DE10329410A1 - Verfahren zum Herstellen einer aus Nocken und einer Grundwelle gefügten Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer aus Nocken und einer Grundwelle gefügten Nockenwelle eines insbesondere Verbrennungsmotors eines insbesondere Kraftfahrzeuges, bei dem mit einer Bohrung versehene, vorgefertigte Nocken mit zumindest einer bereits betriebsbereit fertig bearbeiteten Lauffläche auf eine Grundwelle betriebslagegenau aufgebracht werden, wobei die Nocken aus verformbarem, insbesondere kaltverformbarem Stahl bestehen, soll bei Erzielung eines funktionell befriedigenden Ergebnisses kostengünstig durchführbar sein. DOLLAR A Zu diesem Zweck umfasst dieses Verfahren folgende Herstellungsschritte: DOLLAR A - Herstellen von Nockenrohlingen, DOLLAR A - Druckumformen der Nockenrohlinge auf jeweils einen insbesondere nicht mehr materialabtragend nachzubearbeitenden Zustand der Lauffläche und/oder Bohrung der Nocken, DOLLAR A - Festlegung der durch das Druckumformen erzielbaren Formgenauigkeit der Lauffläche und/oder Bohrung der Nocken auf ein Maß, das eventuelle Verformungen der Lauffläche beim Fügen der Nocken auf die Welle und/oder Härten des zumindest jeweiligen Laufflächenbereiches der Nocken zur Erzielung eines jeweils genau vorgebbaren, betriebsbereiten Laufflächenzustandes exakt für einen Ausgleich vorhält.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer aus Nocken und einer Grundwelle gefügten Nockenwelle eines insbesondere Verbrennungsmotors eines insbesondere Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus DE 32 27 693 C2 bekannt. Die Nocken werden dort aus einem vergüteten Bandmaterial aus einem legierten Kohlenstoffstahl durch Feinstanzen erzeugt. Eine Oberflächenbehandlung soll nach der dortigen Lehre nicht erforderlich sein und daher auch nicht erfolgen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass derart durch Feinstanzen hergestellte Nocken zumindest an der Lauffläche keine ausreichende Oberflächengenauigkeit und Güte besitzen. Für eine den üblichen Anforderungen in einem modernen Verbrennungsmotor mit ausreichender Sicherheit genügende Qualität ist auch bei feingestanzten Nocken ein abschließender Bearbeitungsschritt durch Schleifen zumindest der Lauffläche erforderlich.
• Bei gesinterten Nocken ist es dagegen möglich, die Nocken nach dem Sinterprozess ohne eine weitere materialabtragende Nachbearbeitung insbesondere der Lauffläche als Nocken für eine gefügte Nockenwelle einzusetzen. Gegenüber Stahl weist Sintermaterial bei Nocken von Nockenwellen den Nachteil auf, die auf die Nocken einwirkenden hohen Pressungen in bestimmten Fällen nicht ausreichend sicher ertragen zu können.
• Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, gattungsgemäß gefügte Nockenwellen mit qualitativ befriedigenden Stahlnocken ausrüsten zu können, die möglichst wenige Bearbeitungsschritte erfordern und damit kostengünstig herstellbar sind.
• Gelöst wird dieses Problem bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Verfahrensschritte nach dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Nocken für eine zu fügende Nockenwelle als Rohlinge durch ein möglichst kostengünstiges bekanntes Herstellungsverfahren herzustellen und sodann die exakte Fertigform der Lauffläche und/oder der Bohrung durch ein Druckumformen zu erzielen. Vorteilhaft ist es dabei, den Nockenrohling bereits möglichst formgenau herzustellen.
• Formgenaue Herstellung eines Nockenrohlinges im vorgenannten Sinne bedeutet beispielsweise bei einem Stahlnocken mit einem Grundkreisradius zwischen etwa 15 und 25 mm sowie einer Nockenhöhe mit Bezug auf den Grundkreismittelpunkt zwischen etwa 20 und 30 mm, dass die radiale Formgenauigkeit der Lauffläche bereits in einem Bereich von bis zu 0,2 mm liegt. Das gleiche gilt in etwa für die Bohrungsgenauigkeit der Nocken.
• Die Umformung eines Nockenrohlings erfolgt vorteilhafterweise in einem Umform-Werkzeug, bei der die Lauffläche sowie die Bohrungsumfangsfläche des Nockens an starren, in sich geschlossenen Wandbereichen der Werkzeugform anliegen.
• Das Umform-Werkzeug, in dem ein Nockenrohling umgeformt wird, kann vorteilhafterweise die Form eines Ringes mit der Innenkontur des Nockens besitzen und im Zentrum einen die Nockenbohrung ausfüllenden Kern aufweisen. Ein Kolbenrohling, der in ein solches Umform-Werkzeug eingelegt ist, kann dadurch umgeformt werden, dass zu beiden Stirnseiten über in das Werkzeug eingreifende Druckkolben der erforderliche Umformdruck aufgebracht wird. Unter dem Umformdruck legen sich die Lauffläche und die Bohrungsumfangsfläche des Nockens flächenschlüssig an die angrenzenden Werkzeugwände an.
• Um in das Werkzeug nicht nur einen Nockenrohling einlegen zu können, dessen Außenumfang nicht größer als der Aufnahmeraum des Werkzeuges ist, kann die Innenform des ringförmigen Werkzeuges in Einlegerichtung des Nockenrohlings sich nach außen konisch erweiternd ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Nockenrohling durch die Kolben, die ihn in dem Werkzeug umformen, in einfacher Weise auf das angestrebte Fertigmaß umgeformt, das heißt hier mit Bezug auf die Lauffläche radial verkleinert werden.
• Bei dem Umform-Werkzeug müssen selbstverständlich nicht Druckkolben auf beide Stirnseiten des Nockenrohlings einwirken, sondern das Werkzeug kann vielmehr an einer Stirnseite geschlossen sein, so dass der Umformdruck allein über die gegenüberliegende Stirnseite aufgebracht wird.
• Das Formmaß, auf das die Lauffläche eines Nockens durch das Umformen gebracht wird, berücksichtigt eventuelle Verformungen, die sich bei einer nicht materialabhebenden Nachbehandlung des noch nicht gefügten Nockens und/oder beim Fügen des Nockens durch ein Aufschrumpfen auf die Grundwelle ergeben können.
• Eine Nachbehandlung kann insbesondere in einem Härten des Nockens zur Erzielung einer standfesten Lauffläche bestehen. Die Verformung, die sich durch einen Härteprozess, beispielsweise ein Einsatzhärten ergibt, besitzt ein ermittelbares bzw. bekanntes konstantes Maß, das für einen Ausgleich bei der durch die Umformung zu erzielenden Formgebung berücksichtigt werden kann.
• In gleicher Weise berücksichtigt, d.h. vorgehalten, kann eine Verformung werden, die sich bei einem Aufschrumpfen eines vorgefertigten Nockens auf die Grundwelle der Nockenwelle einstellt. Durch derart vorgehaltene eventuelle Nachverformungen des durch Umformung vorgefertigten Nockens kann erfindungsgemäße ein nach dem Fügen nicht mehr nachzubearbeitender Nocken verwendet werden. Insbesondere ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kein aufwändiges Schleifen, insbesondere der Lauffläche der zu fügenden Nocken erforderlich.
• Während grundsätzlich auch nach dem erfindungsgemäßen Umformen keine Nachbearbeitung der Nockenbohrung erforderlich ist, kann eine solche gegebenenfalls dennoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Es verbleibt dann noch immer der erhebliche Vorteil des Wegfalls einer materialabtragenden Bearbeitung der Nockenlauffläche.
• Als Material für die Nocken wird insbesondere ein weicher, kalt umformbarer Stahl eingesetzt. Die Herstellung des Nockenrohlings kann durch allgemeine Umformverfahren wie Formpressen, Fließpressen, Strangpressen, Tiefziehen oder ähnliche Herstellungsverfahren erfolgen.
• Vorteilhaft kann es auch sein, die Nocken als Rohteile durch die Anwendung üblicher Trennverfahren wie Scheren, Stanzen, Schneiden oder dergleichen herzustellen.
• Nach dem Druckumformverfahren können die Nocken in üblicher Weise gehärtet werden. Dabei kann das Härtungsverfahren ein Randschicht-Einsatzhärteverfahren sein.
• Wie bereits vorstehend angedeutet, kann nicht nur die Lauffläche nach dem Druckumformverfahren ohne materialabtragende Nachbearbeitung verbleiben, sondern grundsätzlich in gleicher Weise ebenfalls die Nockenbohrung. Dies schließt allerdings nicht aus, in bestimmten Fällen lediglich die Lauffläche ohne materialabtragende Nachbearbeitung zu belassen und eine solche Bearbeitung für eine besonders hohe Maßgenauigkeit der Nocken auf der Grundwelle der Nockenwelle in der Bohrung in bisher üblicher Weise vorzunehmen.
• Ein nachfolgend noch näher erläutertes, vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
• In dieser zeigen
• 1 ein Umform-Werkzeug mit einem eingelegten Nockenrohling in schematischer Darstellung,
• 2 einen Schnitt durch das Werkzeug nach Linie II-II in 1.
• Ein Umform-Werkzeug besteht aus einem Oberstempel 6 und Unterstempel 5 und einer die Form des Nockens 2 beinhaltenden Matrize 1. Da die Nocken 2 jeweils eine Bohrung 3 aufweisen, mit der sie auf die Grundwelle der zu fügenden Nockenwelle aufgeschoben werden, besitzt das Umform-Werkzeug eine diese Bohrung 3 ausfüllende Kernstange 4.
• Gegebenenfalls reicht der Oberstempel 6 aus, wenn der Nocken 2 direkt gegen den festgehaltenen Unterstempel 5 gepresst wird.
• Der Öffnungsbereich des Umform-Werkzeugs ist über eine vorgegebene Länge konisch, sich zur Öffnung hin erweiternd ausgebildet, um Nockenrohlinge mit einem im Laufflächenbereich vorliegenden Übermaß zur Druckumformung in das Umformwerkzeug einpressen zu können.
• Ein Beispiel für einen vorteilhaft kaltumformbaren Stahl stellt ein solcher mit der Bezeichnung 16MnCr5 dar.
• Der nach dem vorstehend beschriebenen Beispiel umgeformte Nocken kann beispielsweise ein Nockenrohling aus dem vorstehend genannten Stahlmaterial sein, mit einem Grundkreisradius von etwa 20 mm und einer Nockenhöhe bezogen auf den Grundkreismittelpunkt von etwa 25 mm. Das Maß, um das ein solcher Nockenrohling in dem beschriebenen Umformwerkzeug verformt wird, kann mit Bezug auf die radiale Abmessung der Lauffläche bei etwa 0,2 mm liegen, wobei es sich konkret um ein Untermaß handelt, wodurch der Nockenrohling beim Verpressen im Laufflächenbereich nach außen gedrückt wird.
• Für den Fall, dass der umgeformte Nocken anschließend einsatzgehärtet wird, wird für die bei dem Einsatzhärten erfolgende Verformung ein radiales Verformungsmaß von etwa 10 μm vorgehalten.
• Mit Bezug auf eine Schrumpfpassung des zu fügenden Nockens auf der Grundwelle der Nockenwelle wird für das durch ein solches Schrumpffügen erfolgendes Verformen der Lauffläche ein auszugleichendes radiales Verformungsmaß von etwa 20 μm vorgehalten.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer aus Nocken und einer Grundwelle gefügten Nockenwelle eines insbesondere Verbrennungsmotors eines insbesondere Kraftfahrzeuges, bei dem mit einer Bohrung versehene, vorgefertigte Nocken mit zumindest einer bereits betriebsbereit fertig bearbeiteten Lauffläche auf eine Grundwelle betriebslagegenau aufgebracht werden, wobei die Nocken aus verformbarem, insbesondere kaltverformbarem Stahl bestehen, gekennzeichnet durch eine Fertigung der Nocken nach den Merkmalen, – Herstellen von Nockenrohlingen, – Druckumformen der Nockenrohlinge auf jeweils einen insbesondere nicht mehr materialabtragend nachzubearbeitenden Zustand der Lauffläche und/oder Bohrung der Nocken, – Festlegung der durch das Druckumformen erzielbaren Formgenauigkeit der Lauffläche und/oder Bohrung der Nocken auf ein Maß, das eventuelle Verformungen der Lauffläche beim Fügen der Nocken auf die Welle und/oder Härten des zumindest jeweiligen Laufflächenbereiches der Nocken zur Erzielung eines jeweils genau vorgebbaren, betriebsbereiten Laufflächenzustandes exakt für einen Ausgleich vorhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckumformung an Nockenrohlingen erfolgt, deren Abmessungen nur äußerst gering von den Fertigmaßen der funktionsbereiten Nocken abweichen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckumformen in einem Umform-Werkzeug erfolgt, in dem zumindest die Lauffläche eines Nockens (2) durch einen starren, in sich geschlossenen Wandbereich des Umform-Werkzeuges geformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Umfangsfläche der Bohrung (3) eines Nockens (2) durch einen starren, in sich geschlossenen Wandbereich des Umform-Werkzeuges geformt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen betriebsbereitem, fertigem Nocken (2) und Nockenrohling eine radiale Formabweichung der Lauffläche und/oder der Bohrung in der Grössenordnung von 0,2 mm besteht.
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenrohling durch ein allgemeines Umformverfahren wie Formpressen, Fließpressen, Strangpressen, Tiefziehen oder ein ähnliches Verfahren hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenrohling nach einem üblichen Trennverfahren, wie Scheren, Stanzen, Schneiden oder dergleichen herstellbar ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken (2) nach erfolgter Druckumformung einem üblichen Härtungsverfahren unterzogen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Härtungsverfahren ein Randschicht-Einsatzhärten ist.