DE10049047C2

DE10049047C2 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle und danach hergestellte Nockenwelle

Info

Publication number: DE10049047C2
Application number: DE2000149047
Authority: DE
Inventors: Bodo Furchheim; Franz-Josef Schleifstein
Original assignee: Salzgitter Antriebstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Salzgitter Antriebstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: DE10049047A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, auf wel cher Maschinenelemente außen befestigt sind. Die Maschinenelemente, die au ßen aufgebracht werden, sind beispielsweise Zahnräder, Antriebe, Nocken, Kur venscheiben. 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 Aufschie ben der Nocken durch Einwirkung von Druck aufgeweitet wird. Als Druckmedi um 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 Maschinenele menten wie Nocken außen auf der Welle sehr gut eignet und in der Praxis An wendung findet, so haben derart hergestellte Wellen noch den Mangel, dass an ihren Enden in einem weiteren Verfahren getrennt hergestellte Funktionselemen te mit der Welle verbunden werden müssen. Es werden in die Welle Bolzen mit entsprechenden Passsitz eingebracht und mit der Welle durch Stifte kraftschlüs sig 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 einem oder beiden Enden eine Verbindung mit Antrieben erforderlich sind. Hierzu ist es bekannt, diese Ma schinenelemente 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 Fertigungs aufwandes für das Element, die genaue Passung auf die Welle und die kraft schlüssige Verbindung mit der Welle. Die Verbindung kann auch durch IHU her gestellt werden, aber beseitigt nicht alle Mängel.

Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen einer Aufbau-Nockenwelle aus der DE 36 16 901 A1 bekannt, bei dem Nockenscheiben auf eine Hohlwelle aufgesteckt, Endkappen über Enden der Hohlwelle aufgestülpt werden und die so entstande ne Konstruktion in eine Form eingebracht wird. Eine Ausbauchung und eine Ausweitung des Durchmessers in bestimmten Bereichen wird durch ein Einfüh ren eines Fluids unter einem Druck in die Hohlwelle erreicht. Dadurch wird eine Vereinigung der Endkappen mit der Hohlwelle bewirkt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine temporäre Fixierung der Nockenscheiben und Endkappen er reicht, und anschließend in einem weiteren Arbeitsschritt das Fluid unter Druck in die Hohlwelle eingebracht. Somit sind bei diesem Verfahren zwei unterschied liche Arbeitsschritte notwendig.

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 Maschinen element aus einem Teil besteht, die damit einer form- und kraftschlüssigen Ver bindung entspricht, so besteht der Nachteil, dass zwei Verfahren erforderlich sind und damit Nacharbeiten unter Umständen nicht auszuschließen sind.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 299 18 298 U1 ist eine aus einem Rohr gebildete Nockenwelle bekannt, wobei Rohrenden durch Kneten derart ver formt sind, dass die ursprünglichen Durchmesser des Rohres aufgeweitet oder verjüngt sind. Dadurch werden Lagerflächen, Antriebs- und/oder Steuerelemente sowie Innen- und/oder Außengewinde erzeugt. Bei der Herstellung der Nocken welle wird das Rohr in dem Bereich, in dem die Nocken angeordnet sind, durch ein Innenhochdruck-Verfahren aufgeweitet. Dabei werden in ein zur Durchfüh rung des Innenhochdruck-Verfahrens verwendetes Werkzeug Tragringe entspre chend der Positionen der Nocken eingelegt.

Gemeinsam haben alle bekannten Verfahren zur Herstellung von mit der Welle verbundenen Elementen zum Zweck der Ankopplung oder Lagerung den Nach teil, dass das Verfahren des Herstellens und kraft- und formschlüssigen Verbin dens mit der Welle mindestens einen zusätzlichen Verfahrensschritt erfordert. Hinzu kommt noch die mechanische Bearbeitung. Es sind z. B. Fügeprozesse er forderlich 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 den Ansprüchen 8 und 9.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart ausgeführt, dass in zumindest das eine Ende einer Hohlwelle ein Element eingebracht wird, welches nach Durchfüh rung des Verfahrens die Hohlwelle verschließt und eine entsprechende Funktion als Lager, Führung, oder Verbindungselement je nach Einsatzgebiet der Hohl welle übernimmt. Das Element ist ein massiver Körper mit einem Außendurch messer, der annähernd dem Innendurchmesser der Hohlwelle ist. Für die Funkti on der Hohlwelle erforderliche Maschinenelemente, z. B. Zahnräder, Nocken, werden ebenfalls auf die Hohlwelle aufgeschoben. Die so bestückte Hohlwelle wird unter gleichzeitiger Positionierung der aufgeschobenen Maschinenelemente in ein IHU-Werkzeug eingelegt. In bekannter Weise wird bei gleichzeitiger Wir kung des Druckmediums ein Stempel gegen zumindest eine Stirnseite der Hohl welle in deren axialer Richtung gedrückt. Der Aufbau des Innenhochdrucks so wie das gleichzeitige Drücken des Stempels erfolgen so, dass ein die IHU-Form ausfüllender Materialfluss des Materials der Hohlwelle entsteht, der das genann te Element umschließt und die aufgeschobenen Maschinenelemente kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle verbindet. Das mit dem genannten Element ver schlossene Ende der Hohlwelle wird entsprechend der Funktion der Nockenwelle mechanisch bearbeitet. Erfindungsgemäß wird die Hohlwelle durch die gleichzei tige Druckeinwirkung und die Bewegung des Stempels in axialer Richtung in Verbindung mit dem Element gestaucht.

Diese Stauchung bewirkt, je nach der geometrischen Ausbildung des eingesetz ten 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 beiden Seiten des Elements den Innendurchmesser der Hohlwelle.

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

Entsprechend dem Einsatz der Nockenwelle, d. h. seiner Lagerung, Verbindung mit der Funktion entsprechenden Aggregaten des Motors oder Antriebselemen ten, wird das Element in der Hohlwelle im endgültigen Zustand mechanisch ge trennt 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 Bol zen 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. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein IHU-Werkzeug mit eingelegter Hohl welle,

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

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine Nockenwelle mit eingebrachtem Ele ment und aufgebrachten Nocken.

Anhand von Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. In ein bekanntes IHU-Werkzeug 1 wird eine Hohlwelle 2 eingelegt, deren Außen durchmesser D_A dem Innendurchmesser des Werkzeuges 1 entspricht. Gleichzei tig 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 vor gegebene 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 verbun den. An der Linie 5 wird in bekannter Weise das Ende abgetrennt und es ent steht 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 Ma terial der Hohlwelle 2 vor und hinter diesem angestaucht, und der Innendurch messer 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 beide Enden 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, dass gleichzeitig im Bereich des Elements 3 in der Hohl welle 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. Überra schenderweise 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 durchgeführte Ver fahren in einem einzigen IHU-Verfahren ausgeführt werden. Darin ist der Vor teil des erfindungsgemäßen Verfahrens begründet. Die Elemente 3 und Maschi nenelemente, wie z. B. Nocken 7, werden in einem vorangehenden Verfahren in bekannter Weise hergestellt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit folgenden Verfahrens schritten:
für die Funktion der Nockenwelle erforderliche Maschinenelemente (7) werden auf eine Hohlwelle (2) aufgeschoben;
in zumindest das eine Ende der Hohlwelle (2) wird ein Element (3) eingeschoben, dessen Außendurchmesser (D_E) annähernd gleich dem Innendurchmesser (D_I) der Hohlwelle (2) ist;
die so bestückte Hohlwelle (2) wird unter gleichzeitiger Positionie rung der aufgeschobenen Maschinenelemente (7) in ein IHU- Werkzeug (1) eingelegt;
nach dem Schließen des IHU-Werkzeuges (1) wird zur Erzeugung des Innenhochdrucks ein Druckmedium unter dem erforderlich ho hen Druck in die Hohlwelle (2) eingeleitet und hier zur Einwirkung gebracht;
gleichzeitig mit dem Wirken des Druckmediums wird ein Stempel (4) gegen zumindest eine Stirnseite der Hohlwelle (2) in deren axialer Richtung gedrückt;
der Aufbau des Innenhochdrucks sowie das gleichzeitige Drücken des Stempels (4) erfolgen so, dass ein die IHU-Form ausfüllender Materialfluss des Materials der Hohlwelle (2) entsteht, der das ge nannte Element (3) umschließt und die aufgeschobenen Maschi nenelemente (7) kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle (2) ver bindet;
das mit dem genannten Element (3) verschlossene Ende der Hohl welle (2) wird entsprechend der Funktion der Nockenwelle mecha nisch bearbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mechanische Bearbeitung wenigstens eines Endes der Hohlwelle (2) eine plane Fläche erzeugt wird und in diese ein Innengewinde oder eine Bohrung eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die mechanische Bear beitung des verschlossenen Endes der Hohlwelle (2) derart erfolgt, dass ein Bolzen oder ein Gewindebolzen angearbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Hohl welle (2) eingebrachte Element (3) in einem vorangegangenen mechanischen Verfah ren 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 (7) und Elemente (3) in einem getrennten Verfahren hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschi nenelemente (7) und Elemente (3) aus einem anderen Material als der Hohlwelle (2) 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 Nocken welle 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 Gewinde bolzen ausgebildet ist.