DE69301399T2 - Nockenwelle und deren herstellungsverfahren - Google Patents

Nockenwelle und deren herstellungsverfahren

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Nockenwellen für Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben und insbesondere auf Nockenwellen und ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, wobei die Nocken und die Welle als einzelne Elemente hergestellt werden und miteinander zur Bildung der Nockenwelle verbunden werden.
  • Ein Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen beinhaltet ein getrenntes Formen der Nocken durch Verfahren beispielsweise der Pulvermetallurgie. Die Nocken werden dann an einem hohlen Rohr befestigt, wofür bekannte Befestigungsvorgänge verwendet werden, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder Aufweiten des hohlen Rohres. Lager- oder Gleitflächen werden an dem hohlen Rohr zwischen den Nocken bearbeitet. Ein anderes Verfahren zum Befestigen der Nocken, das in US-A-4 858 295 beschrieben ist, hinterläßt eine Vielzahl von Vorsprüngen an der Außenseite des hohlen Rohrs zwischen den Nocken. Diese Vorsprünge müssen entfernt werden, um die Lageroberflächen zu bilden.
  • Die Verlagerung von Material, die durch ein Aufweitwerkzeug während des Aufweitens des hohlen Rohrs verursacht wird, hat eine Kaithärtung und eine Beanspruchung in dem Rohr zur Folge. Eine Begrenzung des Kalthärtens vermindert die Gefahr eines Ausfalls aufgrund eines Rohrbruchs.
  • EP-A-324 499 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit den folgenden Schritten geschaffen: Bereitstellen eines hohlen Rohrs; Formen einer Vielzahl von Bereichen mit vermindertem Durchmesser an dem hohlen Rohr; Bereitstellen einer Vielzahl von Nockenelementen, wobei jedes Nockenelement eine axiale Öffnung aufweist; Einsetzen des hohlen Rohrs in die Nockenelemente, wobei jedes Nockenelement um einen Bereich mit vermindertem Durchmesser herum angeordnet wird; und Aufweiten der Bereiche mit vermindertem Durchmesser des hohlen Rohrs in mechanischen Preßsitzeingriff mit den Nockenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit vermindertem Durchmesser durch Pressen einer Vielzahl von gegenseitig beabstandeten Abschnitten des hohlen Rohrs und durch Bearbeiten der äußeren Oberfläche des hohlen Rohrs geformt werden, wodurch die Bereiche mit vermindertem Durchmesser dickere Wandbereiche bilden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Nockenwelle der Art geschaffen, die ein hohles Rohr, eine Vielzahl von gegenseitig beabstandeten ersten Abschnitten und eine Vielzahl von gegenseitig beabstandeten zweiten Abschnitten hat, wobei ein erster Abschnitt benachbart zu einem zweiten Abschnitt ist, wobei die Dicke der Rohrwand jedes ersten Abschnitts dicker ist als die Dicke der Rohrwand eines benachbarten Abschnitts und wobei eine Vielzahl von axial gegenseitig beabstandeten Nocken um das hohle Rohr herum angebracht ist, wobei jeder Nocken eine axiale Öffnung hat und um einen ersten Abschnitt herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Abschnitt durch Pressen eines Abschnitts des hohlen Rohrs zum Vermindern von dessen äußerem Durchmesser geformt ist, wobei das hohle Rohr auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet ist.
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun anhand von Beispielen auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen:
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Teils eines ersten Ausführungsbeispiels einer Nockenwelle,
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt eines hohlen Rohrs nach einem anfänglichen Formungsschritt,
  • Fig. 3 ist ein Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten hohlen Rohrs, nachdem der äußere Durchmesser bearbeitet wurde, und zeigt um das Rohr herum angeordnete Nocken,
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 4-4 von Fig. 3,
  • Fig. 5 ist ein Querschnitt der Nockenwelle, der die Nocken zeigt, nachdem ein Aufweitwerkzeug sich teilweise durch das hohle Rohr hindurch bewegt hat,
  • Fig. 6 ist ein Querschnitt eines Nockens und eines hohlen Rohres eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 7 ist ein Querschnitt der Nockenwelle des zweiten Ausführungsbeispiels und zeigt die Nocken, nachdem ein Aufweitwerkzeug sich teilweise durch das hohle Rohr hindurch bewegt hat,
  • Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 8-8 von Fig. 7,
  • Fig. 9 ist ein Querschnitt der Nockenwelle eines dritten Ausführungsbeispiels und zeigt die Nocken, nachdem ein Aufweitwerkzeug sich teilweise durch das hohle Rohr hindurch bewegt hat, und
  • Fig. 10 ist ein Querschnitt eines Nockens und eines hohlen Rohrs, der eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • Detailbeschreibung
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 wird die Herstellung der Nockenwelle durch Aufschieben der Nocken 10 über ein hohles Rohr 13 bewerkstelligt. Andere Elemente (die bei 12 in Fig. 7 gezeigt sind) können zusätzlich zu den Nocken 10 an dem hohlen Rohr 13 unter Verwendung dieses Verfahrens befestigt werden. Dies umfaßt Zeitsteuerräder, Axiallaufscheiben, Lagerringe usw. Das hohle Rohr 13 hat eine Vielzahl von Bereichen 16, die eine größere Wanddicke haben als die benachbarten Bereiche 18. Die Nocken 10 werden um die dickeren Wandbereiche 16 herum angeordnet. Einige der dünneren Wandbereiche 18 werden als Lager- oder Gleitoberflächen verwendet.
  • Das hohle Rohr 13 wird vorzugsweise aus einem verformbaren Stahl hergestellt, der eine maximale Härte von Rc30 hat. Die Nocken 10 werden vorzugsweise aus Stahl hergestellt, der auf eine minimale Härte von Rc55 härtbar ist. Pulvergeschmiedetes Material der AISI 4680- Serie ist ebenfalls erfolgreich für die Nocken 10 verwendet worden.
  • Die dickeren Bereiche 16 und die dünneren Bereiche 18 werden durch Pressen spezifischer Bereiche des hohlen Rohres 13 geformt, um den äußeren Durchmesser der Bereiche 16 zu vermindern, worauf dann das hohle Rohr 13 auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet wird. Fig. 2 zeigt das hohle Rohr 13, nachdem dieses Pressen durchgeführt worden ist. Das bevorzugte Verfahren zum Pressen des hohlen Rohrs 13 ist das Schmieden. In Fig. 2 ist auch ein innerer Dorn 15 gezeigt, der verwendet wird, um den inneren Durchmesser der Bereiche 16 abzustützen, wenn das hohle Rohr 13 geschmiedet wird. Die Verwendung des inneren Dorns 15 ist optional. Durch das Vorsehen der inneren Abstützung kann der endgültige Durchmesser der Bereiche 16 besser gesteuert werden. Die Bereiche 16, die gepreßt werden, entsprechen der Stellung der Nocken 13 an dem fertiggestellten Produkt. Die bevorzugte axiale Länge für die dickeren Bereiche 16 ist geringfügig kleiner als die axiale Länge eines Nockens 10. Dies minimiert oder verhindert jegliche Veränderung in dem äußeren Durchmesser der dünneren Bereiche 18, wenn die Nocken 10 an dem hohlen Rohr 13 befestigt werden.
  • Nachdem der Schmiedeschritt durchgeführt worden ist, wird der äußere Durchmesser des hohlen Rohrs 13 auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet. Die Außenseite des hohlen Rohrs 13 kann zu dieser Zeit fertig geschliffen werden, um eine endgültige Oberfläche zu erzeugen, die als Lager- oder Gleitoberfläche annehmbar ist. Typischerweise wird das hohle Rohr 13 unter Verwendung des spitzenlosen Schleifens bearbeitet. Andere Verfahren, wie beispielsweise Drehen, können verwendet werden. Nach diesem Bearbeitungsschritt hat das hohle Rohr 13 eine Vielzahl von dickeren Wandbereichen 16 und eine Vielzahl von dünneren Wandbereichen 18. Für typische Automobil-Nockenwellen ist die bevorzugte Dicke des dickeren Wandbereichs etwa 4 mm (0,155 Zoll), und die bevorzugte Dicke der dünneren Wände 18 ist etwa 3,25 mm (0,128 Zoll). Fig. 3 zeigt das hohle Rohr 13, nachdem das hohle Rohr bearbeitet worden ist, um einen gleichförmigen äußeren Durchmesser zu erzeugen. Der Unterschied zwischen den Wanddicken der beiden Bereiche 16, 18 ist zur Klarheit übertrieben dargestellt.
  • Die Nocken 10 werden dann auf das hohle Rohr 13 aufgebracht, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Jeder Nocken 10 wird mit einem dickeren Wandbereich 16 ausgerichtet. Die axiale Öffnung des Nockens 10 ist geringfügig größer als der äußere Durchmesser des hohlen Rohrs, wodurch ein kleiner Spalt zwischen dem Nocken 10 und dem Rohr 13 geschaffen wird, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.
  • Die Nocken 10 werden in der richtigen winkelmäßigen Ausrichtung gehalten, während ein Aufweitwerkzeug 36 in das hohle Rohr 13 eingeführt wird. Fig. 5 zeigt das Aufweitwerkzeug 36, nachdem es an zwei Nocken 10 vorbei eingeführt worden ist. Der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36 ist größer als der innere Durchmesser der dickeren Wandbereiche 16. Der äußere Durchmesser ist auch kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18. Wenn das Aufweitwerkzeug 36 in das hohle Rohr 13 eingeführt wird, werden die dickeren Wandbereiche 16 nach außen in Berührung mit der axialen Öffnung des Nockens 10 aufgeweitet. Dieses Aufweiten verriegelt die Nocken 10 und das hohle Rohr in einen mechanischen Preßsitzeingriff, wodurch eine axiale Halterung der Nocken 10 geschaffen wird. Da der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36 kleiner ist als der innere Durchmeser der dünneren Wandbereiche 18, werden diese Bereiche während des Einsetzens des Aufweitwerkzeugs 36 nicht aufgeweitet. Daher benötigen diese Bereiche 18 typischerweise nicht irgendeine zusätzliche Bearbeitung nach dem Zusammenfügen.
  • Die Oberfläche der axialen Öffnung eines Nockens 10d kann Keile haben, wie es in Fig. 10 gezeigt ist.
  • Für Anwendungen mit einer Vielzahl von Elementen auf der Nockenwelle, Nocken, Zeitgeberräder usw., kann der Grad der Aufweitung, der zum Befestigen des Elements an der Nockenwelle erforderlich ist, für die verschiedenen Elemente unterschiedlich sein. Um unterschiedliche Aufweitgrade zu schaffen, kann die Wanddicke der Wandbereiche 16 unterschiedlich sein. Um eine unterschiedliche Wanddicke zu erreichen, kann der Betrag der Reduktion während des Schmiedevorgangs wie auch der Betrag der Bearbeitung nach dem Schmiedevorgang variiert werden.
  • Die Fig.6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Jeder Nocken 10a ist mit einer Vielzahl von Nuten 22 versehen, die umfangsmäßig um die Oberfläche der axialen Öffnung des Nockens 10a herum beabstandet sind. Das hohle Rohr 13a wird wie oben diskutiert vorbereitet, um eine Vielzahl von dickeren Wandbereichen 16a und dünneren Wandbereichen 18a zu bilden. Nachdem die Nocken 10a auf dem hohlen Rohr 13a aufgebracht sind, wird ein Aufweitwerkzeug 36a in das hohle Rohr 13a eingeführt. Das Aufweitwerkzeug 36a hat eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Hartmaterialvorsprüngen 28 benachbart zu einem Ende des Aufweitwerkzeugs 36a. Der effektive Durchmesser der Vorsprünge 28 ist ausreichend größer als der innere Durchmesser der dickeren Wandbereiche 16a des hohlen Rohrs 13a, um die Vorsprünge 28 zu veranlassen, Teile der dickeren Wandbereiche 16a in die Nuten 22 der Nocken hinein aufzuweiten, um die Nocken dauerhaft an dem hohlen Rohr 13a zu befestigen. Der effektive Durchmesser der Vorsprünge 28 ist ausreichend kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche 18a des hohlen Rohrs 13a, so daß die dünneren Wandbereiche 18a durch das Aufweitwerkzeug 36a nicht aufgeweitet werden.
  • Wie in Fig. 8 gezeigt ist, sind die Hartmaterialvorsprünge 28 so angeordnet, daß, wenn sich die Vorsprünge 28 innerhalb des Rohres an den Nocken 10 vorbeibewegen, die Hartmaterialvorsprünge 28 das weichere Rohrmaterial in die Nuten 22 hinein aufweiten. Als Ergebnis der Aufweitung wird der gesamte Umfang des hohlen Rohrs 13a nach außen bewegt. Wegen des kleinen Unterschieds zwischen dem anfänglichen äußeren Durchmesser des hohlen Rohrs 13a und den inneren Oberflächen der Nocken 10a drückt die äußere Oberfläche des hohlen Rohrs 13a fest gegen die inneren Oberflächen der Nocken 10a.
  • Jegliche zusätzlichen Elemente 12, die an dem hohlen Rohr 13a befestigt werden, wie beispielsweise Zeitgeberräder, können ohne Nuten 22 an der Oberfläche der axialen Öffnung befestigt werden.
  • Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 ist das hohle Rohr 13b nicht auf einen gleichförmigen Durchmesser bearbeitet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Bereiche 16b mit vermindertem Durchmesser werden wie oben diskutiert ausgebildet. Die Außenseite des hohlen Rohrs 13b kann bearbeitet werden, um den Durchmesser der nicht verminderten Bereiche 18b zu vermindern. Jedoch bleibt nach dem Bearbeiten der äußere Durchmesser der Bereiche 1 8b größer als der äußere Durchmesser der Bereiche 16b. Die Nocken 10b werden auf das hohle Rohr 13b aufgebracht, wobei die Nocken 10b mit den Bereichen 16b mit vermindertem Durchmesser ausgerichtet werden. Die Nocken 10b werden dann an dem hohlen Rohr 13b durch einen mechanischen Preßsitzeingriff befestigt. Der innere Durchmesser der Bereiche 18b ist größer als der äußere Durchmesser des Aufweitwerkzeugs 36b.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit den Schritten: Bereitstellen eines hohlen Rohrs (13); Formen einer Vielzahl von Bereichen (16) mit vermindertem Durchmesser an dem hohlen Rohr (13); Bereitstellen einer Vielzahl von Nockenelementen (10), wobei jedes Nockenelement (10) eine axiale Öffnung aufweist; Einsetzen des hohlen Rohrs in die Nockenelemente (10), wobei jedes Nockenelement (10) um einen Bereich mit vermindertem Durchmesser herum angeordnet wird; und Aufweiten der Bereiche mit vermindertem Durchmesser des hohlen Rohrs in mechanischen Preßsitzeingriff mit den Nockenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit vermindertem Durchmesser durch Pressen einer Vielzahl von gegenseitig beabstandeten Abschnitten des hohlen Rohrs (13) und durch Bearbeiten der äußeren Oberfläche des hohlen Rohrs geformt werden, wodurch die Bereiche mit vermindertem Durchmesser dickere Wandbereiche bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bereiche (18) des hohlen Rohres benachbart zu den Bereichen (16) mit vermindertem Durchmesser Bereiche (18) mit größerem Durchmesser bilden und bei dem die Bereiche (18) mit größerem Durchmesser während des Schrittes des Aufweitens der Bereiche mit vermindertem Durchmesser nicht aufgeweitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ferner ein Dorn (15) in das hohle Rohr vor dem Schritt des Formens der Vielzahl von Bereichen (16) mit vermindertem Durchmesser eingeführt wird, wobei der Dorn (15) innerhalb des hohlen Rohrs (13) während des Schrittes des Formens der Vielzahl von Bereichen (16) mit vermindertem Durchmesser verbleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Vielzahl der Bereiche (16) mit vermindertem Durchmesser durch Schmieden gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner vor dem Einsetzen des hohlen Rohrs (13) in die Nockenelemente (10) das hohle Rohr (13) auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet wird, wodurch die Bereiche (16) mit vermindertem Durchmesser dickere Wandbereiche bilden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Aufweitens der Bereiche (16) mit vermindertem Durchmesser das Bereitstellen eines Aufweitwerkzeuges (36) enthält, das einen Durchmesser größer als der Innendurchmesser der dickeren Wandbereiche (16) und kleiner als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche (18) hat, und bei dem die dickeren Wandbereiche (16) des hohlen Rohr (13) in mechanischen Preßsitzeingriff mit den Nockenelementen (10) durch Einführen des Aufweitwerkzeugs (36) in das hohle Rohr (13) aufgeweitet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Nockenelement (10) eine axiale Öffnung aufweist, wobei die Oberfläche der axialen Öffnung eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten, sich axial erstreckenden Nuten (22) hat, und wobei der Schritt des Aufweitens der Bereiche (16) mit vermindertem Durchmesser ein Aufweiten von in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten Abschnitten der dickeren Wandbereiche (16) des hohlen Rohrs (13) in mechanischen Preßsitzeingriff mit den Nuten (22) aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Aufweitens von in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten Abschnitten ein Einführen eines Aufweitwerkzeugs (36) aufweist, das in Umfangsrichtung voneinander getrennte Vorsprünge (28) aus hartem Material hat, wobei die Vorsprünge (28) in axialer Ausrichtung mit den Nuten (22) angeordnet sind, so daß, wenn sich die Vorsprünge (28) innerhalb des Rohres an den Nockenelementen (10) vorbei bewegen, die Vorsprünge (28) aus hartem Material die Abschnitte der Wand in die Nuten (22) hinein aufweiten.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ferner wenigstens ein Glied (10) bereitgestellt wird, wobei jedes Glied (10) eine axiale Öffnung hat, wobei die Oberfläche der axialen Öffnung des wenigstens einen Gliedes kontinuierlich ist, wobei das hohle Rohr (13) in das wenigstens eine Glied (10) eingesetzt wird und wobei in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandete Abschnitte eines dickeren Wandbereichs (16) des hohlen Rohrs (13) in mechanischen Preßsitzeingriff mit dem wenigstens einen Glied (10) aufgeweitet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem die in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten, sich axial erstreckenden Nuten (22) Keilwellennuten bilden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jedes Nockenelement (10) eine axiale Öffnung mit einer Oberfläche hat, die ein Keilwellenprofil hat.
12. Nockenwelle der Art, die ein hohles Rohr (13), eine Vielzahl von gegenseitig beabstandten ersten Abschnitten (16) und eine Vielzahl von gegenseitig beabstandeten zweiten Abschnitten (18) hat, wobei ein erster Abschnitt (16) benachbart zu einem zweiten Abschnitt (18) ist, wobei die Dicke der Rohrwand jedes ersten Abschnitts dicker ist als die Dicke der Rohrwand eines benachbarten Abschnitts und wobei eine Vielzahl von axial gegenseitig beabstandten Nocken (10) um das hohle Rohr (13) herum angebracht ist, wobei jeder Nocken (10) eine axiale Öffnung hat und um einen ersten Abschnitt (16) herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Abschnitt (16) durch Pressen eines Abschnitts des hohlen Rohrs (13) zum Vermindern von dessen äußerem Durchmesser geformt ist, wobei das hohle Rohr (13) auf einen gleichförmigen äußeren Durchmesser bearbeitet ist.
13. Nockenwelle nach Anspruch 12, die ferner eine Einrichtung zum Befestigen der Nocken (10) an dem hohlen Rohr (13) aufweist.
14. Nockenwelle nach Anspruch 13, bei der die Einrichtung zum Befestigen eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten Nuten (22) an der inneren Oberfläche der axialen Öffnung jedes Nockens (10) aufweist, und wobei sich eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandeten Vorsprüngen axial in jedem ersten Abschnitt des hohlen Rohrs erstreckt, wobei sich jeder Vorsprung in eine Nut (22) jedes Nockens erstreckt.
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