsobu, vytvoří vnitřní ozubení a/nebo závit.
8. 8. Vačkový hřídel vyrobený podle nároku 1, vyznačují cí se tím, že vačkový hřídel je vyroben z trubky (1) prostřednictvím přetváření vysokým vnitřním tlakem tak, že hřídel má v oblasti obrysu všechny vačky (2) ve tvaru a poloze v jednom kuse, že na vytvarovaných vačkách (2) je silově a tvarově pevně nanesen podle obrysu vaček (2) vytvarovaný nosný kroužek (3) z tvrdého, proti otěru odolného materiálu, a že na koncích jsou známým způsobem umístěny úložné elementy a/nebo poháněči elementy a/nebo ovládací elementy (5).
9. 9. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, tlouštku.

   že nosné kroužky (3) mají shodnou stěnovou
10. 10. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, že tlouštka nosných kroužků (3) je variabilní, přičemž v oblasti vačkových špiček je tlouštka větší.
11. 11. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující

    ΦΦ ·* φ φ φ · φ * Φ • φφφ Φ φ Φ φφφφ φ Φ qV 2wo— ·*·»·* · • · · · φ · φφφ φ φ φ φ » φφ φφ

    - 13 se tím, že nosný kroužek (3) sestává ze slinutého kovu, z plastické hmoty nebo z keramiky.
12. 12. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, že trubka (1) sestává z aluminia, magnesia nebo z titanu nebo z jejich slitin.
13. 13. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, že konce trubky (1) jsou hnětením tak přetvořeny, že rozšířením nebo zúžením původního vnitřního průměru () nebo vnějšího průměru (d_&) trubky (l) jsou vytvořeny úložné plochy, poháněči a/nebo ovládací elementy (5) a vnitřní a/nebo vnější závity.
14. 14. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, že poháněči a ovládací elementy, s výhodou řetězová nebo ozubená kola, jsou umístěna prostřednictvím přetváření vnitřním vysokým tlakem.
15. 15. Vačkový hřídel podle nároku 14, vyznačující se tím, že v nosném kroužku (3) a v poháněčích a ovládacích elementech (5) je upravena nejméně jedna radiálně uspořádaná drážka (4).
16. 16. Vačkový hřídel podle nároku 14, vyznačuj ící se tím, že ke trubce (1) přivrácená strana nosného kroužku (3) a poháněči elementy mají na jedné straně nebo na obou stranách na straně přivrácené k trubce (l) fasety.
17. 17. Vačkový hřídel podle nároku 8, vyznačující se tím, že nosný kroužek (3) je před umístěním na vytvarovanou vačku (2) vytvržen.