DE4218624C2 - Mechanisches Element mit einer Welle, die sich unter Druck in mindestens ein zusammengesetztes Eingriffsbauteil eingepaßt ist sowie dessen Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Element mit einer Welle, die unter Druck in mindestens ein zusammengesetztes Eingriffs­ bauteil eingesetzt ist. Dieses mechanische Element ist als Bauteil für eine Nockenwelle für Brennkraftmaschinen mit relativ hohen Drehmomenten und als eine Kurbelwelle für Verdichter geeignet.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des mechanischen Elements.

Beim Zusammensetzen eines mechanischen Elements, wobei ein aufnehmen­ der Körper, wie z. B. einen Nocken, aus gesintertem Werkstoff auf eine Stahlwelle fusionsbondiert wird, ist es schwierig, die Herstellungskosten zu reduzieren, da ein relativ großer Ofen benötigt wird.

In US 4 903 543 und 4 947 547 sind ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle durch Zusammensetzen eines aufnehmenden Glieds und einer Welle mit einer Schneidepassung vorgeschlagen. Dort wird ein radial auswärts aufgeweiteter Abschnitt um eine Welle ausgebildet und ein Nocken mit der Welle mittels Preßpassung verbunden, so daß die auf der Innenoberfläche einer Wellenöff­ nung der Nocke angeordneten, nach innen ragenden Abschnitte den aufge­ weiteten Abschnitt der Welle schneiden, um darin Nuten zu formen.

Das Herstellungsverfahren bringt mehrere Nachteile mit sich.

Um es zu ermöglichen, daß der aufgeweitete Abschnitt der Welle von einem Nocke geschnitten werden kann, muß die Welle aus einem Material geringe­ rer Härte als der Nocken sein. Wenn eine Hohlwelle verwendet wird, muß sie eine vergleichsweise größere Wand aufweisen, da durch das Schneiden ihre Festigkeit abnimmt.

Wenn ein Nocken aus flüssigphasengesintertem Material besteht, das als abnutzungs- und abriebwiderstandsfähig bekannt ist, schrumpft der Nocken um 5 bis 7% aufgrund des Sinterns vor dem Zusammenbau mit der Welle. Deshalb muß die Wellenöffnung nach dem Sintern zeitaufwendig bearbeitet werden. Außerdem müssen die Späne nach dem Schneiden sorgfältig beseitigt werden.

Wenn der Nocken aus gesintertem Legierungsmaterial besteht, kann ein Bruch beim Zusammensetzen durch die Schneidepassung auftreten. Oftmals treten auch Brüche bei Belastung der Nockenwelle mit hohem Drehmoment im Betrieb auf.

In der DE-OS 23 36 241 ist eine zusammengefügte Steuerwelle insbesondere für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen beschrieben, wie sie beispiels­ weise zum Steuern von Benzinpumpen, Ventilen, Zündverteilern und der­ gleichen eingesetzt wird. Dort ist eine hohe oder massive Welle vorgese­ hen, auf welche vorgefertigte Lager und Nocken geschoben und dort befe­ stigt werden können.

Bei einer aus der DE-OS 32 32 868 bekannten Nockenwelle verformt sich während des Sintervorgangs der gesinterte Metallnocken, weil die radiale Stärke des Sintermetalles über den Umfang ungleich verläuft. Aus diesem Grund wird dort ein zusammengesetzter sog. Nockenbuckel vorgeschlagen, der aus einem Außenteil aus Sintermetall und einem Kernteil aus nicht gesintertem Material besteht. Dabei ist das Außenteil so geformt, daß eine möglichst einheitliche bzw. gleiche radiale Stärke erzielt wird. Hierdurch wird eine Verformung des Nockenprofils beim Sintern verhindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mechanisches Element zu schaffen, bei welchem die Welle aus einem dünnen Rohr niedrigeren Ge­ wichts gefertigt werden kann, eine Nachbearbeitung der Wellenöffnung des Eingriffskörpers zum Erhalt der Genauigkeit des Innendurchmessers der Wellenöffnung nach dem Sintern nicht nötig ist, selbst wenn der Eingriffs­ körper aus flüssigphasengesintertem Material ist, der Eingriffskörper weder während der Preßpassung auf die Welle noch unter Belastung mit hohem Drehmoment im Betrieb bricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen mechanischen Elements ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.

Das innere Teil wird an den Innenumfang der Nische des Eingriffskörpers durch eine auf Sinterung beruhende Diffusionsbondierung befestigt. Da der Kohlenstoffdichteunterschied zwischen dem Eingriffskörper und dem inneren Teil groß ist, besteht keine Gefahr, daß die Wellenöffnung des inneren Teils sich beim Sintern verformt, selbst wenn ein flüssigphasengesintertes Material hoher Schrumpfungsrate für den Eingriffskörper verwendet wird.

Überdies werden, wenn das zusammengesetzte Eingriffsbauteil mit Preßpas­ sung auf die Welle aufgebracht wird, die kleineren inneren Durchmesser­ abschnitte von teils relativ geringer Härte genau auf den ausgeweiteten Abschnitt der Welle von relativ hoher Härte in einer hauptsächlich plasti­ schen Verformungsoperation, bei einer nur geringfügig spanabhebenden Operation, wenn überhaupt, aufgebracht, so daß das sich ergebende Span­ volumen äußerst gering ist.

Schließlich tritt gemäß einem Aspekt der Erfindung in dem Fall, wenn das innere Teil die gleiche Härte hat wie die Welle, eine plastische Verformung gegenseitig an dem inneren Teil und dem aufgeweiteten Abschnitt auf, so daß sich eine sehr gute Verbindung ergibt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1(A) und 1(B) jeweils eine Seitenansicht und eine teilweise geschnittene An­ sicht eines Nockens entsprechend einer ersten Ausführungs­ form;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Nockenwelle, wobei gezeigt ist, wie der Nocken nach Fig. 1(A) und 1(B) auf die Welle gepaßt wird;

Fig. 3(A) und 3(B) den Fig. 1(A) und 1(B) jeweils ähnliche Ansichten einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4(A) und 4(B) den Fig. 1(A), 1(B) jeweils ähnliche Ansichten einer dritten Ausführungsform;

Fig. 5 die Relationen zwischen Rändel, Verbindungsfestigkeit und Preßpasskraft;

Fig. 6 die Relation zwischen Winkelanzahl des Polygons der Wel­ lenöffnung und der Verbindungfestigkeit; und

Fig. 7 den Einfluß des inneren Teils auf die Verbindungsfestigkeit.

Nach Fig. 1(A), 1(B) und 2 ist ein Eingriffskörper, in diesem Fall ein Nocken 1 mit einer Öffnung vorgesehen. Ein ringförmiges inneres Teil 2 hat eine Wellenöffnung 20 einer zehneckigen Form mit gerundeten Ecken. Scheitel- oder Eckabschnitte der Wellenöffnung 20 bilden jeweils einen größeren Innendurchmesserabschnitt 21 mit einem Innendurchmesser D3, der größer als der Außendurchmesser D1 eines aufgeweiteten Abschnitts 4 auf einer Welle 3 ist. Sehnen oder Seitenabschnitte zwischen den Eckabschnit­ ten der Wellenöffnung 20 bilden je einen kleineren Abschnitt 22 mit einem Innendurchmesser D2. Der Nocken 1 besteht aus flüssigphasengesintertem Material. Das innere Teil 2 ist in der Öffnung des Nockens 1 angeordnet, und der innere Umfang der Öffnung des Nockens 1 ist durch Flüssigpha­ sensinterung auf den äußeren Umfang des inneren Teils 2 geschrumpft und diffusionsbondiert aus Niederkohlenstoffstahl. Da der innere niedrige gekohl­ te Stahl kein gesintertes Material ist, bleiben die Form der Wellenöffnung 20 und die Genauigkeit der Innendurchmesser des inneren Teils 2 vor und nach dem Sintern unverändert.

Mindestens ein aufgeweiteter Abschnitt 4 mit einem Außendurchmesser D1, der größer ist als der Außendurchmesser D0 der Welle 3, ist am Außen­ umfang mindestens eines aufnehmenden Bereichs der Welle 3 gebildet, wobei ein Röhrenaufweite-Verfahren mit Rändelwerkzeug angewandt wird. Der Außendurchmesser D1 des aufgeweiteten Abschnitts 4 ist kleiner als der Außendurchmesser des inneren Teils 2, vorzugsweise kleiner als der Innen­ durchmesser D3 des Abschnitts 21 der Wellenöffnung 20, und größer als der Innendurchmesser D2 des Abschnitts 22. Dadurch wird, wenn die Wellenöffnung 20 des inneren Teils 20 auf den aufgeweiteten Abschnitt 4 der Welle 3 mittels Preßpassung in der Richtung eines in Fig. 2 dargestell­ ten Pfeils aufgebracht ist, der Abschnitt 22 von dem aufgeweiteten Abschnitt 4 im wesentlichen ohne Spanabhebung plastisch verformt auf den aufgeweite­ ten Abschnitt 4 aufgepaßt. Dabei wird auch der aufgeweitete Abschnitt 4 nicht geschnitten, so daß der Preßpassvorgang keine Verringerung der Festigkeit der Welle 3 verursacht. Selbst wenn eine geringfügige Span­ abhebung an dem Abschnitt 22 durch den aufgeweiteten Abschnitt 4 während des Preßpassvorgangs erfolgt, ist das erzeugte Spanvolumen sehr gering.

Die zusammengesetzte Nockenwelle benötigt keinen großräumigen Ofen, um einen Nocken aus gesintertem Werkstoff auf eine Welle durch Sintern aufzupassen. Deshalb wird eine Verringerung der Festigkeit der Welle, die durch Wärmebehandlung verursacht ist, vermieden. Wenn das innere Teil 2 die gleiche Härte wie die Welle 3 aufweist, wird die Passung durch gegenseitiges plastisches Verformen bewirkt, woraus eine höhere Verbin­ dungsfestigkeit aufgrund gegenseitigen Ineinandergreifens ergibt.

In Fig. 3(A) und 3(B) ist als weiteres Beispiel eine Kurbel 1 für eine Kurbelwelle für Kompressoren dargestellt. Die Kurbel 1 ist eine dicke kreisförmige Platte aus einer gesinterten Legierung mit einer Öffnung, die exzentrisch zu dem Mittelpunkt der Kurbel angeordnet ist. Ein ringförmiges inneres Teil 2 aus niedrig gekohltem Stahl ist in die Öffnung der Kurbel 1 eingefügt und diffusionsbondiert. Die Wellenöffnung 20 des inneren Teils 2 in Fig. 3(A) und 3(B) ist ebenfalls zehneckig wie in der ersten Aus­ führungsform nach Fig. 1(A) und 1(B) ausgebildet. Die Abmessungen des aufgeweiteten Abschnitts 4 der Welle 3 mit dem Innendurchmesser D3 des größeren Abschnitts 21 und dem Innendurchmesser D2 des kleineren Ab­ schnitts 22 entsprechen denen, die in Fig. 1(A) und 1(B) gezeigt sind.

In Fig. 4(A) und 4(B) ist als weiteres Beispiel ein Zahnrad 1 für eine Zahnradwelle gezeigt. Das Zahnrad 1 besteht aus einer gesinterten Legie­ rung mit einer Öffnung, die konzentrisch mit dem Mittelpunkt des Zahnrads angeordnet ist. Ein ringförmig geformtes inneres Teil 2 aus niedrig gekohl­ tem Stahl ist in das Zahnrad 1 eingefügt und diffusionsbondiert. Die Wellenöffnung 20 des inneren Teils 2 in Fig. 4(A) und 4(B) ist ebenfalls zehneckig wie in dem ersten Beispiel nach Fig. 1(A) und 1(B). Die übrigen Abmessungen des aufgeweiteten Abschnitts 4 der Welle 3 mit dem Innendurchmesser D3 des größeren Abschnitts 21 und dem Innendurchmesser D2 des kleineren Abschnitts 22 sind so vorgesehen, wie es in Fig. 1(A) und 1(B) gezeigt ist.

Das zusammengesetzte Eingriffsbauteil, das den Eingriffskörper 1 und das ringförmige Innenteil 2 umfaßt, die in Fig. 3(A), 3(B), 4(A) und 4(B) dargestellt sind, wird mit Preßpassung auf den aufgeweiteten Abschnitt 4 der Welle 3 im wesentlichen unter plastischer Verformung aufgebracht, um eine Kurbelwelle bzw. eine Zahnradwelle zu schaffen. Der Paßvorgang für die zweite und dritte Ausgestaltung ist im wesentlichen gleich dem nach Fig. 2.

In Fig. 5 ist das Ergebnis von Testmessungen für Preßpasslasten und Ver­ bindungsfestigkeit gezeigt, wenn ein zusammengesetztes Eingriffsbauteil mit einem Aufnahmekörper 1 und einem Innenteil 2 mit regulär hexagonal geformter Wellenöffnung auf die aufgeweiteten Abschnitte 4 unter Anwen­ dung von Rohraufweitungsverfahren mit Rändelwerkzeugen aufgepaßt wird.

Die Welle ist aus Stahlmaterial entsprechend SAE 1050. Die drei Arten, den aufgeweiteten Abschnitt auszubilden, beinhalten ein Axialnutenrändel, das sich kontinuierlich axial erstreckt, ein Diamanträndel, das sich mit Unterbrechun­ gen spiralförmig erstreckt, und ein ringförmiges Nutenrändel, das sich kontinuierlich ringförmig erstreckt. Der Eingriffskörper 1 ist ein Nocken aus einer Fe-8%-Cr-Legierung. Die Wellenöffnung hat eine hexagonale Form, und die Axiallänge des aufgeweiteten Abschnitts beträgt 11 mm. Die maximale Überlappung zwischen dem zusammengesetzten Eingriffsbauteil und der Welle beträgt 0,8 mm. Bei aufgeweitetem Abschnitt mit einer Axialnu­ tenrändel, dargestellt durch quadratische Markierungen in Fig. 5, ist eine relativ geringe Preßpasskraft erforderlich, während reichlich hohe Verbin­ dungsfestigkeit, d. h. reichlich hohes Drehmoment nicht erreicht werden kann. Die Darstellung zeigt auch, daß, obwohl bei einem Diamanträndel (darge­ stellt durch kreisförmige Markierungen in Fig. 5) und bei ringförmigem Nutenrändel (dargestellt durch dreieckige Markierungen in Fig. 5), eine relativ hohe Verbindungsfestigkeit erzielbar ist, die Preßpasslast für das Diamanträndel niedriger ist als für das Ringnutenrändel.

Fig. 6 teilt das Ergebnis von Testmessungen der Verbindungsfestigkeit für zusammengesetzte Eingriffsbauteile mit einem Eingriffskörper 1 und einem Stahlinnenteil 2, wobei jedes Innenteil 2 eine polygonale Bohrung aufweist und jeweils auf die aufgeweiteten Abschnitte 4 der Welle 3 mit einem Diamanträndel aufgepaßt sind. Die Welle ist aus Stahlmaterial entsprechend SAE 1050. Der Eingriffskörper 1 ist ein Nocken aus Fe-8%-Cr-Legierung. Die axiale Länge des aufgeweiteten Abschnitts ist 11 mm, und die Wellen­ öffnungen (Bohrungen) sind jeweils hexagonal, oktagonal, dekagonal und dodekagonal. Die Verbindungsfestigkeit, d. h. das Lastdrehmoment für die Bohrungen oktagonaler oder dekagonaler Form ist größer als bei hexagonaler und dodekagonaler Form.

Fig. 7 zeigt das Ergebnis von Testmessungen für Verbindungsfestigkeit, wobei ein zusammengesetztes Eingriffsbauteil mit und ohne Stahlinnenteil mit einer dekagonalen Wellenöffnung auf einem aufgeweiteten Abschnitt 4 der Welle 3 mit Diamanträndel aufgepaßt ist. Die Darstellung zeigt, daß die Verbindungsfestigkeit bei Verwendung eines Stahlinnenteils größer ist als ohne Verwendung des Stahlinnenteils.

Claims (10)

1. Mechanisches Element mit einer Welle, die unter Druck in mindestens ein zusammengesetztes Eingriffsbauteil eingepaßt ist, wobei

• a) die Welle (3) mindestens einen darauf angeordneten Eingriffsbereich und mindestens einen aufgeweiteten Abschnitt (4) aufweist, der radial nach außen um den Eingriffsbereich ausgebildet ist;
• b) das zusammengesetzte Eingriffsbauteil einen eine Ausnehmung aufweisenden Eingriffskörper (1) einschließt, der aus einer Sinterle­ gierung besteht;
• c) der Eingriffskörper (1) ein ringförmiges Stahlinnenteil (2) besitzt, das an dem Innenumfang der Ausnehmung des Eingriffskörpers (1) befestigt ist, wobei das ringförmige Stahlinnenteil (2) eine Härte aufweist, die nicht größer ist als die des aufgeweiteten Abschnittes (4), wobei die radiale Mindestdicke des Eingriffskörpers (1) größer als die radiale Maximaldicke des ringförmigen Stahlinnenteils (2) ist;
• d) das ringförmige Stahlinnenteil (2) einen im wesentlichen kreisförmi­ gen Außenumfang aufweist;
• e) das ringförmige Stahlinnenteil (2) eine axiale Wellendurchgangsöff­ nung (20) aufweist, welche eine Vielzahl von Abschnitten (21) größeren Innendurchmessers (D3) und eine Vielzahl von Abschnit­ ten (22) kleineren Innendurchmessers (D2) aufweist, wobei die Ab­ schnitte (22) kleineren Innendurchmessers (D2) kleiner sind als der Außendurchmesser (D1) des aufgeweiteten Abschnittes (4), und wobei
• f) das zusammengesetzte Eingriffsbauteil mit Preßpassung auf der Welle (3) montiert ist und mindestens eine plastische Verformung zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt (4) und der Wellendurch­ gangsöffnung (20) aufweist.

2. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei das Stahlinnenteil (2) am Eingriffskörper (1) mittels Diffusionsbondierung ist.

3. Mechanisches Element gemäß. Anspruch 1, wobei zur Ausbildung des aufgeweiteten Abschnitts (4) eine Rohraufweitung mit Rändelwerkzeug vorgesehen ist.

4. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die Wellenöffnung (22) im wesentlichen einen polygonalen Querschnitt aufweist.

5. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die Mittellinie der Wellenöffnung (22) exzentrisch zu dem Mittelpunkt des zusammengesetz­ ten Eingriffsbauteiles (1, 2) liegt.

6. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei das zusammengesetzte Eingriffsbauteil (1, 2) ein Nockenprofilglied ist, und die Welle (3) eine Nockenwelle ist.

7. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die Mittellinie der Wellenöffnung konzentrisch zu dem Mittelpunkt des zusammengesetzten Eingriffsbauteiles liegt.

8. Mechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die Preßpassung einen spanabhebenden Vorgang umfaßt.

9. Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Elements, das eine Welle aufweist, die mit Preßpassung in mindestens einem zusammengesetzten Eingriffsbauteil eingepaßt ist, wobei die Welle einen Eingriffsabschnitt aufweist, das zusammengesetzte Eingriffsbauteil einen Eingriffskörper und ein ringförmiges Innenteil mit einem allgemein kreisförmigen Außenumfang umfaßt, wobei der Eingriffskörper aus einer Sinterlegie­ rung besteht und eine Ausnehmung und eine radiale Mindestdicke aufweist, wobei

• a) um den Eingriffsabschnitt der Welle ein radial auswärts aufgeweite­ ter verdichteter Abschnitt geformt ist;
• b) das zusammengesetzte Eingriffsbauteil gebildet wird, indem der allgemein kreisförmige Außenumfang des Innenteils an einem In­ nenumfang der Ausnehmung des Eingriffskörpers befestigt wird, wobei
• c) das Innenteil eine Härte besitzt, die nicht größer ist als die des aufgeweiteten Abschnitts, und eine radiale Maximaldicke aufweist, wobei die radiale Mindestdicke des Eingriffskörpers größer als die radiale Maximaldicke des Innenteils ist,
• d) ein axialer Wellendurchgang in dem Innenteil geformt wird, der eine Vielzahl von Abschnitten größeren Innendurchmessers und eine Vielzahl von Abschnitten kleineren Innendurchmessers aufweist, wobei die Abschnitte kleineren Innendurchmessers kleiner als der Außendurchmesser des aufgeweiteten Abschnittes sind, und
• e) die Welle in das zusammengesetzte Eingriffsbauteil unter Pressen derart eingepaßt wird, daß mindestens plastische Verformung zwi­ schen dem aufgeweiteten Abschnitt und dem Wellendurchgang verursacht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einpassen einen spanabhebenden Vorgang umfaßt.