DE10313812B3

DE10313812B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle

Info

Publication number: DE10313812B3
Application number: DE10313812A
Authority: DE
Inventors: Jörg LEIHKAUF; Jirka Heinrich
Original assignee: Salzgitter Antriebstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Salzgitter Antriebstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-22
Also published as: EP1608473A1; US20060064860A1; WO2004082863A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle, ausgehend von einem Rohr, in das mehrere parallel zur Längsachse ausgerichtete und quer zur Längsachse liegende nicht umlaufende Einbuchtungen eingepresst und separat vorgeferigte Nocken auf dem Rohr befestigt werden. Dabei erfolgen die Einpressungen der Einbruchtungen (6) und die Befestigung der Nockenringe (5) auf dem Rohr (1) in einem Arbeitsschritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle, ausgehend von einem Rohr, in das mehrere parallel zur Längsachse ausgerichtete und quer zur Längsachse liegende, nicht umlaufende Einbuchtungen eingepresst werden, und wobei separat vorgefertigte Nockenringe auf dem Rohr befestigt werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle sind bekannt aus der AT 005 934 U1 .

Nockenwellen werden in Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zur Ventilsteuerung eingesetzt. Im Rahmen des technischen Fortschrittes werden diese Verbrennungsmotoren in immer kompakterer Bauweise realisiert. Auch die Motorenfertigung, speziell die Montage, läuft hochgradig automatisiert ab, so dass hierbei zunehmend auf montagefreundliche, vom Systemlieferanten vormontierte Baugruppen zurückgegriffen wird. Oftmals liegen die Nockenwellen aus Platzeinsparungsgründen paarweise so nah beieinander, dass ein direkter Zugang zu den Zylinderkopfschrauben nicht mehr möglich ist.

Unter diesen Anforderungen werden speziell ausgestaltete Nockenwellen benötigt, die einen Zugang für bspw. automatische Schrauber zu den Zylinderkopf schrauben ermöglichen.

Aus der eingangs genannten AT 005 934 U1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Nockenwelle mit Einbuchtungen bekannt. Dabei werden die Einbuchtungen so an dem Rohr vorgenommen, dass der Ursprungsaußendurchmesser nicht überschritten wird. Die Nockenringe lassen sich daher nachträglich aufschieben und an dem bereits mit Einbuchtungen versehenen Rohr befestigen.

Ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle nach dem Innenhochdruck-Umformverfahren ist aus der DE 37 04 092 C1 bekannt. Dabei werden Nockenringe auf ein Rohr aufgeschoben. Die Befestigung erfolgt, indem das Rohr durch Innenhochdruck in die Öffnungen der Nockenringe eingepresst wird.

Aus der DE 201 16 112 U1 ist eine Nockenwelle mit Einbuchtungen bekannt, die der Nockenwelle entspricht, die gemäß der AT 005 934 U1 hergestellt ist.

Bei der Herstellung einer solchen Nockenwelle werden am Ausgangsrohr in einem separaten Fertigungsschritt vor dem Aufschieben und Befestigen der Nocken die gewünschten Einbuchtungen durch Einpressen mehrerer in Haltewerkzeugen angeordneter Formstempel in die Rohrwand erzeugt.

Das für die Erzeugung der in Querrrichtung zur Nockenwellenachse liegenden Einbuchtungen verwendete Werkzeug muss so ausgestaltet sein, dass die beim Einpressvorgang entstehende Deformation im Rohrwandbereich nicht zu einer Vergrößerung des ursprünglichen Rohraußendurchmessers im angrenzenden Rohrwandbereich führt. Dies ist zwingend notwendig, damit im nachfolgenden Fertigungsschritt die vorgefertigten, mit einer dem Rohr-außendurchmesser entsprechenden Bohrung versehenen Nocken über das mit den Einbuchtungen versehene Rohr an ihre Position geschoben werden können.

Die nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle hat den Nachteil, dass ein zusätzlicher kostenintensiver Fertigungsschritt zur Herstellung der Einbuchtungen in das Nockenwellenrohr notwendig ist und der Rohraußendurchmesser nicht verändert werden darf.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von gebauten Nockenwellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem in einfacher und kostengünstiger Weise Einbuchtungen an der Nockenwelle hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle angewendet, bei dem ausgehend von einem Rohr, in das mehrere parallel zur Längsachse ausgerichtete und quer zur Längsachse liegende nicht umlaufende Einbuchtungen eingepresst und separat vorgefertigte Nocken auf dem Rohr befestigt werden, wobei die Einpressungen der Einbuchtungen und die Befestigung der Nocken auf dem Rohr in einem Arbeitsschritt erfolgen.

Die Befestigung der Nocken auf dem Rohr wird durch ein Innenhochdruckumformen (IHU), erreicht, wobei vor Beginn oder während des Druckaufbaus im Rohr auf einen vorgegeben Enddruck die Einpressungen der Einbuchtungen erfolgen.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wird ein IHU-Werkzeug, bestehend aus einem Ober- und Unterwerkzeug, mit axial verfahrbaren Dichtstempeln verwendet, bei dem im Ober- und/oder Unterwerkzeug radial zur Rohrachse und bis in den durch das geschlossene Werkzeug gebildeten Hohlraum verfahrbare Formstempel angeordnet sind.

Durch dieses Verfahren wird einerseits ein zusätzlicher kostenintensiver Fertigungsschritt vermieden, andererseits können die Formstempel auf einfache Weise in das vorhandene IHU-Werkzeug integriert werden, wodurch zusätzliche Werkzeugkosten sehr gering gehalten werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Rohr vor dem Einpressen der Einbuchtungen in einem ersten Schritt mit einem vorgegebenen Stützdruck beaufschlagt, wobei nach Erreichen dieses Stützdruckes das vollständige Einpressen der Einbuchtungen erfolgt und anschließend der Innendruck bis auf den zu erreichenden Enddruck gesteigert wird.

Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass wesentlich geringere Stempelkräfte notwendig sind, als wenn die Formstempel gegen den maximalen Enddruck verfahren werden müssen.

Andererseits ist es vorteilhaft die Formstempel nicht schon vor Aufbringen des Stützdruckes in ihre Endposition zu verfahren, um die axiale Breitung der entstehenden Deformation zu verringern. Weiterhin können sich beim Einpressen der Einbuchtungen ohne Stützdruck im Rohr, unerwünschte Deformationen oder Knickstellen ausbilden, die auch durch den maximalen Enddruck nicht mehr egalisiert werden können.

Über eine Optimierung des zu erreichenden Stützdruckes vor dem Eindringen des Formstempels in das Rohr kann somit erreicht werden, dass die axiale Breitung der entstehenden Einbuchtung verringert werden kann und unerwünschte Deformationen oder Knickstellen im Rohr vermieden werden.

Da mit dem IHU-Prozess auch gleichzeitig weitere Funktions- oder Zusatzelemente, wie z.B. Lagerringe oder Zahnräder mit dem Rohr gefügt werden, kann mit der Minimierung des notwendigen Abstandes zwischen der Einbuchtung und den Funktionsteilen die Gesamtnockenwellenlänge ebenfalls vorteilhaft minimiert werden.

Vorteilhaft sollte der maximale Stützdruck bei im Werkzeug zurückgezogenem Formstempel so gewählt werden, dass ein Aufweiten des Rohres in die Stempelführung hinein vermieden wird, wodurch sich sonst Einkerbungen ausbilden können, die Schwachstellen in der Nockenwelle darstellen.

Vorteilhaft kann beim Einpressen der Einbuchtungen neben dem zur Aufrechterhaltung der Abdichtung notwendigen axialen Nachführen der Dichtstempel ein darüberhinausgehendes axiales Nachschieben des Rohres erfolgen. Die durch den Materialfluss im Bereich der Einbuchtung verursachte Wanddickenänderung kann damit insbesondere bei den jeweils zum Rohrende nächstliegenden Einbuchtungen zur Vergleichmäßigung der Wanddicke genutzt werden.

Vorzugsweise wird der Enddruck so gewählt, dass das Rohr an der maßgebenden Matrizen- und Stempelkontur des IHU-Werkzeuges zur Anlage kommt.

Dabei wird der zu erreichende Stütz- und der Enddruck insbesondere in Abhängigkeit vom Rohrwerkstoff, der Rohrwanddicke und dem Rohrdurchmesser ausgelegt. Als günstig hat sich ein Stützdruck im Bereich von 200 bis 1000 bar und ein Enddruck von 2000 bis 4000 bar erwiesen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann durch entsprechende Ausbildung der Matrize erreicht werden, dass der der Einbuchtung radial gegenüberliegende Nockenwellenbereich und/oder die an die Einbuchtung axial angrenzenden Nockenwellenbereiche eine Aufweitung gegenüber dem Rohrausgangsdurchmesser erfahren, so dass der Biegewiderstand der Nockenwelle vergrößert werden kann. Durch den vergrößerten Biegewiderstand werden somit größere Biegemomente übertragbar, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.

Die Größe dieser Aufweitung kann dabei vorteilhaft so variiert werden, dass die auf das Rohr aufgeschobenen und miteingeformten Funktions- oder Zusatzelemente durch eine Rohraufweitung unmittelbar neben den Elementen, diese gegen axiales Verschieben auf dem Rohr gesichert werden können.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist die Möglichkeit der frei wählbaren Tiefe der Einbuchtungen. Vorteilhaft sollten die Einbuchtungen wegen der erforderlichen Biegesteifigkeit bis zur Mittelachse der Nockenwelle eingebracht werden.

Betrachtet wird im Folgenden die Schnittebene, die gebildet wird aus der Rohrlängsachse und der Formstempellängsachse.

Der Formstempel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so gestaltet, dass beim Hineinfahren der Formstempel in das Rohr eine gewünschte symmetrisch konkave Einbuchtung, vorzugsweise quer zur Bauteilachse entsteht. Dazu weist die mit der Rohrwand in Kontakt tretende Kontur des Formstempels eine entsprechend symmetrisch konvexe Krümmung auf, die in vorteilhafter Weise halbkreisförmig ausgebildet ist.

Die entlang der Rohrachse im Werkzeug angeordneten Formstempel weisen nach einer vorteilhaften Ausgestaltung vorzugsweise unterschiedliche Konturen auf. Als günstig hat es sich erwiesen, dass die im Bereich der Rohrenden liegenden Formstempel asymmetrisch konvex ausgebildet sind. Dazu weist die dem Rohrende zugewandte Seite des Formstempels einen von der konvexen Kontur ausgehenden weiteren konkav ausgebildeten Abschnitt auf. Wahlweise kann dieser konkav ausgebildete Abschnitt auch beidseitig vorgesehen sein.

Durch den konkav ausgebildeten Abschnitt wird erreicht, dass sich beim axialen Nachschieben des Rohres ein abgerundeter Übergang von der Einbuchtung zum Rohraußendurchmesser einstellt. Hierdurch werden scharfkantige Übergänge vermieden, die die Dauerfestigkeit der Nockenwelle negativ beeinflussen können.

Erfindungsgemäß kann der formerzeugende Bereich des Formstempels beliebig modifiziert werden, um andere Ausgestaltungen, abweichend von einer zylindrisch konkaven Einbuchtung zu erzeugen.

Als vorteilhaft erweist sich eine in der Einbuchtung zusätzlich eingeprägte Sicke, die vorzugsweise längs zur Bauteilachse angeordnet und auch tiefer, bis über die Mittelachse des Rohres hinaus, eingeformt werden kann. Durch diese Sicke wird erreicht, dass der im Querschnitt recht scharfkantigen Übergang von der Einbuchtung zur angrenzenden Rohrwandung mit einem deutlich vergrößerten Radius hergestellt werden kann. Durch die Reduzierung der Kerbwirkung in diesem Bereich kann die Dauerfestigkeit signifikant verbessert werden. Der Formstempel weist zur Erzeugung einer solchen Sicke eine komplementär ausgebildete Konturierung der Oberfläche auf.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Es zeigen
1 Prinzipzeichnung eines Querschnittes durch ein geöffnetes IHU-Werkzeug mit eingefahrenen Formstempeln und eingelegtem Rohr und aufgefädelten Nockenringen
2 Prinzipzeichnung eines Querschnittes durch ein geschlossenes (HU-Werkzeug mit durch Formstempel lagefixiertem Rohr vor Aufbringen des Innendruckes,
3 Prinzipzeichnung eines Querschnittes durch ein geschlossenes (HU-Werkzeug am Ende des IHU-Prozesses mit Formstempeln in Endposition,
4a,b Prinzipdarstellung von erfindungsgemäßen Formstempeln.
5 Querschnitt durch eine Nockenwelle im Bereich einer Einbuchtung mit Sicke
1 zeigt ein Rohr 1 aus gut verformbarem Material, das in das geöffnete, aus Ober- 3a und Unterwerkzeug 3b bestehende IHU-Werkzeug 3, eingelegt ist. Die Formstempel 2 sind so weit eingefahren, dass das Rohr 1 in die Matrize des IHU-Werkzeugs 3, ohne mit den Formstempeln 2 in Berührung zu kommen, eingelegt werden kann. Auf das Rohr 1 sind Funktionselemente 5 in Form von Nockenringen aufgeschoben, die mittels IHU-Verfahren mit dem Rohr 1 lagegesichert verbunden werden.
Die zur Abdichtung der Rohrenden erforderlichen Dichtstempel 4 befinden sich bereits in Position zwischen Ober- 3a und Unterwerkzeug 3b, weisen aber noch einen axialen Abstand zum jeweiligen Rohrende auf.
Die für den Druckaufbau notwendige Fluidzuführung durch die Dichtstempel 4 ist hier nicht dargestellt.
Nach Schließen des Werkzeuges 3 kommen die Dichtstempel 4 fluiddicht an den Rohrenden zur Anlage und anschließend wird ein Rohrinnendruck bis auf einen vorgegebenen Stützdruck aufgebaut, 2.
Nach dem Aufbringen des Stützdruckes werden entsprechend 3, die Formstempel 2 in ihre Endposition bewegt und die Einbuchtungen 6 am Rohr 1 erzeugt. Anschließend wird der Rohrinnendruck bis auf den zu erreichenden Enddruck gesteigert, wobei gleichzeitig die Nockenringe 5 auf dem Rohr 1 kraft- und formschlüssig befestigt werden. Gleichzeitig wird die der Einbuchtung 6 radial gegenüber liegende Rohrwandung sowie die axial angrenzenden Rohrbereiche über den ursprünglichen Rohraußendurchmesser hinaus, aufgeweitet.
In den 4a und b sind Beispiele von erfindungsgemäßen Formstempeln dargestellt.
4a zeigt einen mit einer konvex ausgebildeten Kontur versehenen Formstempel 2. Ausgehend von einer halbkreisförmigen Kontur des Formstempels 2 weist die Kontur zu einer Seite einen von der konvexen Kontur ausgehenden, weiteren konkav ausgebildeten Abschnitt 10 auf.
4b zeigt beispielhaft einen Formstempel 2' mit einer im Scheitelpunkt der Kontur angeordneten Auswölbung 8, die beim Einpressen der Einbuchtung eine zusätzliche Sicke in Rohrlängsrichtung erzeugt.
5 zeigt einen Querschnitt durch eine Nockenwelle 1 im Bereich einer Einbuchtung 6 mit einer zusätzlich eingeprägten Sicke 11.
Im Querschnitt ist der Bereich des Übergangs von der Einbuchtung zur halbkreisförigen Rohrwand markiert. Durch das Einprägen der Sicke 11 wird erreicht, dass der ansonsten am Innen- und Außenumfang recht scharfkantige Übergang mit einem deutlich ausgebildeten Radius hergestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle, ausgehend von einem Rohr (1), in das mehrere parallel zur Längsachse (7) ausgerichtete und quer zur Längsachse (7) liegende, nicht umlaufende Einbuchtungen (6) eingepresst werden, und wobei separat vorgefertigte Nockenringe (5) auf dem Rohr (1) befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpressen der Einbuchtungen (6) und die Befestigung der Nockenringe (5) auf dem Rohr (1) in einem Arbeitsschritt erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Nockenringe (5) auf dem Rohr (1) durch ein Innenhochdruckumformen (IHU) erfolgt, wobei vor Beginn oder während des Druckaufbaus auf einen vorgegeben Enddruck die Einpressungen der Einbuchtungen (6) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) in einem ersten Schritt mit einem vorgegebenen Stützdruck beaufschlagt wird und nach Erreichen dieses Stützdruckes das vollständige Einpressen der Einbuchtungen (6) erfolgt und anschließend der Innendruck bis auf den zu erreichenden Enddruck gesteigert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck so gewählt wird, dass das Rohr (1) an der maßgebenden Matrizen- und Stempelkontur des IHU-Werkzeugs zur Anlage kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4 dadurch gekennzeichnet, dass der Stützdruck und Enddruck in Abhängigkeit vom Rohrwerkstoff, Rohrwanddicke und Rohrdurchmesser in einem Bereich von 200 bis 1000 bar und der Enddruck in einem Bereich von 2000 bis 4000 bar gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5 dadurch gekennzeichnet, dass während des Anstiegs des Innendruckes ein axiales Nachschieben an den Enden des Rohres (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–6 dadurch gekennzeichnet, dass die den Einbuchtungen (6) des Rohres (1) radial gegenüberliegende Rohrwand und/oder die an die Einbuchtung axial angrenzenden Nockenwellenbereiche, gegenüber dem ursprünglichen Rohraußendurchmesser aufgeweitet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem ein Ober- und Unterwerkzeug aufweisendes IHU-Werkzeug mit axial verfahrbaren Dichtstempeln, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberwerkzeug (3a) und/oder Unterwerkzeug (3b) radial zur Rohrachse (7) und bis in den durch das geschlossene Werkzeug (3) gebildeten Hohlraum, verfahrbare Formstempel (2,2') angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Rohrwand in Kontakt tretende Kontur des Formstempels (2) bezüglich der Schnittebene, die von der Rohrlängsachse (7) und der Längsachse (9) der Formstempel (2) gebildet wird, symmetrisch konvex gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Formstempels (2) halbkreisförmig konvex ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Rohrwand in Kontakt tretende Kontur des Formstempels (2) bezüglich der in Anspruch 9 vorbezeichneten Schnittebene asymmetrisch konvex gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die konvex gekrümmte Kontur des Formstempels (2) ein- oder beidseitig ein konkav ausgebildeter Abschnitt (10) anschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9–12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Formstempels (2,2') im Bereich des Scheitelpunktes eine längs zur Rohrachse (7) ausgebildete Auswölbung (8) aufweist.