DE4314138C1 - Shaft with at least partly non-cylindrical outer surface - comprises steel tube core and outer layer of cast metal both of same wall thickness - Google Patents

Shaft with at least partly non-cylindrical outer surface - comprises steel tube core and outer layer of cast metal both of same wall thickness

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Abstract

The shaft comprises a steel tube core (2) pressure-deformed, and deviating from the cylindrical basic shape, whereby the outer layer (3) completely covers the radially orientated pressure deformations conically or eccentrically projecting out of the cylindrical surface of the steel tube core. The cast metal layer (3) has at least the same wall thickness (W) as the steel tube core. On the one hand the wall transitions (5) from the cylindrical part (6) of the steel tube core to the pressure deformations (4) are formed as rounded structures and on the other hand the layer of cast metal at least in the area of cylindrical layer surfaces (8) has the wall transitions machined in by a swarf-removing process. ADVANTAGE - The shaft, having equal stability, is of comparatively low wt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle mit mindestens zum Teil nichtzylindrischer Außenfläche, wie Kurbelwelle, Nocken­ welle, Schneckenwelle od. dgl. gemäß Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.The invention relates to a shaft with at least in part non-cylindrical outer surface, such as crankshaft, cams shaft, worm shaft or the like according to the preamble of Pa claim 1.

Wellen der genannten Art sind bspw. nach JP-Abstract 1-23 87 65(A) bekannt. Unter "mindestens zum Teil nichtzy­ lindrischer Außenfläche" sind Wellenbereiche zu verste­ hen, die kon- oder exzentrisch über die zylindrische Grundform der eigentlichen Wellen herausragen, also bspw. die Nocken von Nockenwellen, die Kurbeln von Kurbelwellen oder auch die Schneckengänge von Schneckenwellen. Solche in der Regel hoch belasteten und beanspruchten Bauele­ mente sind in der Regel massiv aus Stahl oder Gußeisen geeigneter Wahl gebildet, und soweit es sich dabei um Hohlwellen handelt, so sind diese mit ausgebohrten oder vorgegossenen zentrischen Kanälen versehen, die später für die Schmiermittelzufuhr dienen können. Insbesondere im Motoren- und Fahrzeugbau ist man inzwischen aus be­ kannten Gründen bemüht, so leicht wie möglich zu bauen, um dadurch an Gewicht zu sparen. Wollte man dies für Wel­ len der hier interessierenden Art verwirklichen, so böte es sich an, die Wellenkörper von vornherein als Hohlwel­ len zu gießen, was aber damit verbunden ist, daß Kerne verwendet werden müssen, die aus Formsand besonderer Art bestehen, der nach Gebrauch einer Sonderentsorgung be­ darf.Waves of the type mentioned are, for example, according to JP abstract 1-23 87 65 (A). Under "at least partially not zy lindrian outer surface "wave areas are to be understood hen, the concentric or eccentric over the cylindrical Stand out the basic shape of the actual waves, e.g. the cams of camshafts, the cranks of crankshafts or the worm threads of worm shafts. Such generally highly stressed and stressed components elements are usually solid steel or cast iron appropriate choice, and as far as it is concerned Hollow shafts are involved, so these are drilled out or pre-cast centric channels provided later can serve for the supply of lubricant. Especially in engine and vehicle construction one is now out of be tried to build as light as possible, to save weight. If you wanted this for Wel realize the kind of interest here, so please it, the shaft body from the start as a hollow world  to pour len, but this is connected with the fact that kernels must be used, which are made of special form sand exist that be after using a special disposal may.

Ohne Kerne bei der Herstellung kommt eine Nockenwelle nach dem eingangs genannten JP-Abstract 1-23 87 65 aus, da hierbei ein Modell aus einem Stahlrohr benutzt wird, auf dem eine äußere Lage aus Polystylen aufgebracht ist. Beim Eingießen des Flüssigmetalls brennt dann das Poly­ stylen weg, und der zunächst vom Polystylen eingenommene Raum wird vom Flüssigmetall eingenommen. Abgesehen vom Aufwand der Vorfertigung des Modells und der Fraglichkeit eines lunkerfreien Gusses besteht die Außenlage auch im Bereich der Nocken aus Vollmaterial. Gleiches gilt in etwa auch für eine Nockenwelle nach der US-PS 4 977 793, für deren Herstellung das Stahlrohr und vorgefertigte Nockenkörper in die Gießform eingesetzt und dann durch Vergießen miteinander verbunden werden, wobei durch be­ sondere Ausnehmungsgestaltungen am Stahlrohr und an den Nockenkörpern für eine verdrehfeste Verbindung dieser Elemente mittels des eingegossenen Materials gesorgt wird.A camshaft comes without cores during manufacture according to JP abstract 1-23 87 65 mentioned at the beginning, because a steel tube model is used, on which an outer layer of polystyrene is applied. The poly burns when the liquid metal is poured in style away, and the one initially taken by the polystyle Space is taken up by the liquid metal. Apart from Effort of prefabrication of the model and questionability of a void-free cast, the outer layer also exists in Area of cams made of solid material. The same applies in also for a camshaft according to US Pat. No. 4,977,793, for their manufacture the steel tube and prefabricated Cam body inserted into the mold and then through Potting to be connected, being by be special recess designs on the steel tube and on the Cam bodies for a torsion-proof connection of these Elements taken care of by the cast material becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wellen der hier interessierenden Art dahingehend auszubilden, daß diese bei gleicher Stabilität ein vergleichsweise geringes Ge­ wicht aufweisen, es zu ihrer Ausformung als Hohlwelle keines Kernformsandes, keines Umweges über Modelle und keiner separat in die Gießform einzusetzender Formteile bedarf und daß die spanabhebende Endbearbeitung an zwar ausreichend harten, aber nicht vergleichsweise abküh­ lungsbedingten extrem harten Oberflächenschichten erfol­ gen muß.The invention has for its object waves of here interesting way to train that this a comparatively low Ge with the same stability have importance to it to form it as a hollow shaft  no core molding sand, no detour via models and none of the molded parts to be inserted separately into the mold needs and that the machining finish though sufficiently hard, but not comparatively cool extremely hard surface layers due to must.

Diese Aufgabe ist mit einer Welle der gattungsgemäßen Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst.This task is with a wave of the generic type according to the invention by the Pa Features claim 1 solved.

Wesentlich ist hierbei also, daß der sonst notwendige Gießkern durch den druckverformten Stahlrohrkern ersetzt ist, der ein integrales Bestandteil der Welle bildet und der der Welle auch die notwendige Stabilität vermittelt. Da es sich bei einem Stahlrohrkern per se, wie beim vor­ erwähnten Stand der Technik, auch um einen Hohlkörper handelt, entsteht durch die Verwendung eines solchen Stahlrohrkernes automatisch eine Hohlwelle. Was die vor­ erwähnten Wellenbereiche betrifft, die kon- oder ex­ zentrisch über die zylindrische Grundform der ei­ gentlichen Welle herausragen, so sind diese Bereiche am Stahlrohrkern als Druckverformungen ausgebildet, die in dafür geeigneten, entsprechend hoch belastbaren Druck­ formwerkzeugen durch schlagartige Innendruckbelastungen (bspw. 3-4000 bar) des zunächst in zylindrischer Form in ein Formwerkzeug eingebrachten Stahlrohrkernes erzeugt werden. Erst der derartig druckverformte Stahlrohrkern, der durch die Druckverformung keinerlei evtl. dessen Fe­ stigkeit beeinträchtigenden Gefügeveränderungen erfährt, wird dann als Kern in die eigentliche Gießform eingesetzt und mit der äußeren Lage aus dem gewünschten Gußmetall umgossen, wobei vorteilhaft der hohle Stahlrohrkern mit seinen offenen Enden aus der Gießform herausragt, d. h., die Lage aus Gußmetall kühlt vom Stahlrohrkern mit seinen in bezug auf den Formsand der Gießform besseren Wärme­ leitvermögen von innen heraus aus, was wiederum bedeutet, daß die Lage in ihrem Gefüge außen an den Stellen geplan­ ter Belastungen leichter auf optimale Härtewerte ein­ stellbar ist.It is essential here that the otherwise necessary Casting core replaced by the compression-molded tubular steel core is an integral part of the shaft and which also conveys the necessary stability to the wave. Since it is a steel tube core per se, as in the previous mentioned prior art, including a hollow body acts, arises from the use of such Tubular steel core automatically a hollow shaft. What the before concerns mentioned wavebands, the con or ex centric over the cylindrical basic shape of the egg protruding wave, these areas are at Steel tube core formed as compression deformations, which in suitable, correspondingly highly resilient pressure molds due to sudden internal pressure loads (e.g. 3-4000 bar) of initially in cylindrical form in created a mold inserted steel tube core become. Only the pressure-deformed tubular steel core,  which, due to the compression set, may not have any Fe undergoes structural changes that impair stability, is then used as the core in the actual mold and with the outer layer of the desired cast metal encapsulated, advantageously with the hollow steel tube core its open ends protrude from the mold, d. H., the cast metal layer cools from the tubular steel core with its better heat with respect to the molding sand of the mold conductivity from the inside out, which in turn means that the situation in its structure was planned outside at the points loads more easily to optimal hardness values is adjustable.

Die Ausbildung solcher Druckverformungen am Stahlrohrkern sind bei Wandstärken von zwei bis vier Millimeter ohne weiteres realisierbar. Die per Guß aufzubringende Lage aus Gußmetall wird dabei mit mindestens der gleichen Stärke aufgebracht.The formation of such pressure deformations on the steel tube core are without with wall thicknesses of two to four millimeters further realizable. The position to be cast Cast metal is used with at least the same Starch applied.

Da die Druckverformungen am Stahlrohrkern keineswegs schon voll den Nockenausformungen an der fertigen Welle nur mit Untermaß entsprechen müssen und dem Stahlrohrma­ terial die Möglichkeit gegeben werden soll, sich bei schlagartiger Innendruckbeaufschlagung gewissermaßen "be­ quem" an die Hochdruckform anzulegen, besteht eine vor­ teilhafte Ausführungsform darin, daß die Wandungsüber­ gänge von den zylindrischen Teilen des Stahlrohrkernes zu den Druckverformungen in Form von Rundungen ausgebildet und andererseits die Lage aus Gußmetall mindestens im Be­ reich zylindrischer Lagerflächen und im Bereich der Um­ fangsflächen der Lage radial über den Druckverformungen spanabhebend bearbeitet sind.Because the pressure deformations on the steel tube core are by no means already full of the cam formations on the finished shaft only have to correspond with undersize and the tubular steel dimension material should be given the opportunity to join abrupt internal pressurization to a certain extent "be quem "to apply to the high pressure form, there is one partial embodiment in that the wall over gears from the cylindrical parts of the tubular steel core the compression deformation in the form of curves  and on the other hand the layer of cast metal at least in the loading rich cylindrical bearing surfaces and in the area of the um Face of the layer radially above the compression deformation are machined.

Die erfindungsgemäße Welle wird nachfolgend am zeichne­ risch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Nockenwelle näher erläutert.The shaft according to the invention will draw below Risch illustrated embodiment of a camshaft explained in more detail.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 einen Teil einer Nockenwelle im Längsschnitt und Fig. 1 shows a part of a camshaft in longitudinal section and

Fig. 2 einen Schnitt durch die Nockenwelle längs Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a section through the camshaft along line II-II in FIG. 1.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist die als Hohl­ welle ausgebildete Welle 1 aus einem Stahlrohrkern 2 und aus einer äußeren Lage 3 aus Gußmetall gebildet. Mit der Lage 3 aus Gußmetall, die der Welle 1 die gleiche Ober­ flächenbeschaffenheit wie bei bisherigen Wellen dieser Art verschafft, sind auch die von der zylindrischen Grundform des Stahlrohrkernes 2 abweichenden, im wesent­ lichen radial orientierten und aus der zylindrischen Oberfläche des Stahlrohrkernes 2 kon- oder exzentrisch herausragenden Druckverformungen 4 bedeckt, wobei, wie ersichtlich, die Lage 3 aus Gußmetall beim Ausführungs­ beispiel eine etwas größere Wandstärke als die Wandstärke W des Stahlrohrkernes 2 hat.As can be seen from FIGS. 1 and 2, the shaft 1 designed as a hollow shaft is formed from a tubular steel core 2 and from an outer layer 3 of cast metal. With the layer 3 made of cast metal, which provides the shaft 1 with the same surface quality as previous shafts of this type, the radially oriented, essentially radial, and deviating from the cylindrical surface of the steel tube core 2 are also different from the cylindrical basic shape of the steel tube core 2 . or eccentrically protruding pressure deformations 4 , wherein, as can be seen, the layer 3 made of cast metal in the execution example has a somewhat larger wall thickness than the wall thickness W of the steel tube core 2 .

Verwirklicht beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch die in bezug auf die Druckverformung vorteilhafte Ausführungsform dahingehend, daß einerseits die Wandungs­ übergänge 5 von den zylindrischen Teilen 6 des Stahlrohr­ kernes 2 zu den Druckverformungen 4 in Form von Rundungen 7 ausgebildet und die Lage 3 aus Gußmetall mindestens im Bereich zylindrischer Lagerflächen 8 und im Bereich der Umfangsflächen 9 der Lage 3 radial über den Druckverfor­ mungen 4 spanabhebend bearbeitet sind.Realized in the illustrated embodiment is also advantageous in relation to the compression deformation in that on the one hand the wall transitions 5 from the cylindrical parts 6 of the steel tube core 2 to the compression deformations 4 in the form of curves 7 and the layer 3 made of cast metal at least in the area cylindrical bearing surfaces 8 and in the area of the circumferential surfaces 9 of the layer 3 are machined radially above the Druckverfor lines 4 .

In Fig. 1 fällt auf, daß die Wandstärken W des Stahlrohr­ kernes 2 auch im Bereich der Druckverformungen 4 gleich­ bleibend stark dargestellt sind. Dies stellt ebenfalls eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung dar, die dadurch erreicht wird, daß die Gesamtwandungslänge des Stahlrohr­ kernes 2 im wesentlichen als additive Länge aller sich gerade erstreckenden Längen L und aller sich in den Druckverformungen 4 erstreckenden Kurvenlängen L1 der Stahlrohrkernwandung bemessen ist.In Fig. 1 it is noticeable that the wall thicknesses W of the steel tube core 2 are shown consistently strong even in the area of the compression deformation 4 . This also constitutes an advantageous further embodiment, which is achieved in that the Gesamtwandungslänge of the steel pipe core 2 substantially all of the straight extending lengths L and all extending in the pressure deformations 4 curve length L 1 of the Stahlrohrkernwandung is dimensioned as additive length.

Diese Maßgabe führt also bei entsprechender Bemessung und Formgebung des Druckformwerkzeuges dazu, daß das Wan­ dungsmaterial des Stahlrohrkernes 2 bei schlagartiger Druckbeaufschlagung in der Form nachgeschoben werden kann und sich im Bereich der Druckverformungen 4 keine Wand­ stärkenschwächungen ergeben können, die die Festigkeit der Welle 1 in diesen Bereichen beeinträchtigen würden.So that this requirement results in a corresponding dimensioning and shaping of the pressure forming die to the fact that the Wan of the steel pipe core 2 may be pushed under impact pressure in the mold-making material and may result starch weakenings no wall in the region of the pressure deformations 4, the strength of the shaft 1 in this Would affect areas.

In diesem Zusammenhang haben die vorerwähnten Rundungen 7 eine besondere Bedeutung, da dadurch das Nachschieben er­ leichtert wird. Soweit in diesen Bereichen Wandstärken­ schwächungen tatsächlich festzustellen sind, so sind diese vernachlässigbar klein, d. h. bewegen sich im Be­ reich von maximal 1/10 mm.In this context, the aforementioned curves 7 have a special meaning, since this makes it easier to push them. Insofar as wall thickness weaknesses can actually be determined in these areas, they are negligibly small, ie they move within a range of a maximum of 1/10 mm.

Claims (4)

1. Welle mit mindestens zum Teil nichtzylindrischer Au­ ßenfläche, wie Kurbelwelle, Nockenwelle, Schnecken­ welle od. dgl., bestehend aus einem Stahlrohrkern (2) und aus einer äußeren Lage (3) aus Gußmetall, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) aus einem druckverformten, von der zylindrischen Grundform abweichenden Stahlrohrkern (2) gebildet ist, wobei die äußere Lage (3) auch die im wesentlichen radial orientierten und aus der zy­ lindrischen Oberfläche des Stahlrohrkernes (2) kon- oder exzentrisch herausragenden Druckverformungen (4) vollständig bedeckt.1. Shaft with at least partially non-cylindrical outer surface such as crankshaft, camshaft, worm shaft or the like, consisting of a steel tube core ( 2 ) and an outer layer ( 3 ) made of cast metal, characterized in that the shaft ( 1 ) is formed from a pressure-deformed steel tube core ( 2 ) deviating from the cylindrical basic shape, the outer layer ( 3 ) also completely and radially oriented and from the cylindrical surface of the steel tube core ( 2 ) concentrically or eccentrically outstanding pressure deformations ( 4 ) covered. 2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Gußmetall gebildete Lage (3) mindestens die gleiche Wandstärke (W) wie der Stahlrohrkern (2) aufweist.2. Shaft according to claim 1, characterized in that the layer ( 3 ) formed from cast metal has at least the same wall thickness (W) as the steel tube core ( 2 ). 3. Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Wandübergänge (5) von den zy­ lindrischen Teilen (6) des Stahlrohrkernes (2) zu den Druckverformungen (4) in Form von Rundungen (7) ausgebildet und andererseits die Lage (3) aus Gußme­ tall mindestens im Bereich zylindrischer Lagerflä­ chen (8) und im Bereich der Umfangsflächen (9) der Lage (3) radial über den Druckverformungen (4) spanabhebend bearbeitet sind.3. Shaft according to claim 1 or 2, characterized in that on the one hand the wall transitions ( 5 ) from the cylindrical parts ( 6 ) of the steel tube core ( 2 ) to the pressure deformations ( 4 ) in the form of curves ( 7 ) and the location ( 3 ) from Gußme tall at least in the area of cylindrical bearing surfaces ( 8 ) and in the area of the peripheral surfaces ( 9 ) of the layer ( 3 ) are machined radially above the compression deformations ( 4 ). 4. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtwandungslänge des Stahlrohrkernes (2) im wesentlichen als additive Länge aller sich gerade erstreckenden Längen (L) und aller sich in den Druckverformungen (4) erstreckenden Kurvenlängen (L1) der Stahlrohrkernwandung bemessen ist.4. Shaft according to one of claims 1 to 3, characterized in that the total wall length of the steel tube core ( 2 ) substantially as an additive length of all straight lengths (L) and all in the compression deformations ( 4 ) extending curve lengths (L 1 ) the steel tube core wall is dimensioned.
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