DE19500621A1 - Nockenwelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Nockenwelle und Verfahren zu deren Herstellung

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Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Nockenwellen für Hubkolbenmaschinen und insbesondere auf Nockenwellen und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Nocken und die Welle als einzelne Elemente hergestellt und miteinander zur Bildung der Nockenwelle verbunden werden.
Ein Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen beinhaltet ein getrenntes Ausbilden der Nocken durch bekannte Verfahren, wie z. B. Pulvermetallurgie. Die Nocken werden dann an einem hohlen Rohr befestigt, wobei bekannte Befestigungsverfahren verwendet wer­ den, wie z. B. Schweißen, Löten oder Aufweiten des hohlen Rohrs. Lager- oder Gleit­ flächen werden an dem hohlen Rohr zwischen den Nocken durch Bearbeitung ausgebil­ det. Ein anderes Verfahren zum Befestigen der Nocken, das in dem US-Patent 4 858 295 beschrieben ist, hinterläßt eine Vielzahl von Vorsprüngen an der Außenseite des hohlen Rohrs zwischen den Nocken. Diese Vorsprünge müssen entfernt werden, um die Lager­ flächen zu bilden.
Die Verlagerung von Material, die durch ein Aufweitwerkzeug während des Aufweitens des hohlen Rohrs verursacht wird, hat die Ausbildung einer Kaltverfestigung und von Beanspruchungen in dem Rohr zur Folge. Eine Begrenzung der Kaltverfestigung oder des Kalthärtens vermindert die Gefahr des Ausfalls aufgrund eines Reißens oder Spaltens des Rohrs.
Aus dem vorstehenden ergeben sich Beschränkungen, die bei herkömmlichen Nocken­ wellen bestehen. Somit ist es ersichtlich, daß es vorteilhaft wäre, eine Alternative zu schaffen, die einen oder mehrere der beschriebenen Nachteile überwindet. Demgemäß wird durch die Erfindung eine geeignete Alternative geschaffen, die die im folgenden of­ fenbarten Merkmale aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht diese in einer Nockenwelle entsprechend Anspruch 1.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht diese in einem Ver­ fahren zum Herstellen einer Nockenwelle entsprechend Anspruch 6.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.
Fig. 1 ist ein Teilquerschnitt des ersten Ausführungsbeispiels einer Nockenwelle gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Querschnitt des hohlen Rohrs nach dem anfänglichen Formgebungs­ schritt;
Fig. 3 ist ein Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten hohlen Rohrs, nachdem der äußere Durchmesser bearbeitet wurde, und zeigt die an dem Rohr angeordneten Nocken;
Fig. 4 ist ein Querschnitt nach der Linie 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5 ist ein Querschnitt der Nockenwelle und zeigt die Nocken, nachdem ein Auf­ weitwerkzeug sich teilweise durch das hohle Rohr hindurch bewegt hat;
Fig. 6 ist ein Querschnitt eines Nockens und eines hohlen Rohrs eines zweiten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 7 ist ein Querschnitt der Nockenwelle des zweiten Ausführungsbeispiels und zeigt die Nocken, nachdem ein Aufweitwerkzeug sich teilweise durch das hohle Rohr hindurch bewegt hat;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 8-8 von Fig. 7;
Fig. 9 ist eine andere Ansicht eines Querschnitts des hohlen Rohrs nach dem an­ fänglichen Formgebungsschritt;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 10-10 von Fig. 9.
Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, wird die Nockenwelle dadurch hergestellt, daß Nocken 10 über ein hohles Rohr 13 geschoben werden. Andere Elemente können zusätzlich zu den Nocken 10 an dem hohlen Rohr 13 unter Verwendung dieses Verfahrens befestigt wer­ den. Dies schließt Zeitgeberräder, Axialscheiben, Lagerringe usw. ein. Das hohle Rohr 13 hat eine Vielzahl von Bereichen 16, die Segmente 17 von größerer Wandstärke haben als die benachbarten Bereiche 18. Wegen der dickeren Wandsegmente 17 (Segmente mit vermindertem innerem Durchmesser) haben die Bereiche 16 einen verminderten wirk­ samen inneren Durchmesser im Vergleich zu den dünneren Wandbereichen 18. Die Nocken 10 sind oder werden um die Bereiche 16 mit vermindertem innerem Durchmes­ ser angeordnet. Einige der dünneren Wandbereiche 18 werden als Lager- oder Gleitflä­ chen verwendet.
Das hohle Rohr 13 wird vorzugsweise aus einem formbaren Stahl hergestellt, der eine maximale Härte von Rc30 hat. Die Nocken 10 werden vorzugsweise aus Stahl hergestellt, der auf eine minimale Härte von Rc55 härtbar ist. Für die Nocken 10 wurde auch pulver­ geschmiedetes Material der Serie AISI 4680 erfolgreich verwendet.
Die Bereiche 16 mit vermindertem Durchmesser und die dünneren Bereiche 18 werden hergestellt durch Einpressen spezieller radial oder in Umfangsrichtung voneinander ge­ trennter Segmente 17 an dem hohlen Rohr 13, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, um den äu­ ßeren Durchmesser der Segmente 17 zu vermindern, und anschließendes Bearbeiten des hohlen Rohrs 13, zur Bildung eines gleichförmigen äußeren Durchmessers. Fig. 2 zeigt das hohle Rohr 13, nachdem dieser Preßvorgang durchgeführt worden ist. Das bevorzug­ te Verfahren besteht darin, Segmente 17 um den äußeren Durchmesser des hohlen Rohrs 13 herum durch Walzformung auszubilden. Diese Segmente oder Taschen 17 mit ver­ mindertem Durchmesser werden an bestimmten radialen Stellen um den äußeren Durchmesser des hohlen Rohrs 13 herum erzeugt. Dieser Vorgang ergibt im wesentlichen eine innere Keilwirkung (s. Fig. 10) an bestimmten axialen Stellen, die den einzelnen Nockenelementen 10 entsprechen. Wie auch in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein innerer Kern oder Dorn 15 verwendet, um den inneren Durchmesser der Segmente 17 abzustützen, wenn das hohle Rohr 13 gewalzt wird. Die Verwendung des inneren Kerns oder Dorns 15 ist wahlweise. Durch Vorsehen einer inneren Abstützung kann der endgültige Durchmesser der Segmente 17 besser gesteuert werden.
Durch Begrenzung des Betrages des Materialflusses auf denjenigen Betrag, der erforder­ lich ist, um die Segmente 17 durch Walzen zu bilden, werden die Verformung des Mate­ rials und die erzeugten Beanspruchungen in dem hohlen Rohr 13 beträchtlich vermindert.
Die bevorzugte axiale Länge für die Bereiche 16 mit vermindertem Durchmesser ist ge­ ringfügig größer als die axiale Länge eines Nockens 10. Dies sollte jegliche Veränderung in dem äußeren Durchmesser der dünneren Bereiche 18 minimieren oder ausschließen, wenn die Nocken 10 an dem hohlen Rohr 13 befestigt werden.
Nachdem der Walzschritt durchgeführt ist, wird der äußere Durchmesser des hohlen Rohrs 13 auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet. Die Außenseite des hohlen Rohrs 13 kann zu dieser Zeit geschliffen werden, um eine endgültige Oberfläche zu schaffen, die als Lager- oder Gleitfläche geeignet ist. Typischerweise wird das hohle Rohr 13 durch spitzenloses Schleifen bearbeitet. Andere Verfahren, wie Drehen, können verwendet werden. Nach dem Bearbeitungsschritt hat das hohle Rohr 13 eine Vielzahl von Bereichen 16 mit vermindertem Durchmesser und eine Vielzahl von Bereichen 18 mit dünnerer Wand. Für typische Automobil-Nockenwellen ist die bevorzugte Dicke des dickeren Wandbereichs für die Segmente 17 etwa 4 mm (0,155 Zoll), und die bevorzugte Dicke des dünneren Wandbereichs 18 beträgt etwa 3,25 mm (0,128 Zoll). Fig. 3 zeigt das hohle Rohr 13, nachdem das Rohr bearbeitet wurde, um einen gleichförmigen äußeren Durchmesser zu erzeugen. Der Unterschied zwischen den Wanddicken der beiden Berei­ che 17 und 18 wurde zur Klarheit übertrieben dargestellt.
Die Nocken 10 werden dann wie in Fig. 3 gezeigt, auf das hohle Rohr 13 aufgebracht. Jeder Nocken 10 wird mit einem Bereich 16 von vermindertem Durchmesser ausgerich­ tet. Die axiale Öffnung des Nockens 10 ist geringfügig größer als der äußere Durchmes­ ser des hohlen Rohrs, wodurch ein kleiner Spalt zwischen dem Nocken 10 und dem Rohr 13 geschaffen wird, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.
Die Nocken 10 werden in richtiger winkelförmiger Ausrichtung gehalten, während ein Aufweitwerkzeug 36 in das hohle Rohr 13 eingeführt wird. Fig. 5 zeigt das Aufweit­ werkzeug 36, nachdem es an zwei Nocken 10 vorbei eingeführt wurde. Der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36 ist größer als der innere Durchmesser der Berei­ che 16 mit vermindertem Durchmesser, d. h. der Segmente 17. Der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36 ist auch kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18. Wenn das Aufweitwerkzeug 36 in das hohle Rohr 13 eingeführt wird, werden die Segmente 17 der Bereiche 16 mit vermindertem Durchmesser nach außen in Berührung mit der axialen Öffnung des Nockens 10 aufgeweitet. Dieses Aufweiten verriegelt die Nocken 10 und das hohle Rohr 13 miteinander in einen mechanischen Festsitz - Eingriff, wodurch eine axiale Halterung der Nocken 10 geschaffen wird. Da der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36 kleiner ist als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18, werden diese Bereiche während des Einführens des Auf­ weitwerkzeugs 36 nicht aufgeweitet. Daher erfordern diese Bereiche 18 typischerweise nicht irgendeine maschinelle Bearbeitung nach dem Zusammenfügen.
Für Anwendungen mit einer Vielzahl von Elementen auf der Nockenwelle, Nocken, Zeitgeberräder usw. kann der Grad der Aufweitung, der zur Befestigung der Elemente an der Nockenwelle erforderlich ist, für die verschiedenen Elemente unterschiedlich sein. Um unterschiedliche Grade von Aufweitung zu schaffen, kann die Wanddicke der Seg­ mente 17 unterschiedlich sein. Um unterschiedliche Wanddicken zu erreichen, kann der Betrag der Verminderung während des Walzvorgangs und/oder der Betrag der Bearbei­ tung nach dem Walzvorgang verändert werden.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Jeder Nocken 10a ist mit einer Vielzahl von Nuten 22 versehen, die in Umfangsrichtung um die Oberfläche der axialen Öffnung des Nockens 10a herum mit Abständen angeordnet sind. Das hohle Rohr 13a wird wie oben diskutiert vorbereitet, um eine Vielzahl von Bereichen 16a mit vermindertem Durchmesser und dünneren Wandbereichen 18a zu bilden. Jeder Bereich 16a mit vermindertem Durchmesser hat eine Vielzahl von radial oder in Umfangsrich­ tung beabstandeten dickeren Wandsegmenten 17a. Nachdem die Nocken 10a auf das hohle Rohr 13a aufgebracht wurden, wird ein Aufweitwerkzeug 36a in das hohle Rohr 13a eingeführt. Das Aufweitwerkzeug 36a hat eine Vielzahl von in Umfangsrichtung be­ abstandeten Hartmetall-Vorsprüngen 28 benachbart einem Ende des Aufweitwerkzeugs 36a. Der wirksame Durchmesser der Vorsprünge 28 ist ausreichend größer als der innere Durchmesser der dickeren Wandsegmente 17a des hohlen Rohrs 13a, um die Vorsprünge 28 zu veranlassen, Abschnitte der dickeren Wandsegmente 17a in die Nuten 22 der Nocken 10a hinein aufzuweiten, um die Nocken dauerhaft an dem hohlen Rohr 13a fest­ zulegen. Der wirksame Durchmesser der Vorsprünge 28 ist ausreichend kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18a des hohlen Rohrs 13a, so daß die dünneren Wandbereiche 18a nicht durch das Aufweitwerkzeug 36a aufgeweitet werden.
Wie in Fig. 8 gezeigt, sind die Hartmetallvorsprünge 28 so angeordnet, daß, wenn die Vorsprünge 28 sich innerhalb des Rohres an den Nocken 10a vorbei bewegen, die Hart­ metallvorsprünge 28 das weichere Rohrmaterial, speziell die Segmente 17a in die Nuten 22 hinein aufweiten.
Jegliche zusätzlichen Elemente, die an dem hohlen Rohr 13a zu befestigen sind, wie Zeit­ geberräder o. dgl., können ohne Nuten 22 an der Oberfläche der axialen Öffnung befestigt werden.
Allgemein gesagt, sind acht Nockennuten 22 für eine Achtzylindermaschine, sechs Nockennuten 22 für eine Sechszylindermaschine und vier Nockennuten 22 für eine Vier­ zylindermaschine vorgesehen. Vorzugsweise ist die Anzahl der radial oder in Umfangs­ richtung beabstandeten dickeren Wandsegmente 17a die gleiche wie die Anzahl der Nockennuten 22. Die dickeren Wandsegmente 17a, die Nockennuten 22 und die Vor­ sprünge 28 werden radial miteinander ausgerichtet, wie in Fig. 8 gezeigt.

Claims (13)

1. Nockenwelle, gekennzeichnet durch ein drehbares Rohr (13) mit einer Vielzahl von axial voneinander beabstandeten ersten Abschnitten (16) und einer Vielzahl von axial voneinander beabstandeten zweiten Abschnitten (18), wobei ein erster Abschnitt (16) jeweils einem zweiten Abschnitt (18) benachbart ist, wobei jeder erste Abschnitt (16) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Segmen­ ten (17) hat, wobei die Wanddicke jedes Segments (17) dicker ist als die Dicke der Rohrwand eines benachbarten zweiten Abschnitts (18), und wobei eine Vielzahl von axial beabstandeten Nocken (10) um das drehbare Rohr (13) herum angeordnet ist, wobei jeder Nocken (10) eine axiale Öffnung hat und um einen ersten Ab­ schnitt (16) herum angeordnet ist.
2. Nockenwelle nach Anspruch 1, bei der das drehbare Rohr (13) einen gleichförmi­ gen äußeren Durchmesser hat.
3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Einrichtung zum Sichern der Nocken (10) an dem drehbaren Rohr (13) aufweist.
4. Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung zum Sichern eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Nuten (22) an der inneren Oberfläche der axialen Öffnung jedes Nockens (10) aufweist, wobei jedes Segment (17) sich in eine Nut (22) jedes Nockens (10) erstreckt.
5. Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von gegenseitig axial beabstandeten Nocken (10) mechanisch an dem hohlen Rohr (13) durch Aufweitung der Segmente (17) des drehbaren Rohrs (13) befestigt ist, wobei jeder Nocken (10) eine axiale Öffnung hat und um einen ersten Abschnitt (16) he­ rum positioniert ist.
6. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit folgenden Schritten:
  • - Bereitstellen eines hohlen Rohrs (13);
  • - Walzen einer Vielzahl von axial beabstandeten ersten Bereichen (16) an dem hohlen Rohr (13), wobei jeder erste Bereich (16) eine Vielzahl von radial und/oder umfangsmäßig voneinander getrennten Segmenten (17) mit ver­ mindertem Durchmesser hat;
  • - Bereitstellen einer Vielzahl von Nockenelementen (10), die jeweils eine axia­ le Öffnung haben;
  • - Einsetzen des hohlen Rohrs (13) in die Nockenelemente (10), wobei jedes Nockenelement (10) um einen ersten Bereich (16) herum angeordnet wird; und
  • - Aufweiten der Segmente (17) mit vermindertem Durchmesser des hohlen Rohrs (13) in mechanischen Festsitz-Eingriff mit den Nockenelementen (10).
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Bereiche (18) des hohlen Rohrs (13) be­ nachbart zu den ersten Bereichen (16) Bereiche mit größerem Durchmesser bilden und diese Bereiche während des Aufweitens der Bereiche (16) mit vermindertem Durchmesser nicht aufgeweitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem vor dem Schritt des Bildens einer Vielzahl von ersten Bereichen (16) ein Kern oder Dorn (15) in das hohle Rohr (13) einge­ führt wird, der während des Schritts des Walzens zur Bildung einer Vielzahl der ersten Bereiche (16) innerhalb des hohlen Rohrs (13) bleibt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem vor dem Einführen des hohlen Rohrs (13) in die Nockenelemente (10) das hohle Rohr (13) auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet wird, wobei die Segmente (17) mit vermindertem Durch­ messer dickere Wandsegmente (17) bilden.
10. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit den folgenden Schritten:
  • - Bereitstellen eines hohlen Rohres (13);
  • - Einführen eines Kerns oder Dorns (15) in das hohle Rohr (13);
  • - Walzen einer Vielzahl erster Bereiche (16) an dem hohlen Rohr (13), wobei jeder erste Bereich (16) eine Vielzahl von radial und/oder in Umfangsrich­ tung beabstandeten Segmenten (17) mit vermindertem Durchmesser hat;
  • - Entfernen des Kerns oder Dorns (15) aus dem hohlen Rohr (13) heraus;
  • - Bearbeiten des hohlen Rohrs (13) auf einen gleichförmigen äußeren Durch­ messer, wobei die ersten Bereiche (16) radial oder in Umfangsrichtung un­ terbrochene dickere Wandbereiche (16) bilden, wobei die Bereiche (18) des hohlen Rohrs (13) benachbart zu den unterbrochenen dickeren Wandberei­ chen (16) dünnere Wandbereiche (18) bilden;
  • - Bereitstellen einer Vielzahl von Nockenelementen (10), die jeweils eine axia­ le Öffnung aufweisen;
  • - Einführen des hohlen Rohrs (13) in die Nockenelemente (10), wobei jedes Nockenelement (10) um einen unterbrochenen dickeren Wandbereich (17) herum angeordnet wird;
  • - Bereitstellen eines Aufweitwerkzeugs (36), das einen größeren Durchmesser hat als der effektive innere Durchmesser der unterbrochenen dickeren Wand­ bereiche (17) und einen kleineren Durchmesser als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche (18);
  • - Aufweiten der Abschnitte (17) mit vermindertem Durchmesser des hohlen Rohrs (13) in mechanischen Festsitz-Eingriff mit den Nockenelementen (10) durch Einführen des Aufweitwerkzeugs (36) in das hohle Rohr (13).
11. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit den folgenden Schritten:
  • - Bereitstellen eines hohlen Rohres (13);
  • - Einführen eines Kerns oder Dorns (15) in das hohle Rohr (13);
  • - Ausbilden einer Vielzahl von sich axial erstreckenden, umfangsmäßig von­ einander beabstandeten Segmenten (17) mit vermindertem Durchmesser, die in einer Vielzahl von axial beabstandeten Nockenbereichen (16) auf dem hohlen Rohr (13) angeordnet werden;
  • - Entfernen des Kerns oder Dorns (15) aus dem hohlen Rohr (13) heraus;
  • - Bearbeiten des hohlen Rohrs (13) auf einen gleichförmigen äußeren Durch­ messer, wobei die Segmente (17) mit vermindertem Durchmesser dickere Wandsegmente (17) bilden;
  • - Bereitstellen einer Vielzahl von Nockenelementen (10), die jeweils eine axia­ le Öffnung aufweisen, wobei die Oberfläche der axialen Öffnung eine Viel­ zahl von umfangsmäßig voneinander beabstandeten, sich axial erstreckenden Nuten (22) hat;
  • - Einführen des hohlen Rohrs (13) in die Nockenelemente (10), deren jedes um einen Nockenbereich (16) herum angeordnet wird;
  • - Aufweiten der Segmente (17) mit vermindertem Durchmesser des hohlen Rohrs (13) in mechanischen Festsitz-Eingriff mit den Nuten (22).
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt des Aufweitens der Segmente (17) mit vermindertem Durchmesser ein Einsetzen eines Aufweitwerkzeugs (36) beinhaltet, das umfangsmäßig voneinander getrennte Hartmetall-Vorsprünge (28) hat, die in radialer Ausrichtung mit den Nuten (22) angeordnet sind, so daß, wenn sich die Vorsprünge (28) innerhalb des Rohres (13) an den Nockenelementen (10) vorbei bewegen, die Hartmetall-Vorsprünge (28) die Segmente (17) mit vermin­ dertem Durchmesser in die Nuten (22) hinein aufweiten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Bereiche (18) des hohlen Rohres (13) benachbart zu den Nockenbereichen (16) dünnere Wandbereiche (18) bilden, die während des Schritts des Aufweitens der Segmente (17) mit vermindertem Durch­ messer nicht aufgeweitet werden.
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