DE10049047A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle und danach hergestellte Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Nockenwellen werden in jüngster Zeit aus Hohlwellen hergestellt und die auf ihr sitzenden Nocken werden nach dem IHU-Verfahren kraft- und formschlüssig befestigt. Zur Verbindung bzw. Ankopplung mit dem Antrieb oder zur Lagerung der Nockenwelle werden an den Enden in einem weiteren Verfahrensschritt die entsprechenden Maschinenelemente mechanisch hergestellt und durch Fügeprozesse mit hoher Paßgenauigkeit mit der Hohlwelle verbunden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in die Hohlwelle ein Element in Form eines Bolzens eingebracht und in das IHU-Werkzeug eingelegt. Die Nocken sind ebenfalls auf der Hohlwelle funktionsgerecht eingelegt. Zeitgleich mit der Wirkung des Druckmediums wird ein Stempel axial gegen die Stirnseite der Hohlwelle gedrückt. Der Materialfluß bewirkt ein Umschließen des Elements. Nach Abschluß des IHU-Prozesses wird die Hohlwelle im Bereich des Elements abgetrennt. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet sind Nockenwellen für Kfz-Motoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, auf welcher Maschinenelemente außen befestigt sind. Die Maschinenelemente die außen aufgebracht werden sind beispielsweise Zahnräder, Antriebe, Nocken, Kurvenscheiben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Nockenwellen für Kfz- Motoren.

Es ist bekannt, Nockenwellen für Kfz-Motoren durch das Innenhochdruck- Umformverfahren (IHU) herzustellen, indem eine Hohlwelle nach dem Aufschieben der Nocken durch Einwirkung von Druck aufgeweitet wird. Als Druckmedium werden vorzugsweise Flüssigkeiten verwendet. Die aufgeschobenen Nocken werden dabei kraft- und formschlüssig mit der Welle verbunden. (DE 34 09 541 A1). Wenn sich auch dieses Verfahren für das Aufbringen von Maschinenelementen wie Nocken außen auf der Welle sehr gut eignet und in der Praxis Anwendung findet, so haben derart hergestellte Wellen noch den Mangel, dass an ihren Enden in einem weiteren Verfahren getrennt hergestellte Funktionselemente mit der Welle verbunden werden müssen. Es werden in die Welle Bolzen mit entsprechenden Passitz eingebracht und mit der Welle durch Stifte kraftschlüssig verbunden. Es ist auch üblich, diese Bolzen mit der Welle zu verschweißen oder einzupressen. Diese Bolzen ragen entweder aus der Welle heraus und sind in diesem Bereich mit Gewinde versehen, oder sie haben ein Innengewinde.

Es gibt Anwendungen von Hohlwellen, bei denen an einer oder beiden Seiten eine Verbindung mit Antrieben erforderlich sind. Hierzu ist es bekannt, diese Maschinenelemente so zu gestalten, dass sie als Hülse ausgebildet sind, die auf die Welle geschoben und befestigt werden. Das Maschinenelement ist am außen liegenden Ende als Flansch ausgebildet, an dem die Ankopplung erfolgt. (DE 38 00 912 A1). Hierbei bestehen die Mängel des hohen mechanischen Fertigungsaufwandes für das Element, die genaue Passung auf die Welle und die kraftschlüssige Verbindung mit der Welle. Die Verbindung kann auch durch IHU hergestellt werden, aber beseitigt nicht alle Mängel.

Es ist bekannt, die Enden der Hohlwelle durch Rundkneten oder Stauchen so zu verformen, dass eine Verdickung erfolgt, sich der Innendurchmesser verringert und der Außendurchmesser durch Materialanhäufung auf ein Maß gebracht wird, dass ein Maschinenelement in bekannter Weise aufgebracht und befestigt wird. Es ist dabei das Ende der Welle durch IHU-Verfahren so zu stauchen, dass ein Bund bzw. Flansch entsteht. Diese Verfahrensschritte, sind auch durch Kneten bzw. Rundkneten auszuführen.

Wenn auch durch das Stauchen oder Kneten die Welle mit dem Maschinenelement aus einem Teil besteht, die damit einer form- und kraftschlüssigen Verbindung entspricht, so besteht der Nachteil, dass zwei Verfahren erforderlich sind und damit Nacharbeiten unter Umständen nicht auszuschließen sind.

Gemeinsam haben alle bekannten Verfahren zur Herstellung von mit der Welle verbundenen Elementen zum Zweck der Ankopplung oder Lagerung den Nachteil, dass das Verfahren des Herstellens und kraft- und formschlüssigen Verbindens mit der Welle mindestens einen zusätzlichen Verfahrensschritt erfordert. Hinzu kommt noch die mechanische Bearbeitung. Es sind z. B. Fügeprozesse erforderlich und ein nachträgliches Härten und/oder Bearbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem durch das bekannte IHU-Verfahren Elemente zum Antrieb und zur Lagerung in einer Hohlwelle kraft- und formschlüssig befestigt werden, und zeitgleich das Aufbringen von Maschinenelementen auf der Welle ausgeübt werden kann. Die Verbindung der Elemente mit der Welle soll unlösbar sein. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer nach dem Verfahren hergestellten Nockenwelle.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 6 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens. Die erfindungsgemäß hergestellte Nockenwelle ist in Anspruch 7 gezeigt, und deren zweckmäßige Ausgestaltungen in Ansprüche 8 und 9.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart ausgeführt, dass in die Hohlwelle mindestens auf einer Seite ein Element eingebracht wird, welches nach Durchführung des Verfahrens die Hohlwelle verschließt und eine entsprechende Funktion als Lager, Führung, der Verbindungselement übernimmt, je nach Einsatzgebiet der Hohlwelle. Das Element ist ein massiver Körper mit einem Außendurchmesser, der annähernd dem Innendurchmesser der Hohlwelle ist. Sind auf der Hohlwelle der Funktion entsprechend Maschinenelemente, z. B. Zahnräder, Nocken, angeordnet, so werden diese ebenfalls in der notwendigen Position auf die Welle geschoben. Diese so vorbestückte Hohlwelle wird in ein IHU-Werkzeug eingelegt. In bekannter Weise wird mindestens auf einer Seite der Hohlwelle ein Stempel des IHU-Werkzeuges in axialer Richtung bei gleichzeitiger Wirkung des Druckmediums bewegt. Dadurch wird die Hohlwelle an den Stellen, wo außen kein Maschinenelement positioniert ist, definiert aufgeweitet, und in dem Bereich, wo ein Maschinenelement positioniert ist, wird dieses durch den Innendruck kraft- und formschlüssig verbunden. Dieses an sich bekannte Verfahren wird erfindungsgemäß damit kombiniert, dass gleichzeitig durch die Druckeinwirkung und die Bewegung des Stempels in axialer Richtung in Verbindung mit dem Element die Hohlwelle gestaucht wird.

Diese Stauchung bewirkt, je nach der geometrischen Ausbildung des eingesetzten Elements, dass vor und/oder hinter ihm das Material der Hohlwelle gebracht wird. Damit ist das Element in axialer Richtung arretiert. Wird in das Element eine axial verlaufende Bohrung durchgehend eingebracht, dann wird der Druck auf beiden Seiten dieses Elements wirksam und verkleinert auf beide Seiten des Elements den Innendurchmesser der Hohlwelle.

Es kann auch vorteilhaft sein, das Element zwischen seinen beiden Enden im Durchmesser zu verrringern.

Entsprechend dem Einsatz der Nockenwelle, d. h. seiner Lagerung, Verbindung mit der Funktion entsprechenden Aggregaten des Motors oder Antriebselementen, wird das Element in der Hohlwelle im endgültigen Zustand mechanisch getrennt und dabei eine plane Fläche erzeugt. In diese wird beispielsweise eine Bohrung oder ein Gewinde eingebracht.

Es ist auch der Funktion der Nockenwelle angepaßt möglich, das Element nach dem Verbinden mit der Hohlwelle mechanisch derart zu bearbeiten, dass ein Bolzen oder ein Gewindebolzen stehen bleibt. Bei dieser Ausführungsform, kann auch bereits das Element vor dem Einbringen und Verbinden mit der Hohlwelle in seiner Form vorgefertigt sein.

An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Teilschnitt durch ein IHU-Werkzeug mit eingelegter Hohlwelle,

Fig. 2a u. 2b: Ausführungen eines Elements zum Einsetzen in die Hohlwelle,

Fig. 3: Teilschnitt durch eine Nockenwelle mit eingebrachten Element und aufgebrachten Nocken.

Anhand von Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.

In ein bekanntes IHU-Werkzeug 1 wird eine Hohlwelle 2 eingelegt, deren Außendurchmesser D_A dem Innendurchmesser des Werkzeuges 1 entspricht. Gleichzeitig wird auch ein Element 3, dessen Außendurchmesser D_E geringfügig kleiner als der Innendurchmesser D_I der Hohlwelle 2 ist, in die Hohlwelle 2 an eine vorgegebene Stelle eingelegt. Das Werkzeug 1, welches in der Regel zweiteilig ist, wird geschlossen. Der Stempel 4 des Werkzeuges 1 wird unter hohem Druck axial, bei gleichzeitigem Wirken des Druckmediums in die Hohlwelle 2, bewegt. Dabei staucht sich das Material der Hohlwelle 2 derart, dass das Element 3 vom Material der Hohlwelle 2 so weit eingeschlossen wird, dass sich der bisherige Innendurchmesser D_I der Hohlwelle 2 auf D_II verringert. Damit ist das Element 3 unter hohem Druck form- und/oder kraftschlüssig mit der Hohlwelle 2 verbunden. An der Linie 5 wird in bekannter Weise das Ende abgetrennt und es entsteht eine plane Fläche, in die beispielsweise ein Gewinde eingebracht wird.

In Fig. 2a und 2b sind zwei Ausführungen des Elements 3 dargestellt. Je nach Einwirkung des Druckmediums und der Geometrie des Elements 3 wird das Material der Hohlwelle 2 vor und hinter diesen angestaucht, und der Innendurchmesser D_I der Hohlwelle 2 auf D_II reduziert. Der Stempel des IHU-Werkzeuges drückt in Pfeilrichtung. Bei der Ausführung nach Fig. 2b wirkt das Druckmedium durch die Bohrung 6 auf beiden des Elements 3, obwohl es nur von einer Seite eindringt. Diese Ausführung des Elements 3 ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Element 3 weiter vom Ende der Hohlwelle 2 entfernt angeordnet ist. Bei Fig. 2a wirkt auf einer Seite der Stempel und auf der anderen Seite das Druckmedium, um die Materialanhäufung zu erreichen.

In Fig. 3 ist dargestellt, das gleichzeitig im Bereich des Elements 3 in der Hohlwelle 2 auf ihr ein Nocken 7 aufgebracht ist. Wie in Fig. 2b beschrieben, wird das Material zu beiden Seiten angehäuft, d. h. der Innendurchmesser D_I. Überraschender Weise wurde gefunden, dass sich an dieser Stelle der Hohlwelle 2 ihr Außendurchmesser D_A vergrößert und damit der dort aufgebrachte Nocken 7 gleichzeitig kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle 2 verbunden wird.

Mit diesem Beispiel wird gezeigt, wie beide bisher getrennt durchgeführten Verfahren in einem einzigen IHU-Verfahren ausgeführt werden. Darin ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens begründet. Die Elemente 2 und Maschinenelemente, wie z. B. Nocken 7, werden in einem vorangehenden Verfahren in bekannter Weise hergestellt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, durch Innenhochdruck- Umformen einer Hohlwelle, welche auf mindestens einer Seite verschlossen ist und auf deren Umfang verteilt Maschinenelemente kraft- und/oder formschlüssig aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hohlwelle ein Element mit annähernd gleichen Außendurchmesser wie der Innendurchmesser der Hohlwelle auf mindestens einer Seite positioniert wird, dass die Hohlwelle mit dem in ihr eingelegten Element in ein IHU-Werkzeug eingelegt wird, dass die für die Funktion, der Hohlwelle erforderlichen Maschinenelemente gleichzeitig beim Einlegen der Nockenwelle an der funktionsbedingten Stelle und Stellung auf die Hohlwelle aufgeschoben und positioniert werden, dass nach Schließen des IHU- Werkzeuges das Medium unter dem erforderlichen hohen Druck in der Hohlwelle zur Einwirkung gebracht wird, dass gleichzeitig mit dem von innen wirkenden Medium mindestens ein Stempel gegen mindestens eine Stirnseite der Hohlwelle gedrückt wird, um durch den Materialfluß durch die Druckeinwirkung des Mediums und den mechanischen Druck des Stempels die IHU-Form auszufüllen, wodurch das Element von dem Material der Hohlwelle umschlossen und die Maschinenelemente durch die Aufwertung der Hohlwelle kraft- und/ oder formschlüssig mit der Hohlwelle verbunden werden, und dass das Ende der Hohlwelle, das mit dem Element verschlossen ist, und durch mechanische Bearbeitung der Funktion der Kurbelwelle entsprechend hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Bearbeitung eine plane Fläche erzeugt wird und in diese ein Innengewinde oder eine Bohrung eingebracht werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung des verschlossenen Endes der Nockenwelle derart erfolgt, dass ein Bolzen oder ein Gewindebolzen angearbeitet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Hohlwelle eingebrachte Element in einem vorangegangenen mechanischen Verfahren bereits die annähernde funktionsbedingte Form erhalten hat und nach dem IHU-Verfahren maß- und funktionsgerecht bearbeitet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente und Elemente in einem getrennten Verfahren hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente und Elemente aus einem anderen Material als der Hohlwelle hergestellt werden.

7. Nockenwelle, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus einer Hohlwelle (2), auf ihr angebrachten Maschinenelementen, vorzugsweise Nocken (7), die auf der durch Innenhochdruck- Umformen aufgeweiteten Hohlwelle (2) kraftschlüssig mit der Hohlwelle (2) funktionsbedingt verbunden sind, dass durch ein Element (3) die Hohlwelle (2) an mindestens einer Seite kraft- und formschlüssig verschlossen ist, und dass das Element (3) geometrisch und mechanisch der Funktion der Nockenwelle angepaßt, bearbeitet ist.

8. Nockenwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) eine Bohrung oder ein Innengewinde besitzt.

9. Nockenwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) an seinem über die Hohlwelle (2) reichenden Teil als Bolzen, Zapfen oder Gewindebolzen ausgebildet ist.