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EP1107839B1 - Verfahren zur herstellung einer nockenwelle und danach hergestellte nockenwelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer nockenwelle und danach hergestellte nockenwelle Download PDF

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Publication number
EP1107839B1
EP1107839B1 EP00918679A EP00918679A EP1107839B1 EP 1107839 B1 EP1107839 B1 EP 1107839B1 EP 00918679 A EP00918679 A EP 00918679A EP 00918679 A EP00918679 A EP 00918679A EP 1107839 B1 EP1107839 B1 EP 1107839B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
camshaft
tube
high pressure
cams
produced
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00918679A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1107839A1 (de
Inventor
Bodo Furchheim
Hoang Le Thien
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Se Sachsische Elektronenstrahl GmbH
Original Assignee
Se Sachsische Elektronenstrahl GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE1999109184 external-priority patent/DE19909184C2/de
Priority claimed from DE1999132810 external-priority patent/DE19932810C2/de
Priority claimed from DE2000105690 external-priority patent/DE10005690C2/de
Application filed by Se Sachsische Elektronenstrahl GmbH filed Critical Se Sachsische Elektronenstrahl GmbH
Publication of EP1107839A1 publication Critical patent/EP1107839A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1107839B1 publication Critical patent/EP1107839B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing camshafts and one according to camshaft manufactured using this method. It is preferably a Camshafts for engines for motor vehicles, but the method is also suitable for similar products, e.g. Cam discs arranged on a shaft manufacture. These are elements that have a rotational movement in a lifting movement implement by moving the lifting elements on rotating disks with different Run curvature and be moved against the direction of rotation.
  • Camshafts are known which are made in one piece, i.e. forged or are poured.
  • the running surfaces of the cams, which are subject to wear, are after mechanical machining by laser beams, electron beams or TIG remelted or e.g. inductive or a thermal / chemical Process hardened. Then the further mechanical treatment takes place. e.g. the Grinding the bearings and cam shapes.
  • These camshafts have the disadvantage that their weight and the mass to be moved are very high. The high mass of Camshaft adversely affects fuel consumption. Another disadvantage is the high mechanical effort involved in processing the blank.
  • camshafts It is also known to manufacture camshafts from individual parts.
  • the single ones Cams are placed on the shaft, and preferably by welding connected, pressed or shrunk.
  • Weight of the solid cam discs removed from one piece, because the shaft can be a hollow shaft, but the manufacturing effort is still very high.
  • camshafts in such a way that an elongated one Hollow body, i.e. a hollow shaft by hydroforming - forming process (IHU process ) Forms acting as cams individually or one after the other or are generated simultaneously (DE-A-196 17 593).
  • IHU process hydroforming - forming process
  • Corresponding two-part or four-part tools ensure that Push the hollow shaft in the axial direction that defines the position of the cams arise and a one-piece molding takes place (WO 97/46341).
  • the camshaft manufactured by this method is deficient afflicted with the fact that the production costs compared to the forged or composite camshafts are lower, but the wear resistance of the Cam area is insufficient. It is not possible to use a material that Wear resistance ensures that the IHU process is practiced. Besides, it is not possible with a small distance between the cams on the shaft, as is usually the case with Automotive engines are required to produce a flat tread on the cams, because at the places of the highest degree of forming are inevitably weakened, which negatively affects the strength.
  • the invention has for its object a method for producing To create camshafts with which by using the known Internal high-pressure forming process can produce camshafts that are firm have low deflection, high torsional strength and high Have flexural rigidity in the load areas on the cam flank and tip.
  • the manufacturing process should be simple. Applying an additional layer, i.e. Wear protection layer in a further process step should be omitted, as well elaborate mechanical rework. The use of materials should be low. The number the required items for the entire camshaft are said to be known Manufacturing processes for camshafts can be reduced.
  • the essence of the invention is that in a separate process accordingly hard and wear-resistant support rings with a small wall thickness and final shape of the cam are produced by these support rings Internal high pressure forming (called IHU) placed in an IHU tool and through the IHU tool and axial forces introduced into the pipe in connection with over a pressure medium generates internal forces a one - or two - stage transformation of the Tube to the camshaft.
  • IHU Internal high pressure forming
  • Process stage is through the hydroforming process the pipe in the area in which the cams are arranged, expanded, with the support rings corresponding to the Positions of the cams are inserted.
  • the support rings In the case of cams that run very pointed, the support rings have the same wall thickness have the disadvantage that the tube is subject to a high degree of deformation and under A multi-stage forming process may be necessary. With that rise Manufacturing costs with falling productivity. Furthermore exist outside of Camshaft in the cylinder head Interfering contours between or next to the cam. Through it the available space is limited and the IHU process is made more difficult. This limitation is, if at all, only due to a complicated, multi-stage Eliminate IHU process. This in turn requires high manufacturing costs. Therefore there is an advantageous embodiment of the method, or of those produced thereafter Wave in that the support rings, which are manufactured in a separate process, correspond to the function-related contour on the outside and a slightly larger one on the inside Have diameter than the tube. The wall thickness of the support ring is not uniformly thick, but has a greater thickness in the area of the cam tip. This means that the support ring has a variable thickness as a cam and the inner contour is no circle.
  • the method according to the invention essentially consists of two or several well-known modern manufacturing processes can be combined.
  • Another advantageous embodiment of the method consists in that drive and / or control elements also attached to the shaft by the IHU method become. Storage areas can also be expanded by expanding the pipe through the IHU - Processes are generated. Especially those due to the plastic deformation process The resulting strain hardening of the pipe material is advantageous.
  • the camshaft produced by the method according to the invention is characterized by hollow cams and very thin-walled support rings in weight very light and owns high rigidity.
  • the support rings do not or only slightly mechanically reworked.
  • Their hardness is according to the requirements already given what the usual subsequent hardening, e.g. induction hardening or remelt hardening in a vacuum process.
  • the further design of the method provides an additional advantage in that the round kneading or upsetting in connection with the IHU process in contrast to all known manufacturing processes a very low manufacturing cost and thus also requires low costs. Above all, these are reduced that the number of separate parts to be manufactured and then joined is very low.
  • the manufacturing according to the invention eliminates sources of error that could occur due to the previous joining of end pieces.
  • the method also consists in the functional elements being kneaded can be produced in their geometry, dimensional accuracy and surface quality and a require very little mechanical rework. Often only one is required Grinding process for completion.
  • the camshaft produced by the method according to the invention consists of a small number of individual parts. With the end of the forming process, they are Cam rings non-positively and positively connected to the shaft.
  • the support rings opposite the prior art consists of plastics or sintered materials. This Materials offer the advantage of simple manufacture at low manufacturing costs.
  • Ceramic materials can also be used. You have the advantage with the highest wear resistance and lowest weight, the lightest Manufacture camshaft.
  • camshaft Another advantageous embodiment of the camshaft is that the tube made of aluminum or titanium. This makes the camshaft very light.
  • a thin-walled tube 1 made of a readily deformable material is by IHU deformation the camshaft is produced close to the contour in a press mold; i.e. the places where a cam 2 has its seat is according to the dimensions of the cam 2 and shaped their location.
  • the shaft with its cam 2 is a single hollow body.
  • a tube made of wear-resistant material profiled that the final shape of the support ring 3 (cam) is given and hardened.
  • the prefabricated tube 1 to be formed into the camshaft is formed by the Support rings 3 pushed and together with them in the open forming tool inserted. In this way, all individual parts are fixed in position.
  • the forming tool is axially closed and radial the force application can be used for forming.
  • the Force application begins with a defined axial force on the pipe 1 and / or Tool, supported by a defined internal pressure in the pipe 1. After the The tool is completely closed axially and radially using a pure IHU process the positive and non-positive connection of tube 1 and support ring 3. On the End of the tube 1 are bearing or drive elements 5 in a known manner applied. It is also possible to use the IHU process on tube 1 Fasten.
  • Another example is the manufacture of a camshaft by the IHU - Process described in combination with the kneading process according to FIG. 4.
  • the tube 1 made of a readily deformable material is deformed to thicken at its ends by kneading or upsetting. This reduces its inside diameter D I on one side and produces its outside diameter D A , so that a zone 6 reinforcing the camshaft is created.
  • a functional element 7 the seat of which is brought to its final dimension by grinding.
  • the inner diameter D is likewise reduced by kneading or upsetting, at the same time as the kneading of the end already described, and a further functional element 7 (bearing seat, control cam, etc.) is created.
  • the collar 8 is also upset, which is necessary for flanging on other units.
  • the support rings 3 which are produced in a separate process and which correspond to the shape of the cams, and the sprocket (not marked) are attached in a force-fitting and positive manner by IHU processes.
  • the support rings 3 and the sprocket are placed in the hydroforming tool.
  • Fig. 5 an embodiment of the camshaft is shown, in which the support ring 3 a has different thickness.
  • the tube 1 made of a readily deformable material has an outer diameter d a .
  • the support ring 3 made of sintered metal has the function-related shape on the outside and is not a circle on the inside. Its inner diameter D i is slightly larger than the outer diameter d a of the tube 1.
  • the thickness of the support ring 3 is not constant.
  • the height A which would arise if one assumes a constant support ring thickness, is greater than the height A 'of the maximum deformation of the tube 1, and thus the radius R i ' in the region of the deformation of the tube 1 is greater than R i when assumed same thickness c of the support ring 3. In this area, the thickness c 'of the support ring 3 is greater and runs in the constant thickness c.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
  • Gears, Cams (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen und eine nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle. Vorzugsweise handelt es sich um Nockenwellen für Motoren für Kraftfahrzeuge, jedoch ist das Verfahren auch geeignet, um ähnliche Erzeugnisse, wie z.B. auf einer Welle angeordnete Kurvenscheiben herzustellen. Das sind Elemente, die eine Rotationsbewegung in Hubbewegung umsetzen, indem die Hubelemente auf rotierenden Scheiben mit unterschiedlicher Krümmung laufen und entgegen der Drehrichtung bewegt werden.
Es sind Nockenwellen bekannt, die aus einem Stück hergestellt, d.h. geschmiedet oder gegossen sind. Die Laufflächen der Nocken, die dem Verschleiß unterliegen, sind nach einer mechanischen spanenden Bearbeitung durch Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder WIG umgeschmolzen oder z.B. induktiv oder einem thermisch / chemischen Prozeß gehärtet. Danach erfolgt die weitere mechanische Behandlung. z.B. das Schleifen der Lager und der Nockenformen. Diese Nockenwellen haben den Nachteil, dass ihr Gewicht und die damit zu bewegende Masse sehr hoch ist. Die hohe Masse der Nockenwelle wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus. Ein weiterer Nachteil ist der hohe mechanische Aufwand bei der Bearbeitung des Rohlings.
Es ist weiterhin bekannt, Nockenwellen aus Einzelteilen herzustellen. Die einzelnen Nocken werden auf die Welle gebracht und mit ihr vorzugsweise durch Schweißen verbunden, aufgepreßt oder aufgeschrumpft. Hierbei ist der Mangel des hohen Gewichts der massiven Kurvenscheiben aus einem Stück zwar beseitigt, denn die Welle kann eine Hohlwelle sein, jedoch ist der Aufwand der Herstellung noch sehr hoch.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es auch bekannt, die einzelnen Nocken auf der Hohlwelle derart zu befestigen, indem die Hohlwelle nach dem Aufschieben der Nocken durch Einwirken von Druck aufgeweitet wird. Als Druckmedien werden bevorzugt Flüssigkeiten verwendet. Der Druck wird mittels Kolben oder Stempel erzeugt ( DE 34 09 541 ; 35 21 206; US 4 660 269; 5 259 268). Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass die Herstellung der Einzelteile, insbesondere das Fügen , technologisch kompliziert ist und die Innenkontur der Nocken einschränkt.
Es ist weiterhin bekannt, Nockenwellen derart herzustellen, dass ein länglicher Hohlkörper, d.h. eine Hohlwelle durch Innenhochdruck - Umformverfahren (IHU-Verfahren genannt) Ausformungen als Nocken wirkend einzeln oder nacheinander oder gleichzeitig erzeugt werden( DE-A-196 17 593).
Entsprechend zweiteilige oder vierteilige Werkzeuge gewährleisten durch das Nachschieben der Hohlwelle in axialer Richtung, dass die Nocken in ihrer Lage definiert entstehen und eine einstückige Ausformung erfolgt (WO 97/46341 ).
Die nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle ist jedoch mit dem Mangel behaftet, dass zwar die Herstellungskosten gegenüber den geschmiedeten oder zusammengesetzten Nockenwellen geringer sind, aber die Verschleißfestigkeit der Nockenfläche ist unzureichend. Es ist nicht möglich, mit einem Material, welches die Verschleißfestigkeit gewährleistet, das IHU - Verfahren auszuüben. Außerdem ist es nicht möglich bei geringem Abstand der Nocken auf der Welle, wie es in der Regel bei Kfz-Motoren erforderlich ist, eine ebene Lauffläche der Nocken zu erzeugen, denn an den Stellen des höchsten Umformgrades wird zwangsläufig das Material geschwächt, was die Festigkeit negativ beeinflußt.
Wird ein Material für die Hohlwelle verwendet, welches zur Verringerung dieser Mängel beiträgt, so läßt dieses zwar eine gute Verformung zu, aber die Härte bzw. Verschleißfestigkeit ist selbst durch einen nachfolgenden Härteprozeß nicht erreichbar. Gerade die Härte und Verschleißfestigkeit der Nocken ist aber Grundvorraussetzung für eine hohe Lebensdauer der Nockenwellen im Kfz-Motor. Es ist auch sehr schwer, wenn überhaupt möglich, im gesamten Bereich der Nockenwelle, d.h. der Welle selbst und speziell den Flanken und Spitzen des Nockens die notwendigen Materialdicken zu erreichen.
Es ist weiterhin bekannt , die Nockenbahn bildende Rohrabschnitte mit einer exzentrischen Profilierung herzustellen und diese unter Anwendung eines Pressitzverbundes zu verstärken. Die Herstellung des Nockens erfolgt durch Explosivumformung eines Rohres. Die einzelnen Nocken werden entsprechend zueinander versetzt auf der Nockenwelle befestigt ( DD 243 223). Diese derzeit hergestellten Nockenwellen erfordern einen hohen Herstellungsaufwand und haben ein hohes Gewicht. Der plastische Umformprozeß ist nicht zeitabhängig steuerbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Nockenwellen zu schaffen, mit welchem durch Anwendung des bekannten Innenhochdruck - Umformverfahrens Nockenwellen herstellbar sind, die fest sind, geringe Durchbiegung aufweisen, hohe Torsionsfestigkeit besitzen und eine hohe Biegesteifigkeit in den Belastungsflächen auf der Nockenflanke und - spitze besitzen. Das Herstellungsverfahren soll einfach sein. Ein Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, d.h. Verschleißschutzschicht in einem weiteren Prozeßschritt soll entfallen, ebenso wie aufwendige mechanische Nacharbeiten. Der Materialeinsatz soll gering sein. Die Anzahl der erforderlichen Einzelteile für die gesamte Nockenwelle soll gegenüber bekannten Fertigungsverfahren für Nockenwellen reduziert sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und 9 bis 17 beschrieben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass in einem getrennten Verfahren entsprechend harte und verschleißfeste Tragringe mit geringer Wanddicke und der endgültigen Form des Nockens hergestellt werden, diese Tragringe durch Innenhochdruck - Umformen (IHU genannt) in ein IHU - Werkzeug eingelegt und durch das IHU - Werkzeug und in das Rohr eingeleitete axiale Kräfte in Verbindung mit über ein Druckmedium erzeugte Innenkräfte eine ein - oder zweistufige Umformung des Rohres zur Nockenwelle erfolgt.
Mit Beendigung des Umformprozesses erfolgt die kraft - und formschlüssige Verbindung des Nockens mit dem Tragring. An den Enden der Nockenwelle sind an sich bekannte Lagerelemente angeordnet, die in an sich bekannter Weise befestigt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird in einer Verfahrensstufe, die dem vorgenannten Verfahren vorangestellt ist, ein Rohr aus einem Werkstoff , der die erforderlichen Eigenschaften für die Verformung und mechanischen Anforderungen erfüllt, durch das bekannte Kneten, auch Rollkneten genannt ,oder das Anstauchen, derart verformt , dass das Rohr ganz oder teilweise oder nur die Nockenwellenenden plastisch umgeformt, also z.B. abgestreckt und / oder angedickt werden. An den Enden werden so Formelemente für Antriebs - und Steuerelemente, z.B. der Sitz für Zahnräder geschaffen. In der folgenden o.g. Verfahrensstufe wird durch das IHU - Verfahren das Rohr in dem Bereich, indem die Nocken angeordnet sind, aufgeweitet, wobei vorher in das IHU - Werkzeug die Tragringe entsprechend der Positionen der Nocken eingelegt werden.
Bei Nocken, die sehr spitz verlaufen tritt, wenn die Tragringe eine gleiche Wanddicke haben der Nachteil auf, dass das Rohr einem hohen Umformgrad unterliegt und unter Umständen ein mehrstufiger Umformprozeß erforderlich ist. Damit steigen die Herstellungskosten bei sinkender Produktivität. Weiterhin existieren außerhalb der Nockenwelle im Zylinderkopf Störkonturen zwischen bzw. neben den Nocken. Durch sie wird der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt und der IHU - Prozeß erschwert. Diese Einschränkung ist, wenn überhaupt, nur durch einen komplizierten, mehrstufigen IHU - Prozeß zu beseitigen. Das wiederum erfordert hohe Herstellungskosten. Daher besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, bzw. der danach hergestellten Welle darin, dass die Tragringe, die ein einem getrennten Verfahren hergestellt werden, außen der funktionsbedingten Kontur entsprechen und im Innern einen etwas größeren Durchmesser als das Rohr aufweisen. Die Wandstärke des Tragringes ist nicht gleichmäßig dick, sondern weist im Bereich der Nockenspitze eine größere Dicke auf. Das bedeutet, der Tragring hat als Nocken eine variable Dicke und die Innenkontur ist kein Kreis.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im Wesentlichen darin, dass zwei oder mehrere bekannte moderne Fertigungsverfahren miteinander kombiniert werden.
Es ist vorteilhaft, mindestens eine Rille radial in den Tragring einzubringen, um das seitliche Verschieben des Tragringes zu verhindern, indem bei der Druckeinwirkung sich diese Rille mit Material der Welle ausfüllt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass Antriebs - und / oder Steuerelemente auch durch das IHU - Verfahren auf der Welle befestigt werden. Ebenso können Lagerflächen auch durch Aufweiten des Rohres durch das IHU - Verfahren erzeugt werden. Besonders die infolge des plastischen Verformungsprozesses entstehende Kaltverfestigung des Rohrmaterials ist vorteilhaft.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle ist durch die hohlen Nocken und sehr dünnwandigen Tragringe im Gewicht sehr leicht und besitzt eine hohe Steifigkeit. Es besteht der Vorteil, dass die Tragringe nicht oder nur wenig mechanisch nachzuarbeiten sind. Ihre Härte ist entsprechend den Anforderungen bereits gegeben, was das sonst übliche nachträgliche Härten, z.B. das Induktionshärten oder Umschmelzhärten in einem Vakuumprozeß erspart.
Durch die weitere Ausgestaltung des Verfahrens tritt ein zusätzlicher Vorteil ein, indem das Rundkneten oder Stauchen in Verbindung mit dem IHU - Verfahren im Gegensatz zu allen bekannten Herstellungsverfahren einen sehr geringen Fertigungsaufwand und damit auch geringe Kosten erfordert. Diese werden vor allem dadurch noch vermindert, dass die Anzahl der getrennt zu fertigenden und anschließend zu fügenden Einzelteile sehr gering ist. Durch die Fertigung gemäß der Erfindung entfallen Fehlerquellen, die durch das bisherige Fügen von Endstücken auftreten konnten. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahren besteht auch darin, dass durch den Knetprozeß Funktionselemente herstellbar sind, die in ihrer Geometrie, Maßhaltigkeit und Oberflächengüte und eine sehr geringe mechanische Nacharbeit erfordern. Es bedarf oft nur eines Schleifprozesses zur Fertigstellung.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle besteht aus einer geringen Zahl von Einzelteilen. Mit Beendigung des Umformprozesses sind die Nockenringe kraft - und formschlüssig mit der Welle verbunden.
Es ist auch vorteilhaft, den Tragring an der dem Rohr zugewandten Seite ein - oder beidseitig mit Fasen zu versehen. Dadurch wird auch das seitliche Verschieben auf der Welle verhindert.
Eine vorteilhafte Ausführung der Tragringe besteht darin, dass der Tragring gegenüber dem Stand der Technik aus Kunststoffen oder Sinterwerkstoffen besteht. Diese Materialien bieten den Vorteil der einfachen Fertigung bei niedrigen Herstellkosten.
Desweiteren können Keramikwerkstoffe zum Einsatz kommen. Sie haben den Vorteil bei höchsten Verschleißfestigkeiten und geringstem Gewicht damit die leichteste Nockenwelle herzustellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Nockenwelle besteht darin, dass das Rohr aus Aluminium oder Titan besteht. Dadurch wird die Nockenwelle sehr leicht.
An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
Fig.1:
einen Längsschnitt durch eine fertige Nockenwelle,
Fig.2:
einen Querschnitt durch einen Nocken auf der Welle,
Fig.3:
einen Ausschnitt als Längsschnitt durch einen Nocken auf der Welle.
Fig.4:
eine Nockenwelle mit durch Rundkneten / Stauchen verformten Enden
Fig.5:
eine Nockenwelle mit Tragringen variabler Dicke im Schnitt
Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Herstellung einer Nockenwelle nach dem IHU - Verfahren.
An einem dünnwandigen Rohr 1 aus einem gut verformbaren Material wird durch IHU-Verformung in einer Preßform die Nockenwelle konturennah hergestellt; d.h. die Stellen, wo eine Nocke 2 ihren Sitz hat wird entsprechend den Abmessungen der Nocke 2 und ihre Lage ausgeformt. Die Welle mit ihrem Nocken 2 ist ein einziger Hohlkörper. In einem bekannten Prozeß werden unabhängig Tragringe 3 , wie aus Fig.2 und 3 ersichtlich hergestellt. Dazu z.B. wird ein Rohr aus verschleißfestem Material so profiliert, dass die endgültige Form des Tragringes 3 (Nockens) gegeben ist und gehärtet. Das zur Nockenwelle umzuformende vorgefertigte Rohr 1 wird durch die Tragringe 3 geschoben und gemeinsam mit ihnen in das geöffnete Umformwerkzeug eingelegt. Alle Einzelteile sind auf diese Weise lagefixiert. Das Umformwerkzeug wird axial geschlossen und radial kann die Krafteinleitung zur Umformung einsetzen. Die Krafteinleitung beginnt mit einer definierten axialen Kraft auf das Rohr 1 und /oder das Werkzeug, unterstützt von einem definierten Innendruck im Rohr 1. Nach dem vollständigen Schließen des Werkzeuges axial und radial erfolgt mit einem reinen IHU-Prozeß das form- und kraftschlüssige Verbinden von Rohr 1 und Tragring 3. Auf das Ende des Rohres 1 sind Lager - oder Antriebselemente 5 in bekannter Weise aufgebracht. Es ist auch möglich, diese durch den IHU - Prozeß auf dem Rohr 1 zu befestigen.
Es ist auch möglich im Innern des Tragringes 3 radial eine Rille 4 einzubringen, wodurch der Halt auf dem Nocken 2 verbessert wird, indem diese Rille 4 sich mit dem Material des Rohres 1 ausfüllt. Möglich ist es auch, den Tragring 3 am Innendurchmesser mit Phasen zu versehen , die sich beim abschließenden IHU - Prozeß mit Material füllen.
An einem weiteren Beispiel wird die Herstellung einer Nockenwelle durch das IHU - Verfahren in Kombination mit dem Knetverfahren gemäß Fig. 4 beschrieben.
Das Rohr 1 aus einem gut verformbaren Material wird an seinen Enden durch Rundkneten oder Stauchen verdickend verformt. Auf einer Seite wird dadurch sein Innendurchmesser DI verringert und sein Außendurchmesser DA hergestellt, so dass eine die Nockenwelle verstärkende Zone 6 entsteht. Am äußersten Ende entsteht ein Funktionselement 7, dessen Sitz durch Schleifen auf sein Endmaß gebracht wird. Am anderen Ende wird ebenfalls durch Kneten oder Stauchen , zugleich mit dem Kneten des bereits beschriebenen Endes ebenfalls der Innendurchmesser D, verringert und ein weiteres Funktionselement 7 (Lagersitz, Steuernocken usw) geschaffen. Im folgenden Verfahrensschnitt wird auch der Bund 8 mit angestaucht, der zum Anflanschen anderer Aggregate erforderlich ist.
Nach der ersten Verfahrensstufe werden die in einem getrennten Verfahren hergestellten Tragringe 3, die der Form der Nocken entsprechen und das Kettenrad (nicht gekennzeichnet) kraft - und formschlüssig durch IHU - Verfahren angebracht.
Dazu werden die Tragringe 3 und das Kettenrad in das IHU - Werkzeug eingelegt.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Nockenwelle gezeigt, bei der der Tragring 3 eine unterschiedliche Dicke besitzt.
Das Rohr 1 aus einem gut verformbaren Material hat einen Außendurchmesser da . Der Tragring 3 aus Sintermetall hat außen die funktionsbedingte Form und ist Innen kein Kreis. Sein Innendurchmesser Di ist etwas größer als der Außendurchmesser da des Rohres 1. Die Dicke des Tragringes 3 ist nicht konstant. Die Höhe A, die entstehen würde wenn man von einer konstanten Tragringdicke ausgeht, ist größer als die Höhe A' der maximalen Verformung des Rohres 1, und somit ist der Radius Ri' im Bereich der Verformung des Rohres 1 größer gegenüber Ri bei angenommener gleichen Dicke c des Tragringes 3. In diesem Bereich ist die Dicke c' des Tragringes 3 größer und verläuft in die konstante Dicke c.
Wenn auch der Tragring 3 in dieser Form in seiner Herstellung geringfügig teuerer ist, so überwiegen die verringerten Kosten für den IHU - Prozeß, der einstufig möglich wird.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus einem Rohr (1), welches durch Einwirkung axialer Kräfte und einem Mediums unter hohem Innendruck verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem getrennten Verfahren hergestellte, der Nockenkontur der erforderlichen Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit entsprechende Tragringe (3) gemeinsam mit dem umzuformenden Rohr (1) in ein Innenhochdruck-Umformwerkzeug eingelegt werden und daß durch Einwirkung von Axialkräften und eines Mediums unter Innenhochdruck durch Aufweiten des Rohres (1) Nocken (2) ausgebildet und die Tragringe (3) kraft- und formschlüssig auf den Nocken (2) befestigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt vor dem Innenhochdruck - Umformen Bereiche, vorzugsweise Enden des Rohres (1) die außerhalb des Bereiches sind, in denen die Nocken (2) ihren Sitz haben derart geknetet und / oder gestaucht werden, dass diese aufgedickt und / oder abgestreckt werden und dabei andere Funktionselemente gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Nockenwellenenden in dem ersten Verfahrensschritt vor dem Innenhochdruck - Umformen Lagerflächen und die späteren Bereiche in denen die Nocken (2) ihren Sitz haben durch Rundkneten erzeugt werden, indem der Durchmesser in diesem Bereich auf ein gewünschtes Maß reduziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Nocken (2) Lagerflächen durch Innenhochdruck - Umformen durch Aufweiten des Rohres (1) erzeugt werden.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragringe (3) vor dem Einlegen in das Innenhochdruck - Umformwerkzeug in bekannter Weise gehärtet werden.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem getrennten Verfahren hergestelltes Zahn - oder Kettenrad in das Innenhochdruck - Umformwerkzeug eingelegt wird und durch das Innenhochdruck - Umformen kraft - und / oder formschlüssig verbunden wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Herstellen der verdickten oder verjüngten Enden der Nockenwelle durch Rundkneten in einem diesem Verfahrensschritt integrierten zusätzlichen Verfahrensschritt eine Innenverzahnung und / oder ein Gewinde hergestellt wird.
  8. Nockenwelle, hergestellt nach Anspruch 1, welche ein Rohr (1) und mit dem Rohr (1) verbundenen Funktionselementen, insbesondere Nocken (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (2) durch ein IHU-Verfahren durch Verformen des Rohres (1) in Form und Stellung konturennah ausgebildet sind, daß ein nach der Nockenkontur geformter Tragring (3) aus einem harten verschleißfesten Material kraft- und formschlüssig auf die Nocken (2) aufgebracht ist, und daß an den Enden des Rohres (1) Lager- und/oder Antriebs- und/oder Steuerelemente (5) angebracht sind.
  9. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragringe (3) gleiche Wanddicke besitzen.
  10. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Tragringe (3) variable ist, wobei im Bereich der Nockenspitze die Dicke größer ist.
  11. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (3) aus Sintermetall, Kunststoff oder Keramik besteht.
  12. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) aus Aluminium, Magnesium oder Titan oder dessen Legierungen besteht.
  13. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Rohres (1) durch Kneten derart verformt sind, daß durch Aufweiten oder Verjüngen der ursprünglichen Durchmesser (Di; da ) des Rohres (1) Lagerflächen. Antriebs - und / oder Steuerelemente und Innen - und / oder Außengewinde erzeugt sind.
  14. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs - und Steuerelemente, vorzugsweise Ketten - oder Zahnräder, durch Innenhochdruck - Umformverfahren aufgebracht sind.
  15. Nockenwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tragring (3) und Antriebs - und Steuerelemente mindestens eine radial verlaufende Rille (4) angebracht ist.
  16. Nockenwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rohr (1) zugewandte Seite des Tragringes (3) und die Antriebselemente ein - oder beidseitig auf der dem Rohr (1) zugewandten Seite Fasen aufweist.
  17. Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (3) vor dem Aufbringen auf den ausgeformten Nocken gehärtet ist.
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