Hohlwellen mit Tragringen kommen
in zahlreichen Varianten als sogenannte gebaute Nockenwellen im
Kraftfahrzeugbau zum Einsatz. Gebaute Nockenwellen weisen im Gegensatz
zu konventionellen gedrehten Nockenwellen separat gefertigte Nocken-
oder Tragringe auf, die auf die Hohlwelle aufgezogen werden und
anschließend
auf die Endkontur gebracht werden. Gemäß einer Variante werden dazu
die endkonturnah gefertigten Nockenringe in der vorgegebenen Position
und Stellung auf die Hohlwelle aufgeschrumpft. Hierbei erfolgt keine
bleibende Verformung der Welle selbst.
Es ist ferner bekannt, Hohlwellen
nach dem IHU-Verfahren herzustellen, indem die Hohlwelle mit den
darauf angeordneten Bauteilen, insbesondere Nockenringen und Antriebselementen,
entsprechend ihrer Funktion, in ein IHU-Werkzeug eingelegt werden.
Der erzeugte Innendruck bewirkt, daß sich die Welle ausdehnt und
die Bauelemente dadurch kraft- und formschlüssig mit der Welle verbunden
werden. Die Nockenringe, im folgenden als Tragringe bezeichnet,
werden, wie auch die anderen Bauteile, in einem getrennten Verfahren
hergestellt, besitzen die dem späteren
Einsatz entsprechenden Werkstoffeigenschaften, d. h. insbesondere
die geforderte Verschleißfestigkeit.
Es werden in gleicher Weise auch Antriebselemente, wie z. B. Zahnräder, befestigt. Durch
den IHK-Prozeß wird
die Welle erst elastisch, dann plastisch verformt, so daß die Bauteile
während der
plastischen Verformung nur so genau fixiert und befestigt werden
können,
wie es Ihre Herstelltoleranzen gestatten.
Durch den Innendruck im IHU-Verfahren
erfolgt in jedem Fall auch eine elastische Verformung der jeweiligen
Bauteile, insbesondere auch der Tragringe. Des weiteren kommt es
aufgrund der Elastizität der
Werkstoffe bei der Ausformung zu einer elastischen Rückstellung
der Konturen, bei der ein Teil der zuvor hergestellten Geometrie
verloren geht. Die elastische Verformung der Tragringe wie auch
die Rückstellung
muß bei
der Konturgebung der Tragringe berücksichtigt werden, wobei es
im Rahmen der Fertigungstoleranzen für die einzelnen Fertigungsteile
und/oder -schritte zu unguten Fehleradditionen kommen kann. Ein
wirtschaftlich nicht uninteressanter Anteil der Produktion trifft
deshalb das vorgesehene Toleranzfenster nicht. Solange es sich um
ein Übermaß handelt,
kann dieses im Rahmen des Finish-Verfahrens beseitigt werden. Bei
Untermaß ist die
gefertigte Welle jedoch unbrauchbar, da das fehlende Material nicht
mehr aufgefüttert
werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß ein nicht
unerheblicher Einflußfaktor
für die
Nichteinhaltung der Fertigungstoleranzen in der Vorbearbeitung der
Tragringe liegt. Die Tragringe werden in der Regel hergestellt, ohne
daß auf
die Planarität
und Parallelität
der Seitenflächen
besonders geachtet wird. Im Ergebnis führt dies dazu, daß auch die
senkrecht zu den Seitenflächen
verlaufenden Innen- und
Außenkonturen kleine
Abweichungen aufweisen, die sich beim Umformprozeß in der
fertigen Welle im Toleranzverhalten wiederspiegeln und zu Unregelmäßigkeiten
bei der Außenkontur
der Welle führen.
Diese Unregelmäßigkeiten
können
zumeist durch Nachbearbeitung beseitigt werden, jedoch kommt hinzu,
daß kleinere Unregelmäßigkeiten
bei der Formgebung der Tragringe dazu führen können, daß die Standfestigkeit der fertigen
Welle beeinträchtigt
ist.
Große Fehlertoleranzen bei Produkten
von beispielsweise 15/100 mm sind durchaus nicht ungewöhnlich.
Wenn sich diese Toleranzen im Rahmen einer Fehlerkette bishin zum
Endprodukt addieren, ist es klar, daß untragbare Abweichungen auftreten
können.
Im allgemeinen wird heute mit einer
Vorgabe von +/– 3/100
mm gearbeitet. In der Praxis haben sich aber zumindest nur Toleranzen
von +/– 6/100 mm
verwirklichen lassen.
In der Praxis lassen sich ungute
Fehleradditionen in der Regel durch ein entsprechendes Übermaß vermeiden.
Dies würde
aber im Endeffekt dazu führen,
daß eine
endkonturnahe Fertigung nicht mehr möglich ist: Eine umfangreiche
und aufwendige Nacharbeitung im Finish wäre notwendig. Dies würde die
Kosten in die Höhe
treiben.
Entsprechendes gilt für andere
Bauteile, wie etwa Zahnräder.
Eine fehlerhafte Anpassung der Bauteile
einer Nockenwelle zeigt sich häufig
erst nach längerem Einsatz
in einem Motor, d. h. der Fehler tritt erst auf, wenn das damit
ausgelieferte Fahrzeug bereits längere
Zeit, teilweise Jahre, im Einsatz ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren bereitzustellen, mit der die oben skizzierte Fehlerkette
und -addition vermieden werden kann. Dabei soll das Werkstück kostengünstig herstellbar
sein, die Zahl der Bearbeitungsschritte zumindest nicht vergrößert werden
und die dadurch erhaltene Hohlwelle eine hohe Zuverlässigkeit
und Standzeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem Verfahren
der eingangs genannten Art gelöst,
bei dem die Tragringe aus Rohlingen geformt und die Seitenflächen der
Tragringe zunächst
plan und parallel zueinander eingestellt werden und anschließend die
Außen-
und/oder Innenkonturen der Tragringe senkrecht zu den plan und parallel
eingestellten Seitenflächen
endkonturnah erstellt werden.
Von den derzeit praktizierten Verfahren
unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß besonderer
Wert auf die zuerst erfolgende Bearbeitung der Seitenflächen der
Tragringe gelegt wird, dergestalt, daß diese Seitenflächen absolut
plan und parallel zueinander eingestellt werden. Die plane und parallele
Einstellung der Seitenflächen zueinander
kann dabei herstellungsbedingt sein, beispielsweise durch die Formgebung
bei pulvermetallurgischen Verfahren oder keramischen Verfahren erreicht
werden, wird in der Regel jedoch durch Schleifen oder Polieren der
Seitenflächen
erreicht. Die Seitenflächen
werden dann als Basis für
die weitere Bearbeitung der Außen-
und/oder Innenkonturen genommen, d. h. der Außenfläche des Tragrings und/oder
der Bohrung, die dadurch absolut senkrecht zu den Seitenflächen erzeugt
werden. Dies hat zur Folge, daß sich
beim Umformungsprozeß die
Umformkräfte
gleichmäßig auf
den einzelnen Tragring auswirken, der dadurch gleichmäßig belastet
und präzise
gegen die gewünschte
Position gebracht wird. Die plan und parallel eingestellten Seitenflächen dienen
somit als „0-Punkt" oder „0-Stellung" für die Erzeugung
der Innen- und Außenkonturen
und als Montagebasis beim Einlegen in die IHU-Form , also als Referenzfläche.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Tragringen auch für solche gebaute Hohlwellen
geeignet und bestimmt, bei denen das Rohr mit den aufgezogenen Tragringen
in einem Werkzeug durch einen IHU-Prozeß endkonturnah umgeformt wird.
Das Umformwerkzeug für das IHU-Verfahren ist
so konstruiert, daß es
zum einen der Umformung der Hohlwelle Grenzen setzt, gleichzeitig
aber der elastischen Rückstellung
des Werkstückes,
nach Wegnahme des Druckes und Ausformung, Rechnung trägt. Dies
erfordert eine an den jeweilig angewandten Druck und auf das Material
abgestimmte Toleranzkette. Eine entsprechende Toleranzkette wird folglich
auch den Bauteilen, insbesondere Tragringen verliehen, so daß sich für diese
eine gute Anpassung an die Innenkontur des Werkzeuges ergibt. Im
Ergebnis kann bei Verwendung erfindungsgemäßer Tragringe die Form-/Lagertoleranz
des Umformwerkzeugs gering gehalten und gegenüber dem Stand der Technik vermindert
werden.
Zu berücksichtigen ist dabei allerdings
auch, daß die
elastische Formänderung
der Bauteile bei Anwendung des Umformungsdruckes die zulässige Belastung
des Bauteils übersteigen
kann, und daß es zu
einem Bruch oder einer verdeckten Schädigung des Bauteils kommen
kann. Dies macht eine enge Anpassung des Bauteils an die Innenkontur
des Werkzeuges zweckmäßig, dergestalt,
daß das
Werkzeug ein Widerlager für
das Bauteil bildet und teilweise die auf das Bauteil angewandten
Kräfte
auffängt. Auf
diese Weise kann die elastische Verformung des Bauteils begrenzt
und entsprechend auch die elastische Rückstellung des Bauteils nach
Wegnahme des Druckes vermindert werden. In jedem Fall trägt aber die
erfindungsgemäße Herstellungsweise
mit der definierten Ausrichtung der Seitenflächen und Innen- bzw. Außenkonturen
zu einer Verminderung der Belastung bei.
Vorzugsweise ist die Innenkontur
des für
den Umformungsprozeß vorgesehenen
Werkzeugs zumindest im Bereich der Tragringe gegenüber der Endkontur
in diesem Bereich geringfügig
erweitert, d. h. weist bezüglich
der Maße
eine Zugabe auf. Grund hierfür
ist, daß auch
bei einer elastischen Rückstellung
der Tragringe in diesem Bereich diese genügend „Futter" haben, um auf die Endkontur hin bearbeitet
zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt insgesamt
nicht nur zu einer Verminderung der zuvor skizzierten Fehlerkette,
sondern auch zu einer einfachen und kostengünstigen Herstellung der Tragringe. Dies
gilt sowohl für
Tragringe, die für
umgeformte Nockenwellen bestimmt sind als auch für solche, die auf gebaute Nockenwellen
aufgeschrumpft werden. Bei ersteren ist es zumeist ausreichend,
die Außenkonturen
einzustellen, da das Umformverfahren Unregelmäßigkeiten der Innenkontur auszugleichen
vermag. Bei letzteren kommt es auf eine präzise Bearbeitung und Einstellung
auch der Innenkontur an, da hiervon der genaue Sitz des Rings auf
der Welle wie auch seine räumliche
Ausrichtung abhängt.
Ausgehend von einem insbesondere
auch pulvermetallurgisch hergestellten Rohling wird das Werkstück zunächst auf übliche Art
und Weise gehärtet,
bevor es in einer Haupt- oder Nachbearbeitungsstufe, je nach Herstellungsprozeß, bzgl.
der Seitenflächen
plan und parallel eingestellt wird. Die so bearbeiteten Werkstücke werden
anschließend, vorzugsweise
im Bündel
zu 10, 20 oder mehr mit den Seitenflächen aufeinander gelegt und
genau zentriert, der Bearbeitung der Außen- und/oder Innenkonturen
unterzogen. Dazu wird beispielsweise durch Bohren, Fräsen, Schleifen
und/oder Polieren die Innenkontur bzw. zentrale Bohrung genau senkrecht
zu dem Verlauf der Seitenflächen
eingestellt und gleichzeitig oder in einem separaten Schritt die Außenkontur
ebenfalls senkrecht zu den Seitenflächen ausgerichtet. Für die Bearbeitung
kommen übliche
Bearbeitungsverfahren in Frage.
Eine End- bzw. Nachbearbeitung der
Tragringe erfolgt, sofern erforderlich, vorzugsweise an der gebauten
bzw. umgeformten Nockenwelle selbst. Da auch die Nockenwelle bei
der Umformung gewissen Toleranzen unterliegt, kommt es zu geringen
Abweichungen bei der Zentrierung, die bezüglich der Tragringe bzw. Nocken
und sonstiger Anbauteile bei der Nachbearbeitung ausgeglichen werden
können.
Entsprechendes gilt für
Abweichungen bei der Länge
der Nockenwelle. Das IHU-Verfahren bedingt die Nachführung von
Material in die umgeformten und aufgeweiteten Bereiche, was durch
die Anwendung von axialen Kräften
erfolgt. Hierbei kommt es auch hinsichtlich der Längendimension
zu geringfügigen Schwankungen,
die beim Einschleifen der Lager und der Endkontur der Tragring und
sonstiger Anbauteile berücksichtigt
werden können.
Die Vor- und Nachbearbeitung der
Bauteile kann auf übliche
Art und Weise erfolgen, beispielsweise von spannabhebenden Werkzeugen,
durch Fräsen
oder Schleifen. Insbesondere im Finish ist das Schleifen bevorzugt.
Zusätzlich kann eine bereits umgeformte
Nockenwelle durch die Anwendung von Druck weiter kalibriert werden.
Die Tragringe werden aus üblichen
Materialien gefertigt, insbesondere aus gehärtetem Metall in Form von umgeformten
Rohrabschnitten. Bevorzugt ist ferner die Verwendung von Tragringen
aus Sintermetall. Schließlich
können
auch Tragringe aus keramischen Materialien eingesetzt werden.
Im übrigen können übliche Verfahrens- und Behandlungsschritte
eingesetzt werden, beispielsweise auch das Randschichthärten durch
Einsatzhärten,
Nitrieren, Induktionshärten
oder durch Einwirkung eines Ladungsträgerstrahles.