DE3941718C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum lagegenauen Befestigen von mehreren, jeweils mit einer Öffnung versehenen Teilen auf einem Hohlkörper, insbesondere von Nocken und/oder Lagerhülsen auf einer hohlen Welle, durch Innenhochdruck-Umformen, mit zwei Haltestücken zum abdichtenden Einspannen der Hohlkörperenden sowie zum Aufbringen einer Axialkraft auf den Hohlkörper. Eine Vorrichtung der voranstehend beschriebenen Art zum Innendruck-Umformen auch von mit Nocken oder Exzentern versehenen Wellen ist aus dem Artikel "Anwendungsaspekte beim Innenhochdruck-Umformen" von F. Klaas in der Zeitschrift "Werkstattstechnik" vom April 1989 bekannt.

Zur Herstellung von Nockenwellen für Verbrennungsmotoren ist es weiterhin bekannt, einen als Rohr ausgebildeten Hohlkörper, auf den Nocken und/oder Lagerhülsen an den jeweiligen Befestigungsstellen aufgeschoben sind, unter Aufbau eines Innendruckes in einer im Hohlkörper befindlichen Flüssigkeit aufzuweiten, um durch eine Plastizifizierung des Hohlkörpermaterials eine elastische Aufweitung der auf dem Hohlkörper zu befestigenden Teile zu erreichen. Der rohrförmige Hohlkörper wird hierbei an den freien, nicht von Nocken und/oder Lagerhülsen besetzten Oberflächenabschnitten durch eine Matrize gestützt, um ein Aufweiten des Hohlkörpers im Bereich zwischen den einzelnen, auf ihm befestigten Teilen und ggf. hiermit verbundene Zerstörungen zu vermeiden. Derartige Matrizen müssen eine hohe Stabilität aufweisen und erfordern demzufolge nicht nur eine aufwendige Herstellung, sondern auch ein aufwendiges Verfahren.

Aus der DE-AS 26 16 523 ist schließlich eine Vorrichtung zum Aufweiten von Rohrenden innerhalb einer Rohrscheibe bekannt, die mit einem in das jeweilige Rohrende einführbaren Aufweitedorn arbeitet, wobei der notwendige Aufweitdruck unter Einsatz eines Druckübersetzers und eines Medientrenners erzeugt wird, so daß Verschmutzungen der Werkstücke vermieden werden.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zum lagegenauen Befestigen von Teilen auf einem Hohlkörper durch Inenhochdruck-Umformen zu schaffen, mit welcher der Befestigungsvorgang ohne die Verwendung einer Matrize und darüber hinaus auf einfache und preiswerte Weise unter Einsatz von zwei Haltestücken zum abdichtenden Einspannen der Hohlkörperenden durchgeführt werden kann, wobei diese Haltestücke zugleich zum Aufbringen einer Axialkraft auf den Hohlkörper dienen.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Haltestücke mit dem Kolben eines Axialkrafterzeugers verbunden ist, der zur Einleitung von Druckmittel in das Innere des Hohlkörpers mit einem durchgehenden Druckmitelkanal versehen ist, und daß zwischen den Haltestücken eine Haltevorrichtung als Positionierhilfe für die auf dem Hohlkörper zu befestigenden Teile vorgesehen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die auf dem Hohlkörper zu befestigenden Teile zuverlässig in der jeweiligen Position gehalten, wobei der Befestigungsvorgang dadurch vereinfacht wird, daß den Innendruck im aufzuweitenden Hohlkörper erzeugende Druckmedium über den durchgehenden Druckmittelkanal im Kolben des Axialkrafterzeugers sowie im zugehörigen Haltestück aus demselben Vorratsbehälter stammt, aus dem auch der Axialkrafterzeuger versorgt wird. Es ergibt sich somit eine erheblich flexiblere Herstellung von mit mehreren Teilen versehenen Hohlkörpern, beispielsweise Nockenwellen, da der Einsatz der bisher notwendigen Matrizen entfällt, die nicht nur für jede einzelne Art eines Werkstückes in aufwendiger Weise hergestellt werden müssen, sondern auch den Verfahrensablauf zeit- und arbeitsaufwendig machen. Das Aufbringen einer axialen Druckkraft ergibt zusammen mit der Erhöhung des Innendruckes bis zur vollständigen Plastifizierung des Hohlkörpers ein zuverlässiges und verdrehsicheres Befestigen der einzelnen Teile auf dem Hohlkörper. Sowohl die Plastifizierung des Hohlkörpers erforderliche Fließdruck als auch die axiale Druckkraft ist abhängig von den Dimensionen und dem Werkstoff des Hohlkörpers. Beide Werte können rechnerisch oder experimentell ermittelt werden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckraum des Axialkrafterzeugers mit dem Hochdruckraum eines mit einem Stufenkolben ausgestatteten Druckerzeugers verbunden, dessen vom Hochdruckkolben beaufschlagtes Druckmittel, vorzugsweise Wasser, aus einem über einen Medientrenner angeschlossenen Vorratsbehälter bereitgestellt wird und dessen Niederdruckkolben mit einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, die aus einem Hydraulikbehälter mittels einer Pumpe gefördert wird. Durch Wahl der unterschiedlichen Kolbendurchmesser kann hierbei das gewünschte Übersetzungsverhältnis bestimmt werden. Ein Verschmutzen der Werkstücke mit Hydraulikflüssigkeit, die üblicherweise zur Druckerzeugung eingesetzt wird, wird durch den Medientrenner verhindert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieser Medientrenner mit einem Doppelkolben ausgestattet, dessen einer Kolben beidseitig mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt ist und dessen anderer Kolben rückseitig mit der Atmosphäre verbunden und druckseitig mit dem Druckmittel beaufschlagt ist, wobei der Förderraum des Medientrenners jeweils über ein Rückschlagventil mit dem Vorratsbehälter und dem Hochdruckraum des Druckerzeugers verbunden ist. Auf diese Weise wird aus dem Vorratsbehälter selbsttätig Druckmittel, vorzugsweise Wasser, in den Hochdruckraum des Druckerzeugers gefördert, wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen und der Druck im Hydrauliksystem des Druckerzeugers bzw. Medientrenners aufgebaut wird.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, zur Rückstellung des Kolbens des Axialkrafterzeugers den stangenseitigen Zylinderraum des Axialkrafterzeugers an einen mit einem Speichermedium gefüllten Druckspeicherbehälter anzuschließen. Der in diesem Druckspeicherbehälter bei jedem Druckerzeugungsvorgang gespeicherte Druck bewirkt bei einem Abbau des Drucks im Hydrauliksystem eine Rückführung des Kolbens des Axialkrafterzeugers, so daß nach jedem Befestigungsvorgang eine auseinandergerichtete Relativbewegung zwischen den beiden Haltestücken eintritt und das fertige Werkstück problemlos aus der Vorrichtung entnommen werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Diagramm zur Erläuterung des zugehörigen Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm über den zeitlichen Verlauf des Aufweitdruckes und der Axialkraft.

Die schematisch in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt ein feststehendes Haltestück 1 sowie ein bewegliches Haltestück 2, zwischen denen der aufzuweitende, im Ausführungsbeispiel rohr­ förmige Hohlkörper H eingespannt wird, nachdem zuvor die auf diesem Hohlkörper H zu befestigenden Teile T₁, T₂, T₃ und T₄ auf dem Hohlkörper H lagegenau angeordnet worden sind. Die je­ weilige Lage der Teile T wird durch eine Haltevorrichtung 3 gesichert, die beim Ausführungsbeispiel quer zur Längsachse der Haltestücke 1 und 2 verschiebbar angeordnet ist. Die Haltestücke 1 und 2 sind mit ringförmigen Ausnehmungen für die stirnseitigen Ränder des Hohlkörpers H versehen, so daß bei einer gegeneinandergerichteten Bewegung der Haltestücke 1 und 2 eine Abdichtung zwischen dem jeweiligen Haltestück 1 bzw. 2 und dem Hohlkörper H erfolgt.

Das bewegliche Haltestück 2 ist beim Ausführungsbeispiel an dem Kolben 4a eines Axialkrafterzeugers 4 angeordnet. Der Kolben 4a und das mit ihm verbundene Haltestück 2 sind mit einem Druckmittelkanal 4b versehen, so daß das im Druckraum 4c des Axialkrafterzeugers 4 befindliche Druckmittel durch den Druckmittelkanal 4b in das Innere des Hohlkörpers H gelangt.

Zum Antrieb des Axialkrafterzeugers 4 ist ein Druckerzeuger 5 vorgesehen, der mit einem Stufenkolben ausgestattet ist. Der im Niederdruckraum 5a des Druckerzeugers 5 verschiebbare Niederdruckkolben 5b hat einen erheblich größeren Durchmesser als der starr mit ihm verbundene Hochdruckkolben 5c, dessen Kolbenfläche auf einen Hochdruckraum 5d einwirkt. Der Zylinderraum 5e zwischen Niederdruckraum 5a und Hochdruckraum 5d steht durch Anbringen einer Bohrung 5f drucklos mit der Atmosphäre in Verbindung.

Für den Antrieb des Niederdruckkolbens 5b wird beim Aus­ führungsbeispiel eine Hydraulikflüssigkeit verwendet, die aus einem Hydraulikbehälter 6 mittels einer Pumpe 7 über eine Druckleitung 8 zum Niederdruckraum 5a des Druckerzeugers 5 ge­ fördert wird. Die Rückstellung des Stufenkolbens 5b, 5c erfolgt mit Hilfe einer Hydraulikleitung 9. In den beiden Leitungen 8 und 9 ist ein 2-Wege-3-Stellungs-Ventil 10 angeordnet. Der im Hydrauliksystem herrschende Druck wird durch ein an die Druck­ leitung 8 angeschlossenes Druckbegrenzungsventil 11 begrenzt.

Um ein Verschmutzen der Werkstücke mit Hydraulikflüssigkeit zu vermeiden, ist ein Medientrenner 12 mit einem Doppelkolben 12a, 12b vorgesehen. Während der eine Kolben 12a des Medien­ trenners 12 beidseitig mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, ist der andere, starr mit dem Kolben 12a verbundene Kolben 12b rückseitig durch eine Bohrung 12c im Gehäuse des Medientrenners 12 mit der Atmosphäre verbunden und wird druck­ seitig von dem Druckmittel beaufschlagt, das zum Aufweiten des Hohlkörpers H und zur Erzeugung der Axialkraft verwendet wird. Beim Ausführungsbeispiel wird als derartiges Druckmittel Wasser aus einem Vorratsbehälter 13 verwendet. Der durch den Kolben 12b begrenzte Förderraum 12d des Medientrenners 12 steht über Leitungen 14a, 14b einerseits mit dem Vorratsbe­ hälter 13 und andererseits mit dem Hochdruckraum 5d des Druck­ erzeugers 5 in Verbindung. In jeder Leitung 14a bzw. 14b ist ein Rückschlagventil 15a bzw. 15b angeordnet.

Zum Aufweiten des mit den Teilen T₁, T₂, T₃ und T₄ versehenen Hohlkörpers H wird mittels der Pumpe 7 Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikbehälter 6 mit entsprechendem Druck in den Niederdruckraum 5a des Druckerzeugers 5 gefördert. Hierdurch erfolgt eine Verschiebung des Stufenkolbens 5b, 5c in Richtung auf den Hochdruckraum 5d des Druckerzeugers 5. Der im Hoch­ druckraum 5d erzeugte Druck übersteigt den im Niederdruckraum 5a herrschenden Druck entsprechend dem Durchmesserverhältnis von Niederdruckkolben 5b zu Hochdruckkolben 5c. Dieser erhöhte Druck steht demzufolge auch im Druckraum 4c des Axialkrafter­ zeugers 4 an.

Wie voranstehend erläutert, befindet sich im Hochdruckraum 5d des Druckerzeugers 5 und im Druckraum 4c des Axialkrafter­ zeugers 4 ein anderes Druckmedium, vorzugsweise Wasser, das diesem Hochdrucksystem über den Medientrenner 12 aus einem Vorratsbehälter 13 zugeführt wird. Damit der Druck im Hoch­ drucksystem bei Beaufschlagung des Stufenkolbens 5b, 5c er­ halten bleibt, ist das Rückschlagventil 15b vorgesehen, das in Richtung auf den Medientrenner 12 sperrt. Der vom Hochdruck­ kolben 5c erzeugte und auf den größeren Kolben 4a des Axial­ krafterzeugers 4 übertragene Druck preßt demgemäß das bewegliche Haltestück 2 gegen die entsprechende Stirnfläche des Hohlkörpers H, der sich mit seiner anderen Stirnfläche am feststehenden Haltestück 1 abstützt. Durch die Axialkräfte er­ folgt zugleich eine Abdichtung des Hohlkörpers H gegenüber den Haltestücken 1 und 2.

Durch den Druckmittelkanal 4b gelangt das als Druckmittel ver­ wendete Wasser auch in das Innere des Hohlkörpers H. Auch hier baut sich demgemäß ein hoher Druck auf. Dieser Innendruck wird auf einen Wert erhöht und auf diesem Wert gehalten, bei dem eine vollständige Plastifizierung des Hohlkörpers H eintritt, die von dessen Dimension und Werkstoff abhängt. Gleichzeitig wird auf den Hohlkörper H durch die gegeneinander bewegten Haltestücke 1 und 2 eine axiale Druckkraft aufgebracht, die zu einer elastischen Aufweitung der auf den Hohlkörper H in Position gehaltenen Teilen T und zu einer plastischen Auf­ weitung der nicht abgestützten Abschnitte des Hohlkörpers H führt, die zwischen den Teilen T liegen. Diese Situation läßt sich auch anhand des Diagramms gemäß Fig. 2 erkennen.

Das Diagramm zeigt über der Zeit schematisch den Anstieg des Druckes P im Innern des Hohlkörpers H und proportional dazu den Anstieg der Axialkraft F, die in Fig. 1 durch zwei gegen­ einander gerichtete Pfeile angedeutet ist. Beim Erreichen der Fließgrenze des Hohlkörpers H weitet sich der Hohlkörper H nach außen; gleichzeitig wird der Hohlkörper H durch die Axialkraft F gestaucht. Diese axiale Druckkraft ist abhängig von den Dimensionen und vom Werkstoff des Hohlkörpers H; sie muß rechnerisch oder experimentell ermittelt werden.

Falls die Axialkraft F größer ist als die Knickkraft des Hohl­ körpers H, muß für eine entsprechende Abstützung gesorgt werden. Nach einer gewissen Verweilzeit, die im Diagramm der Fig. 2 eingezeichnet ist, wird der Innendruck P und damit auch die Axialkraft F zurückgefahren. Zum Schluß ergibt sich ein plastisch verformter und gestauchter Hohlkörper H mit auf ihm befestigten und positionierten Teilen T.

Erfahrungsgemäß kann der Fließdruck des Hohlkörpers H sehr genau eingestellt werden. Er stabilisiert sich aufgrund der Materialverfestigung. Bei handelsüblichen Materialien variiert er nur unbedeutend in der Größenordnung von 10 bis 20 bar. Im plastifizierten Zustand kann durch die Axialkraft F eine relativ hohe Radialspannung im Bereich der den Hohlkörper H umschließenden Teile T erzeugt werden. Diese Spannung sorgt dann später für die gewünschte Umschließung der zu befestigen­ den Teile T und damit für einen sicheren Sitz der Teile T auf dem Hohlkörper H.

Sobald Innendruck P und Axialkraft F nach dem Diagramm der Fig. 2 erzeugt worden sind, wird das Ventil 10 umgesteuert. Damit wird die Belastung sowohl des Niederdruckkolbens 5b des Druckerzeugers 5 als auch die hieraus resultierende Druckbela­ stung des Kolbens 4a des Axialkrafterzeugers 4 abgebaut. Gleichzeitig wird der Medientrenner 12 entlastet. Nunmehr er­ folgt eine Rückstellbewegung des Kolbens 4a des Axialkrafter­ zeugers 4. Zu diesem Zweck ist der Zylinderraum 4d des Axial­ krafterzeugers 4 über eine Leitung 16 an einen Druckspeicher­ behälter 17 angeschlossen. In diesen Druckspeicherbehälter 17 hat sich beim vorangegangenen Aufbringen von Hochdruck auf den Kolben 4a ein Druck aufgebaut, der nach Druckentlastung des Druckraumes 4c nunmehr dazu verwendet wird, den Kolben 4a in seine Ausgangsposition zurückzudrücken, so daß das fertige Werkstück zwischen den auseinanderbewegten Haltestücken 1 und 2 entnommen werden kann.

Nach dem Einlegen eines neuen Werkstückes wird das Ventil 10 in die andere Endstellung umgesteuert. Hierdurch verdrängt der Kolben 12b des Doppelkolbens 12a, 12b des Medientrenners 12 Wasser aus dem Förderraum 12d in das Hochdrucksystem von Axialkrafterzeuger 4 und Druckerzeuger 5; durch den Druck­ mittelkanal 4b wird hierbei auch das Innere des Hohlkörpers H mit Wasser als Druckmittel gefüllt.

Nunmehr kann das Ventil 10 erneut betätigt werden, um einen Aufweit- und Stauchprozeß durchzuführen, wie er voranstehend beschrieben worden ist.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum lagegenauen Befestigen von mehreren, jeweils mit einer Öffnung versehenen Teilen auf einem Hohlkörper, insbesondere von Nocken und/oder Lagerhülsen auf einer hohlen Welle, durch Innenhochdruck-Umformen, mit zwei Haltestücken zum abdichtenden Einspannen der Hohlkörperenden sowie zum Aufbringen einer Axialkraft auf den Hohlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Haltestücke (2) mit dem Kolben (4a) eines Axialkrafterzeugers (4) verbunden ist, der zur Einleitung von Druckmittel in das Innere des Hohlkörpers (H) mit einem durchgehenden Druckmittelkanal (4b) versehen ist, und daß zwischen den Haltestücken (1, 2) eine Haltevorrichtung (3) als Positionierhilfe für die auf dem Hohlkörper (H) zu befestigenden Teile (T₁, T₂, T₃, T₄) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (4c) des Axialkrafterzeugers (4) mit dem Hochdruckraum (5d) eines mit einem Stufenkolben (5b, 5c) ausgestatteten Druckerzeugers (5)verbunden ist, dessen vom Hochdruckkolben (5c) beaufschlagtes Druckmittel, vorzugsweise Wasser, aus einem über einen Medientrenner (12) angeschlossenen Vorratsbehälter (13) bereitgestellt wird und dessen Niederdruckkolben (5b) mit einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, die aus einem Hydraulikbehälter (6) mittels einer Pumpe (7) gefördert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Medientrenner (12) mit einem Doppelkolben (12a, 12b) ausgestattet ist, dessen einer Kolben (12a) beidseitig mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt ist und dessen anderer Kolben (12b) rückseitig mit der Atmosphäre verbunden und druckseitig mit dem Druckmittel beaufschlagt ist, wobei der Förderraum (12d) des Medientrenners (12) jeweils über ein Rückschlagventil (15a, 15b) mit dem Vorratsbehälter (13) und dem Hochdruckraum (5d) des Druckerzeugers (5) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Kolbens (4a) des Axialkrafterzeugers (4) der stangenseitige Zylinderraum (4d) des Axialkrafterzeugers (4) an einen mit einem Speichermedium gefüllten Druckspeicherbehälter (17) angeschlossen ist.