WO2012171595A1 - Verbindungsanordnung eines wellenteils mit einem nabenteil - Google Patents

Verbindungsanordnung eines wellenteils mit einem nabenteil Download PDF

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WO2012171595A1
WO2012171595A1 PCT/EP2012/001192 EP2012001192W WO2012171595A1 WO 2012171595 A1 WO2012171595 A1 WO 2012171595A1 EP 2012001192 W EP2012001192 W EP 2012001192W WO 2012171595 A1 WO2012171595 A1 WO 2012171595A1
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WO
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shaft part
hub
connecting arrangement
hub part
hollow shaft
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PCT/EP2012/001192
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English (en)
French (fr)
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Bernd Schietinger
Frank Schulz
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/06—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of tubes in openings, e.g. rolling-in
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/84—Making other particular articles other parts for engines, e.g. connecting-rods
    • B21D53/845—Making camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H53/00—Cams or cam-followers, e.g. rollers for gearing mechanisms
    • F16H53/02—Single-track cams for single-revolution cycles; Camshafts with such cams
    • F16H53/025—Single-track cams for single-revolution cycles; Camshafts with such cams characterised by their construction, e.g. assembling or manufacturing features

Definitions

  • the invention relates to a connection arrangement of a shaft part with a hub part according to the preamble of patent claim 1.
  • the generic DE 196 06 732 A1 discloses a built camshaft with a shaft tube and functional elements, which are fixed by axially sectionwise radial expansion of the shaft tube to this. During joining, the inner tube is plastically deformed in the Aufweitabitesen, while the
  • connection arrangement of a shaft part with a hub part with the features of patent claim 1.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
  • connection arrangement of a shaft part with a hub part the hub part and the at least partially accommodated in a recess of the hub part shaft part via respective connecting portions under at least partial plastic deformation of the shaft part and largely only elastic deformation of the hub part in the respective connection areas are connected.
  • the material of the shaft part has a stress-strain curve which, starting from the occurrence of plastic flow of the material, has an expansion region extending over at least 2% elongation with at least substantially constant stress with increasing elongation.
  • connection arrangement In the manufacture of the connection arrangement according to the invention is a
  • connection area is increased from an initial state.
  • the shaft part is at least partially plastic, in particular elastically-plastically expanded and deformed in the connecting region. Since the shaft part is already arranged in the recess of the hub part, thereby also the hub part in its
  • Connection area expanded. That is, the inner diameter of the hub part in the connecting portion thereof is increased from an initial state.
  • the hub part While the shaft part is also widened and deformed plastically (i.e., irreversibly) as a result of the action of force, the hub part is deformed only elastically (reversibly) in the connection region as far as possible due to the higher strength of the hub material. If a force to expand the shaft part and the hub part in the respective connection areas is completed, so spring the hub part and the
  • the shaft part at least partially elastic back and at least partially aspire to their respective initial state, but the plastic deformation of the shaft member prevents the hub part can completely return to its initial state. As a result, an oversize is generated in the respective connecting regions, which causes a fixation of the hub part on the shaft part.
  • connection arrangement thus enables the realization of particularly high torsional torques, which can be transmitted between the shaft part and the hub part while avoiding undesired relative rotation.
  • connection arrangement according to the invention allows the connection arrangement according to the invention, with a desired and predetermined torque to connect the shaft part and the hub part with only a very small joining effort, so that the cost of the connection assembly according to the invention can be kept particularly low.
  • it is by exactly specified elastic-plastic
  • Deformation behavior of the shaft part makes it possible to realize particularly small fluctuations in the transmittable torques of the connection arrangement, resulting in a very high quality of the connection arrangement. This keeps the effort to
  • the shaft part and the hub part for example by means of
  • the shaft part is at least partially formed as a hollow shaft with a hollow cross-section.
  • the shaft part is arranged in the recess of the hub part, so that the respective connection areas are in mutual overlap.
  • Connection region at least partially plastically deformed, while the hub part in its connection region due to the higher compared to the shaft part
  • the hub part is preferably a functional element.
  • the functional element may be formed as a cam and / or ring and / or as a toothed element with a toothing, in particular a gear wheel, and / or as a camshaft adjusting device and / or as a joining flange and / or as a flywheel.
  • a camshaft for example for a
  • connection arrangement according to the invention now solves this conflict of objectives, since the shaft part on the one hand can meet requirements for high minimum strengths, but on the other hand due to the extent of the expansion region over at least two percent (2%) strain, in which it is based on the stress-strain curve at least in Substantially no increase in tension, a particularly advantageous elastic-plastic deformation behavior, so that particularly high torque can be realized.
  • the shaft part in the connection arrangement according to the invention is precisely specified not only with regard to the fulfillment of the predefinable minimum strength but also with regard to the elastically plastic deformation behavior which is characterized by the expansion region, in particular in the region of relatively low strains, for example of 10%.
  • particularly high torques can be transmitted since the elastic-plastic deformation of the shaft part for connecting the same with the hub part, in particular in the expansion region occurs.
  • the shaft part has an expansion or yield strength within a predefinable tolerance range and a tensile strength within a predefinable tolerance range and a minimum elongation at break, but at the same time has a particularly advantageous elastic-plastic deformation behavior for connecting the shaft part with the hub part.
  • the stress-strain curve which characterizes the material of the shaft part, can be determined, for example, by a tensile test, in particular of a specimen made of the material of the shaft part.
  • the stress-strain curve can be determined with the strain range based on the yield strength according to DIN EN ISO 6892-1 or at least substantially corresponding thereto.
  • retractable mandrel and a forging tool set wherein the hollow tube in its connection region with the cam has a greater wall thickness than in other, adjoining areas.
  • Fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a connection arrangement of a
  • connection areas are connected to each other, wherein the hollow shaft part at least partially plastically widened in the connecting region and the cam in its connection region is largely only elastically expanded;
  • FIG. 1 shows a connection arrangement 10 of a hollow shaft part 12 with a hub part 14, for example a cam 14.
  • a camshaft 16 is formed, by means of which
  • Gas exchange valves of a reciprocating internal combustion engine for a motor vehicle are to be operated.
  • the cam 14 For connecting the hollow shaft part 12 with the cam 14, the cam 14 has a recess 18 in which the hollow shaft part 12 is partially received.
  • the hollow shaft part 12 penetrates the recess 18, and the
  • Hollow shaft portion 12 and the cam 14 are connected via respective connecting portions 20, 22. During the joining process, the hollow shaft part 12 is in his
  • Connecting portion 20 at least partially plastically deformed, while the cam 14 is deformed in its connecting portion 22 substantially only elastically.
  • the cam 14 is first arranged in such a manner on the hollow shaft part 12, that the respective
  • Connecting portions 20, 22 are arranged in mutual overlap.
  • the hollow shaft part 12 is pressurized on the inner peripheral side by means of a fluid, whereby the hollow shaft part 12 is reformed under high pressure.
  • the hollow shaft part 12 is in his
  • Connection area 20 elastically-plastically deformed.
  • connection area 20 elastically-plastically deformed.
  • Connecting portion 22 is due to its relative to the hollow shaft member 12 higher strength substantially only elastically deformed. After finishing the
  • the hollow shaft part 12 spring the hollow shaft part 12 and the cam 14 at least partially back and in the direction of its initial state.
  • the induced plastic deformation of the hollow shaft part 12 prevents complete shrinkage of the cam 14 or its recess 18 in the initial state, so that between the cam 14 and hollow shaft part 12, a shrink connection is formed, through which the cam 14 is joined to the hollow shaft part 12.
  • Hollow shaft part 12 and the cam 14 loads in the form of forces and
  • Torques In order to ensure the desired function of the camshaft 16 over a long service life, corresponding demands are to be placed on the hollow shaft part 12 and the cam 14 and in particular on the respective material of the hollow shaft part 12 and the cam 14 in accordance with the load of the camshaft 16.
  • the material of the hollow shaft part 12 plays an important role, on the one hand to realize a solid and rotationally fixed connection between the hollow shaft part 12 and the cam 14 and on the other hand to be able to withstand the loads acting during operation of the camshaft 16 over a long service life without damage. This means that the material of the hollow shaft part 12 has to meet certain criteria in order to meet these requirements.
  • a given material as the starting material for the hollow shaft part 12 can be determined in particular by means of a tensile test, for example according to DIN EN ISO 6892-1.
  • a test specimen produced from the material to be examined becomes a tensile force
  • test specimen elongates, ie stretches, and whereby stresses in the specimen arise.
  • the expansions of the test specimen as a function of the tensile force are measured and evaluated.
  • 2 shows a stress-strain diagram 24, in which three stress-strain curves 26, 28, 30 are entered. These stress-strain curves 26, 28, 30 were obtained at room temperature on tubular test specimens, these test specimens consisted of different materials, which come in principle as materials for the hollow shaft part 12 in question.
  • the stress-strain curves 26, 28, 30 show an elongation of the test specimen as a function of a voltage applied to the test specimen. To determine the elongation of the specimen caused by a tensile load of the specimen
  • Length change of the specimen based on its initial length.
  • the elongation of the test specimen which is plotted on the abscissa 33 of the stress-strain diagram 24, is thus a dimensionless quantity and is given in the unit [%].
  • the stress of the test specimen is plotted on the ordinate 34 of the stress-strain diagram 24 and is given in the unit [N / mm 2 ].
  • the tensile force applied to the test specimen is recorded and related to the cross-sectional area of the test specimen perpendicular to the tensile load in its undeformed initial state, ie, before the application of tensile force to the test specimen.
  • the hollow shaft part 12 such materials are preferably used, which after a plastic flow start at a further increase in the
  • the characteristic A indicates the voltage interval within which the Dehntig. Yield strength is to lie; is a workpiece on this stretch or
  • the characteristic B denotes the voltage interval in which the tensile strength of the material has to be in order to meet the corresponding requirements, in particular with regard to the strength of the hollow shaft part 12. Furthermore, the pipe material must have a minimum breaking capacity. As can be seen from FIG. 2, all three stress-strain curves 26, 28, 30 fundamentally fulfill these requirements.
  • the torsional strength of the described connection of the hollow shaft part 12 with the cam 14 is higher, the less the material of the hollow shaft part 12 the required minimum flow limit (expressed, for example, expressed by the yield strength R p0 2 or the upper yield strength R e H ) exceeds.
  • curve 30 corresponding stress-strain curve is shown in curve 30; the associated pipe material has a low (but within the interval A lying) yield stress 31 and an immediately adjoining expansion region 32 of the width D, in the at. increasing strain, the voltage remains at least substantially constant.
  • This expansion region 32 thus has the shape of a stress plateau with at least substantially constant stress with increasing elongation. It has a width D of at least 2% and extends over a range between reaching the yield point and the significant increase in stress due to solidification of the third material in the tensile test.
  • the hollow shaft part 12 is advantageously formed of a tube material with a stress-strain curve 30, since this one hand satisfies the described requirements in terms of strength and on the other hand a particularly non-rotatable connection of the
  • Component plasticization contributes and elongates at room temperature over at least 2% extends. Relative to the tensile test according to DIN EN ISO 6892-1, the expansion region 32 is described, for example, by the term "yield strength elongation".
  • Connection assembly 10 in particular also be prepared by local expansion of the shaft part 12 by means of a retractable dome.
  • a retractable dome Such a method is described for example in DE 695 01 832 T2.
  • the retractable mandrel is inserted and positioned within the hollow shaft portion 12, thereby locating the first portion of the retractable mandrel below a first portion of the hollow shaft portion 12.
  • this first part of the hollow shaft part is mechanically reduced by pushing the hollow tube through the forging tool.
  • the retractable mandrel is also moved to hold the first portion of the retractable mandrel under the portion of the shaft member 12 to be reduced.
  • a plurality of first parts and second parts is formed on the shaft part, wherein the inner diameter of the first part is greater than the inner diameter of a second part.
  • Nub parts 14 are threaded onto the shaft portion 12 machined in this manner, each cam member being disposed about a reduced inner diameter area. These areas of reduced inner diameter of the shaft portion 12 are then mechanically expanded to fix the hub portions 14 on the shaft portion 12. This expansion step is performed by means of a flaring tool having a larger diameter than the inner diameter of the thicker wall portions and a smaller diameter than the inner diameter of the thinner wall portions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (10) eines Wellenteils (12) mit einem Nabenteil (14), bei welcher das Nabenteil (14) und das zumindest bereichsweise in einer Aussparung (18) des Nabenteils (14) aufgenommene Wellenteil (12) über jeweilige Verbindungsbereiche (20, 22) unter zumindest teilweiser plastischer Verformung des Wellenteils (12) und weitestgehend nur elastischer Verformung des Nabenteils (14) in den jeweiligen Verbindungsbereichen (20, 22) miteinander verbunden sind, wobei der Werkstoff des Wellenteils (12) einen Spannungs-Dehnungs-Verlauf (30) hat, der ab dem Auftreten von plastischem Fließen einen sich über wenigstens 2% Dehnung erstreckenden Dehnungsbereich (32) mit zumindest im Wesentlichen konstanter Spannung bei zunehmender Dehnung aufweist.

Description

Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die gattungsbildende DE 196 06 732 A1 offenbart eine gebaute Nockenwelle mit einem Wellenrohr und Funktionselementen, die durch in Axialrichtung abschnittsweises radiales Aufweiten des Wellenrohrs an diesem befestigt sind. Während des Fügens wird das Innenwellenrohr in den Aufweitabschnitten plastisch verformt, während die
außenliegenden Funktionselemente - aufgrund ihrer höheren Festigkeit - weitestgehend nur elastisch verformt werden. Die bleibende plastische Deformation des Wellenrohrs verhindert, dass die Innendurchmesser der Funktionselemente nach dem Fügen auf ihr ursprüngliches Maß zurückkehren können. Dies bewirkt eine Fixierung der
Funktionselemente auf dem Wellenrohr. Während auf diese Weise bereits Verbindungen mit hoher Verdrehsicherheit zwischen Wellenrohr und Funktionselementen hergestellt werden können, besteht ein großes Interesse daran, die Verdrehsicherheit dieser Verbindungen weiter zu erhöhen, um noch größere Drehmomente zwischen den außenliegenden Funktionselementen und der innenliegenden Hohlwelle übertragen zu können, ohne dass es zu einer unerwünschten Relativdrehung der Funktionselemente zur Hohlwelle kommt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass auf kostengünstige Weise eine besonders feste Verbindung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Bei einer solchen Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil sind das Nabenteil und das zumindest bereichsweise in einer Aussparung des Nabenteils aufgenommene Wellenteil über jeweilige Verbindungsbereiche unter zumindest teilweiser plastischer Verformung des Wellenteils und weitestgehend nur elastischer Verformung des Nabenteils in den jeweiligen Verbindungsbereichen miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß hat der Werkstoff des Wellenteils einen Spannungs-Dehnungs-Verlauf, der ab dem Auftreten von plastischem Fließen des Werkstoffs einen sich über wenigstens 2% Dehnung erstreckenden Dehnungsbereich mit zumindest im Wesentlichen konstanter Spannung bei zunehmender Dehnung aufweist.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung wird ein
Fügeverfahren durchgeführt, bei welchem das Wellenteil in dessen Verbindungsbereich aufgeweitet wird. Das heißt, der Außendurchmesser des Wellenteils in dessen
Verbindungsbereich wird gegenüber einem Ausgangszustand vergrößert. Dabei wird das Wellenteil in dessen Verbindungsbereich zumindest teilweise plastisch, insbesondere elastisch-plastisch aufgeweitet und verformt. Da das Wellenteil bereits in der Aussparung des Nabenteils angeordnet ist, wird dadurch auch das Nabenteil in dessen
Verbindungsbereich aufgeweitet. Das heißt, der Innendurchmesser des Nabenteils in dessen Verbindungsbereich wird gegenüber einem Ausgangszustand vergrößert.
Während das Wellenteil als Folge der Krafteinwirkung auch plastisch (d.h. irreversibel) aufgeweitet und verformt wird, wird das Nabenteil - aufgrund der höheren Festigkeit des Naben Werkstoffs - in dem Verbindungsbereich weitestgehend nur elastisch (reversibel) verformt. Wird eine Krafteinwirkung zum Aufweiten des Wellenteils und des Nabenteils in den jeweiligen Verbindungsbereichen beendet, so federn das Nabenteil und das
Wellenteil zumindest teilweise elastisch zurück und streben zumindest teilweise ihren jeweiligen Ausgangszustand an, wobei jedoch die plastische Verformung des Wellenteils verhindert, dass das Nabenteil vollständig in seinen Ausgangszustand zurückkehren kann. Dadurch wird ein Übermaß in den jeweiligen Verbindungsbereichen erzeugt, das eine Fixierung des Nabenteils auf dem Wellenteil bewirkt.
Durch die entsprechende Ausgestaltung bzw. Wahl des Werkstoffs des Wellenteils mit dem entsprechenden Dehnungsbereich ist es möglich, unter Beibehaltung von
Mindestfestigkeiten des Wellenteils, Bauteilgeometrie sowie Fertigungsanlagen zum Herstellen der Verbindungsanordnung auf kostengünstige Weise eine besonders feste Verbindung zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil darzustellen, sodass zwischen ihnen besonders hohe Drehmomente übertragen werden können, ohne dass es zu einer unerwünschten Relativdrehung des Wellenteils relativ zum Nabenteil kommt. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht somit die Realisierung besonders hoher Verdrehmomente, welche zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil unter Vermeidung einer unerwünschten Relativdrehung übertragen werden können.
Dies bedeutet auch, dass es die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung erlaubt, bei einem gewünschten und vorgegebenen Verdrehmoment das Wellenteil und das Nabenteil mit einem nur sehr geringen Fügeaufwand miteinander zu verbinden, so dass die Kosten der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung besonders gering gehalten werden können. Darüber hinaus ist es durch das genau spezifizierte elastisch-plastische
Verformungsverhalten des Wellenteils ermöglicht, besonders geringe Schwankungen der übertragbaren Drehmomente der Verbindungsanordnung zu realisieren, woraus eine sehr hohe Qualität der Verbindungsanordnung resultiert. Dies hält den Aufwand zur
Qualitätssicherung sowie Nacharbeiten und den Ausschuss im Rahmen einer
Serienfertigung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung gering.
Das Wellenteil und das Nabenteil können beispielsweise mittels
Innenhochdruckumformens miteinander gefügt werden. Dabei ist das Wellenteil wenigstens bereichsweise als Hohlwelle mit einem Hohlquerschnitt ausgebildet. Im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung wird zunächst das Nabenteil auf dem Wellenteil angeordnet bzw. umgekehrt wird das Wellenteil in der Aussparung des Nabenteils angeordnet, so dass sich die jeweiligen Verbindungsbereiche in gegenseitiger Überlappung befinden. Anschließend wird der Hohlquerschnitt in dem Bereich des Verbindungsbereichs des Wellenteils mit einem Medium, insbesondere Flüssigkeit, beaufschlagt, sodass ein sehr hoher Innendruck in dem Hohlquerschnitt wirkt. Dieser hohe Innendruck bewirkt, ausgehend von dem
Ausgangszustand des Wellenteils, ein Aufweiten des Wellenteils und somit eine
Vergrößerung des Außendurchmessers des Wellenteils insbesondere in dessen
Verbindungsbereich sowie auch eine Aufweitung des Nabenteils in dessen
Verbindungsbereich. Wie bereits geschildert, wird dabei das Wellenteil in dessen
Verbindungsbereich zumindest teilweise plastisch verformt, während das Nabenteil in dessen Verbindungsbereich aufgrund dessen gegenüber dem Wellenteil höheren
Festigkeit weitestgehend nur elastisch aufgeweitet und verformt wird. Dies ermöglicht eine besonders zeit- und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen
Verbindungsanordnung. Dadurch kann eine so genannte gebaute Hohlwelle hergestellt werden, wobei es sich bei dem Nabenteil bevorzugt um ein Funktionselement handelt. Das Funktionselement kann dabei als Nocken und/oder Ring und/oder als Verzahnungselement mit einer Verzahnung, insbesondere ein Zahnrad, und/oder als Nockenwellenverstelleinrichtung und/oder als Fügeflansch und/oder als Schwungmasse ausgebildet sein. Insbesondere kann durch das Wellenteil und das Nabenteil eine Nockenwelle, beispielsweise für eine
Verbrennungskraftmaschine und insbesondere für eine Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine, dargestellt sein, wobei das Wellenteil bevorzugt mit einer Mehrzahl von als jeweilige Nocken ausgebildeten Nabenteilen verbunden ist. Die Nocken dienen dabei dazu, Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine zu betätigen.
Herkömmlicherweise gilt bei der Verbindung des Wellenteils mit dem Nabenteil durch zumindest teilweise plastische Verformung des Wellenteils und weitestgehend nur elastische Verformung des Nabenteils, dass, je größer die Überdeckung, d.h. je größer die plastische Verformung des Wellenteils ist, desto größer ist in gewissen Grenzen das realisierbare Verdrehmoment zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil. Durch eine Erhöhung des Fügedrucks ist es demnach möglich, das Verdrehmoment entsprechend zu steigern. Diese Maßnahme ist jedoch aus Kostengründen nicht optimal, da ein hoher Fügedruck die Fertigungsanlage zum Herstellen der Verbindungsanordnung negativ beeinflusst sowie Stillstandszeiten durch Rüst- und Installationsarbeiten erfordert. Eine Lösung dieses Problems könnte sein, ein relativ weiches Wellenteil mit nur geringer Festigkeit zu verwenden. Dieser Lösung sind jedoch insbesondere konstruktive Grenzen gesetzt, da dann eine erwünschte und erforderliche Mindestfestigkeit des Wellenteils nicht mehr realisiert werden kann.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung löst nun diesen Zielkonflikt, da das Wellenteil einerseits auch Anforderungen an hohe Mindestfestigkeiten erfüllen kann, jedoch andererseits aufgrund der Erstreckung des Dehnungsbereichs über wenigstens zwei Prozent (2%) Dehnung, in dem es bezogen auf den Spannungs-Dehnungs-Verlauf zumindest im Wesentlichen zu keinem Spannungsanstieg kommt, ein besonders vorteilhaftes elastisch-plastisches Verformungsverhalten aufweist, sodass auch besonders hohe Verdrehmomente realisiert werden können. Mit anderen Worten ist das Wellenteil bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung nicht nur hinsichtlich der Erfüllung der vorgebbaren Mindestfestigkeit sondern auch hinsichtlich des elastischplastischen Verformungsverhaltens, welches durch den Dehnungsbereich charakterisiert wird, insbesondere im Bereich relativ geringer Dehnungen, beispielsweise von 10%, genau spezifiziert. Dadurch können besonders hohe Drehmomente übertragen werden, da die elastisch-plastische Verformung des Wellenteils zum Verbinden desselben mit dem Nabenteil insbesondere in dem Dehnungsbereich auftritt.
Somit ist es möglich, dass das Wellenteil eine Dehn- bzw. Streckgrenze innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs sowie eine Zugfestigkeit innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs und ein Mindestbruchdehnung aufweist, gleichzeitig jedoch ein besonders vorteilhaftes elastisch-plastisches Verformungsverhalten zum Verbinden des Wellenteils mit dem Nabenteil hat.
Der Spannungs-Dehnungs-Verlauf, der den Werkstoff des Wellenteils charakterisiert, ist beispielsweise durch einen Zugversuch insbesondere eines Probenkörpers aus dem Werkstoff des Wellenteils ermittelbar. Dabei kann der Spannungs-Dehnungs-Verlauf mit dem Dehnungsbereich in Anlehnung an die Streckgrenzdehnung nach DIN EN ISO 6892- 1 oder dazu zumindest im Wesentlichen korrespondierend ermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Verbinden des Wellenteils mit dem Nabenteil stellt das in der DE 695 01 832 T2 offenbarte Verfahren dar, bei welchem das Wellenteil und das Nabenteil bzw. ein hohles Rohr und ein Nocken durch ein Aufweitwerkzeug miteinander verbunden werden, welches das hohle Rohr im Bereich des Nockens aufweitet und dadurch das hohle Rohr zumindest teilweise plastisch und den Nocken weitestgehend nur elastisch verformt. Zuvor wird die Wandstärke des hohlen Rohrs mittels eines
zurückziehbaren Dorns und eines Schmiedewerkzeugs eingestellt, wobei das hohle Rohr in dessen Verbindungsbereich mit dem Nocken eine größere Wandstärke aufweist als in anderweitigen, sich daran anschließenden Bereichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in: Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Verbindungsanordnung eines
Hohlwellenteils mit einem Nocken, welche über jeweilige
Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind, wobei das Hohlwellenteil in dessen Verbindungsbereich zumindest teilweise plastisch aufgeweitet und der Nocken in dessen Verbindungsbereich weitestgehend nur elastisch aufgeweitet ist; und
Fig. 2 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit einem Spannungs-Dehnungs-
Verlauf des Werkstoffs des Hohlwellenteils gemäß Fig. 1 , welcher durch einen Zugversuch ermittelt ist.
Die Fig. 1 zeigt eine Verbindungsanordnung 10 eines Hohlwellenteils 12 mit einem Nabenteil 14, beispielsweise einem Nocken 14. Durch das Hohlwellenteil 12 und einer Mehrzahl von Nocken 14 wird eine Nockenwelle 16 gebildet, mittels welcher
Gaswechselventile einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen zu betätigen sind.
Zum Verbinden des Hohlwellenteils 12 mit dem Nocken 14 weist der Nocken 14 eine Aussparung 18 auf, in welcher das Hohlwellenteil 12 bereichsweise aufgenommen ist. Mit anderen Worten durchdringt das Hohlwellenteil 12 die Aussparung 18, und das
Hohlwellenteil 12 und der Nocken 14 sind über jeweilige Verbindungsbereiche 20, 22 verbunden. Während des Fügeprozesses wird das Hohlwellenteil 12 in seinem
Verbindungsbereich 20 zumindest teilweise plastisch verformt, während der Nocken 14 in seinem Verbindungsbereich 22 im Wesentlichen nur elastisch verformt wird.
Zum Herstellen der Verbindungsanordnung 10 wird der Nocken 14 zunächst in einer solchen Weise auf dem Hohlwellenteil 12 angeordnet, dass die jeweiligen
Verbindungsbereiche 20, 22 in gegenseitiger Überlappung angeordnet sind.
Anschließend wird das Hohlwellenteil 12 innenumfangsseitig mittels eines Fluids mit Druck beaufschlagt, wodurch das Hohlwellenteil 12 innenhochdruckumgeformt wird. Im Zuge dieser Innenhochdruckumformung wird das Hohlwellenteil 12 in seinem
Verbindungsbereich 20 elastisch-plastisch verformt. Mit anderen Worten bewirkt die Innenhochdruckbeaufschlagung des Hohlwellenteils 12 eine elastisch-plastische
Vergrößerung des Außendurchmessers des Hohlwellenteils 12 im Vergleich zum
Ausgangszustand. Da der Nocken 14 bereits auf dem Hohlwellenteil 12 angeordnet ist, wird durch die Innenhochdruckbeaufschlagung des Hohlwellenteils 12 auch der Innendurchmesser des Verbindungsbereichs 22 bzw. der Aussparung 18 des Nockens 14 im Vergleich zu einem Ausgangszustand, den der Nocken 14 zeitlich vor der Innenhochdruckbeaufschlagung des Hohlwellenteils 12 und beim Anordnen des Nockens 14 auf dem Hohlwellenteil 12 aufweist, aufgeweitet und so vergrößert, wobei der Nocken 14 in seinem
Verbindungsbereich 22 aufgrund seiner gegenüber dem Hohlwellenteil 12 höheren Festigkeit im Wesentlichen lediglich elastisch verformt wird. Nach Beenden der
Innenhochdruckbeaufschlagung des Hohlwellenteils 12 federn das Hohlwellenteil 12 und der Nocken 14 zumindest teilweise zurück und in Richtung ihres Ausgangszustands. Die bewirkte plastische Verformung des Hohlwellenteils 12 verhindert jedoch ein vollständiges Schrumpfen des Nockens 14 bzw. dessen Aussparung 18 in den Ausgangszustand, sodass zwischen Nocken 14 und Hohlwellenteil 12 eine Schrumpfverbindung gebildet wird, durch welche der Nocken 14 auf das Hohlwellenteil 12 gefügt wird.
Während des Betriebs der Nockenwelle 16 wirken auf diese und somit auf das
Hohlwellenteil 12 und den Nocken 14 Belastungen in Form von Kräften und
Drehmomenten. Um nun die erwünschte Funktion der Nockenwelle 16 auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zu gewährleisten, sind entsprechend der Belastung der Nockenwelle 16 entsprechende Anforderungen an das Hohlwellenteil 12 und den Nocken 14 und insbesondere an den jeweiligen Werkstoff des Hohlwellenteils 12 und des Nockens 14 zu stellen. Insbesondere der Werkstoff des Hohlwellenteils 12 spielt eine wichtige Rolle, um einerseits eine feste und verdrehfeste Verbindung zwischen dem Hohlwellenteil 12 und dem Nocken 14 zu realisieren und andererseits die während des Betriebs der Nockenwelle 16 wirkenden Belastungen über eine hohe Lebensdauer hinweg schadfrei ertragen zu können. Dies bedeutet, dass der Werkstoff des Hohlwellenteils 12 gewissen Kriterien zu genügen hat, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Zur Überprüfung der Eignung eines vorgegebenen Werkstoffs als Ausgangsmaterial für das Hohlwellenteil 12 kann insbesondere mit Hilfe eines Zugversuchs, zum Beispiel nach DIN EN ISO 6892-1 , ermittelt werden. Bei der Durchführung des Zugversuchs wird ein aus dem zu untersuchenden Werkstoff hergestellter Prüfkörper einer Zugkraft
unterworfen, wodurch sich der Prüfkörper längt, d.h. dehnt, und wodurch Spannungen in dem Prüfkörper entstehen. Die Dehnungen des Prüfkörpers als Funktion der Zugkraft werden gemessen und ausgewertet. Die Fig. 2 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm 24, in welches drei Spannungs- Dehnungs-Verläufe 26, 28, 30 eingetragen sind. Diese Spannungs-Dehnungs-Verläufe 26, 28, 30 wurden bei Raumtemperatur an rohrförmigen Prüfkörpern gewonnen, wobei diese Prüfkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen bestanden, die grundsätzlich als Werkstoffe für das Hohlwellenteil 12 in Frage kommen.
Die Spannungs-Dehnungs-Verläufe 26, 28, 30 zeigen eine Dehnung des Prüfkörpers als Funktion einer an den Prüfkörper angelegten Spannung. Zur Ermittlung der Dehnung des Prüfkörpers wird die durch eine Zugkraftbelastung des Prüfkörpers bewirkte
Längenänderung des Prüfkörpers auf dessen Ausgangslänge bezogen. Die Dehnung des Prüfkörpers, die auf der Abszisse 33 des Spannungs-Dehnungs-Diagramms 24 aufgetragen ist, ist somit eine dimensionslose Größe und wird in der Einheit [%] angegeben. Die Spannung des Prüfkörpers ist auf der Ordinate 34 des Spannungs- Dehnungs-Diagramms 24 aufgetragen und wird in der Einheit [N/mm2] angegeben. Zur Ermittlung der Spannung wird die auf den Prüfkörper aufgebrachte Zugkraft erfasst und auf die zur Zugkraftbeaufschlagung senkrechte Querschnittsfläche des Prüfkörpers in dessen undeformiertem Ausgangszustand, d.h. zeitlich vor der Zugkraftaufbringung auf den Prüfkörper, bezogen.
Als Werkstoffe für das Hohlwellenteil 12 werden vorzugsweise solche Materialien verwendet, die nach einem plastischen Fließbeginn bei weiterer Erhöhung der
Zugkraftbelastung erst relativ spät verfestigen und/oder die über einen Dehnungsbereich verfügen, der ohne nennenswerten Spannungsanstieg zur Bauteilplastifizierung beiträgt. Weiterhin soll der Werkstoff eine bestimmte vorgegebene Zugfestigkeit haben. Bei der Charakterisierung eines Werkstoffs bezüglich seiner Eignung als Werkstoff für das Hohlwellenteil 12 spielen demnach insbesondere zwei Kenngrößen A, B eine besondere Rolle, die dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm zu entnehmen sind:
- Die Kenngröße A kennzeichnet das Spannungsintervall, innerhalb dessen die Dehnbzw. Streckgrenze liegen soll; wird ein Werkstück über diese Dehn- bzw.
Streckgrenze hinaus belastet, dann wird die innere Struktur des Werkstücks dauerhaft verändert. Die Dehn- bzw. Streckgrenze des Hohlwellenteils 12 muss also innerhalb des vorgegebenen Toleranzbandes A liegen.
- Die Kenngröße B bezeichnet das Spannungsintervall, in welchem die Zugfestigkeit des Werkstoffs zu liegen hat, um die entsprechenden Anforderungen insbesondere hinsichtlich der Festigkeit des Hohlwellenteils 12 zu erfüllen. Weiterhin muss das Rohrmaterial eine Mindestbruchleistung aufweisen. Wie aus Figur 2 ersichtlich, erfüllen alle drei Spannungs-Dehnungsverläufe 26, 28, 30 grundsätzlich diese Anforderungen.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass die Verdrehfestigkeit der geschilderten Verbindung des Hohlwellenteils 12 mit dem Nocken 14 umso höher ist, je weniger der Werkstoff des Hohlwellenteils 12 die geforderte Mindestfließgrenze (ausgedrückt beispielsweise ausgedrückt durch die Dehngrenze Rp0.2 oder die obere Streckgrenze ReH) überschreitet. Das bedeutet, dass (bei vorgegebener Rohrgeometrie und vorgegebener Nockengestaltung und -Werkstoff) beispielsweise mit einem Rohr mit dem Spannungs- Dehnungsverlauf 28 (und einer Dehngrenze 29) eine Welle-Nocken-Verbindung mit höherer Verdrehfestigkeit erreicht werden als mit einem Rohr, dessen Spannungs- Dehnungsverlauf 26 eine höhere Dehngrenze 27 aufweist.
Weiterhin hat sich überraschend herausgestellt, dass eine besonders feste Verbindung des Hohlwellenteils 12 mit dem Nocken 14 erreicht werden kann, wenn der Werkstoff des Hohlwellenteils 12 jenseits des plastischen Fließbeginns erst relativ spät (d.h. bei möglichst hohen Dehnungen) verfestigt und/oder einen Dehnungsbereich 32 aufweist, der ohne nennenswerten Spannungsanstieg zur Bauteilplastifizierung beiträgt. Ein
entsprechender Spannungs-Dehnungsverlauf ist in Kurve 30 dargestellt; das zugehörige Rohrmaterial weist eine niedrige (aber innerhalb des Intervalls A liegende) Dehngrenze 31 und einen unmittelbar daran anschließenden Dehnungsbereich 32 der Breite D auf, in dem bei. steigender Dehnung die Spannung zumindest im Wesentlichen konstant bleibt. Dieser Dehnungsbereich 32 hat somit die Form eines Spannungsplateaus mit zumindest im Wesentlichen konstanter Spannung bei zunehmender Dehnung. Er hat eine Breite D von mindestens 2% und erstreckt sich über einen Bereich zwischen dem Erreichen der Dehn- bzw. Streckgrenze und dem signifikanten Anstieg der Spannung aufgrund der Verfestigung des dritten Werkstoffs beim Zugversuch.
Vor dem Hintergrund des bisher Geschilderten ergibt sich daraus, dass das Hohlwellenteil 12 vorteilhafterweise aus einem Rohrmaterial mit einem Spannungs-Dehnungsverlauf 30 ausgebildet ist, da dieser einerseits den geschilderten Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit genügt und andererseits eine besonders verdrehfeste Verbindung des
Hohlwellenteils 12 mit dem Nocken 14 ermöglicht. Dieses Rohrmaterial verfestigt nach dem plastischen Fließbeginn erst relativ spät und weist den besonders ausgeprägten Dehungsbereich 32 auf, der ohne nennenswerten Spannungsanstieg zur
Bauteilplastifizierung beiträgt und sich bei Raumtemperatur über wenigstens 2% Dehnung erstreckt. Bezogen den Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 wird der Dehnungsbereich 32 beispielsweise mit dem Begriff„Streckgrenzdehnung" beschrieben.
Zur Herstellung des Hohlwellenteils 12 aus einem Rohrmaterial mit einem Spannungs- Dehnungsverlauf 30 und den geschilderten vorteilhaften Eigenschaften werden entsprechend speziell ausgewählte und konditionierte Stähle unter Einhaltung der geforderten Festigkeitskennwerte mit dem geschilderten vorteilhaften elastischplastischen Verformungsverhalten verwendet. Dies wird beispielsweise erreicht durch die entsprechende Wahl einer Legierungszusammensetzung sowie von Herstellparametern in einem Walz- und/oder Rohrwerk zum Herstellen des Hohlwellenteils 12.
Neben der oben beschriebenen Innenhochdruckumformung zur Herstellung der
Verbindungsanordnung 10 von Wellenteil 12 und Nabenteil 14 kann die
Verbindungsanordnung 10 insbesondere auch durch lokales Aufweiten des Wellenteils 12 mit Hilfe eines zurückziehbaren Doms hergestellt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 695 01 832 T2 beschrieben. Der zurückziehbare Dorn wird in das hohle Wellenteil 12 eingesetzt und positioniert, wodurch der erste Abschnitt des zurückziehbaren Dorns unter einem ersten Teil des hohlen Wellenteils 12 angeordnet wird. Mit Hilfe eines Schmiedewerkzeugs wird dieser erste Teil des hohlen Wellenteils mechanisch reduziert durch Schieben des hohlen Rohrs durch das Schmiedewerkzeug. Dabei wird der zurückziehbare Dorn auch bewegt, um den ersten Abschnitt des zurückziehbaren Dorns unter dem zu reduzierenden Teil des Wellenteils 12 angeordnet zu halten. Durch schrittweises Verschieben des Dorns bzw. des Wellenteils 12 im
Schmiedewerkzeug wird auf dem Wellenteil eine Vielzahl von ersten Teilen und zweiten Teilen gebildet wird, wobei der innere Durchmesser des ersten Teils größer ist als der innere Durchmesser eines zweiten Teils. Auf das in dieser Weise bearbeitete Wellenteil 12 werden Nabenteile 14 aufgefädelt, wobei jedes Nockenelement um einen Bereich mit reduziertem innerem Durchmesser herum angeordnet wird. Diese Bereiche mit reduziertem innerem Durchmesser des Wellenteils 12 werden anschließend mechanisch aufgeweitet, um die Nabenteile 14 auf dem Wellenteil 12 zu fixieren. Dieser Aufweitschritt wird mit Hilfe eines Aufweitwerkzeugs durchgeführt, das einen größeren Durchmesser als der innere Durchmesser der dickeren Wandbereiche und einen kleineren Durchmesser als der innere Durchmesser der dünneren Wandbereiche hat.

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungsanordnung (10) eines Wellenteils (12) mit einem Nabenteil (14), bei welcher das Nabenteil (14) und das zumindest bereichsweise in einer Aussparung (18) des Nabenteils (14) aufgenommene Wellenteil (12) über jeweilige
Verbindungsbereiche (20, 22) unter zumindest teilweiser plastischer Verformung des Wellenteils (12) und weitestgehend nur elastischer Verformung des Nabenteils (14) in den jeweiligen Verbindungsbereichen (20, 22) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff des Wellenteils (12) einen Spannungs-Dehnungs- Verlauf (30) hat, der ab dem Auftreten von plastischem Fließen einen sich über wenigstens 2% Dehnung erstreckendes Dehnungsbereich (32) mit zumindest im Wesentlichen konstanter Spannung bei zunehmender Dehnung aufweist.
2. Verbindungsanordnung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wellenteil (12) zumindest bereichsweise als Hohlwellenteil (12) ausgebildet ist.
3. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wellenteil (12) und das Nabenteil (14) durch zumindest lokales plastisches Aufweiten des Außendurchmesser des Wellenteils in dessen Verbindungsbereich (20) miteinander verbunden sind.
4. Verbindungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenteil (12) und das Nabenteil (14) durch zumindest lokales plastisches Innenhochdruckumformen des Wellenteils (12) miteinander verbunden sind.
5. Verbindungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wellenteil (12) und das Nabenteil (14) durch lokales mechanisches Aufweiten des Wellenteils (12) miteinander verbunden sind.
6. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Nabenteil (14) als Funktionselement, insbesondere als Nocken (14) und/oder Ring und/oder Verzahnungselement mit einer Verzahnung und/oder als
Nockenwellenverstelleinrichtung und/oder als Fügeflansch und/oder als
Schwungmasse, ausgebildet ist.
7. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Werkstoff des Wellenteils (12) ein unlegierter oder mikrolegierter oder niedriglegierter Stahl, ist.
8. Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch das Wellenteil (12) und das Nabenteil (14) eine Nockenwelle (16), insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, gebildet ist.
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