DE19907258C1 - Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen und danach hergestellte Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Die bekannten Nockenwellen sind geschmiedet oder gegossen. Die Laufflächen der Lager oder Nocken sind mechanisch bearbeitet. Es ist auch bekannt, die Laufflächen durch Elektronenstrahl-Umschmelzen auf die erforderliche Verschleißfestigkeit zu bringen. Es sind auch durch Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellte Nockenwellen bekannt, deren Laufflächen nicht die erforderliche Festigkeit aufweisen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformen in etwa ihrer Endform hergestellt. Danach wird im Bereich der Laufflächen im Vakuum eine Schicht aus hochverschleißfestem Material durch Einwirken eines Ladungsträgerstrahls aufgebracht und danach erfolgt die Bearbeitung der Laufflächen auf das Endmaß. DOLLAR A Die Erfindung ist vorzugsweise für die Herstellung von Nockenwellen, Kurvenscheiben und Lager einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle. Vorzugsweise handelt es sich um Nockenwellen für Motoren für Kraftfahrzeuge, jedoch ist das Verfahren auch geeignet, um ähnliche Erzeugnisse, wie z. B. auf einer Welle angeordnete Kurvenscheiben herzustellen. Das sind Elemente, die eine Rotationsbewegung in Hubbewegung umsetzen, indem die Hubelemente auf rotierenden Scheiben mit unterschiedlicher Krümmung laufen und entgegen der Drehrichtung bewegt werden.

Es sind Nockenwellen bekannt, die aus einem Stück hergestellt, d. h. geschmiedet oder gegossen sind. Die Laufflächen der Nocken, die dem Verschleiß unterliegen, sind nach einer mechanischen spanenden Bearbeitung durch Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder WIG gehärtet und danach auf Fertigmaß bearbeitet. Am verbreitetsten ist das Umschmelzhärten mit Elektronenstrahlen (DE 41 30 462 C1; DE 42 25 002 C1; DE 43 09 870 A1). Danach erfolgt die weitere mechanische Behandlung, das Schleifen der Lagerflächen und Nocken. Diese Nockenwellen haben den Nachteil, daß ihr Gewicht und damit die zu bewegende Masse sehr hoch ist. Das hohe Trägheitsmoment wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus. Ein weiterer Nachteil ist der hohe mechanische Aufwand des Verfahrens bei der Bearbeitung des Rohlings.

Es ist weiterhin bekannt, Nockenwellen aus Einzelteilen herzustellen. Die einzelnen Nocken werden auf die Welle aufgebracht und mit ihr vorzugsweise durch Schweißen verbunden oder aufgeschrumpft. Hierbei ist der Mangel des hohen Gewichts der massiven Kurvenscheiben aus einem Stück zwar beseitigt, denn die Welle kann eine Hohlwelle sein, jedoch ist der Aufwand der Herstellung noch sehr hoch.

Es ist weiterhin als verbesserte Ausführungsform der aus Einzelteilen hergestellten Nockenwellen bekannt, die gehärteten Nockenscheiben, die der Endkontur entsprechen, auf einem rohrförmigen Wellenkörper unter mechanischer Vorspannung aufzubringen. Vorher werden die Nockenscheiben an ihrem Außenumfang induktiv randschichtgehärtet. Dabei wird ein Härteverfahren mit mehreren Stufen angewendet (DE 44 20 092 C2). Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und die Nockenwelle hat noch ein hohes Gewicht, da die Nockenscheiben massiv sind.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es auch bekannt, die einzelnen Nocken auf der Hohlwelle derart zu befestigen, indem die Hohlwelle nach dem Aufschieben der Nocken durch Einwirkung von Druck aufgeweitet wird. Als Druckmedien werden bevorzugt Flüssigkeiten verwendet. Der Druck wird mittels Kolben oder Stempel erzeugt (DE 34 09 541 A1; DE 35 21 206 A1). Dieses Verfahren hat aber auch den Nachteil, daß die Herstellung der Einzelteile, insbesondere das Fügen, technologisch kompliziert ist.

Es ist weiterhin bekannt, Nockenwellen derart herzustellen, daß ein länglicher Hohlkörper, d. h. eine Hohlwelle durch Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU-Verfahren genannt) Ausformungen als Nocken wirkend einzeln oder nacheinander erzeugt werden. Entsprechende zweiteilige Werkzeuge gewährleisten durch das Nachschieben der Hohlwelle in axialer Richtung, daß die Nocken in ihrer Lage definiert entstehen und eine einstückige Ausformung erfolgt (WO 97/46341 A1). Die nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle ist jedoch mit dem Mangel behaftet, daß zwar die Herstellungskosten gegenüber den geschmiedeten oder zusammengesetzten Nockenwellen geringer sind, aber die Verschleißfestigkeit der Nockenfläche ist unzureichend. Es ist nicht möglich, mit einem Material, welches die Verschleißfestigkeit gewährleistet, das IHU-Verfahren auszuüben. Außerdem ist es nicht möglich, bei geringem Abstand der Nocken auf der Welle, wie es in der Regel bei Kfz-Motoren erforderlich ist, eine ebene Lauffläche der Nocken zu erzeugen, denn an den steilen Flanken wird zwangsläufig das Material geschwächt, was die Festigkeit negativ beeinflußt. Wird ein Material für die Hohlwelle verwendet, was zur Verringerung des gesamten Mangels beiträgt, so läßt dieses zwar eine gute Verformung zu, aber die Härte bzw. Verschleißfestigkeit ist selbst durch einen nachfolgenden Härteprozeß nicht erreichbar. Gerade die Härte- und Verschleißfestigkeit der Nocken ist eine Grundvoraussetzung für eine hohe Lebensdauer der Nockenwellen im Kfz-Motor. Es ist auch sehr schwer, wenn überhaupt möglich, im gesamten Bereich der Nockenwelle, d. h. der Welle selbst und den Flanken sowie der Lauffläche des Nockens die notwendigen Materialdicken zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen zu schaffen, mit welchem durch Anwendung des bekannten Innenhochdruck- Umformverfahrens Nockenwellen herstellbar sind, die fest sind, geringe Durchbiegung aufweisen, hohe Torsionsfestigkeit besitzen und eine hohe Biegesteifigkeit in den Belastungsflächen auf der Nockenflanke und -spitze besitzen. Das Herstellungsverfahren soll einfach sein. Es sollen keine mechanischen Fügestellen zwischen der Hohlwelle und der Verschleißfläche vorhanden sein. Weiterhin besteht die Aufgabe eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen beschreiben die Ansprüche 2 bis 9, 11 und 12.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das bekannte Innenhochdruck- Umformverfahren, welches mit den beschriebenen Nachteilen behaftet ist, durch eine Kombination mit dem Auftragen von verschleißfestem Material im Bereich der Lauffläche der Nocken gewährleistet, daß eine hohe Qualität, insbesondere hohe Verschleißfestigkeit für Nockenwellen erreicht wird. Das an sich bekannte Auftragen, auch Auftragsschweißen genannt, von Material hoher Verschleißfestigkeit auf Material geringer Verschleißfestigkeit, aber mit guter Verformbarkeit, stellt eine Kombination von zwei bekannten Technologien dar, die alle Mängel bekannter Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen beseitigt. Der Auftrag, d. h. das Aufschmelzen des Materials auf die Lauffläche der Nocken, erfolgt z. B. durch Abschmelzen von drahtförmigem oder bandförmigem Material durch Einwirkung von Energie, eines Ladungsträgerstrahls, vorzugsweise Elektronenstrahls. Es sind aber auch andere Verschleißwerkstoffdeponieverfahren wie Sintern, Pastenauftrag, Pulverzuführung u. a. möglich. Die vorgeformte Hohlwelle und das durch Ladungsträgerstrahl erzeugte Energiefeld, in dessen Bereich das Material abschmilzt, führen eine Relativbewegung aus.

Vorteilhafterweise werden die Bewegungen so ausgeführt, daß der Ladungsträgerstrahl auf jedem Punkt der Lauffläche annähernd senkrecht auftrifft.

Das verschleißfeste Material wird in Bahnen nebeneinander, in den Randbereichen, erforderlichenfalls auch übereinander zum Ausgleich der Rundungen der Flanken durch den Umformprozeß bedingt, über den Umfang verteilt, aufgebracht. Es ist auch möglich, die Bahnen in Achsrichtung verlaufend meanderförmig aufzubringen und in den Randbereichen mehr Material zuzuführen, um die Rundungen auszugleichen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der danach hergestellten Nockenwelle bestehen darin, daß zwei an sich bekannte, moderne, hochproduktive und wirtschaftliche Prozesse kombiniert sind. Es sind für die Nockenwelle und die Lauffläche unterschiedliche Materialien und den jeweiligen Bedingungen angepaßt, einsetzbar. Die Nockenwelle weist durch die Ausbildung als Hohlwelle und auch die hohlen Nocken ein geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Das Gesamtverfahren ist wirtschaftlich und relativ einfach.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1: einen Schnitt durch einen Teil einer Nockenwelle,

Fig. 2: einen Schnitt durch einen Nocken mit in Umlaufrichtung spiralförmig aufgetragenem Material,

Fig. 3: einen Schnitt durch einen Nocken mit in Umlaufrichtung breit aufgetragenem Bandmaterial und in

Fig. 4: eine Ansicht der Lauffläche eines Nockens mit in Achsrichtung aufgetragenem Material.

Ein Rohr als Hohlwelle 1 aus einem gut verformbaren Material mit jedoch geringer Verschleißfestigkeit ist durch IHU-Verfahren in bekannter Weise in einem entsprechend ausgeformten Werkzeug so verformt worden, daß an definierten Stellen, wo die Nocken 2 ihren Sitz haben sollen, sich der Nocken 2 bildet oder ein Lager seinen Sitz hat. Nach diesem ersten Verfahrensschritt wird diese Nockenwelle in einen bekannten Rezipienten eingebracht und ein aus einer Elektronenkanone 3 austretender ablenkbarer Elektronenstrahl 4 wird in Achsenrichtung auf der Lauffläche des Nockens 2 bei gleichzeitiger Rotation der Nockenwelle abgelenkt. In das Energiefeld des Elektronenstrahls 4 wird mit definierter Geschwindigkeit das Material 5 als Band eingebracht, welches aufschmilzt und eine Bahn 6 über dem gesamten Bereich der Lauffläche 7 bildet. Die Geschwindigkeiten für diese Rotation der Hohlwelle 1 und die Energiedichte des Elektronenstrahls 4 sind so gesteuert, daß bei sich ständig durch die Geometrie des Nockens 2 ändernden Abstands zwischen der Elektronenkanone 3 und der Lauffläche 7 eine Schicht etwa konstanter Dicke bildet. Nach diesem elektronenstrahltechnologischen Schritt im Vakuum wird die so beschichtete Nockenwelle in bekannter Weise durch spanabhebende Bearbeitung fertiggestellt, indem der Bereich des Lagers und die Laufflächen 7 das Fertigmaß erhalten.

In Fig. 2 und 3 ist gezeigt, wie die einzelnen Bahnen 6 aus dem verschleißfesten Material 5 so auf- und nebeneinander aufgebracht werden, daß die bei der Verformung der Hohlwelle 1 entstehenden Rundungen an den Kanten der Nocken 2 ausgefüllt sind, damit eine ebene Lauffläche entsteht. Diese wird, wie bereits beschrieben, auf das Sollmaß mechanisch bearbeitet, um die verschleißfeste Schicht zu bilden. Das Material 5 wird in Fig. 2 in Drahtform und in Fig. 3 als Band zugeführt.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die einzelnen Bahnen 6 aus dem verschleißfesten Material 5 in Achsrichtung nebeneinander über die Breite der Lauffläche 7 aufgebracht sind. Dabei wird das Material 5 in Drahtform zugeführt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen durch Innenhochdruck-Umformen eines Rohres (1) derart, daß in einer Form, die entsprechend der Funktion der Nockenwelle in ihrer Gestalt und Position Ausformungen aufweist, die Nockenwelle als Hohlwelle mit der endgültigen Form und Anordnung der Nocken (2) die Nockenwelle hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Lauffläche (7) des Nockens (2) oder Lagers eine Schicht aus einem verschleißfesten Material (5) derart aufgebracht wird, daß das verschleißfeste Material (5) und der Rohrwerkstoff durch Einwirkung von Energie, vorzugsweise eines Elektronenstrahles (4), aufgeschmolzen und dabei zwischen den Nocken (2) und dem auf das abzuschmelzende verschleißfeste Material (5) einwirkende Elektronenstrahl (4) eine Relativbewegung ausgeführt wird und daß nach dem Aufbringen der Schicht mechanisch die Lauffläche (7) des Nockens (2) oder des Lagers bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung senkrecht zur Achse der Nockenwelle ausgeführt wird und die Bahnen des aufgebrachten verschleißfesten Materials (5) längs über den Umfang des Nockens (2) verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Randbereichen der Lauffläche (7) des Nockens (2) die Materialdicke zunimmt, um die durch das Innenhochdruck-Umformen zwangsläufig entstehenden Rundungen auszugleichen und eine ebene Lauffläche (7) herzustellen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung senkrecht zur Achse und axial ausgeführt wird und die Bahnen des aufgebrachten verschleißfesten Materials (5) in axialer Richtung über den Umfang des Nockens (2) verlaufen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Randbereichen der Lauffläche (7) die Materialzufuhr durch Steuerung der Geschwindigkeit der Relativbewegung und/oder der Materialzufuhrgeschwindigkeit und/oder der Energieeinwirkung des Energiefeldes/Ladungsträgerstrahles derart erfolgt, daß der Auftrag an verschleißfestem Material (5) größer ist um die zwangsläufig entstehenden Rundungen auszugleichen und eine ebene Lauffläche (7) herzustellen.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (4) in jedem Auftreffpunkt senkrecht und mit konstanter Energiedichte auf der Lauffläche (7) des Nockens (2) auftrifft.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektronenstrahl (4) und der Lauffläche (7) des Nockens (2) eine Relativbewegung derart erfolgt, daß die Relativbewegung und das durch den Elektronenstrahl (4) erzeugte Energieübertragungsfeld aufeinander abgestimmt werden und die Energieverteilung durch eine digitale Prozeßsteuerung der Ablenkung des Elektronenstrahles (4) dem Abschmelzprozeß des aufzubringenden verschleißfesten Materials (5) angepaßt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzubringende verschleißfeste Material (5) im gleichen Abstand über der Lauffläche (7) des Nockens (2) in den Einwirkbereich des Elektronenstrahls zugeführt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzuführung mit dem Elektronenstrahlerzeuger gekoppelt wird.

10. Nockenwelle, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlwelle (1) derart durch Innenhochdruck-Umformen ausgebildet ist, daß Nocken (2) in ihrer Geometrie und Anordnung sowie im Bereich ihrer Lagerstellen ein Teil bilden, daß im Bereich der Laufflächen (7) der Nocken (2) oder des Lagers eine Schicht im Vakuum durch Aufschmelzen von einem verschleißfesten Material (5) aufgetragen ist, die eine parallel zur Achse der Nockenwelle ebene Lauffläche (7) bildet und daß die Lauffläche (7) mechanisch nachgearbeitet ist.

11. Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (1) aus gut umformbarem Rohr hergestellt ist und das Material der Schicht auf der Lauffläche (7) der Nocken (2) verschleißfest ist.

12. Nockenwelle nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Schicht 0,5 bis 4 mm dick ist.