KR20080016661A

KR20080016661A - 조립된 캠 샤프트

Info

Publication number: KR20080016661A
Application number: KR1020077029789A
Authority: KR
Inventors: 오스카 뮐러
Original assignee: 티센 크루프 오토모티브 아게
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2008-02-21
Also published as: CN101268293B; DE502005010107D1; ES2349396T3; DE212006000020U1; KR101320178B1; EP1741945A1; WO2006136252A1; CN101268293A; JP2008546943A; MX2007013373A; US8402650B2; ATE478269T1; EP1741945B1; US20100224145A1

Abstract

본 발명은 조립된 캠 샤프트를 제조하기 위한 방법 및, 개별 제조 공정으로 제조되며, 샤프트를 수용하기 위한 내부 홈을 가지는 하나 이상의 기능 요소를 지니는 조립된 캠 샤프트에 관한 것이다. 상기 샤프트는 기능 요소가 고정되는 영역의 적어도 일부에서 확장되며, 상기 샤프트를 수용하기 위한 기능 요소의 홈은 샤프트 축선 방향 길이의 적어도 일부에 걸쳐 하나 이상의 측에 깔대기 형상으로 확장되며, 구멍은 적어도 확장된 샤프트 부분의 직경에 상당하는 직경을 가지며, 샤프트 축의 길이방향의 샤프트 외면에는, 널링 가공에 의한 샤프트 외주의 재료 형상에 의해 샤프트의 외주에 걸쳐 분포된 리지 (ridge) 가 제공된다. 실질적으로 둥글며, 비 깔대기 형상으로 확장된 기능 요소의 홈은, 확장부에 인접한 샤프트의 직경보다 약간 크며, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성된 리지로 이루어진 직경보다 약간 작은 직경을 가지며, 상기 기능 요소의 홈은 깔대기 형상으로 확장된 측을 이용하여 샤프트의 확장된 부분 상으로 우선 가압되며, 상기 리지의 일부는 본질적으로 상기 홈 영역의 기능 요소 재료의 몰딩에 의해 기능 요소의 홈 내로 몰딩 또는 내장되게 되며, 선택적으로 상기 기능 요소는 탄성적으로 약간 확장되어, 기능 요소가 가압 끼워맞춤되고 샤프트에 형상 끼워맞춤된다.

Description

조립된 캠 샤프트{ASSEMBLED CAMSHAFT}

본 발명은 빌트 업 (built-up) 캠 샤프트를 제조하기 위한 방법 및 내연 기관용의 상기 방법에 따라 제조된 캠 샤프트에 관한 것이다.

특히, 캠, 구동 휠, 베어링, 축선 베어링 디스크, 센서 링 등의 빌트 업 샤프트 기능 요소를 제조하기 위해서, 캠 샤프트 조절기 (adjuster) 및 샤프트가 개별적으로 제조된다. 이 후, 상기 기능 요소는 지지체 및 구동 샤프트로 역할하는 샤프트에 위치되어, 적절한 연결 공정 수단에 의해 샤프트에 고정된다.

종래 기술에는, 빌트 업 캠 샤프트를 제조하기 위한 일련의 연결 방법이 공지되어 있다. 대량 생산 방법 중의 일 군의 방법에서, 파이프형 지지 샤프트에 캠을 위치시킨 다음, 공구 또는 유압을 사용하여 지지 샤프트를 확장시켜 고정하는 방법이 효율적이라고 입증되었다 (예컨대, 독일 특허 문헌 제 689 05 065 T2 호 참조). 이러한 방법은 기술적으로 상당히 복잡하며 복잡한 연결 기계를 필요로 한다.

파이프형 지지 샤프트에 대하여 샤프트 직경 및/또는 벽 두께를 증가시키기 위해서는, 필요한 확장력 및/또는 압력이 매우 크게 증가하기 때문에, 기계 기술은 보다 더 복잡하게 된다. 또한, 요구되는 공구의 마모가 증가하게 되어 수명이 감소하고 제조 단가가 불균형적으로 증가하게 된다.

독일 특허 제 42 18 624 C2 에는, 우선 캠을 형성하여, 소결된 캠의 일부를 확산 용접에 의해 스틸 링에 연결시키는 연결법이 제안되어 있다. 상기 스틸 링은 지지 샤프트를 수용하기 위한 다각형 구멍을 갖는다. 이후, 상기 캠을 가압 맞춤에 의해 지지 샤프트에 연결시킨다. 이를 위하여, 널링 (knurling) 가공 및 스틸 링에 의해 지지 샤프트를 확장시키고, 지지 샤프트에 걸쳐 소결된 캠을 가압하여 이 캠을 샤프트에 고정시킨다.

이러한 방법의 심각한 단점은 두 개의 요소 (스틸 링 및 소결체) 및 스틸 링의 다각형 구멍으로 이루어진 캠의 제조가 복잡하는 점이다. 상당한 변형력으로 인하여 스틸 링 없이는 캠을 사용할 수 없다. 따라서, 샤프트 직경이 증가함에 따라, 변형력이 급격하게 증가한다. 또한, 널링 가공부와 캠 구멍 간의 상당히 큰 최대 겹침 영역이 필요하다. 요구되는 전달가능한 회전 모멘텀을 얻기 위해서 겹침 영역이 필요하며, 이 겹침 영역에서 셰이빙 (shaving) 이 형성되는 것을 차단하는 것이 거의 불가능하다. 또한, 샤프트 직경이 커질수록 널링 가공 작업의 정밀도가 요구되며, 만약 그렇지 않으면 셰이빙 생성의 위험이 더 커진다.

또한, 대량 생산되는 캠 샤프트에 대한 독일 특허 제 41 21 951 C1 호에 따른 방법이 있다. 이러한 방법에 따르면, 지지 샤프트의 영역이 나사형 롤링 가공에 의해 본래의 샤프트 직경을 초과하여 확장된 이 후에, 캠이 가압되며, 상기 캠의 내부 구멍은 확장된 샤프트 영역의 외경보다 작은 직경을 가진다. 단조 가공된 캠은 깔대기 형상의 콘 (cone) 을 가진다. 조립 동안에 이러한 콘 영역 내에서 롤링 가공된 비드 (bead) 가 변형되어, 캠이 다소 확장되며, 이 캠과 지지 샤프트 상의 가압 끼워 맞춤이 일어난다.

이러한 방법의 특정 이점은 각각의 개별 캠을 연결하는 과정이 가압력을 측정함으로써 감시될 수 있다는 점이다. 이렇게 하는 동안, 가압 경로에 걸쳐 힘 곡선이 성장한다는 것은, 제 1 롤링 가공된 비드가 캠의 내부 구멍과 접촉할 때에 매우 강한 초기 융기 (rise) 를 형성하며 상기 캠이 상기 확장된 영역에 걸쳐 완전히 연결될 때까지 다른 파형 융기 (rise) 를 형성한다. 상기 융기의 각각의 파형은 캠과 지지 샤프트 사이의 연결 영역 내로 다른 롤링 가공된 비드가 진입한다는 것을 나타낸다. 캠과 지지 샤프트 간의 전달가능한 회전 모멘텀과 최대 가압력 사이의 상관관계는 테스트로 입증되었다.

그러나, 이러한 기술의 단점은 큰 샤프트 직경인 경우에, 예컨대, 유틸리티 차량의 차량 엔진이 요구됨으로써, 힘이 불규칙하게 증가하며, 또한 힘 성장 곡선의 파형 골과 파형 첨부 사이의 차이가 크게 증가한다. 원칙적으로, 보다 큰 샤프트 직경을 지닌 캠 샤프트의 경우에, 전달가능한 보다 큰 회전 모멘텀이 캠과 지지 샤프트 간에 요구되더라도, 종래 기술로부터 공지된 방법은 종종 치수가 매우 커지게 된다. 이로서, 각각의 파형의 힘 성장에 있어서 최대 가압력과 최소 가압력 간의 큰 요동으로 인하여 연결 품질이 일정치 않게 되며 과도한 큰 가압력이 적용되는 조립 기계가 사용되게 된다.

또한, 샤프트 직경이 증가됨에 따라, 롤링 가공 동안 또는 셰이빙이 발생할 수 있는 위험 동안에 정밀도에 대한 요구는 증가된다.

또한, 종래 기술에 따른 방법에 있어서, 샤프트 직경이 커질수록 캠 샤프트의 길이 또한 종종 증가하게 되어, 클램핑 지점 사이의 거리가 커짐에 따라 가압력이 증가하게 되므로 조립 기계의 요구조건이 증가되게 된다.

본 발명의 목적은, 빌트 업 캠 샤프트를 제조하기 위하여, 예컨대, 베어링, 캠, 구동 휠, 축선 방향 베어링 디스크, 제어 디스크, 센서 링 또는 캠 샤프트 어저스터 등의 기능 요소와 지지 샤프트와의 저렴한 대량 생산 연결을 제공하는 것이다. 이렇게 하면, 상기 기능 요소는 스틸 및 소결체 또는 다른 재료로 제조될 수 있으며, 상기 기능 요소와 지지 샤프트의 연결은 지지 샤프트의 길이 방향 및 외주 방향으로 강해질 수 있다 (모멘트 전달).

또한, 본 발명의 목적은 공정 모니터링을 향상시키는 것과 제조 동안 발생되는 힘을 가능한 한 낮게 유지시키는 것이다. 또한, 가장 단순화된 방법으로 넌 포지티브 (non-positive) 및 포지티브 (positive) 연결부가 제조되어야 한다. 특히, 전달가능한 회전 모멘텀은 가능한 한 커야 한다.

또한, 감소된 조립력 및 큰 가공 안정성으로 많은 수량이 쉽고 경제적으로 제조될 수 있는, 특히 큰 지지 샤프트 직경에 대한 예컨대 유틸리티 차량용 캠 샤프트가 제공되어야 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 청구항 제 1 항의 특징을 가지는 방법 및 청구항 제 10 항의 특징을 가지는 캠 샤프트가 본 발명에 의해 제안된다. 종속항 제 2 항 내지 제 9 항은 본 방법의 바람직한 실시형태에 관한 것이다. 종속항 제 11 항 내지 제 17 항은 본 발명에 따른 캠 샤프트의 바람직한 실시형태에 관한 것이다.

본 방법에 있어서, 개별 제조 공정으로 제조되며 샤프트를 수용하는 내부 구멍을 가지는 하나 이상의 기능 요소 및 샤프트를 가지는 내연 기관의 밸브 제어용 빌트 업 캠 샤프트를 제조하기 위한 방법으로 상기 목적이 달성되며, 기능 요소가 부착되는 적어도 소정 영역에서, 널링 가공에 의한 샤프트의 외경 변형에 의해 샤프트는 적어도 일부가 확장되며, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성되며 샤프트 축선의 길이방향으로 뻗어있는 융기 영역은 파이프의 외면에 형성되며, 상기 융기 영역 상의 가압에 의해, 구멍을 지닌 상기 기능 요소가 샤프트 상에 나사결합되어 상기 샤프트와 연결되는 방법에 있어서, 상기 기능 요소의 구멍은 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 실질적으로 셰이빙 없이 상기 융기 영역으로 기능 요소가 가압되게 해주는 삽입 수단이 상기 융기 영역 및/또는 기능 요소의 구멍에 제공되며, 기능 요소의 구멍 영역에서 기능 요소의 변형에 의해 실질적으로 상기 융기 영역은 상기 구멍내로 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 상기 기능 요소가 샤프트에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 삽입 수단은, 기능 요소의 구멍에 형성된 런 인 (run-in) 챔퍼로서 형성될 수 있거나 및/또는 융기 영역에 형성된 널링 가공된 런 인에 의해 깔대기 형태로 확장되어 형성될 수 있다.

본 발명의 제 1 실시형태에서, 상기 목적은, 실제적으로, 개별 제조 공정으로 제조되며 샤프트를 수용하는 내부 구멍을 가지는 하나 이상의 기능 요소 및 샤프트를 가지는 내연 기관의 밸브 제어용 빌트 업 캠 샤프트를 제조하기 위한 방법으로 달성되며, 상기 기능 요소가 부착되는 적어도 소정 영역에서, 널링 가공에 의한 샤프트의 외주 변형에 의해 샤프트는 적어도 일부가 확장되며, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성되며 샤프트 축선의 길이 방향으로 뻗어있는 융기 영역은 샤프트의 외면에 형성되며, 구멍을 지닌 기능 요소는 샤프트와 나사결합되어 융기된 영역으로 가압 됨에 의해 샤프트와 연결되는 상기 방법에 있어서, 상기 기능 요소의 구멍은 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며 상기 샤프트의 축선 길이의 적어도 일부 및 축선 길이부의 적어도 일측에 깔대기 형태로 확장되어 있으며, 상기 구멍은, 확장된 샤프트 영역의 적어도 직경에 상당하는 직경으로 이루어진 입구를 가지고, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성된 융기된 영역에 의해 이루어진 직경 보다 작고 또한 확장된 영역의 부근인 샤프트의 직경 보다 크게 형성된 깔대기형 비확장 영역의 직경을 가지며, 깔대기형으로 확장된 측부를 지닌 기능 요소는 제일 먼저 샤프트 (2) 의 확장된 영역에 걸쳐 가압되며, 실질적으로, 기능 요소의 구멍 영역에서 상기 기능 요소의 재료 변형에 의해, 상기 융기된 영역은 부분적으로 상기 구멍 내를 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트에 상기 기능 요소를 연결시키는 것을 특징으로 한다.

다른 실시형태에 있어서, 빌트 업 캠 샤프트를 제조하기 위한 방법은, 기능 요소의 구멍이 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 융기된 영역이 적어도 일측에서 널링 가공된 런 인을 포함하도록 변경되며, 상기 융기된 영역에 의해 형성된 널링 가공된 런 인의 직경은 널링 가공된 런 인의 가장자리부로부터 깔대기 형태로 확장되며, 널링 가공된 런 인의 최소 직경은 기능 요소 구멍의 최소 직경 보다 작으며, 깔대기형으로 확장되지 않은 일부의 직경은 기능 요소의 구멍의 최소 직경 보다 크며, 상기 기능 요소는, 깔대기형으로 확장된 지지 샤프트의 직경에 걸쳐 가압되며, 실질적으로, 기능 요소의 구멍 영역에서 상기 기능 요소의 재료 변형에 의해, 상기 융기된 영역은 부분적으로 상기 구멍 내를 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트에 상기 기능 요소를 연결시킨다.

캠 샤프트에 있어서, 개별 제조 공정으로 제조되며 샤프트를 수용하는 내부 구멍을 가지는 하나 이상의 기능 요소 및 샤프트를 가지는 내연 기관의 밸브 제어용 캠 샤프트에 의해 상기 목적이 달성되며, 여기서, 적어도 기능 요소가 부착되는 영역에서, 널링 가공에 의한 샤프트의 외경의 재료 변형에 의해 샤프트는 적어도 일부가 확장되며, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성되며 샤프트 축선의 길이방향으로 뻗어있는 융기 영역이 샤프트의 외면에 형성되며, 상기 기능 요소의 구멍은 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 상기 기능 요소의 구멍 및/또는 융기된 영역에는, 실질적으로 셰이빙 없이 융기된 영역 상으로 상기 기능 요소를 가압시키는 삽입 수단이 제공되며, 실질적으로, 기능 요소의 구멍 영역에서 이 기능 요소의 재료 변형에 의해, 상기 융기된 영역은 부분적으로 상기 구멍 내를 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트에 상기 기능 요소를 연결시키는 것을 특징으로 한다.

상기 삽입 수단은 기능 요소의 구멍에 형성된 런 인 챔퍼로 형성될 수 있으며 및/또는 융기된 영역에 형성되어 깔대기 형태로 확장된 널링 가공된 런 인에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 캠 샤프트의 제 1 실시형태에서, 상기 목적은, 개별 제조 공정으로 제조되며 샤프트를 수용하는 내부 구멍을 가지는 하나 이상의 기능 요소 및 샤프트를 가지는 내연 기관의 밸브 제어용 캠 샤프트에 의해 달성되며, 여기서 적어도 상기 기능 요소가 부착되는 영역에서, 널링 가공에 의한 샤프트의 외주 변형에 의해 샤프트는 적어도 일부가 확장되며, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성되며 샤프트 축선의 길이 방향으로 뻗어있는 융기 영역은 샤프트의 외면에 형성되고, 상기 기능 요소의 구멍은 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며 상기 샤프트의 축선 길이의 적어도 일부 및 축선 길이부의 적어도 일측에 깔대기 형태로 확장되어 있으며, 상기 구멍은, 확장된 샤프트 영역의 적어도 직경에 상당하는 직경으로 이루어진 입구 를 가지고, 샤프트의 외주에 걸쳐 형성된 융기된 영역에 의해 이루어진 직경 보다 작고 또한 확장된 영역의 부근인 샤프트의 직경 보다 크게 형성된 깔대기형 비확장 영역의 직경을 가지며, 실질적으로, 기능 요소의 구멍 영역에서 이 기능 요소의 재료 변형에 의해, 상기 융기된 영역은 부분적으로 상기 구멍 내를 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트에 상기 기능 요소를 연결시키는 것을 특징으로 한다.

다른 실시형태에 있어서, 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트가 제안되며, 여기서 기능 요소의 구멍이 샤프트를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 융기된 영역이 적어도 일측에서 널링 가공된 런 인을 가지며, 상기 융기된 영역에 의해 형성된 널링 가공된 런 인의 직경은 널링 가공된 런 인의 가장자리부로부터 깔대기 형태로 확장되며, 널링 가공된 런 인의 최소 직경은 기능 요소 구멍의 최소 직경 보다 작으며, 깔대기형으로 확장되지 않은 일부의 직경은 기능 요소의 구멍의 최소 직경 보다 크며, 실질적으로, 기능 요소의 구멍 영역에서 상기 기능 요소의 재료 변형에 의해, 상기 융기된 영역은 부분적으로 상기 구멍 내를 파고들어가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트에 상기 기능 요소를 연결시킨다.

널링 가공에 의해 확장된 지지 샤프트 영역의 융기된 영역이 가압됨으로써, 이 융기된 영역이 상기 구멍 영역의 기능 요소 재료 내로 합쳐지고 및/또는 파고들며, 기능 요소의 배치된 재료의 일부가 상기 융기된 영역 주위로 이동함으로써, 둘레 방향으로 효과적이며 이 둘레 방향으로의 연결을 확실하게 해주는 포지티브 연결이 형성된다. 이러한 방식으로, 예컨대 캠 샤프트의 캠의 경우에 요구되는, 둘레 방향으로 작용하는 큰 모멘트가 전달될 수 있다.

다른 한편, 상기 융기된 영역이 병합 또는 파고들어가게 되기 때문에 기계적 응력을 받는 기능 요소의 재료는 재료의 탄성으로 인하여 지지 샤프트 (즉, 상기 융기된 영역) 에 가압력을 가한다. 이러한 방식으로, 넌포지티브 연결이 이루어짐으로 인한 높은 표면 압력이, 기능 요소 구멍의 상호 접촉면과 상기 융기된 영역의 외면 사이에서 발생한다. 이러한 넌포지티브 연결은 지지 샤프트의 길이 축선 방향으로의 연결을 확실하게 해준다. 이러한 넌포지티브 및 포지티브 연결에 의해서, 상기 연결은 특히 둘레 방향의 교번 동적 응력에 대하여 잘 견딜 수 있다.

하기의 도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다. 바람직한 실시형태와 함께 개략적인 도면은 본 발명을 나타낸다.

도 1 은 본 발명에 따른 기능 요소인 캠 (1a) 의 실시형태를 3 차원으로 나타낸 도면.

도 2 는 본 발명에 따른 기능 요소인 편심 디스크 (1b) 의 실시형태를 나타낸 도면.

도 3 은 본 발명에 따른 상이한 런 인 챔퍼 (4) 를 지닌 캠을 나타낸 길이방향의 단면도.

도 4 는 본 발명에 따른 상이한 런 인 챔퍼 (4) 를 지닌 캠을 나타낸 길이방향의 단면도.

도 5 는 빌트 업 캠 샤프트의 연결 공정을 나타내는 도면.

도 6 은 확장된 영역의 지지 샤프트 (2) 를 나타내는 단면도.

도 7 은 도 6 의 단면 (X) 에 따른 지지 샤프트 (2) 의 확장된 영역의 다른 실시형태에서의 확장된 영역을 나타내는 단면도.

도 8 은 도 7 과 동일한 도면이나 다른 실시형태를 나타내는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 기능 요소

1a: 캠

1b: 편심 디스크

2: 지지 샤프트

3: 확장된 영역

4: 런 인 챔퍼

5: 외면

6: 내면

7: 융기된 영역

8: 함몰부

9: 지지 샤프트 축선

10: 융기된 영역 길이부

11: 널링 가공된 런 인

12: 융기된 영역의 첨부

13: 반경

A: 캠 구멍

L: 연결 길이부

X: 부분

d1: 캠 구멍의 직경

d2: 개구의 직경

r: 런 인 반경

D1: 샤프트의 외경

D2: 확장된 영역의 직경

α₁: 런 인 챔퍼 각

α₂: 런 인 챔퍼 각

도시된 바람직한 실시형태에서는 파이프 형태로 지지 샤프트 (2) 를 형성한다.

도 1 의 캠 (1a), 도 2 의 편심 디스크 (1b), 또는 베어링, 센서링, 구동휠 또는 다른 요소의 기능적 요소는 개방 직경 (d1) 을 지닌 지지 샤프트 (2) 를 수용하기 위한 내부 구멍 (A) 을 가진다 (도 4 참조). 직경 (d1) 은 연결 길이 (L) 에 걸쳐 일정하다 (도 3, 4 참조). 상기 내부 구멍은, 이 내부 구멍의 입구에 개구 직경 (d2) 를 가지며 구멍 (A) 의 개구 직경 (d1) 내부로 뻗어있는 내부 형성 챔퍼 (4) 를 가진다.

기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 은 실질적으로 원형의 단면을 가지며, 내부 구멍 (A) 의 표면 (6) 은 매끄러운 것이 바람직하다. 내부 구멍 (A) 의 표면 (6) 에는 외주 방향으로 모서리 및 다른 불연속 점이 없다. 가장 단순하고 바람직한 경우에, 구멍 (A) 은 황삭, 소결, 드릴링 또는 임의의 마무리 작업을 하지 않은 단조에 의해 제조될 수 있는 원형 단면을 가질 수 있다. "둥근", "원형의" 및 "매끄러운" 은 엄밀히 그 의미 자체로만 이해되어서는 않되며, 제조 공차 및 기술적으로 불가결한 불일치로 인하여 구멍의 형상은 진원으로부터 벗어날 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 본 방법은 넌포지티브 및 포지티브 연결을 위해서 구 멍 (A) 의 전체 외주부를 사용한다.

런 인 챔퍼 (run-in chamfer; 4) 에는 두 개의 상이한 런 인 형상이 교대로 선택될 수 있다. 도 3 에는, 지지 샤프트 축선 (9) 방향으로 차례대로 배치되며, 캠의 단면을 향하여 바람직하게는 3 배 ~ 7 배 증가하는 외향 원추각 (α1, α2) 을 가지는 두 개의 원추부가 나타나 있다. 이에 비하여, 도 4 에는 런 인 챔퍼로서 런 인 반경 (r) 이 나타나 있다.

기능 요소 (1) 가 연결되는 영역 (3) 에서 외경 (D1) 을 지닌 지지 샤프트 (2) 는 널링 가공 (knurling) 수단에 의해 직경 (D2) 으로 확장된다. 이렇게 함으로써, 널링 가공 작업은 융기 영역 (7) 및 함몰부 (8) 를 형성하며 (도 6 및 도 7 참조), 이 부분에서 내경 (Di) 은 감소되어 있지 않거나 약간만이 감소되어 있다. 융기 영역 (7) 은 두 개의 널링 가공된 런 인 (11) 과 이 널링 가공된 런 인 (11) 사이의 융기된 영역 길이부 (10) 로 나뉜다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 우선, 런 인 챔퍼 (4) 를 지닌 기능 요소 (1) 를 지지 샤프트 (2) 의 확장된 영역 (3) 에 걸쳐 화살표에 의해 지시된 방향으로 가압하며, 이렇게 함으로써, 상기 기능 요소는 지지 샤프트와 넌포지티브 및 포지티브 연결이 이루어진다.

본 발명은, 기능 요소 (1) 와 지지 샤프트 (2) 사이에서 넌포지티브 및 포지티브 연결이 이루어질 때에 최대 회전 모멘트가 전달될 수 있다는 사실을 근거로 한 것이다. 샤프트 (2) 의 확장된 영역으로 기능 요소 (1) 를 가압할 때에, 재료가 파쇄되어 연결 간격 밖으로 나가게 되면 포지티브 연결되지 못하게 되거나 및/또는 응력이 형성되지 않게 되며 따라서, 넌포지티브 연결되지 못하게 되는 이유로 인하여, 셰이빙 (shaving) 이 발생하면 전달가능한 회전 모멘트가 줄어든다는 실험이 입증되었기 때문에, 셰이빙의 발생은 가능한 한 반드시 회피해야 한다. 지지 샤프트의 융기된 영역이 기능 요소 (1) 의 구멍 내로 파고들어가 변형되는 동안에는 연결 영역의 각각의 볼륨 영역이 가압 작업 동안에만 최대로 변형된다는 것에 주의를 기울여야 한다. 그렇지 않으면, 이는 공극 및 응력 손실을 일으킬 수 있어, 포지티브 및/또는 넌포지티브 연결을 감소시키게 된다.

이러한 이유로 인하여, 지지 샤프트 (2) 의 확장된 영역에서의 융기된 영역 (7) 이 지지 샤프트 (2) 의 길이 방향으로 가능한 한 정확하게 곧게 뻗어있어, 지지 샤프트의 축선 (9) 과 평행하게 되는 것이 상당히 중요하다. 바람직한 실시형태에서, 융기된 영역 (7) 은, 널링 가공된 런 인 (11) 영역과는 별도로, 전체 길이 (10) 에 걸쳐 가능한 한 가장 일정한 높이 및 단면 형상을 가진다. 특히, 이는, 융기된 부분이 가능한 가장 긴 길이에 걸쳐 일정한 단면으로 형성된다는 것을 의미한다. 높이 및 단면의 관점에서 볼 때, 널링 가공된 런 인 (11) 영역에서의 융기된 영역 (7) 은 확장부 (3) 의 잔여 영역 (10) 에서의 융기된 영역 보다 작다.

또한, 가능한 한 경질로 융기된 영역 (7) 을 제조하는 것이 특히 유리하며,이러한 제조는 예컨대, 널링 가공 동안에 지지 샤프트의 냉간 가공 경화가 바로 잇따르는 것이 효과적일 수 있다. 하나의 동일한 지지 샤프트부 (3) 상에 널링 공구를 반복하여 순환시킴으로써, 이러한 냉간 가공 경화가 더 촉진될 수 있다. 그러나, 지지 샤프트 (2) 재료의 변형 특성을 벗어나지 않게 하여 셰이빙이 발생되지 않도록 주의를 기울어야 한다. 또한, 융기된 영역이 일 지점에서 형성되서는 않되며, 이 이유는 상기 융기된 영역이 셰이빙을 조장할 수 있기 때문이다. 다시 말하면, 융기된 영역 정점 (12) 의 반경 (13) 이 너무 작아서는 않 된다. 특히, 융기된 영역 (7) 및 함몰부 (8) 를 통한 단면 컨투어는, 도 7 에 개략적으로 도시된 바와 같이 반경 (13) 을 가지며 서로 뻗어있는 두 개의 반원에 의해 가능한 한 근접하게 형성되는 것이 특히 유리하다.

다른 실시형태 (도 8 참조) 에서는, 런 인 챔퍼 (4) 가 기능 요소의 구멍에 형성되지 않거나, 또는 버 (bur) 가 제거된 영역 또는 단순 가장자리 절단부로 변형되어 있다. 이러한 실시형태에서, 특별히 형성된 널링 가공된 런 인 (11) 은 이러한 기능을 이용한다. 이러한 실시형태에서는 융기된 영역 (7) 에 의해 형성된 직경이 널링부의 가장자리부 (이 가장자리부에 걸쳐 조립 동안에 기능 요소가 가압됨) 로부터 깔대기 형태로 확대되는 방식으로 널링 가공된 런 인 (11) 이 형성된다. 그래서, 널링 가공부의 가장자리부에서의 직경 (D3) 은 기능 요소 구멍 (A) 의 직경 (d1) 보다 작으며, 널링 가공된 런 인 (11) 의 최대 직경은 기능 요소 구멍 (A) 의 직경 (d1) 보다 크다. 지지 샤프트 (2) 의 확장된 영역 (3) 에서 축 직경이 점진적으로 형성되는 것은 기능 요소 구멍 (A) 의 상기 설명된 깔대기 형 확장과 유사한 것이 바람직하다. 이러한 형상의 이점은 기능 요소에 런 인 챔퍼가 제공되지 않아도 된다는 것이다. 그러나, 이러한 경우에 정밀도는 실제 용도에 따르기 때문에 널링 가공은 더욱 복잡하게 된다.

대체로, 널링부의 일 가장자리부에만 널링 가공된 런 인 (11) 을 제공하면 족하며, 기능 요소 (1) 는 널링 가공된 런 인 (11) 을 향한 방향으로 샤프트 (2) 로 가압되어야 한다.

또한, 기능 요소 (1) 는 소성적으로 확장되는 것이 아니라, 지지 샤프트의 확장 영역 상으로 약간 탄성적으로만 가압되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 상기 기능 요소는 인장 응력을 덜 받게 되고, 이로써, 파단 (fracture) 의 위험이 감소되며 기능 요소 (1) 의 외면 (5) 형상의 변동이 감소된다. 충분한 넌포지티브 연결을 이루기 위해서, 지지 샤프트 (2) 로 가압되는 기능 요소 (1) 의 탄성 확장이 불가피하거나 필요한 경우에, 상기 기능 요소 (1) 의 외면의 이러한 확장은 0.2mm 의 직경을 초과해서는 않된다. 0.05mm 미만으로 직경을 확장하는 것은 외주 상에 이상적인 측정가능한 확장이 없는 경우에 바람직하다.

각각의 이러한 개별적인 방법으로서, 연결에 필요한 오버랩이 감소되며, 기능 요소 (1) 에서의 구멍 (A) 의 직경 (d1) 과 지지 샤프트 (2) 상의 융기된 영역 (7) 에 의해 형성된 직경 (D2) 간의 차이로서 전달가능한 회전 모멘트가 동일하게 유지된다. 캠 샤프트가 오직 0.05mm ~ 0.2mm 오버랩되는 것으로 충분한 연결이 이루어지며, 이러한 오버랩은 약 0.1mm ~ 0.3mm 의 융기된 영역 (7) 의 높이에 해당한다.

특별한 용도, 예컨대 매우 큰 직경 (D1) 의 경우에, 지지 샤프트 (2) 상에서, 연결 길이 (L) 내에 두 개 이상의 상호 이격된 확장 영역을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 가압력은 더 한정될 수 있으나, 이러한 수단 으로서 전달가능한 회전 모멘트는 변경되게 된다.

본 발명의 조립 방법은 일련의 이점을 제공한다. 원형 단면을 지닌 내부 구멍을 기능 요소에서 사용하기 때문에, 이러한 요소는 제조가 매우 간단해 진다. 그래서, 예컨대, 캠은 소결뿐만 아니라 임의의 마무리 가공 없이 냉간 또는 열간 단조에 의해 제조될 수 있다. 상기 런 인 챔퍼는 제조 공정에서 직접 일체로 형성될 수 있다. 이는, 복잡한 리밍 (reaming) 마무리 작업 및 부분적으로 선삭 마무리 작업을 불필요하게 한다. 작은 치형 혹은 타원형 영역 또는 다각 내부 컨투어가 홈 내에 형성될 필요가 없게 된다.

균일한 재료를 기능 요소에 가압할 때에, 기능 요소 재료의 변형이 구멍 영역에서 일어나게 되어 응력 피크 (peak) 가 회피된다. 내부 구멍의 표면 재료는 지지 샤프트 상의 융기된 영역에 의해 변위되며, 이렇게 됨으로써 상기 표면 재료는 융기된 영역 주위로 이동한다. 구멍 (A) 과 지지 샤프트 (2) 사이의 직경 차이에 따라, 상기 재료는 지지 샤프트 (2) 상의 함몰부 (8) 내로 부분적으로 이동한다. 이러한 방식으로, 매우 양호한 포지티브 연결이 이루어진다. 가압에 의해 기능 요소가 전혀 확장되지 않더라도 기능 요소 재료의 탄성으로 인하여, 국소 소형 변형의 잔여 탄성이 넌포지티브 연결에 기여하게 된다. 융기된 영역 주위에 탄성적으로 형성된 기능 요소의 재료에 의해 융기된 영역의 측 플랭크에서 융기된 영역 (7) 이 실질적으로 클램핑된다. 일반적으로, 상기 기능 요소는 소성이 아닌 약간의 탄성 방식으로 추가적으로 확장되나, 이러한 방식으로 재료의 탄성에 의해 넌포지티브 연결이 추가적으로 이루어진다.

이러한 방법에 따라 제작된 캠 샤프트는 엔진 작동 동안에 교번 (alternating) 모멘트에 의해 발생된 교번 하중을 특히 잘 견딘다. 탄성 예비 응력으로의 큰 표면 포지티브 연결은, 허용가능한 정하중과 허용가능한 동적 교번 하중 간의 차이를 감소시킨다.

지지 샤프트의 외주 방향으로 말려진 (rolled) 융기 영역, 혹은 기능요소의 구멍에 대한 다각형 단면으로는 이러한 양호한 포지티브 및 넌포지티브 연결이 이루어질 수 없다.

이와 동시에, 매우 양호하며 단순한 특성 제어 (즉, 가압력의 증가를 측정하고 감시하여 연결 과정을 제어함) 가 이루어질 수 있도록, 확장된 샤프트 영역으로 기능 요소를 가압하는 단계 동안의 힘의 증가는 거의 일정하거나 또는 적어도 균일하게 증가된다.

Claims

샤프트 (2) 및 하나 이상의 기능 요소 (1) 를 가지는 내연기관의 제어 밸브 제어용 빌트 업 (built-up) 캠 샤프트를 제조하는 방법으로서, 상기 하나 이상의 기능 요소는 개별 제조 공정으로 제조되며 샤프트 (2) 를 수용하기 위한 내부 구멍 (A) 을 가지며, 적어도 상기 기능 요소 (1) 가 부착되는 영역 (3) 에서 샤프트 (2) 는 널링 가공에 의한 샤프트 (2) 의 외주의 재료 변형에 의해 적어도 일부에서 확장되며, 샤프트 (2) 의 외주에 걸쳐 형성되고 샤프트 축선 (9) 의 길이 방향으로 뻗어있는 융기된 영역 (7) 은 샤프트의 외면에 형성되며, 구멍 (A) 을 지닌 기능 요소 (1) 는 샤프트 (2) 로 나사결합되고, 융기된 영역 (7) 상에서 가압됨으로써 샤프트 (2) 에 연결되는, 빌트 업 캠 샤프트를 제조하는 방법에 있어서,

기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 은 샤프트 (2) 를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 실질적으로 셰이빙 없이 기능 요소 (1) 를 융기된 영역 (7) 상에서 가압하는 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 및/또는 융기된 영역 (7) 에 삽입 수단 (4, 11) 을 제공하며, 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 영역에서 실질적으로 기능 요소 (1) 재료의 변형에 의해 융기된 영역 (7) 이 상기 구멍 내로 파고들어가게 됨으로써, 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트 (2) 에 기능 요소 (1) 가 연결되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 샤프트를 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 삽입 수단은 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 에 형성된 런 인 챔퍼 (4) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 샤프트를 제조하는 방법.
제 2 항에 있어서,

런 인 챔퍼 (4) 를 형성하기 위해서, 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 은 적어도 일 측에서 구멍의 축선 길이의 적어도 일부에 걸쳐 깔대기 형태로 확장되며, 구멍 (A) 은 적어도 확장된 샤프트 영역 (3) 의 직경 (D2) 에 상당하는 직경 (d2) 으로 이루어진 입구를 가지며, 또한 샤프트 (2) 의 외주에 걸쳐 형성된 융기된 영역 (7) 에 의해 이루어진 직경 (D2) 보다 작고 또한 확장된 영역 (3) 에 인접한 샤프트 (2) 의 직경 (D1) 보다 크게 형성된 깔대기형 비확장 영역의 직경 (d1) 을 가지며, 깔대기형으로 확장된 측부를 지닌 기능 요소 (1) 는 제일 먼저 샤프트 (2) 의 확장된 영역 (3) 에 걸쳐 가압되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 삽입 수단은 융기된 영역 (7) 에 형성된 널링 가공된 런 인 (11) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 4 항에 있어서,

융기된 영역 (7) 은 적어도 일 측에 널링 가공된 런 인 (11) 을 포함하며, 융기된 영역 (7) 에 의해 형성된 널링 가공된 런 인 (11) 의 직경은 널링 가공된 런 인 (11) 의 가장자리부로부터 깔대기형으로 확장되며, 널링 가공된 런 인 (11) 의 최소 직경은 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 의 최소 직경 (d1) 보다 작으며, 깔대기형으로 확장되지 않은 일부의 직경은 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 의 최소 직경 (d1) 보다 크며, 기능 요소 (1) 는, 깔대기형으로 확장된 지지 샤프트 (2) 의 직경에 걸쳐 가압되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

융기된 영역 (7) 은 이 융기된 영역의 길이 대부분에 걸쳐 일정한 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

기능 요소 (1) 는, 연결 공정에 의해, 미연결 기능 요소의 외부 윤곽의 최초 직경에 대하여 0.2mm 이하만큼 확장되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

기능 요소 (1) 는, 연결 공정에 의해 확장되지 않거나 또는, 미연결 기능 요소의 외부 윤곽의 최초 직경에 대하여 0.05mm 이하만큼 적어도 확장되는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

가압 공정 동안에, 거의 일정하고 적어도 균일하게 증가하는 가압력의 상승이 발생하는 것을 특징으로 하는 빌트 업 캠 사프트를 제조하는 방법.
개별 제조 공정으로 제작되며 샤프트 (2) 를 수용하는 내부 구멍 (A) 을 가지는 하나 이상의 기능 요소 (1) 및 샤프트 (2) 를 가지는 내연기관의 밸브 제어용 캠 샤프트로서, 적어도 기능 요소 (1) 가 부착되는 영역에는, 널링 가공에 의한 샤프트 (2) 의 외주 재료 변형으로 샤프트 (2) 가 적어도 일부에서 확장되며, 샤프트 (2) 의 외주에 걸쳐 형성되고 샤프트 축선 (9) 의 길이방향으로 뻗어있는 융기된 영역 (7) 이 샤프트의 외면에 형성되는 캠 샤프트에 있어서,

기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 은 샤프트 (2) 를 수용하도록 실질적으로 둥글며, 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 및/또는 융기된 영역 (7) 에는, 실질적인 셰이빙 없이 융기된 영역 (7) 으로 기능 요소 (1) 를 가압시키는 삽입 수단 (4, 11) 이 제공되며, 실질적으로 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 영역에서 기능 요소 (1) 의 재료를 변형시킴으로써, 융기된 영역 (7) 이 이러한 구멍 내로 부분적으로 파고들어가게 되어, 기능 요소 (1) 가 넌포지티브 및 포지티브 방식으로 샤프트 (2) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 10 항에 있어서,

삽입 수단은, 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 에 형성된 런 인 챔퍼 (4) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 11 항에 있어서,

런 인 챔퍼 (4) 를 형성하기 위해서, 기능 요소 (1) 의 구멍 (A) 은 이 구멍의 축선 방향 길이의 적어도 일부에 걸쳐 적어도 일 측에서 깔대기형으로 확장되며, 구멍 (A) 은 확장된 샤프트 영역 (3) 의 적어도 직경 (D2) 에 해당하는 직경 (d2) 으로 이루어진 입구를 가지며, 또한, 샤프트 (2) 의 외주에 걸쳐 형성된 융기된 영역 (7) 에 의해 이루어진 직경 (D2) 보다 작고 또한 확장된 영역 (3) 의 부근인 샤프트 (2) 의 직경 (D1) 보다 크게 형성된, 깔대기형 비확장 영역의 직경 (d1) 을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 10 항에 있어서,

삽입 수단은, 융기된 영역 (7) 에 형성된 널링 가공된 런 인 (11) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 13 항에 있어서,

융기된 영역 (7) 은 적어도 일 측에서 널링 가공된 런 인 (11) 을 가지며, 융기된 영역 (7) 에 의해 형성된 널링 가공된 런 인 (11) 의 직경은 널링 가공된 런 인 (11) 의 가장자리부로부터 깔대기형으로 확장되며, 널링 가공된 런 인 (11) 의 최소 직경은 기능 요소 (1) 구멍 (A) 의 최소 직경 (d1) 보다 작으며, 깔대기형으로 확장되지 않은 일부의 직경은 기능 요소 (1) 구멍 (A) 의 최소 직경 (d1) 보다 큰 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

융기된 영역 (7) 은, 이 융기된 영역의 길이의 대부분에 걸쳐 일정한 단면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

하나 이상의 기능 요소 (1) 는, 단조 또는 소결에 의해 제조되는 캠인 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.
제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

기능 요소 (1) 는 연결 공정에 의해 탄성적으로 확장되지 않거나 또는, 미연결 기능 요소의 외부 컨투어의 최초 직경에 대하여 0.05mm 이하만큼 적어도 탄성적으로 확장되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브를 제어하기 위한 캠 샤프트.