DE19909184A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und danach hergestellte Nockenwelle - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und danach hergestellte NockenwelleInfo
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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 werden in einem getrennten Verfahren hergestellte Tragringe, mit der Nockenkontur, der erforderlichen Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit in ein IHU-Werkzeug eingelegt und gemeinsam mit dem umzuformenden Rohr durch Einwirkung von Axialkräften und eines Mediums unter Innenhochdruck durch Aufweiten des Rohres die Tragringe kraft- und formschlüssig befestigt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen 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; 42 25 002; 43 09 870).
Danach erfolgt die weitere mechanische Behandlung, das Schleifen der Lagerflächen
und Nocken. Diese Nockenwellen haben den Nachteil, daß ihr Gewicht und die damit 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 gebracht 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.
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 Einwirken von Druck aufgeweitet wird. Als Druckmedien
werden bervorzugt Flüssigkeiten verwendet. Der Druck wird mittels Kolben oder
Stempel erzeugt (DE 34 09 541; 35 21 206). Dieses Verfahren hat aber den Nachteil,
daß die Herstellung der Einzelteile, insbesondere das Fügen, technologisch kompliziert
ist und die Innenkontur der Nocken einschränkt.
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 oder
gleichzeitig erzeugt werden. Entsprechend zweiteilige oder vierteilige 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).
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 Stellen des höchsten Umformgrades 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 diese 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 einen 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 speziell den Flanken und Spitzen des Nockens die notwendigen Materialdicken zu
erreichen.
Es ist weiterhin bekannt, die Nockenbahn bildende Rohrabschnitte mit einer
exzentrischen Profilierung herzustellen und diese unter Anwendung eines
Preßsitzverbandes zu verstärken. Die Herstellung des Nockens erfolgt durch
Explosivumformung eines Rohres. Die einzelnen Nocken werden entsprechend
zueinander versetzt auf der Nockenwelle befestigt (DD 243 223). Diese derzeit
hergestellten Nockenwellen erfordern einen hohen Herstellungsaufwand und haben
durch die massive Welle ein hohes Gewicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von
Nockenwellen zu schaffen, mit welchem durch Anwendung des bekannten Innendruck-
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. Ein Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, d. h.
Verschleißschutzschicht in einem weiteren Prozeßschritt soll entfallen, ebenso wie
aufwendige mechanische Nacharbeiten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen beschreiben die Ansprüche 2 und 4 bis 7.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in einem getrennten Verfahren
entsprechend harte und verschleißfeste Tragringe mit geringer Wanddicke und der
endgültigen Form des Nockens hergestellt werden, diese Tragringe in ein IHU-
Werkzeug eingelegt und durch das IHU-Werkzeug und in das Rohr eingeleitete axiale
Kräfte in Verbindung mit über ein Druckmedium erzeugte Innenkräfte eine ein- oder
zweistufige Umformung des Rohres zur Nockenwelle erfolgt.
Mit Beendigung des Umformprozesses erfolgt die kraft- und formschlüssige
Verbindung des Nockens mit dem Tragring. An den Enden der Nockenwelle sind an sich
bekannte Lagerelemente angeordnet.
Es ist vorteilhaft, mindestens eine Rille radial in den Tragring einzubringen, um das
seitliche Verschieben des Tragringes zu verhindern, indem bei der Druckeinwirkung sich
diese Rille mit Material der Welle ausfüllt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Nockenwelle ist durch die hohlen Nocken und sehr dünnwandigen
Tragringe im Gewicht sehr leicht und besitzt eine hohe Steifigkeit. Es besteht der Vorteil,
daß die Tragringe nicht oder nur wenig mechanisch nachzuarbeiten sind. Ihre Härte ist
entsprechend den Anforderungen bereits gegeben, was das sonst übliche nachträgliche
Härten, z. B. durch Umschmelzhärten in einem Vakuumprozeß erspart. Die gesamte
Herstellung ist relativ einfach und damit auch kostengünstig.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung beschrieben. Die zugehörige
Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine fertige Nockenwelle,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Nocken auf der Welle,
Fig. 3 einen Ausschnitt als Längsschnitt durch einen Nocken auf der Welle.
An einem dünnwandigen Rohr 1 aus einem gut verformbaren Material wird durch IHU-
Verformung in einer Preßform die Nockenwelle konturennah hergestellt, d. h. die Stellen,
wo eine Nocke 2 ihren Sitz hat wird entsprechend den Abmessungen der Nocke 2 und
ihre Lage ausgeformt. Die Welle mit ihrem Nocken 2 ist ein einziger Hohlkörper. In
einem bekannten Prozeß werden unabhängig Tragringe 3, wie aus Fig. 2 und 3
ersichtlich hergestellt. Dazu wird ein Rohr aus verschleißfestem Material so profiliert,
daß die endgültige Form des Tragringes (Nockens) gegeben ist. Die Tragringe 3 werden
in das geöffnete Umformwerkzeug eingelegt und sind auf diese Weise lagefixiert. Das
zur Nockenwelle umzuformende Rohr wird durch die eingelegten Tragringe geschoben
und ebenfalls in das geöffnete Umformwerkzeug eingelegt. Das Umformwerkzeug wird
axial geschlossen und radial kann die Krafteinleitung zur Umformung einsetzen. Die
Krafteinleitung beginnt mit einer definierten axialen Kraft auf das Rohr und/oder das
Werkzeug, unterstützt von einem definierten Innendruck im Rohr. Nach dem
vollständigen Schließen des Werkzeuges axial und radial erfolgt mit einem reinen IHU-
Prozeß das form- und kraftschlüssige Verbinden von Welle und Tragring 3.
Es ist auch möglich, im Innern des Tragringes 3 radial eine Rille 4 einzubringen, wodurch
der Halt auf dem Nocken 2 verbessert wird, indem diese Rille 4 sich mit dem Material
der Welle ausfüllt. Möglich ist es auch, den Tragring 3 am Innendurchmesser mit
Phasen zu versehen, die sich beim abschließenden IHU-Prozeß mit Material füllen. An
den Enden der Nockenwellen sind an sich bekannte Lagerelemente 5 angeordnet.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus einem Rohr, welches durch
Einwirkung axialer Kräfte und eines Mediums unter hohem Innendruck verformt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die in einem getrennten Verfahren hergestellten, der
Nockenkontur, der erforderlichen Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit
entsprechenden Tragringe in ein IHU-Werkzeug gemeinsam mit dem
umzuformenden Rohr einlegt werden, und daß durch Einwirkung von Axialkräften
und eines Mediums unter Innenhochdruck durch Aufweiten des Rohres die
Tragringe kraft- und formschlüssig befestigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragringe vor dem
Aufbringen auf das Rohr gehärtet werden.
3. Nockenwelle, hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nockenwelle aus einem Rohr (1) durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren derart
hergestellt ist, daß die Welle konturennah alle Nocken (2) in Form und Stellung in
einem Stück aufweist, daß auf den ausgeformten Nocken (2) ein Tragring (3) kraft-
und formschlüssig aufgebracht ist, daß an den Enden in bekannter Weise
Lagerelemente (5) angebracht sind.
4. Nockenwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tragring (3)
innen mindestens eine radial verlaufende Rille (4) eingebracht ist.
5. Nockenwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Rohr
zugewandte Seite des Tragringes (3) ein- oder beidseitig Fasen aufweist.
6. Nockenwelle nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (3)
aus einem harten, verschleißfestem Material hergestellt ist.
7. Nockenwelle nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (3)
vor dem Aufbringen auf den ausgeformten Nocken (2) gehärtet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8368 | Opposition refused due to inadmissibility | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |