DE10356539A1

DE10356539A1 - Hohlwelle mit Funktionselementen, insbesondere Nockenwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10356539A1
Application number: DE2003156539
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr. Furchheim; Franz-Josef Schleifstein
Original assignee: Sachsische Elektronenstrahl GmbH; SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G
Current assignee: Sachsische Elektronenstrahl GmbH; SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die bekannten Nockenwellen, die aus einem Rohr bestehen und deren Nocken in einem IHU-Prozess hergestellt werden und mit Funktionselementen bestückt sind, haben den Nachteil, dass der Fertigungsaufwand, bedingt durch das Zusammenfügen der Teile, bei der hohen erforderlichen Genauigkeit sehr hoch ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Nocken durch einen IHU-Prozess ausgeformt und gleichzeitig wird ein Nockenring, der getrennt gefertigt ist, aufgebracht. Mindestens an einer Seite ist ein Endstück mit dem Rohr verbunden, welches vorzugsweise in einem Stück getrennt hergestellt wird und beliebige Funktionselemente besitzt. Wesentlich ist, dass die Fügestelle zwischen Rohr und Endstück den geringsten Biegespannungen ausgesetzt ist. Das Endstück wird vor dem IHU-Prozess mit dem Rohr verbunden. DOLLAR A Die Herstellung der Nockenwelle erfolgt durch die Kombination an sich bekannter Fertigungsverfahren. DOLLAR A Das hauptsächliche Anwendungsgebiet sind KFZ-Motoren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle, mit der Funktionselemente verbunden sind. Die Funktionselemente sind im Wesentlichen Nocken, Zahn- und Kettenräder, Steuerelemente, Flansche und Lager, je nach dem Verwendungszweck der Hohlwelle.
Die Nocken sind auf dem Umfang und andere Funktionselemente sind meist an den Enden der Hohlwelle angeordnet. Vorzugsweise werden derartige Hohlwellen als Nockenwellen für KFZ-Motoren verwendet. Gegenstand der Erfindung ist auch das Verfahren zur Herstellung der Hohlwellen.

Ausgehend vom Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind verschiedene Lösungen bekannt.

So werden Nockenwellen aus einem Rohr hergestellt, welches durch ein übliches Innenhochdruckverfahren (IHU-Verfahren) in definierten Bereichen den Sitz der Nocken oder auch anderer Elemente aufgeweitet werden. Dabei werden getrennt hergestellte Nockenringe und andere Elemente vor dem IHU-Prozess auf das Rohr in der funktionsbedingten Stellung geschoben und durch den Innendruck weitet sich das Rohr auf, wodurch die Elemente kraft- und formschlüssig mit dem Rohr verbunden werden. ( DE 199 09 184 C2 ) Das Verfahren hat den Nachteil, dass an den Enden funktionsbedingte Elemente, wie Flansche oder Übertragungs- und Steuerelemente nach dem IHU-Prozess angebracht werden müssen. Das Herstellen und Verbinden dieser Elemente mit dem Rohr erfordert einen hohen Aufwand bezüglich Zeit und eine hohe Präzision. Neben diesen relativ hohen Aufwand des Verbindens der Elemente mit dem Rohr, ist das Bearbeiten der Rohrenden sowohl deren Länge als auch des Durchmessers erforderlich. Das bedeutet in jedem Fall, dass eine mechanische Bearbeitung erforderlich ist, die das Gesamtverfahren beeinflusst.

Dieser Mangel wurde beseitigt, indem die Enden des Rohres vor dem IHU-Prozess geknetet oder gestaucht werden, so dass eine Aufdickung und/oder Verjüngung des Rohres erfolgt, die zu Funktionselementen weiter bearbeitet werden. ( DE 199 32 810 C2 )

Dieses Verfahren hat jedoch den Mangel, dass ein nachträgliches spanabhebendes Bearbeiten der an den Enden des Rohres gebildeten Elemente erforderlich ist, was einen erheblichen Zeitaufwand erfordert.

Es ist weiterhin bekannt, aus der Notwendigkeit, ein Ende des Rohres zu verschließen und an einem Ende des Rohres eine Öffnung zur Zuführung des Druckmediums vorzusehen, ein bolzenförmiges Element an den Enden in das Rohr einzubringen. Diese Element verbindet sich durch den IHU-Prozess kraft- und formschlüssig mit dem Rohr. Dieses Element ist so gestaltet, dass es mechanisch und geometrisch der Funktion der Hohlwelle angepasst ist. (WO 02/28564 A1)

Das Verfahren hat den Nachteil, dass auch ein nachträgliches Bearbeiten der fertigen Hohlwelle erforderlich ist. Die danach hergestellte Hohlwelle ist nur mit hohem Aufwand an den Enden mit erforderlichen Elementen, wie z. B. Antriebs- und Steuerelementen zu kombinieren.

Es ist weiterhin bekannt, an den Enden einer Nockenwelle, die als Hohlwelle ausgeführt ist, vor dem IHU-Prozess Endkappen aufzubringen, die das Rohr umschließen. Im Inneren der Kappe sind Nuten eingebracht oder geometrische Ausbuchtungen vorgesehen, um die Verbindung der Kappen mit dem Rohr durch die Wirkung des Druckmediums formschlüssig zu gestalten. Die Kappen sind außen so ausgeführt, dass auch weitere Elemente angeordnet werden können. ( DE 36 16 901 A1 )

Diese Ausführung hat den Nachteil, dass die Herstellung durch die Geometrie der Kappe sehr aufwendig ist und die Verbindung vom IHU-Prozess abhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Hohlwelle mit den mit ihr verbundenen Funktionselementen, vorzugsweise eine Nockenwelle, durch Anwendung des bekannten IHU-Verfahrens derart herzustellen, dass alle Elemente, außer Nocken bzw. Nockenringe als Baugruppe, d.h. als ein Teil unabhängig vom IHU-Prozess hergestellt werden und mit dem Rohr vor dem IHU-Prozess kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Die Elemente sollen wie die Nockenringe rationell funktions- und belastungsgerecht hergestellt werden. Die Elemente sollen von der inneren Nockenwelle abweichenden Belastungsbedingungen durch Änderung der Geometrie und des Werkstoffes anpassbar sein.

Das Verfahren soll hochproduktiv sein, wobei an sich bekannte und bewährte Technologien miteinander kombiniert werden sollen. Nach Abschluss des Gesamtverfahrens sollen keine Nacharbeiten erforderlich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen die Ansprüche 2 bis 17 zeigen. Das Verfahren zur Herstellung der Hohlwelle wird nach Anspruch 18 gelöst. Seine Ausgestaltungen zeigen die Ansprüche 18 bis 24.

Erfindungsgemäß ist ein Rohr durch den bekannten IHU-Prozess an den funktionsbedingten Stellen, an denen Nocken ihren Sitz haben, durch die Wirkung eines Druckmediums aufgeweitet. Gleichzeitig sind durch das Aufweiten des Rohres Nockenringe aus einem verschleißfesten, harten Material und der Nockenkontur entsprechenden Geometrie , die in einem getrennten Verfahren hergestellt sind, kraft- und formschlüssig mit dem Rohr verbunden. Die an den Enden der Hohlwelle erforderlichen Funktionselemente, wie beispielsweise Lager, Zahn- und Kettenräder, Flansche, Bolzen, Gewinde sind in den erforderlichen Abmessungen und der entsprechenden Geometrie aus dem der Belastung erforderlichen Material eine Baugruppe, als ein Endstück aus einem Teil unabhängig vom IHU-Prozess in bekannter Weise hergestellt werden. Dieses Endstück ist so ausgebildet, dass es dem tatsächlichen Belastungsprofil annähernd entsprechend und bei Bedarf ein im IHU-Prozess ganz oder teilweise mitverformbares Querschnittsprofil besitzt. Wesentlich ist, und das ist von entscheidender Bedeutung, dass an der Fügestelle zwischen dem Endstück und dem Rohr nur sehr geringe Kräfte (insbesondere Biegekräfte) in Richtung der Achse der Hohlwelle auftreten. Mindestens ein Endstück hat eine durchgehende Öffnung zum Einbringen des Druckmediums für den IHU-Prozess in das Rohr. Die Endstücke sind vor dem IHU-Prozess mit dem Rohr kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden.

Das Verfahren zur Herstellung der Hohlwelle, die als Nockenwelle eingesetzt wird, mit seinen Funktionselementen besteht aus der Kombination folgender Verfahrensschritte:

– Herstellung der Nockenringe durch ein mechanisches Verfahren und/oder Umformverfahren, vorzugsweise durch Trennen eines Rohres zu Ringen, die der Kontur der fertigen Nocken entsprechend geformt werden, wobei die Nockenringe die erforderlich Verschleißfestigkeit und Härte aufweisen,
– Herstellung der weiteren Funktionselemente als ein Endstück durch ein bekanntes Verfahren, wobei der Verformung auch eine Verformung durch Pressen oder Stauchen voraus gehen kann, oder dass das Endstück als Rohling gegossen wurde, der spanabhebend bearbeitet wird, oder dass das Endstück aus einem geeigneten Material hergestellt ist, und in jeder Variante der Herstellung so ausgebildet ist, dass es dem tatsächlichen Belastungsprofil annähernd entspricht,
– kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssiges Verbinden der Endstücke mit dem Rohr, vorzugsweise durch Schweißen, Pressschweißen, Reibschweißen oder Verformen,
– Aufschieben der Nockenringe auf das mit den Endstücken verbundenen Rohres,
– Durchführung des IHU-Prozesses.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hohlwelle bzw. des Verfahrens zu ihrer Herstellung bestehen darin, dass das Endstück das Rohr teilweise umschließt und/oder in dieses eingepasst ist oder beide bündig miteinander verbunden sind.

Die Endstücke können aus dem der Funktion entsprechenden Material gefertigt werden oder auch in einer Nachbehandlung die Eigenschaften erhalten.

Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass auch die Endstücke in bestimmten Bereichen oder vollständig durch den IHU-Prozess plastisch verformt werden. Diese plastische Verformung kann auch der Verbesserung der Verbindung der Endstücke mit dem Rohr dienen oder die vorangegangene Verbindung verbessern.

Bei der Herstellung der Nocken durch den IHU-Prozess ist es auch möglich, andere, vorzugsweise rotationssymmetrische Funktionselemente, z.B. Antriebsräder auf dem Rohr durch Aufweiten des Rohres kraft- und formschlüssig zu befestigen.

Eine weitere Ausgestaltung der Nockenwelle besteht darin, dass auch das Endstück einen Nocken besitzt, d.h., als Nocken ausgebildet ist.

Das Endstück kann aber je nach Anwendungszweck derart ausgebildet sein, dass es Kanäle und/oder Bohrungen und/oder Nuten aufweist, die für die Führung von Schmier- oder Kühlmittel dienen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es möglich ist, sämtliche Funktionselemente unabhängig vom IHU-Prozess hochproduktiv und maßgenau rationell in hohen Stückzahlen zu fertigen, und diese in diesem Fertigungsprozess zu einem Endstück zu vereinigen. Es ist möglich, die Endstücke mit den Elementen, sowohl in der Anzahl der Elemente als auch in deren Ausführung bedarfsgerecht einzusetzen, ohne dass das Gesamtverfahren beeinflusst wird. Nacharbeiten der fertigen Hohlwelle entfallen. Dieses Verfahren ist hochproduktiv und ermöglicht problemlos eine Automatisierung.

An einem Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Hohlwelle als eine Nockenwelle in einer Ausführungsform mit zwei Endstücken beschrieben. beschrieben.
Die zugehörige Zeichnung zeigt auf der linken Seite der Nockenwelle ein erfindungsgemäßes Endstück mit der Hohlwelle durch Schweißen verbunden, und auf der rechten Seite ein Endstück in bekannter Weise durch Verformung mit der Hohlwelle verbunden.
Unter der Nockenwelle ist ein Diagramm dargestellt, welches den Kräftewirkung und die sich bildende Biegemomentenlinie zeigt.
Die Beschreibung der Nockenwelle erfolgt in der Reihenfolge der Herstellung, d.h. des Verfahrensablaufes, welche je nach der Ausführung der Nockenwelle und deren Technologie abweichen kann.
In einem getrennten Verfahren werden Nockenringe 1 durch mechanisches Trennen eines Rohres, aus einem Material, welches die Anforderungen an die Nocken bezüglich Verschleißfestigkeit und Härte erfüllt, in Ringe und anschließendes Verformen der Ringe in die funktionsbedingte Form, d.h., die Kontur eines Nockens hergestellt. Die fertigen Nockenringe 1 sind aus einem harten verschleißfesten Material, z.B. 100 Cr 6 hergestellt.
Die Endstücke 2; 2', wobei mindestens ein erforderlich ist, werden je nach ihrer Ausführung und dem wirtschaftlichsten Herstellungsverfahren entweder durch Pressen vorgefertigt und spanabhebend in erforderlichen Bereichen fertig bearbeitet oder auch vollständig durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt.
Das linke Endstück 2 ist an das Rohr 3, welches die Hohlwelle bildet, angepasst und geometrisch so ausgebildet, dass ein Funktionselement, in diesem Beispiel ein Zahnrad 4 entsteht, an welches sich in Richtung zur Mitte der Nockenwelle ein Lager 5 anschließt. Das Endstück 2 ist durch eine Schweißnaht als eine Fügestelle 6 mit dem Rohr 3 verbunden.
Die Fügestelle 6 ist, wie aus der Biegemomentenlinie ersichtlich so gelegt, dass diese etwa im 1. Nulldurchgang B₀ der Biegemomentenlinie liegt. Dadurch wird die Fügestelle 6 zwar mit verformt aber nicht oder nur sehr geringfügig belastet.
In dem Endstück 2 ist einen Bohrung 7 eingebracht, von welcher Kanäle 8 in den Bereich der Schmiernuten 9 des Lagers 5 führen.
Zwischen den beiden Nocken 10 ist ein weiteres Lager 11 angeordnet, d.h., in diesem Bereich befindet sich eine weitere Lagerfläche auf dem Rohr 3, welche durch den IHU-Prozess mit hergestellt wird.
Das rechte Endstück 2' besitzt auch eine zentrische Bohrung 12 mit Gewinde, durch welche auch das Druckmedium im IHU-Prozess zugeführt wird. In dem Gewinde kann nach dem IHU-Prozess ein weiteres Funktionselement (nicht gezeichnet) befestigt werden. Das Endstück 2' wird auf das Rohr 3 aufgeschoben und durch den folgenden IHU-Prozess wird das Material des Rohres 3 in die Nut 13 des Endstückes 2' gepresst, was die kraft- und formschlüssige Verbindung des Rohres 3 mit dem Endstück 2' bewirkt.
Durch den IHU-Prozess als den letzten Schritt des Gesamtverfahrens werden in bekannter Weise durch die Wirkung des Innendruckes die Nocken 10 funktionsgerecht und lagebestimmt ausgeformt und dabei gleichzeitig die Nockenringe 1 kraft- und formschlüssig mit dem Rohr 3 auf dem Nocken 10 verbunden.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Endstücke 2 mit beliebigen Funktionselementen bestückt, d.h., aus diesen gebildet sein können. Dabei können diese aus unterschiedlichen, der Funktion entsprechenden Material hergestellt sein.
Das Diagramm veranschaulicht die Wirkung der Kräfte auf die Nockenwelle über ihre Länge, sowohl in ihrer Richtung als auch in ihrer Größe. Dabei sind FL1 und FL2 die Lagerkräfte, F die Kraft, die auf das Endstück 2 an dessen äußerem Ende und FN die Kraft, die auf den Nocken 10 wirkt. Die sich daraus ergebende Biegemomentenlinie bestimmt, wie die Nockenwelle, insbesondere das Endstück 2 ausgebildet sein muss. Wesentlich für das Ergebnis ist, dass der Nulldurchgang B₀ Biegemomentenlinie im Bereich der Fügestelle 6 liegt.
Die Längen l₁ bis l₄ sind die Abstände zwischen den Punkten, an denen die Kräfte wirken.

Claims

Hohlwelle mit Funktionselementen, insbesondere Nockenwelle, bei welcher als Funktionselemente Nocken (10) in einem IHU-Prozess ausgeformt sind, aufweiche Nockenringe (1) aus verschleißfestem Material kraft- und formschlüssig aufgebracht sind, und vorzugsweise rotationssymmetrische Funktionselemente, wie beispielsweise Antriebsräder, Flansche oder Lager mit dem die Hohlwelle bildenden Rohr (3) verbunden sind und an mindestens einem Ende des Rohres (3) ein Endstück (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Endstück (2) ein Bauteil ist, welches sich aus einen beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Funktionselementen zusammensetzt, und mit dem Rohr (3) verbunden ist, – mindestens ein Endstück (2) ein dem tatsächlichen Belastungsprofil annähernd entsprechendes, jedoch von dem eigentlichen inneren Belastungsprofil der Nockenwelle abweichenden Belastungsbedingungen, Querschnittsprofil besitzt, – die Fügestelle (6) in ihrer Lage derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den geringsten Biegebelastungen ausgesetzt ist, – weitere Funktionselemente, wie beispielsweise Flansche, Antriebselemente vor dem IHU-Prozess in oder an das Endstück (2) integriert oder angebracht sind, – mindestens ein Endstück (2 ) eine Bohrung (12) zur Zuführung des für den IHU-Prozess erforderlichen Druckmediums besitzt, – die Endstücke (2) und Nockenringe (1) in einem getrennten an sich bekannten Verfahren hergestellt sind, – die Endstücke (2) vor dem IHU-Prozess mit dem Rohr (3) kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (2) durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (2) durch Kalt- oder Warmverformen hergestellt und mechanisch nachgearbeitet sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (2) aus Sintermaterial hergestellt sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Endstück (2) axial verlaufend eine Bohrung (12) oder ein Gewinde eingebracht ist.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in das Endstück (2) Kanäle, Nuten (13) oder Bohrungen (8) für Kühl- oder Schmiermittel eingebracht sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) so ausgebildet ist, dass es das Rohr (3) umschließt und/oder in dieses ragt.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement des Endstückes (2) eine oder mehrere Nocken sind.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) durch Schweißen, z.B. Pressschweißen, Reibschweißen mit dem Rohr (3) an einer definierten Fügestelle (6) verbunden ist.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) durch Verformen oder Fügen mit dem Rohr (3) verbunden ist.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) durch Ansintern mit dem Rohr (3) verbunden ist.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) aus einer beliebigen Anzahl und Art von Funktionselementen besteht.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) einen Gewindebolzen oder Gewindeansatz besitzt.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (2) aus unterschiedlichen Material bestehen und/oder von der Materialart des Rohres (3) abweichen.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rohr (3) Funktionselemente durch den IHU-Prozess aufgebracht sind.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Endstücke (2), vorzugsweise im Bereich eines Antriebelementes belastungsorientiert ist.
Hohlwelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, die Fügestelle (6) im Bereich des 1. oder 2. Nulldurchganges der Biegemomentenlinie liegt.
Verfahren zur Herstellung der Hohlwelle nach Anspruch 1 in einem IHU-Prozess zum Ausbilden von Nocken (10) mit einem darauf aufgebrachten Nockenring (1) auf einem Rohr (3), Verbinden von mindestens einem Endstück (2) mit integrierten Funktionselementen und Herstellung der Funktionselemente, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Herstellung der Nockenringe (1) aus einem den Einsatzbedingungen entsprechenden Werkstoff und funktionsbedingter Kontur, – Herstellung des Endstückes (2) mit den integrierten Funktionselementen und/oder verbinden der Funktionselemente mit dem Endstück (2), – kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssiges Verbinden der Endstücke (2) mit dem Rohr (3), – Aufschieben der Nockenringe (1) auf das Rohr (3), – konturennahes Aufweiten des Rohres (3) zu Nocken (10) durch den IHU-Prozess in den funktionsbedingten Bereichen und kraft- und formschlüssiges Verbinden der Nockenringe (1) mit dem Rohr (3).
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenringe (1) durch Trennen eines Rohres in Ringe und Verformen der Ringe entsprechend der Kontur des Nockens.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Verbinden der Endstücke (2) mit dem Rohr (3) durch Schweißen oder Verformen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Verbinden der Endstücke (2) mit dem Rohr (3) durch Ansintern.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch den IHU-Prozess auch die Endstücke (3) vollkommen oder teilweise verformt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Endstücke (2) mit dem Rohr (3) nach dem IHU-Prozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestelle (6) zwischen dem Rohr (3) und dem Endstück (2) durch den IHU-Prozess mit umgeformt wird.