DE2232438A1

DE2232438A1 - Nockenwelle, insbesondere fuer hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2232438A1
Application number: DE2232438A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Schlotterbeck; Walter Staake
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1972-07-01
Filing date: 1972-07-01
Publication date: 1974-01-10
Also published as: GB1394511A; US3869938A; IT989174B; FR2237493A5; DE2232438C3; DE2232438B2

Description

KLÖCKNER-HUMBOLDT-DEUTZ AG · KÖLN ^D ¹^"⁰"¹-^{11 ÖU}» ^Qen -> *

uns« Zeichen: D 72/50 - AP Ch/Bu

Nockenwelle, ins be ndere für 2232438

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle, insbesondere für Hubkolbenbrennkraftmaschine^ die aus einem Stahlrohr gefertigt ist, welches in einem Gesenk im Bereich der Nocken eine Aufweitung erfahren und zwischen den Nocken eine kreiszylindrische Form hat.

Auf das hohle Gebilde der Nocken wirken, wenn die Nockenwelle für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine verwendet wird, stark unterschiedliche Kräfte ein. Auf die Nocken wirken Stoßkräfte, Beschleunigungskräfte, Federkräfte und Gaskräfte ein. Die Nocken sind darüber hinaus hohen Fläohenpressungen ausgesetzt. Die Nockenwelle als Ganzes wird durchgebogen und unterliegt Tor- und rückeilandeη Drehmomenten. Die BiegebeanspruchUBgen und die Verdrehbeanspruchungen treten dabei stark ungleichförmig auf, da sich die Kräfte und die wirksamen Hebelarme an den Nocken ändern.

Beim Aufwelten eines Rohres «u einer Nockenwelle muS darauf geachtet werden, daß die Festigkeit der Wandungsteile im Bereich der Nockenerhebungen durch örtliche Streckung das Werkstoffes nicht geschwächt wirden. Angesichts dieser Tat-

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sache atellt eich die F^rage, ob ββ zweckmäßig ist, den hohen Beanspruchungen der Nockenwelle allein gerecht zu werden, indem man danach trachtet, insbesondere die Nokkenerhebung im Hinblick auf ihre Wändetärken ausreichend zu beraeesen.

Gemäß der Erfindung wird nun vorgeachlagen, da8 daa Nockenrohr durch Aufwendung einea Hochgeschwindigkeitsdruckverfahrene im Bereich der Nocken aufgeweitet ift und daß daa Nockenrohr in seinem Innern ein kreiazylindriachee Rohr aufweist, welches mit seiner AuQenflache spielfrei, vorzugsweiae mit Festsitz, an den kreiszylindrischen Innenflächen des Nockenrohres anliegt.

Das Hochgeschwindigkeitedruckverfahren hat den Vorteil, da8 das fertige hohle Nockenrohr über seine ganse Länge keine nennenswert unterschiedlichen Wandstärken aufweist. Diese vorteilhafte Eigenschaft des Nockenrohres ist dadurch erreichbar, daß die für die Aufweitung notwendigen ü»for«- kräfte des Hochgeschwindigkeitsdruckverfahrena nur ia Bereich der Nockenausnehaungen des Gesenks auf den Rohrabschnitt des xu verformenden zylindrischen Rohres zur Wirkung gebracht werden können, so daß dadurch der neben den Nocken vorhandene Werkstoff des Rohres mit in die Nockenauenehmungen des Gesenks einfließen kann.

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Die Erfindung ermöglicht es, bei der Wahl dee Rohres, welches zu einer Nockenwelle aufgeweitet werden soll, die Stützwirkung des inneren Rohres im. Hinblick auf die während des Betriebes auftretenden Beanspruchungen der Nockenwelle in Betracht zu ziehen. Bas mit Festsitz an den kreiszylindriseben Innenflächen der NockenwAle anliegende kreiszylindrische Rohr hat die vorteilhafte Wirkung, daß es insbesondere die Seitenwände der Nocken von innen her abstützt. Infolge des festen Sitzes zwischen dem Nockenrohr und dem Innenrohr entsteht zwischen den Berührungsflächen der beiden Rohren eine Haftreibung, die verhindert, daß sich die zwischen den eirzelnen Nokken befindlichen kreiszylindrischen Teile den Nockenrohres in Längsrichtung der Nockenwelle verschieben. Damit ist die Gewähr gegeben, daß die Seitenwände der Nocken nicht nach den Seiten zu auswandern. Im Ergebnis kann festgehalten werden, daß das hohle Gebilde der Nockenerhebung durch das Innenrohr der Nockenwellen so günstig beeinflußt wird, daß zur Herstellung des eigentlichen Nockenrohres verhältnismäßig dünne Rohr· versendet werden können. Dünnwandige Rohre schmiegen sich leichter der Innenform des Gesenkes an und eignen sich, wie Versuche gezeigt haben, besondere für die Verformung durch ein Hochgeschwindigkeit βdruckverfahreη.

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Im Rahmen der Erfindung ergeben sich sowohl für das eigent*· liehe Nockenrohr als auch für das Innenrohr verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle kennzeichnet sich dadurch, daß das Innenrohr und das Nockenrohr jeweils für sich gesehen, einstückig über die ganze Länge der Nockenwelle ausgebildet sind. Im Rahmen der Erfindung ist dies jedoch nicht zwingend. Die Nockenwelle kann auch so ausgebildet werden, daß sich ein einstückiges Innenrohr über die ganze Länge der Nockenwelle erstreckt, während das Nockenrohr in mehrere Teile unterteilt ist und wobei die Teilstücke auch einen Abstand voneinander haben können. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es vorteilhaft, daß das Nockenrohr bzw. die Nockenrohrteile am Innenrohr durch Verbindungsmittel z.B. durch Punktschweißung befestigt sind.

Was den Antrieb der Nockenwelle angeht, so ist hierzu gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Innenrohr an einer Seite der Nockenwelle eine Verlängerung aufweist, auf die das Antriebsrad der Nockenwelle aufgebracht wird. Zum Schutz des Inneren der Nockenwelle wird gemäß der Erfindung das Innenrohr an beiden Enden verschlossen.

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Bei hohen Drehzahlen einer Nockenwelle kann es zweckmäßig sein, einen Ausgleich der Massenkräfte und Massenmomente für die Nockenwelle herbeizuführen. Gemäß der Erfindung geschieht dies dadurch, daß in den Hohlräumen der Nocken, auf der von der Nockenerhebung abgewandten Seite Ausgleichsgewichte eingebracht sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Die Abb. 1 zeigt in einem axialen Schnittbild zwei aufeinanderfolgende Abschnitte der Verformung einer Steuernockenwelle für eine zweizylindrige Dieselmaschine mittels eines elektromagnetischen Formverfahrens.

Die Abb. 2 zeigt einen Querschnitt nach der Linie II - II in Abb. 1. Der Schnitt nach Abb. 1 ist durch die Linie I - I in Abb. 2 dargestellt.

Die Abb. 3 bis 5 zeigen jeweils in einem axialen Schnittbild fertige NockemAlen mit ihren Lagerungen und dem Antriebszahnrad.

Die Abb. 6 zeigt schematisch im Schnittbild die Verformung eines Stahlrohres mit Hilfe eines elektrohydraulisch Formverfahrens.

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Das Stahlrohr 1; aua dem die Steuernockenwelle geformt wird, befindet sich mit geringem radialen Spiel in der nach Art eines Schmiedegesenkes ausgebildeten Hohlform 2, 3· Die Teilfuge 4 der Hohlform liegt über dem größten Teil der Länge beiderseits in der Achaebene der später fertigen Nockenwelle. Soweit die Ausformung der fertigen Nockenwelle ea erfordert, ist die Teilfuge beispieleweise an der Stelle einseitig aus der Achsebene versetzt.

Die Hohlform enthält an vier Stellen 6, 7, 8 und 9 Erweiterungen für die Formung der Nocken zur Betätigung der Ein- und Auslaßventile. Zu beiden Seiten der Erweiterungen 6 bis 9 ist die Hohlform zylindrisch ausgebildet.

Die Spule 10 für die Stoßentladung ist an einem Schaft angebracht, der die Zuleitungen für die Stromführung enthält und mittels eines nicht gezeichneten Schlittens in Richtung der Achse des Rohres 1 verschiebbar ist, um die abschnittweise Formung durch Stoßentladung zu ermöglichen.

Die Abb. 1 zeigt die Spule 10 in ihrer ersten Stellung, in der sie die Nocken 6 und 7 formt. In dieser Stellung ist die Spule mit durchgehenden Strichen gezeichnet. Die Stellung, in der die Spule 10 mit etrichpunktisrten Linien

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gezeichnet ist, ist die Stellung zur Formung der Hocken 8 und 9· Bei einem Steuernocken liegt die höchste Erhebung, d.h. die Stelle, an welcher das Rohr 1 am stärksten in die Ausnehmung des Gesenkes hineinfließen muß, einer verhältnismäßig niedrigen Ausnhemung gegenüber. Von besonderem Vorteil ist es, für die Herstellung einer solchen Hockenerhebung, das mit Stoßentladung arbeitende elektromagnetische Formverfahren zu verwenden, da dieses Verfahren es als einzigstes möglich macht, die im Innern des Rohres 1 zu bewegende Spule 10 mit einseitig verstärkter Stoßwirkung in Richtung auf die höchste Hockenerhebung zur Anwendung zu bringen. Dies geschieht dadurch, daß die Spule über ihren Umfang gesehe;η in Segmente aufgeteilt ist, die verschieden stark erregt werden. Es können auch Segmente einfach vom Strom abgeschaltet werden.

Die Abb. 3 bis 5 zeigen aus Stahlrohren gefertigte Hockenwellen nach dem vorbeechriebenen Verfahren, die im Innern ein kreiszylindrisches Stahlrohr aufweisen, welches mit seiner Außenflache spielfrei, vorzugsweise im Festsitz an den kreiszylindrischen Innenflächen der Nockenwelle anliegt. Die Stahlrohre bilden gewissermaßen das Rückgrad der Hockenwellen, in dem es zum großen Teil die Biege- und Verdrehbeanspruchungen aufnimmt, aber darüber hinaus die vorteilhafte Wirkung hat, daß es die hohlen Gebilde der Hocken, insbesondere deren

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Seitenwände unterstützt.

Die Abb* 3 zeigt ein nach der Erfindung hergestelltes Nockenrohr 11 mit dem Innenrohr 12. Die Hocken sind mit 13» H» 15 und 16 bezeichnet« Das Instönrohr 12 ragt einstückig über die beiden Enden des Jfockenrohres 11 hinaus. Die hinausragenden Enden des Innenrohres 12 dienen zur Lagerung der Nockenwelle und zur Aufnahme des Antriebezahnrades 17· Zur Lagerung der Hockenwelle sind Wälzlager 18 und 19 vorgesehen. An den Enden ist das Innenrohr durch Stopfen 20 verschlossen,

Das Ausftihrungsbeispiel nach der Abb. 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach der Abb. 3 lediglich dadurch, daß das Innsnrohr 21 an üev Seite, an welcher das Antriebszahnrad 17 ssitifc, über das Heckenrohr 11 hinausgeführt. Die Wälzlager 22 wnd 23 sitzen desmnteprschend unmittelbar auf dem Hockenrohr 11.

Das Ausführungje'beispiel na els AMj, 5 ¥«iat die Besonderheit auf, daß eich das Innsn?ohr 24 über die ganze Länge der Nokkenwelle erstrs-akt, vsräii^ead das !©ck^nrohr in mehrere Teile, hier in swei -Jslle 25 aaa 26 unterteilt ist, wobei die Teilstücke 25 uad 26 sinen A'öataad Toasiaander haben. Dies hat den Vorteil, daß aaa, °tf±® dia Abb. 5 erkennen läßt, zwischen

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einzelne Nockenbündel eine besondere Lagerung vorsehen kann, die bier durch das Wälzlager 27 gebildet wird. Int Rahmen der Erfindung ist es durchaus möglich, dae Nockenrohr in mehrere Teile zu unterteilen, wenn die Nockenwelle nur an ihren Enden gelagert werden soll. Dies kann fertigungstechnische Vorteile bieten. Im übrigen ist es zweckmäßig, daß das Nockenrohr bzw. die Nockenrohrteile zusätzlich zu ihrem Festsitz an den Ianenrohr durch mechanische Mittel, beispielsweise durch Punktschweißung oder Spannstifte befestigt sind. Bei den in den Abb. 3 bis 5 dargestellten Nockenwellen sind in den Nocken und zwar auf ihrer von der Nockenerhebung abgewandten Seite Ausgleichsgewichte angebracht. Diese sind mit 28 bezeichnet. Das Rohr zur Herstellung der Nockenwelle muß so groß gewählt werden, daß es in seinem Inneren die Spulen 10 aufnehmen kann. Es ist dabei verständlich_p daß durch dieeForderung die fertige Nockenwelle einen größeren Durchmesser erhält als eine aus dem vollen gefertigt· Nockenwelle. Das erfindünge ge mäße Innenrohr bietet in diesem Zusammenhang gesehen nooh den großen Vorteil, daß en zur Lagerung der Nockenwelle herangezogen werden kann. De die Lager eiae größere radiale Ere treckung haben als die größte Erhebung der Nocken, so ist es dabei möglich, eine lockenwelle su schaffen, die als Einechiebe-Nockenwelle in die Mae-chin© eingebaut werden kann. Teil·

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bare Lagerstellen für die Nockenwelle im Maschinengehäuse werden dadurch vermieden.

Die in den Abb. 3 bis 5 dargestellten Hockenwellen können auch mit Hilfe eines elektrohydrauliechen Formverfahrene hergestellt werden. Dabei erfolgt die Verformung der Stahlrohrt durch Druckstoß« in Wasser, welches sich im Innern des Hockenrohres befindet. Die Druckstöße werden mittels Zündung einer Beryllium-Kupfer-Elektrode in einer Explosions· kammer 29 hervorgerufen. Bei einer Freigabe der Energie wird ein Teil des Wassers erhitzt und vordampft, was durch die rasche Expansion zu Druckwellen führt. Diese werden durch ein Verbindungsstück 30 in das im Gesenk 31 eingespannte Rohr 32 geleitet» wobei vorher in den Gesenkhohlräumen 33 ein leichtes Vakuum erzeugt wurde. Um eine gezielte Verformung im Bereich des Nockens zu erreichen, wird ein Reflektor 34 verwendet. Der Explosionskammer-Verbindungsquerschnitt, der Rohrdurchmesser, die Reflektorform und die Druckwellenenergie sind so aufeinander abgestimmt, daß im Bereich der auszubildenden Hocken starke Radialkräfte auftreten, während durch die Druckverteilung im übrigen gesichert ist* daß von dem freien Ende des zu verformenden Rohres Material zur Verformungsstelle flieien kann. Die Verformung dee Nookenrohres erfolgt in mehreren Abschnitten.

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Claims

5 Köln 80, den 5. Juni 1972 Unser Zeichens D 72/50 - AP Cn/Bu ff

1 J Hockenwelle, insbesondere für HubkoIbenhrennkraftmaschinen, die aus einem Stahlrohr gefertigt ist, welches in einem Gesenk in Bereich der Hocken eine Aufweitung erfahren und zwischen den Hocken eine kreiszylindrische Form hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Hockenrohr durch Anwendung eines Hockgeschwindigkeitedruckverfahrens im Bereich der Nocken aufgeweitet ist und daß das Hockenrohr in seinem Inneren ein kreiszylindrisches Rohr (12, 21, 24) aufweist, welches mit seiner Außenfläche spielfrei, vorzugsweise mit Pestsitz, an den kreiszylindrischen Innenflächen des Hockenrohres anliegt.
2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (12, 21, 24) und das Hockenrohr jeweils für sich gesehen, einstückig über die ganze Länge der lockenwelle ausgebildet sind.
3' Hockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein einstückiges Innenrohr (12, 21, 24) über die ganze länge der Hockenwelle erstreckt, während das lock©nrohr in mehrere Teile unterteilt ist und wobei die Teilstuck® auch einen Abstand voneinander haben können.

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4· Nockenwelle nacb den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Nockenrohr bzw. die Nockenrohrteile am Innenrohr (12, 21, 24) durch Verbindungsmittel z.B. Punktschwe:ßung befestigt sind.
5. Nockenwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (12, 21, 24) an einer Seite der Nockenwelle eine Verlängerung aufweist, auf die das Antriebsrad" (17) der Nockenwelle aufgebracht wird.
6. Nockenwelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (12, 21, 24) an den Enden verschlossen ist.

7· Nockenwelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nocken auf ihrer von der Nockenerhebung abgewandten Seite Ausgleichsgewichte (28) eingebracht sind.

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