DE19617219A1 - Hohle Welle, insbesondere Nockenwelle - Google Patents
Hohle Welle, insbesondere NockenwelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine hohle Welle mit Erhebungen, insbe
sondere Nocken, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.
Insbesondere bei Nockenwellen, die zur Betätigung von Ventilen
von Brennkraftmaschinen dienen, treten an den Nocken sehr hohe
Kräfte auf, die entsprechend hohe Pressungen erzeugen. Dies be
dingt den Einsatz von harten und verschleißfesten Werkstoffen
für die Nockenwelle oder die Schaffung einer harten Verschleiß
schutzschicht auf den Nocken durch Nitrieren, Einsatzhärten, In
duktiv-härten und dergl., wodurch ein teurer Grundwerkstoff ver
wendet werden muß. Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist
das Gewicht der Nockenwelle, das möglichst gering sein soll.
Aus der DE-PS 22 32 438 ist eine mehrteilige Nockenwelle be
kannt, die einen rohrartigen Stahlkörper mit Nocken aufweist,
der im Gesenk durch ein mit Stoßentladung arbeitendes elektroma
gnetisches Formverfahren oder durch ein Hochgeschwindigkeits
druckverfahren geformt wird, und in seinem Inneren ein rohrför
miges Kernteil aufnimmt, das mit Festsitz an Innenflächen des
Stahlkörpers anliegt. Das Kernteil nimmt zum großen Teil die
Biege- und Verdrehbeanspruchungen der Nockenwelle auf und es
soll die hohlen Nocken des äußeren Stahlkörpers und insbesondere
deren Seitenwände unterstützen. Diese Nockenwelle hat gegenüber
vollen Nockenwellen erhebliche Gewichtsvorteile, jedoch muß das
Stahlteil mit den Nocken eine beträchtliche Wandstärke haben,
damit im Betrieb keine Verformung der Nocken durch die hohen
Kräfte eintritt, die in Umfangsrichtung auf die Nocken wirken.
Die Formgebung des dickwandigen Stahlkörpers erfordert einen be
trächtlichen Energieaufwand.
Ähnliche Probleme bestehen bei der Nockenwelle entsprechend der
DE-OS 44 27 201, bei der ein Rohr zur Bildung der Nocken durch
Anwendung eines Innenhochdruck-Umformverfahrens in mehreren Stu
fen aufgeweitet wird. Anschließend wird die Welle mit bekannten
Verfahren, wie Nitrocarburieren, Plasmanitrieren, Borieren, La
serhärten, Induktionshärten, Flammhärten, Elektronenstrahlhärten
oder Einsatzhärten nachbehandelt. Das Rohr muß eine verhältnis
mäßige große Wandstärke haben, um nicht nur die auf die Nocken
wirkenden Kräfte, sondern die auf die gesamte Nockenwelle wir
kenden Kräfte verformungsfrei aufnehmen zu können, da hier kein
Stützkörper wie bei der Nockenwelle entsprechend der DE-PS 22 32 438
vorgesehen ist. Die Formgebung des dickwandigen Rohres ist
wiederum mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden. Außer
dem muß für das Rohr ein härt- und/oder vergütbarer Werkstoff
verwendet werden und es ist dadurch aufgrund seiner verhältnis
mäßig großen Wandstärke entsprechend teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hohle Welle, insbesondere ei
ne Nockenwelle, zu schaffen, die sich durch ein geringes Gewicht
auszeichnet, deren Materialkosten verhältnismäßig niedrig sind
und die mit vergleichsweise geringem Energieaufwand hergestellt
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag im Gegensatz zu
dem Stand der Technik nicht ein dickwandiges Rohr, sondern min
destens zwei dünnwandige Rohre durch ein an sich bekanntes, bei
spielsweise in den genannten Druckschriften beschriebenes Innen
hochdruck-Umformverfahren zur Bildung der Erhebungen in einer
Außenform aufgeblasen werden, ist der Energieaufwand für die
Formgebung erheblich geringer, insbesondere dann, wenn die Rohre
nacheinander aufgeblasen werden. Da nur das Außenrohr aus einem
härt- und/oder vergütbaren Material bestehen muß, sind auch die
Materialkosten reduziert. Eine weitere Verringerung der Materi
alkosten kann dadurch erreicht werden, daß anstelle eines durch
gehenden Außenrohres aus einem härt- und/oder vergütbaren Werk
stoff einzelne Rohrabschnitte aus einem solchen Werkstoff vorge
sehen werden, die jeweils die Umfangsfläche einer Erhebung, also
beispielsweise eines Nockens, bilden und die auf das Außenrohr
aufgesteckt und mit diesem in der Außenform durch ein Innenhoch
druck-Umformverfahren aufgeblasen werden. Alternativ könnten
diese Rohrabschnitte in bereits weitgehend fertiger Form in die
Außenform eingelegt werden. Dann wird das Außenrohr durch diese
Rohrabschnitte hindurchgesteckt und durch Erzeugung eines Innen
hochdruckes aufgeblasen und in form- oder kraftschlüssige Verbin
dung mit den Rohrabschnitten gebracht. Gegebenenfalls können die
Rohrabschnitte dabei ihre endgültige Form erhalten.
Die Rohre können kraftschlüssig oder durch entsprechende Formge
bung formschlüssig miteinander verbunden sein.
Um eine hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen, kann das Außen
rohr bei oder nach dem Aufblasen in der Außenform einer Wärmebe
handlung unterworfen werden. Alternativ kann diese Wärmebehand
lung nach dem Aufblasen aller Rohre stattfinden, wobei für das
Außenrohr ein solcher Werkstoff gewählt wird, daß bei der Wärme
behandlung auch eine Schrumpfverbindung mit dem folgenden Rohr
entsteht.
Das innere Rohr oder die inneren Rohre kann bzw. können eine
solche Oberflächenbeschaffenheit und/oder Wandstärke haben
und/oder aus solchen Werkstoffen bestehen, daß eine gute Schwin
gungsdämpfung und eine gute Verbindung zwischen den Rohren er
reicht wird.
Der innere Hohlraum der hohlen Welle kann mit einem Kunststoff
ausgefüllt sein, um eine verbesserte Geräusch- und Schwingungs
dämpfung zu erreichen.
Zwei Ausführungsbespiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt entlang Linie 1-1 in Fig. 2 eines
Abschnittes einer Außenform mit einer fertig geformten
Nockenwelle entsprechend dem ersten Beispiel,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 mit einer fertig
geformten Nockenwelle entsprechend dem zweiten
Beispiel, und
Fig. 4 einen Querschnitt der Nockenwelle entlang Linie 4-4
in Fig. 3.
Es sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 bezuggenommen, in denen ei
ne aus zwei Teilen 1 und 2 bestehende Außenform dargestellt ist,
die zusammen eine Innenkontur entsprechend der Außenkontur der
Nockenwelle haben, also an den Stellen, an denen Nocken gebildet
werden sollen, entsprechende Vertiefungen 3 bzw. 4 aufweisen. In
die Außenform wird zunächst ein äußeres Rohr 5 eingelegt, das
durch ein bekanntes Innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen
wird, so daß es sich eng an die Innenkontur der Außenform an
legt. Das Rohr 5 besteht aus einem härt- und/oder vergütbaren
Werkstoff, um eine verschleißfeste Oberfläche zu erhalten. Nach
dem Aufblasen des äußeren Rohres 5 wird in dieses ein Innenrohr
6 eingeführt, das aufgeblasen wird und sich eng an die Innenkon
tor des äußeren Rohres 5 anlegt. Falls erforderlich, kann in das
aufgeblasene Innenrohr 6 ein weiteres Innenrohr 7 eingeführt
werden, das aufgeblasen wird und sich eng an die Innenkontur des
ersten Innenrohres 6 anlegt. Je nach Bedarf können weitere In
nenrohre nacheinander eingelegt und aufgeblasen werden. Das Er
gebnis ist eine Nockenwelle mit einem sandwichartigen Aufbau,
die ein sehr geringes Gewicht hat.
Die Rohre 5 bis 7 können verhältnismäßig dünnwandig sein, so daß
für ihr Aufblasen ein geringer Energieaufwand erforderlich ist.
Die Innenrohre 6 und 7 können aus einem relativ billigen Werk
stoff bestehen, wodurch die Materialkosten der Nockenwelle redu
ziert werden. Sie können in ihrer Oberflächenbeschaffenheit
und/oder Wandstärke unterschiedlich sein und/oder aus unter
schiedlichen Werkstoffen bestehen, um gegebenenfalls eine gute
Schwingungs- und Geräuschdämpfung zu erreichen und die Verbin
dung zwischen den Rohren und mit dem äußeren Rohr 5 zu verbes
sern.
Die Rohre 5 bis 7 sind durch die ineinanderliegenden unrunden
Abschnitte, welche die Nocken bilden, miteinander formschlüssig
verbunden. Es können jedoch Maßnahmen für eine zusätzliche form
schlüssige Verbindung vorgesehen werden, wie später in Verbin
dung mit Fig. 4 beschrieben.
Wenn zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit eine Wärme
behandlung des äußeren Rohres 5 erfolgen soll, so kann diese bei
oder nach dem Aufblasen dieses Rohres in der Außenform stattfin
den. Alternativ kann die Wärmebehandlung in der Außenform nach
dem Aufblasen des Innenrohres 6 oder weiterer Innenrohre erfol
gen, in welchem Fall der Werkstoff des äußeren Rohres 5 so ge
wählt werden kann, daß eine Schrumpfverbindung mit dem Innenrohr
6 erreicht wird.
Zur Verbesserung der Geräusch- und Schwingungsdämpfung kann der
innere Hohlraum 8 der geformten Nockenwelle mit einem Kunststoff
ausgefüllt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist die gleiche Außen
form mit den Teilen 1 und 2 verwendet. Abweichend von dem ersten
Ausführungsbeispiel sind auf dem äußeren Rohr 5 einzelne Rohrab
schnitte 9 aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff vorge
sehen, die an den Stellen, an denen Nocken entstehen sollen, auf
das Rohr 5 aufgesetzt und mit diesem so in die Außenform einge
legt werden, daß die Rohrabschnitte 9 den Vertiefungen 3 und 4
in den Formteilen 1 und 2 gegenüberliegen. Dann wird das Rohr 5
mit den darauf befindlichen Rohrabschnitten 9 aufgeblasen, wo
durch sich die Rohrabschnitte eng an die Wände der Vertiefungen
3, 4 anlegen und die gewünschte Nockenform erhalten. Nach dem
Aufblasen des äußeren Rohres 5 wird wie bei dem ersten Beispiel
ein Innenrohr 6 in das äußere Rohr 5 eingeführt und aufgeblasen.
Auch hier können bei Bedarf weitere Innenrohre nacheinander ein
geführt und aufgeblasen werden. Diese Ausführung hat den Vor
teil, daß nur die Umfänge der Nocken, die von den Rohrabschnit
ten 9 gebildet sind, aus dem relativ teuren, härt- oder vergüt
baren Werkstoff bestehen, so daß die Material
kosten reduziert sind.
Um eine zusätzliche formschlüssige Verbindung der Rohrab
schnitte 9 mit dem Außenrohr 5 zu erreichen, ist, wie aus Fig. 4
ersichtlich, die Innenfläche jedes Rohrabschnittes 9 mit axial
verlaufenden Nuten 10 versehen, in die das Außenrohr 5 bei Auf
blasen hineingedrückt wird. Dabei bilden sich an der Innenfläche
des Außenrohres 5 entsprechende Nuten 11, in die das Innenrohr 6
beim Aufblasen hineingedrückt wird, so daß auch zwischen den
Rohren 5 und 6 eine formschlüssige Verbindung zusätzlich zu dem
Formschluß entsteht, der durch die in die Vertiefungen 3, 4 hin
eingedrückten, die Nocken bildenden Abschnitte der Rohre gebil
det ist.
Abweichend von dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist es denk
bar, die Rohrabschnitte 9 bereits vorgeformt in die Vertiefungen
3, 4 einzulegen und dann das Außenrohr 5 durch die eingelegten
Rohrabschnitte 9 hindurchzuführen und aufzublasen.
Die Erfindung ist in Verbindung mit einer Nockenwelle beschrie
ben und dargestellt. Sie ist jedoch allgemein für hohle Wellen
anwendbar, an die ähnliche Anforderungen gestellt werden.
Claims (12)
1. Hohle Welle mit Erhebungen, insbesondere Nocken, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie aus mindestens zwei dünnwandigen, ineinan
der angeordneten Rohren (5, 6, 7) besteht, die in einer Außenform
(1, 2) mit einer der Außenkontur der Welle entsprechenden Innen
kontur durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen wur
den.
2. Hohle Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
äußere Rohr (5) aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff
besteht.
3. Hohle Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (5, 6, 7) form- oder kraftschlüssig miteinander ver
bunden sind.
4. Hohle Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das innere Rohr (6) bzw. die inneren Rohre (6, 7)
aus einem zähen Werkstoff besteht bzw. bestehen.
5. Hohle Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens zwei innere Rohre (6, 7) vorgesehen
sind, die unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit und/oder
Dicke haben und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
6. Hohle Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß auf dem äußeren Rohr (5) einzelnen Rohrab
schnitte (9) aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff an
geordnet sind, die jeweils die Umfangsfläche einer Erhebung bil
den.
7. Hohle Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß ihr innerer Hohlraum (8) mit Kunststoff gefüllt
ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle nach
Anspruch 1 in einer Außenform durch Innenhochdruckverformung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre nacheinander in die Außen
form eingelegt und aufgeblasen werden.
9. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle nach
Anspruch 6 in einer Außenform durch Innenhochdruckverformung,
dadurch gekennzeichnet, daß die die späteren Erhebungen bilden
den Rohrabschnitte auf das äußere Rohr aufgesetzt und zusammen
mit diesem in die Außenform eingelegt und aufgeblasen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Rohr bzw. die Rohrabschnitte nach dem Aufblasen
zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit einer Wärmebe
handlung unterworfen wird bzw. werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Rohr bzw. die Rohrabschnitte nach dem Aufblasen
des folgenden Rohres zur Erzielung einer hohen Ver
schleißfestigkeit und einer Schrumpfverbindung mit dem fol
genden Rohr einer Wärmebehandlung unterworfen wird bzw. werden.
12. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle nach
Anspruch 6 in einer Außenform durch ein Innenhochdruck-
Umformverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenform an
den Stellen, an denen die Erhebungen geformt werden, jeweils ein
der Form der Erhebungen entsprechender Rohrabschnitt aus einem
härt- und/oder vergütbaren Werkstoff eingelegt wird, dann minde
stens zwei Rohre nacheinander durch die Rohrabschnitte hindurch
geführt und durch Erzeugung eines Innenhochdruckes aufgeblasen
und in form- oder kraftschlüssige Verbindung miteinander und
mit den Rohrabschnitten gebracht werden.
Priority Applications (1)
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DE19617219A DE19617219C2 (de) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle |
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