DE19909184A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle 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 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.