WO2003093654A1 - Einstückig ausgebildeter nocken und verfahren zum herstellen des nockens sowie zusammenbau einer steuerwelle oder nockenwelle - Google Patents

Einstückig ausgebildeter nocken und verfahren zum herstellen des nockens sowie zusammenbau einer steuerwelle oder nockenwelle Download PDF

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WO2003093654A1
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bushing
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Peter Wiesner
Peter Meusburger
Oskar MÜLLER
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Thyssenkrupp Automotive Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Definitions

  • the invention relates to a one-piece cam for a built camshaft or control shaft.
  • camshafts in which one-piece cams are fastened to a support shaft, preferably to a support tube, using a wide variety of fastening methods, are becoming increasingly popular when used in motor vehicle engines due to their simpler production method and their lower weight.
  • the one-piece cams are predominantly disc-shaped.
  • DE 37 38 809 C2 it is also known from DE 37 38 809 C2 to introduce indentations in the cam sides.
  • the production of such recoveries is disadvantageously difficult and expensive. If they are produced mechanically, there is a lot of work and tool wear.
  • high tool wear also results in non-cutting production, such as forging, extrusion or sintering. For this reason, this type of weight reduction in cams for built camshafts has not yet become established.
  • camshafts also applies in the same way to control shafts, for example for the adjusting shafts of the mechanical variable valve gear.
  • the cams can also have curved tracks as a peripheral contour.
  • the invention has for its object to achieve an increased weight reduction in cams for built camshafts or control shafts.
  • Claim 15 describes a method for producing a cam according to one or more of claims 1 to 14 and claim 16 describes a method for assembling a camshaft or a control shaft using a cam according to one or more of claims 1 to 14.
  • Cams according to the invention are not only much lighter than the previous one-piece cams for built camshafts. They also have the advantage that they are much easier to manufacture and that tool wear during manufacture is incomparably lower than in the manufacture of cams according to the prior art.
  • the cam is also narrower in its running surface than previously used cams.
  • the manufacturing process allows small radii to be achieved on the rim at the transition from the outer contour of the cam to the end faces of the cam. This means that the load-bearing surface of the outer contour is larger than with conventionally manufactured cams. This allows the cam width to be reduced, which saves material and thus further weight. Radii of less than 1 mm, preferably 0.2 to 0.5 mm, can be achieved here.
  • joint width which corresponds to the thickness of the cam
  • Joining widths of 10 mm and more have previously been used.
  • joint widths of less than 6 mm, preferably in the range from 3 to 5 mm are sufficient.
  • Such cams can also be hardened much more advantageously than cams of known design.
  • a bushing is inserted between the cam and the supporting axle and the entire cam is therefore hardened or consists of a naturally hard, highly wear-resistant material.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment corresponding to FIG. 1,
  • Fig. 3 shows a cam with a non-circular inner opening
  • FIG. 4 shows a cam corresponding to FIG. 3.
  • Camshafts have a supporting axis as the basic unit, on which several cams are preferably captively attached.
  • the cams have different outer contours according to the requirements, their control points preferably being rotated at different angles.
  • a support tube 1 is used as the support axis.
  • several identical or different cams 2 are applied at a distance from one another, which together form the finished camshaft.
  • the outer contour 3 is shaped according to the requirements. In all figures, this outer contour 3 is approximately egg-shaped.
  • the cam 2 has a narrow web 4 extending to the center, which merges outwards into a ring 5, which projects beyond the web 4 by approximately the same amount 6 on both sides.
  • the rim 5 has an approximately constant contour all around. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, both projecting parts of the ring 5 thicken on the inside, ie the respective inner jacket of the projecting part of the ring 5 is frustoconical.
  • the connection between the cam 2 and the support tube 1 takes place in any known manner.
  • the support tube 1 can be formed in the area of the seated cams 2 as a corrugated tube with an originally larger diameter than the inner bore of the cam 2.
  • the cam 2 is then pushed over the shafts of the support tube 1 while displacing material and is thus non-positively connected to the latter.
  • the connection is made in the same way if the support tube 1 has a curling or knurling in the area of the cam 2 to be pushed on.
  • the thickness 11 of the web is then designed in the range from 3 to 5 mm.
  • the press fit between the cam 2 and the support tube 1 is carried out by expanding the support tube 1 under the seat of the cam 2. This expansion can take place, for example, by hydroforming before or after the cam is pushed on.
  • Another type of connection between support tube 1 and cam 2 is welding. Laser welding is advantageously used here.
  • Cams 2 which are seated directly on the support tube 1 according to FIG. 1, are advantageously hardened only in the outer region of the ring 5, that is to say on the outer contour 3.
  • the hardening depth is then about 0.3 to 2 mm.
  • the inner opening 7 has an oversize with respect to the outer diameter of the support tube 1.
  • a bushing 8, preferably made of a softer material, is then inserted between the opening 7 and the support tube 1.
  • this bushing 8 can have a ring 9 with which the bushing 8 rests on the web 4 of the cam 2.
  • the bushing 8 preferably has a greater width 10 than the thickness 11 of the web 4. This means that, with the same surface pressure on the support tube 1, a greater strength of the connection can be achieved.
  • the notch effect between the web 4 of the cam 2 on the support tube 1 is significantly reduced by using a bushing 8.
  • the cam 2 can be produced in any known manner by means of cold or hot forging from a ring or a round blank. If above in the Description and also in the patent claims in connection with the cams of forges, this general term is understood to mean pressure forming of the material or of the workpiece with shaping tools that move against one another. This can be done cold or warm, depending on the requirements of the material to be formed. In special cases, however, the cam 2 can also be produced by casting. Powder metallurgical production by sintering also offers advantages, in particular if the cam 2 is to be produced from a high-strength, low-wear material. As a further alternative, the ring 5 and the web 4 can originally be produced individually. Different materials can also be used for these two parts. The parts produced in this way can then be connected by welding to form a one-piece cam 2.
  • the bushing 8 is advantageously produced from sheet metal by stamping and deep drawing.
  • the socket 8 can also be bent from a profiled sheet.
  • a longitudinal slot can remain, which results in an automatic tolerance adjustment of the bushing 8 to the diameter of the cam 2 and the support tube 1.
  • the inner opening 7 of the cam 2 can, as shown in FIG. 3 , be out of round.
  • This design is particularly useful when the support tube 1 is connected to the cam 2 by internal high pressure forming.
  • An alternative non-circular contour of the inner opening 7 is shown in FIG. 4.
  • a tooth 12 projects into the inner opening 7 of the cam 2.
  • a tooth-shaped bulge 13 on the inner circumference of the opening 7 also has the same effect.
  • a complete toothing of the opening 7 can also be useful.

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Abstract

Um bei einstückig ausgebildeten Nocken (2) für eine gebaute Nockenwelle oder Steuerwelle eine erhöhte Gewichtsreduzierung zu erreichen, weist der Nocken (2) im Halbschnitt einen T-förmigen Querschnitt mit einem sich zum Zentrum erstreckenden schmalen Steg (4) und einem umlaufenden, beidseitig etwa gleich weit überstehenden Kranz (5) mit etwa gleich bleibendem Querschnitt auf. Vorteilhaft wird der Nocken (2) aus Rohr- oder Rondenhalbzeug durch Warm- oder Kaltschmieden hergestellt. Weiterhin vorteilhaft erfolgt der Zusammenbau einer Nockenwelle oder Steuerwelle, bestehend aus einer Welle und mindestens einem Nocken (2) dadurch, dass die Tragachse im Fügebereich eine durch Rollen, Walzen oder Rändeln erzielte Aufweitung besitzt, die grösser ist als der innere Durchmesser des Nockens (2) und durch Aufschieben des Nockens (2) eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Tragachse und Nocken (2) erzielt wird.

Description

Einstückig ausgebildeter Nocken und Verfahren zum Herstellen des Nockens sowie Zusammenbau einer Steuerwelle oder Nockenwelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen einstückig ausgebildeten Nocken für eine gebaute Nockenwelle oder Steuerwelle.
Gebaute Nockenwellen, bei denen einstückig ausgebildete Nocken mittels unterschiedlichster Befestigungsverfahren auf einer Tragachse, vorzugsweise auf einem Tragrohr, befestigt sind, setzen sich aufgrund ihrer einfacheren Herstellungsweise und aufgrund ihres geringeren Gewichts verstärkt beim Einsatz in Kraftfahrzeug moto- ren durch.
Überwiegend sind die einstückigen Nocken scheibenförmig ausgebildet. Um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen, ist es nach der DE 37 38 809 C2 aber auch bekannt, in die Nockenseiten Einziehungen einzubringen. Nachteilig gestaltet sich die Herstellung derartiger Einziehungen jedoch schwierig und teuer. Sofern sie mechanisch hergestellt werden, ergibt sich ein großer Arbeitsaufwand und hoher Werkzeugverschleiß. Ein hoher Werkzeugverschleiß ergibt sich jedoch auch bei spanloser Herstellung, wie beispielsweise Schmieden, Fließpressen oder Sinterfertigung. Von daher hat sich diese Art der Gewichtserleichterung bei Nocken für gebaute Nockenwellen bisher nicht durchgesetzt.
Die vorstehende Anwendung für Nockenwellen gilt in gleicher Weise auch für Steuerwellen, z.B. für die Verstellwellen der mechanischen variablen Ventilgetriebe. Entsprechend können die Nocken auch Kurvenbahnen als Umfangskontur aufweisen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Nocken für gebaute Nockenwellen oder Steuerwellen eine erhöhte Gewichtsreduzierung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 14 beschrieben. Anspruch 15 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Nockens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 und Anspruch 16 ein Verfahren zum Zusammenbau einer Nockenwelle oder einer Steuerwelle unter Verwendung eines Nockens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.
Nocken nach der Erfindung sind nicht nur wesentlich leichter als die bisherigen einstückig ausgebildeten Nocken für gebaute Nockenwellen. Sie weisen darüber hinaus den Vorteil auf, dass sie wesentlich einfacher herstellbar sind und dass bei der Herstellung der Werkzeugverschleiß unvergleichbar niedriger ist als bei der Herstellung von Nocken nach dem Stand der Technik.
Durch die Herstellung des Nockens als warm oder kalt geschmiedeter Nocken mit den in den Ansprüchen 1 bis 14 gezeigten Merkmalen, ist der Nocken auch in seiner Lauffläche schmaler ausgebildet als bisher verwendete Nocken. Durch das Fertigungsverfahren lassen sich kleine Radien am Kranz am Obergang von der Außenkontur des Nockens zu den Stirnflächen des Nockens erreichen. Dadurch ist die tragende Fläche der Außenkontur größer als bei konventionell hergestellten Nocken. Das erlaubt eine Verringerung der Nockenbreite, wodurch eine Material- und damit weitere Gewichtseinsparung erreicht wird. Radien von unter 1 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm, lassen sich hier erreichen.
Bisher wurde stets angenommen, dass die Fügebreite, die mit der Dicke des Nockens korrespondiert, zur Erreichung der hohen geforderten Festigkeiten möglichst groß sein soll. Bisher wurden Fügebreiten von 10 mm und mehr angewendet. Die Entwicklung hat jedoch gezeigt, dass bei Verwendung der neuartigen Nocken Fügebreiten von weniger als 6 mm, bevorzugt im Bereich on 3 bis 5 mm, ausreichend sind. Weiterhin vorteilhaft lassen sich derartige Nocken wesentlich einfacher härten als Nocken bekannter Bauform. Insbesondere, wenn gemäß Anspruch 9 zwischen dem Nocken und der Tragachse eine Buchse eingesetzt wird und von daher der gesamte Nocken gehärtet ausgebildet ist oder aus einem naturharten, hochverschleißfesten Werkstoff besteht. Bei dieser Merkmalskombination besteht nicht die Gefahr, dass sich der durchgehend harte Nocken während des Betriebes in die Tragachse einarbeitet und somit die Festigkeit der Tragachse reduziert bzw. die Kraftschlussverbindung zwischen Nocken und Tragachse gelockert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 Ansicht und Schnitt eines Nockenwellenabschnitts im Bereich eines Nockens,
Fig. 2 eine alternative Ausbildung entsprechend Fig. 1,
Fig. 3 einen Nocken mit einer unrunden inneren Öffnung und
Fig. 4 einen Nocken entsprechend Fig. 3.
Gebaute Nockenwellen weisen als Grundeinheit eine Tragachse auf, auf der vorzugsweise mehrere Nocken unverlierbar befestigt sind. Die Nocken haben entsprechend den Erfordernissen unterschiedliche Außenkonturen, wobei ihre Steuerpunkte vorzugsweise unter verschiedenen Winkeln gedreht angeordnet sind.
Bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 wird als Tragachse ein Tragrohr 1 verwendet. Auf dem Außenmantel des Tragrohrs 1 sind im Abstand zueinander mehrere gleiche oder verschiedene Nocken 2 aufgebracht, die in ihrer Gesamtheit die fertige Nockenwelle bilden. Die Außenkontur 3 ist entsprechend den Erfordernissen geformt. In allen Figuren ist diese Außenkontur 3 etwa Ei-förmig. Der Nocken 2 weist einen sich zum Zentrum erstreckenden schmalen Steg 4 auf, der nach außen in einen Kranz 5 übergeht, welcher den Steg 4 beidseitig etwa um das gleiche Maß 6 überragt. Der Kranz 5 besitzt umlaufend eine etwa gleich bleibende Kontur. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verdicken sich beide überstehenden Teile des Kranzes 5 innenseitig, d.h. der jeweilige Innenmantel des überragenden Teils des Kranzes 5 ist kegelstumpfartig ausgebildet. Weiterhin geht der Kranz 5 mit einer Rundung in den Steg 4 über. Die Verbindung zwischen Nocken 2 und Tragrohr 1 erfolgt in beliebiger bekannter Weise. Das Tragrohr 1 kann im Bereich der aufsitzenden Nocken 2 als Wellrohr mit einem ursprünglich größeren Durchmesser als die Innenbohrung des Nockens 2 ausgebildet sein. Der Nocken 2 wird dann unter Verdrängung von Material über die Wellen des Tragrohrs 1 geschoben und ist somit kraftschlüssig mit diesem verbunden. In gleicher Weise erfolgt die Verbindung, wenn das Tragrohr 1 im Bereich des aufzuschiebenden Nockens 2 eine Rollierung oder Rändelung aufweist. Die Dicke 11 des Steges wird dann im Bereich von 3 bis 5 mm ausgelegt. Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, dass der Pressverband zwischen Nocken 2 und Tragrohr 1 mittels Aufweiten des Tragrohrs 1 unter dem Sitz des Nockens 2 erfolgt. Dieses Aufweiten kann beispielsweise durch Hydroumformung vor oder nach dem Aufschieben des Nockens erfolgen. Eine andere Art der Verbindung zwischen Tragrohr 1 und Nocken 2 ist das Schweißen. Hier findet vorteilhaft Laserschweißen Anwendung.
Nocken 2, die entsprechend Fig. 1 direkt auf dem Tragrohr 1 aufsitzen, werden vorteilhaft nur im Außenbereich des Kranzes 5, also an der Außenkontur 3, gehärtet. Die Einhärtetiefe beträgt dann etwa 0,3 bis 2 mm.
Bei der Verwendung von durchgehärteten Nocken 2 oder Nocken 2, die aus einem naturharten, hochverschleißfesten Werkstoff bestehen, bietet sich eine Befestigung gemäß Fig. 2 an. Bei dieser Ausbildung weist die innere Öffnung 7 gegenüber dem Außendurchmesser des Tragrohrs 1 ein Übermaß auf. Zwischen der Öffnung 7 und dem Tragrohr 1 wird dann eine Buchse 8 vorzugsweise aus einem weicheren Material eingesetzt. Zur besseren Montage kann diese Buchse 8 einen Kranz 9 aufweisen, mit dem die Buchse 8 am Steg 4 des Nockens 2 anliegt. Die Buchse 8 weist vorzugsweise eine größere Breite 10 auf als die Dicke 11 des Steges 4. Damit kann bei gleicher Flächenpressung am Tragrohr 1 eine größere Festigkeit der Verbindung erreicht werden. Auch die Kerbwirkung zwischen Steg 4 des Nockens 2 auf das Tragrohr 1 wird durch den Einsatz einer Buchse 8 wesentlich verringert.
Die Herstellung des Nockens 2 kann in beliebiger bekannter Weise mittels Kalt- oder Warmschmieden aus einem Ring oder einer Ronde erfolgen. Wenn vorstehend in der Beschreibung und auch in den Patentansprüchen im Zusammenhang mit den Nocken von Schmieden die Rede ist, so ist unter diesem allgemeinen Begriff eine Druckumformung des Materials bzw. des Werkstücks mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen zu verstehen. Dies kann kalt oder warm, je nach den Erfordernissen des umzuformenden Werkstoffes, erfolgen. In besonderen Fällen kann der Nocken 2 jedoch auch durch Gießen hergestellt werden. Auch eine pulvermetallurgische Herstellung durch Sintern bietet Vorteile, insbesondere dann, wenn der Nocken 2 aus einem hochfesten, verschleißarmen Werkstoff hergestellt werden soll. Als weitere Alternative können der Kranz 5 und der Steg 4 ursprünglich einzeln hergestellt werden. Dabei lassen sich für diese beiden Teile auch unterschiedliche Werkstoffe verwenden. Die so hergestellten Teile können danach mittels Schweißen zu einem einstückigen Nocken 2 verbunden sein.
Die Buchse 8 wird vorteilhaft aus einem Blech durch Stanzen und Tiefziehen hergestellt. In gleicher Weise kann die Buchse 8 aber auch aus einem Profilblech rundgebogen sein. Bei dieser Ausbildung kann ein Längsschlitz verbleiben, wodurch sich eine automatische Toleranzanpassung der Buchse 8 an die Durchmesser von Nocken 2 und Tragrohr 1 ergibt.
Bei der Forderung nach einer formschlüssigen, evtl. zusätzlich zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Tragrohr 1 und Nocken 2, insbesondere einer formschlüssigen Verbindung hinsichtlich Verdrehung des Nockens 2 um das Tragrohr 1 , kann die innere Öffnung 7 des Nockens 2, wie in Fig. 3 gezeigt, unrund ausgebildet sein. Diese Ausbildung bietet sich besonders an, wenn das Tragrohr 1 durch Innenhoch- druckumformen mit dem Nocken 2 verbunden wird. Eine alternative unrunde Kontur der inneren Öffnung 7 ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ragt zum einen ein Zahn 12 in die innere Öffnung 7 des Nockens 2. Gleich wirkend gestaltet sich auch eine zahnför- mige Ausbuchtung 13 am Innenumfang der Öffnung 7. Auch eine vollständige Verzahnung der Öffnung 7 kann sinnvoll sein. Diese Ausbildungen eignen sich besonders dann, wenn der Nocken 2 auf einen profilierten Bereich des Tragrohrs 1 axial aufgeschoben wird. Bezugszeichenliste
1. Tragrohr
2. Nocken
3. Außenkontur
4. Steg
5. Kranz
6. Maß
7. Öffnung
8. Buchse
9. Kranz
10. Breite
11. Dicke
12. Zahn
13. Ausbuchtung

Claims

Ansprüche
1. Einstückig ausgebildeter Nocken (2) für eine gebaute Nockenwelle oder Steuerwelle, dadurch gekennzeichnet, dass er im Halbschnitt einen T-förmigen Querschnitt mit einem sich zum Zentrum erstreckenden schmalen Steg (4) und einem umlaufenden, beidseitig etwa gleich weit überstehenden Kranz (5) mit etwa gleich bleibendem Querschnitt aufweist.
2. Nocken (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Kranz (5) und Steg (4) gerundet ausgebildet ist.
3. Nocken (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide überstehenden Teile des Kranzes (5) sich innenseitig zum Steg (4) hin verdicken.
4. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbereich des Kranzes (5) oder der gesamte Kranz (5) eine höhere Härte aufweist als der Steg (4).
5. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Nocken (2) gehärtet ausgebildet ist oder aus einem naturharten, hochverschleißfesten Werkstoff besteht.
6. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Öffnung (7) kreisförmig ausgebildet ist.
7. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Öffnung (7) unrund ausgebildet ist.
8. Nocken (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Öffnung (7) ein oder mehrere gerade oder spitz auslaufende Vor- und/oder Rücksprünge vorgesehen sind.
9. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass seine innere Öffnung (7) größer ist als der Durchmesser der Tragachse der Nockenwelle und eine Buchse (8) im Ringspalt zwischen Tragachse und Nocken (2) angeordnet ist.
10. Nocken (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (8) breiter ist als die Dicke (11 ) des Steges (4) des Nockens (2).
11. Nocken (2) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (8) einen seitlichen Kranz (9) aufweist.
12. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (8) als Blechformteil ausgebildet ist.
13. Nocken (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (8) eine Trennfuge aufweist.
14. Nocken (2) nach einem oder mehreren deer Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils separat hergestellte Kranz (5) und Steg (4) mittels Schweißen zu einem einstückigen Nocken (2) verbunden werden.
15. Verfahren zur Herstellung eines Nockens (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (2) aus Rohroder Rondenhalbzeug warm oder kalt geschmiedet wird.
16. Verfahren zum Zusammenbau einer Nockenwelle oder Steuerwelle, bestehend aus einer Welle und mindestens einem Nocken (2), nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragachse im Fügebereich eine durch Rollen, Walzen oder Rändeln erzielte Aufweitung besitzt, die größer ist als der innere Durchmesser des Nockens (2) und durch Aufschieben des Nockens (2) eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Tragachse und Nocken (2) erzielt wird.
PCT/EP2003/003232 2002-04-29 2003-03-28 Einstückig ausgebildeter nocken und verfahren zum herstellen des nockens sowie zusammenbau einer steuerwelle oder nockenwelle WO2003093654A1 (de)

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