KR20010052298A - 캠축의 제조방법 및 이 방법에 의하여 제작된 캠축 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 캠축을 생산하는 것이다. 이 목적을 위하여 그 자체가 공지된 소성변형 방법이 베어링요소들, 구동장치요소들 그리고 제어요소들이 소성변형에 의하여 단부들에서 생산되는 그러한 방법으로 내부고압 변형 방법과 결합하여진다. 미리 가공된 지지링들과 체인휠 또는 기어휠들이 내부고압 변형에 의하여 양의 또는 부의 휫트에 의하여 장착된다. 본 발명의 방법은 주로 캠축에 대하여 사용되나 그러나 캠플레이트 등을 가지는 축을 생산하기 위해서 사용되어 질 수 있다.

Description

캠축의 제조방법 및 이 방법에 의하여 제작된 캠축{METHOD FOR PRODUCING A CAMSHAFT AND CAMSHAFT PRODUCED ACCORDING TO SAID METHOD}

하나의 개체로 되어 있는, 즉 단조되었거나 주조된 캠축은 공지되어 있다. 마모를 당하게 되는 캠의 접촉면은 레이져 광선, 전자혹사선 또는 WIG에 의한 기계적 가공에 의하여 재용해되거나 또는 예를들면 유도적으로 또는 열적/화학적 공법에 의하여 경화되어 진다. 그 뒤에 예를들면 베어링 이와 캠형태의 연마와 같은 또다른 기계적 처리가 이루어진다. 상기한 캠축은 이것의 중량과 그리고 이와함께 움직이고자하는 질량이 대단히 높다는 단점을 가지고 있다. 캠축의 이 높은 질양은 연료 소비량에 불리하게 작용한다. 또다른 단점은 소재의 가공시에 높은 기계적인 비용이다. 또 개별부품들로 부터 캠축들을 제조하는 것이 공지되어 있다. 개별적인 캠들이 축상에 가져와지며 이것과 함께 바람직하게는 용접에 의하여 결합되거나, 압착되거나 또는 열간 감합되어 진다. 이 경우에 축은 중공축 일 수 있으므로 일편으로된 육중한 캠장치의 높은 중량의 단점은 제거되어지나 그러나 제작비용은 아직도 대단히 높다.

이 방법의 다른 실시형태에서는 개별적인 캠이 중공축 상에서, 이 중공축의 캠을 위에 밀어올린 후에 압력의 작용으로 인하여 확대되어지므로서 고정시키는 것이 역시 공지되어 있다. 압력 매체로서는 바람직하게는 유체가 사용된다. 이 압력은 피스톤이나 스탬프에 의하여 생성된다 (DE 34 09 541; 35 21 206). 이 방법은 그러나 특히 접합부들과 같은 개별 부품들의 제조가 기술적으로 복잡화 되어 있으며 그리고 캠의 내부 윤곽이 제한되어 있다는 단점을 가지고 있다.

또 종방향의 중공체가 즉 내부 고압-변형공법 (IHU-공법이라고 칭함) 성형에 의하여 캠으로서 작용하면서 개별적으로 또는 잇달아서 또는 동시에 생성되어지는 방법으로 제조하는 것은 공지되어 있다.

상응하게 2개 부품의 또는 4개 부품의 공구들은 축방향으로 중공축의 다시 밀침에 의하여 캠들이 그들의 위치에서 일정하게 발생하며 그리고 일체로되 성형이 이루어진다 (WO 97/46341).

그러나 이 방법으로 제조된 캠축은 실로 제조비용이 단조된 또는 조립된 캠축에 비하여 근소하나 그러나 캠 접촉면의 내마모성은 불만족스럽다는 단점과 결부되어 있다. 내마모성을 보장하는 재료를 가지고 IHU-공법을 실시하는 것은 불가능하다. 그밖에도 보통 자동차 엔진의 경우에 필요한 바와 같이 축상에 캠들의 간격이 작은 경우에는 최고의 변형도에 대신에 강도에 부정적으로 영향하는 것으로서 불가피하게 재료가 약화되기 때문에 캠의 평탄한 접촉면을 제조하는 것은 불가능하다.

상기한 단점을 감소에 기여하는 중공축 재료가 사용된다면 이것은 실로 좋은 변형을 허락하며, 그러나 경도 내지 내마모성은 다음의 경화공정 자체에 의하여는 얻을 수가 없다. 그러나 바로 캠의 경도 및 내마모성은 자동차 엔진에서 캠축의 높은 수명을 위한 기본적인 전제이다. 즉 축자체의 전체범위 내에서 그리고 특별히 캠의 측방과 첨두에서 필요 불가결한 재료두께를 얻는 것이 역시 대단히 어렵다.

편심의 윤곽형성을 가지는, 캠궤도를 형성하는 파이프 단편을 제조하여 그리고 이것을 프레스휫트 결합을 사용하여 강화하는 것이 또 공지되어 있다. 캠의 제조는 파이프 폭발성형에 의하여 이루어 진다. 개별적인 캠들은 서로에 상응하게 엇갈려서 캠축상에 고정된다 (DD 243 223). 그 당시에 제조된 상기한 캠축들은 높은 제조비용을 필요로하며 그리고 큰 중량을 가졌다. 소성 변형과정은 시간에 종속하여는 제어할 수 없다.

본 발명은 캠축의 제작을 위한 방법과 이 방법에 의하여 제작된 캠축에 관한 것이다. 특히 자동차용 엔진을 위한 캠축이 문제가되며 그러나 이 방법은 역시 예를들면 축상에 배열된 캠장치와 같은 유사한 제품들을 제조하기 위하여 적합하여져 있다. 이것은 인양요소가 상이한 곡률을 가지는 회전하는 원반 위에서 진행하고 그리고 회전방향에 거슬려서 움직여지면서 회전 운동을 인양운동으로 변환하는 요소들이다.

도 1은 완성된 캠축의 종단면도이며,

도 2는 축상의 캠의 횡단면도이며,

도 3은 축상의 캠의 종단면도로서의 단편도이며,

도 4는 환봉연신 또는 압축단조에 의하여 변형된 단부들을 가지는 캠축이며,

도 5는 가변적인 두께의 지지링(carrier rings)을 가지는 캠축 단면도임

본 발명은 하나의 발명을 가지는 단단하며, 근소한 굴절성을 가지며, 높은 비틀림 강도를 가지며 그리고 캠측면 및 캠첨두상의 부하면에서 높은 굴곡강성을 가지는 캠축들이 공지된 내부고압-변형공법을 사용하는 것에 의하여 제조할 수 있는 캠축을 제조하기 위한 그러한 방법을 창안하는 과제를 기초로 하고 있다. 이 제조방법은 간단해야 한다. 또다른 공정단계에서의 추가적인 층 즉 마모방지층을 입히는 것이 그리고 마찬가지로 비용이 드는 기계적인 재작업이 없어져야 한다. 재료의 투입은 근소해야 한다. 전체의 캠축을 위하여 필요한 개별부품들의 수는 공지된 캠축 가공 공법에 비하여 감소되어야 한다.

상기 과제는 본 발명에 따라서 청구범위 제 1 항 및 제 8 항의 특징들에 의하여 해결된다. 유리한 실시들은 청구범위 제 2 항 내지 제 7항 그리고 제 9항 내지 제 17항에서 기술되어 있다.

본 발명의 본질은 분리된 공법에서 근소한 벽두께와 캠의 최종형태를 가지며 상응하게 단단하고 그리고 내마모성의 지지링들이 제조되며, 이들 지지링들은 내부고압-변형 (IHU라고 칭함)에 의하여 IHU-공구내로 삽입되며 그리고 상기 IHU-공구에 의하여 그리고 파이프 내에 도입되고 압력매질을 거쳐서 생성된 내부력들과 결합하고 있는 축방향의 힘들에 의하여 파이프의 한단계의 또는 두단계의 변형이 이루어지는 것에 있다.

변형공정의 완료와 함께 지지링과의 캠의 힘에 적합하고 형에 맞는 결합이 이루어진다. 캠축의 단부들에는 그 자체가 공지된 방법으로 고정된, 그 자체가 공지된 베어링요소들이 배열되어 있다.

이 방법의 또다른 유리한 형성에서는 상기 방법의 앞에 있는 방법단계에서 변형을 우하여 필요한 성질들과 기계적 요수사항들을 충족시키는 재료로 된 파이프를 역시 롤 연신이라고 불리는 공지된 연신 또는 스탬프 작업에 의하여 파이프가 전체적으로 또는 부분적으로 또는 다만 캠축단부들 만이 소성변형되는, 즉 예를들면 뻗쳐지고 그리고/또는 두터워지는 방법으로 변형된다. 상기 단부들에는 그래서 구동요소 및 제어요소를 위한 형요소들이, 예를들면 치차를 위한 시이트가 만들어진다. 뒤따르는 상기한 방법단계에서는 IHU-공법에 의하여 캠이 배열되어 있는 범위에서의 파이프가 확대되며, 여기서 먼저 IHU- 공구속으로는 지지링들이 캠의 위치들에 상응하여 삽입되어 진다.

지지링들이 동일한 벽두께를 가진다면 대단히 뾰쪽하게 되어 있는 캠의 경우에는 파이프가 높은 변형도를 당하게되며 경우에 따라서는 다단계의 변형공정이 필요하다는 단점이 나타난다. 이와함께, 생산성이 강하하는 경우에는 생산비용이 상승한다. 나아가서는 캠축 이외에 실린더 헤드에는 캠들 사이에 내지 이들의 곁에 간섭 윤곽이 존재한다. 이것으로 인하여는 이용 가능한 구조공간이 제한되고 그리고 IHU- 공정이 어려워진다. 하여튼 상기한 제한은 다만 복잡하고, 다단계의 IHU- 공법에 의해서만 제거할 수 있다. 이것은 다시금 높은 제조비용을 필요로한다. 그래서 이 방법 내지 이것에 의하여 제조된 축의 유리한 특징은 별도의 공법으로 제작된 지지링들이 외부에서 기능적인 조건에 맞는 윤곽에 상응하며 그리고 내부에서는 파이프 보다 약간 더 큰 직경을 가지는 것에 있다. 이 지지링의 벽두께는 동일한 두께를 가진것이 아니며 캠 첨두의 범위에서는 더 큰 두께를 가진다. 이것은 지지링이 캠보다 변동 가능한 두께를 가지며 그리고 내부 윤곽은 원형이 아님을 의미한다.

본 발명에 따르는 방법은 대체로 2개 또는 그 이상의 공지된 현대적인 가공 공법이 서로 결합되어지는 것에 있다.

압력작용의 경우에 홈이 축의 재료로 채워지므로서 지지링의 측방으로의 이동을 방지하기 위하여 적어도 하나의 홈을 지지링 속으로 반경방향으로 들여 보내는 것이 유리하다.

이 방법의 또다른 유리한 형성은 구동장치 요소 및/또는 제어요소들이 역시 IHU-공법에 의하여 축상에 고정되는 것에 있다. 마찬가지로 베어링면은 역시 IHU-공법에 의한 파이프의 확장에 의하여 제조되어 질 수 있다. 특히 소성변형 공정의 결과로 발생하는 원재료의 냉간 경화는 유리하다.

본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 캠축은 중공의 캠과 대단히 얇은 벽의 지지링들에 의하여 중량에 있어서 대단히 가벼우며 그리고 높은 강성을 가진다. 이 지지링들은 전혀 기계적으로 후 가공하지 않거나 다만 조금 가공해야 한다는 장점이 있다. 예를들면 유도경화 또는 진공 공정에서의 재용융경화와 같이 그렇지 않으면 통상적인 뒤의 경화가 없어지는 것으로서, 이들의 경도는 요구조건들에 상응하게 이미 주어진다.

이 방법의 또다른 특징에 의하여는 IHU-공법과 결합하여 환봉연신 또는 스탬핑이 모든 공지된 제조공법에 대조하여 대단히 근소한 가공경비와 그리고 이와함께 역시 근소한 비용을 필요로하므로 추가적인 장점이 나타난다. 이들은 무엇보다도 별도로 가공하고자 하는 그리고 이어서 접합하고자하는 개별부품들의 수가 대단히 근소한 것에 의하여 더 감소된다. 본 발명에 따르는 가공에 의해서는 단부 단편의 이제까지의 접합작업에 의하여 발생할 수 있었던 결함 소오스가 없어진다. 본 방법의 또다른 장점은 그의 기하학적 형상에서 칫수유지, 표면품질 및 대단히 근소한 기계적인 후작업을 요구하는 기능요소들이 연신공법에 의하여 제조할 수 있다는 것에 있다. 이것은 때때로 사상 작업을 위하여 다만 연마공정만을 필요로 한다.

본 발명에 따르는 방법에 이하여 제조된 캠축은 근소한 수의 개별부품들로 되어 있다. 변형공법의 종료와 함께 캠링들은 힘에 적합하게 그리고 형에 적합하게 축과 결합하여진다.

지지링이 파이프를 향하고 있는 지지링의 측면에 하나의 면 또는 양면에 날의 측면부를 형성되도록 하는것이 역시 유리하다. 이것으로 인하여는 축상에서 역시 측방으로의 이동이 방지된다.

지지링들의 유리한 실시는 지지링이 선행기술과는 달리 합성수지 또는 소결재료로 되어 있다는 것에 있다.상기한 재료들은 낮은 제조비용에서 간단한 가공의 장점을 제공한다.

또 세라믹 재료들도 사용할 수 있따. 이들은 최고의 내마모성과 근소한 중량의 경우에 이로서 가장 가벼운 캠축을 제조하는 장점을 갖는다.

이 캠축의 또다른 유리한 특징은 파이프가 알루미늄 또는 티탄으로 되어 있다는 것이다. 이것으로 인하여 캠축은 대단히 가볍다.

본 발명은 2개의 실시예에서 기술된다.

도 1 내지 도 3은 IHU-공법에 의한 캠축의 제조를 나타내고 있다.

잘 변형할 수 있는 재료로된 벽이 얇은 파이프(1)에서는 하나의 프레스형에서의 IHU 변형에 의하여 캠축은 윤곽에 가깝게 만들어진다. 즉 캠(2)이 그의 자리를 갖고 있는 위치들은 캠(2)의 칫수 및 이의 위치에 상응하게 형성된다. 그의 캠(2)를 가지고 있는 상기한 축은 단일한 중공체이다. 공지된 공법에서는 도 2 및 도 3로부터 알 수 있는 바와같이 독립적으로 지지링(3)이 제조된다. 예를들면 이를 위해서는 지지링(3)(캠)의 최종적인 형태가 주어지며 경화되도록 그렇게 윤곽 형성이 되어진다. 캠축으로 변형시키고자 하는 예비 가공된 파이프(1)는 지지링(3)을 통하여 밀려지며 그리고 이것과 공동으로 열려진 변형공구 내에로 삽입된다. 모든 개별부품들은 이와같은 방법으로 위치가 고정되어 있다. 이 변형공구는 축방향으로는 폐쇄되어졌으며 그리고 반경방향으로, 변형을 위한 힘의 도입을 할 수가 있다. 힘의 도입은 파이프(1) 내의 일정한 내부압에 도움을 받아서, 파이프(1) 상에 그리고/또는 공구상에 일정한 축방향의 힘을 가지고 시작한다. 공구의 완전한 폐쇄 후에는 순수한 IHU-공법을 가지고서는 파이프(1)와 지지링(3)의 형에 맞느 그리고 힘에 적합한 결합이 이루어진다. 파이프(1)의 단부상에는 베어링 요소들 또는 구동장치요소들(5)이 공지된 방법으로 올려 놓여져 있다. 이것은 IHU-공법에 의하여 파이프(1)상에 고정하는 것도 역시 가능하다.

지지링(3)의 내부에는 반경방향으로 홈(4)을 내설하는 것도 역시 가능하며 이것에 의하여 상기 홈(4)이 파이프(1)의 재료로서 채워지기 때문에 캠(2)의 지지가 개선된다. 종료하는 IHU-공법의 경우에 재료로 채워지는 상(相)을 내경 상태에 있는 지지링(3)에게 형성하는 것도 역시 가능하다.

또다른 예에서 IHU-공법에 의한 캠축의 제작이 도 4에 따라서 연신공법과 결합하여 기술되었다.

잘 변형할 수 있는 재료로된 파이프(1)가 그의 단부들에서 환봉연신 또는 압축단조에 의하여 두꺼워지면서 변형되어졌다. 일측방 상에는 이것에 의하여 그의 내경(D₁)이 감소되며 그의 외경(D_A)은 캠축을 강화하고 있는 구역(6)이 발생하도록 제작된다. 가장 밖에 있는 단부에는 하나의 기능요소(7)가 생성하며 이 자리는 연마에 의하여 그의 최종칫수에 가져와 진다. 또다른 단부에서는 마찬가지로 이 기술한 단부의 연신과 함께 마찬가지로 연신과 압축단조에 의하여 마찬가지로 내경(D₁)이 감소되고 또다른 기능요소(7)(베어링 시이트, 제어캠등)이 만들어진다. 다음의 공법안편에서는 역시 칼러(8)가 함께 부착되며 이 칼러는 다른 연결기계의 부착을 위하여 필요하다.

이제 공법단계에 의하면 분리된 공법으로 제조되었으며 캠의 형상에 상응한 지지링들(3)과 그리고 톱니바퀴들은 (특징지워지지 않게) 힘에 적합하고 형상에 적합하게 IHU-공법에 의하여 부착된다. 이를 위하여 지지링들(3)과 톱니바퀴는 IHU-공구내로 삽입된다.

도 5에는 캠축의 실시형태가 보여지고 있으며 여기서 지지링(3)은 상이한 두께를 가지고 있다.

잘 변형할 수 있는 재료로 된 파이프(1)는 외경 da를 가졌다. 소결금속으로된 지지링(3)은 외부에 기능 조건에 맞추어진 형태를 가지며 그리고 내부는 원형이 아니다. 그의 내경 D₁은 파이프(1)의 외경 da보다 약간 더 크다. 지지링(3)의 두께는 일정하지 않다. 일정한 지지링 두께로부터 시작한다면 형성되어질 높이 A는 파이프(1)의 최대 변형의 높이 A'보다 더 크며 그리고 이와 함께 파이프(1)의 변형의 범위 내에서 반경 R_i는 지지링(3)의 가정된 동일한 두께 C의 경우에 R_i에 비하여 더 크다. 상기 범위에서 지지링(3)의 두께 C'는 더크며 그리고 일정한 두께 C로 되어 있다. 역시 이 형태에서 지지링(3)이 그의 제작에 있어서 근소하게 더 비싸다면 한단계로 가능한 IHU-공법에 대한 감소된 비용이 더 중요할 것이다.

본 발명의 방법은 주로 캠축에 대하여 사용되나 그러나 캠플레이트 등을 가지는 축을 생산하기 위해서 사용되어 질 수 있다.

Claims (17)

1. 축방향의 힘들과 높은 내부압력하에 매질의 작용에 의하여 변형되는 파이프로된 캠축의 제조를 위한 방법에 있어서,

   분리된 방법으로 제조되고, 캠의 윤곽에, 필요한 경도에, 강도에 그리고 내마모성에 상응하는 지지링들이 내부고압의 변형공구 내에로 변형하고자 하는 파이프와 함께 삽입되어지고 그리고 파이프의 확대에 의해 축방향의 힘들과 내부 고압하의 매질의 작용으로 인하여 상기 지지링들이 힘에 적합하고 그리고 형에 적합하게 고정되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   내부고압 이전에 제 1 공정단계에서는 캠들이 이들이 두터워지며 그리고/또는 가늘게 펼쳐지며 그리고 이 경우에 다른 기능요소들이 형성되어지는 그러한 방법으로 캠이 그의 시이트를 가지며 연신되어지고 그리고/또는 스탬핑되어지는 그러한 범위의 밖에 있는 변형 범위들, 특히 파이프의 단부들을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   내부고압-변형작업전의 제 1 공정단계에서 캠축 단부들 사이에서 베어링접촉면과 캠들이 그의 시이트를 가지는 더 늦은 범위들이 직경이 상기한 범위에서 원하여진 칫수로 감소되는 것에 의하여 환봉 연신에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   캠들 사이에는 파이프의 확대에 의한 내부고압 변형에 의하여 베어링 접촉면이 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,

   지지링들은 내부고압-변형공구에 삽입하기 전에 공지된 방법으로 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서,

   별도의 공정에 의하여 제조된 기어 또는 체인휠이 내부고압-변형공구 내에로 삽입되며 그리고 내부고압 변형작업에 의하여 힘에 적합하고 형에 적합하게 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 공법단계에 일체로된 추가적인 공업단편에서 환봉연신에 의하여 캠축의 두터워진 또는 가늘어진 단부들의 제조에 의하여 내부 치차형성 및/또는 나사선이 제작되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 의하여 제조된 캠축에 있어서,

   파이프(1)로된 캠축이 상기축이 하나의 개체에서 형태와 위치에서 윤곽이 근사한 모든 캠(2)을 가지는 그러한 방법으로 내부고압-면형공정에 의하여 제조되며, 형성된 캠(2) 상에는 단단하고, 내마모성의 재료로되고 캠윤곽에 의하여 형성된 지지링(3)이 힘에 적합하고 형에 맞게 부착되어 있으며 단부들에 공지된 방법으로 베어링요소들 그리고/또는 구동장치-및/또는 제어요소들(5)이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 캠축.
9. 제 8항에 있어서,

   지지링들(3)은 동일한 벽두께를 가지는 것을 특징으로 하는 캠축.
10. 제 8항에 있어서,

    지지링들(3)의 두께는 변동할 수 있으며 여기서 캠첨두의 범위에서 두께는 더 큰것을 특징으로 하는 캠축.
11. 제 8항에 있어서,

    지지링(3)은 소결금속, 합성수지 또는 세라믹으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캠축.
12. 제 8항에 있어서,

    파이프(1)는 알미늄, 마그네슘 또는 티탄 혹은 이것의 합금으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캠축.
13. 제 8항에 있어서,

    파이프(1)의 단부들은 파이프(1)의 최초의 직경(Di;da)의 확대 또는 축소에 의하여 베어링접촉면, 구동장치요소들 및/또는 제어요소들 그리고 내부 나사선 및/또는 외부나사선이 만들어지는 것을 특징으로 하는 캠축.
14. 제 8항에 있어서,

    구동장치요소들 및 제어요소들, 특히 체인휠 또는 기어들이 내부고압-변형공법에 의하여 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 캠축.
15. 제 14항에 있어서,

    지지링(3)의 파이프(1)에 향한 측면과 구동요소들은 한쪽의 또는 양쪽에 파이프(1)를 향하고 있는 측방위에 날의 측면들을 가지는 것을 특징으로 하는 캠축.
16. 제 14 항에 있어서,

    지지링(3)의 파이프(1)에 향한 측면과 구동요소들은 한쪽의 또는 양쪽에 파이프(1)를 향하고 있는 측방위에 날의 측면들을 가지는 것을 특징으로 하는 캠축.
17. 제 8항에 있어서,

    지지링(3)은 형성된 캠위에 부착하기 전에 경화되는 것을 특징으로 하는 캠축.