DE29519523U1 - Weight-reduced camshaft - Google Patents
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Description
(17 454) Gewichtsreduzierte Nockenwelle (17 454) Weight-reduced camshaft
Die Neuerung betrifft eine gewichtsreduzierte Nockenwelle mit mindestens zum Teil nichtzylindrischer Außenfläche, bestehend aus einem aus einem Rohrrohling durch in einem der Hega.tivfOrm der Nockenwelle entsprechenden, lückenlos schließbaren Formwerkzeug durch Innendruck ausgeformten, metallischen Hohlkörper.The innovation concerns a weight-reduced camshaft with at least a partially non-cylindrical outer surface, consisting of a metallic hollow body formed from a tube blank by means of internal pressure in a molding tool that corresponds to the hege.tive shape of the camshaft and can be closed without gaps.
Gewichtsreduzierte Nockenwellen dieser Art sind bspw. nach der DE 29 50 275 Al bekannt. Unter "mindestens zum teil nichtzylindrischer Außenfläche" sind Wellenbereiche zu verstehen, die kon- oder exzentrisch über die zylindrische Grundform der eigentlichen Wellen herausragen, also die Nocken von Nockenwellen. Solche hoch belasteten und beanspruchten Bauelemente sind in der Regel massiv aus Stahl oder Gußeisen geeigneter Wahl gebildet, und soweit es sich dabei um Hohlwellen handelt, so sind diese mit ausgebohrten oder vorgegossenen zentrischen Kanälen versehen, die später für die Schmiermittelzufuhr dienen können. Insbesondere im Motoren- und Fahrzeugbau ist man inzwischen aus bekannten Gründen bemüht, so leicht wie möglich zu bauen, um dadurch an Gewicht zu sparen. Wollte man dies für Wellen der hier interessierenden Art verwirklichen, so böte es sich an, die Wellenkörper von vornherein als Hohlwellen zu gießen, was aber damit verbunden ist, daß Kerne verwendet werden müssen, die ausReduced-weight camshafts of this type are known, for example, from DE 29 50 275 Al. The term "at least partially non-cylindrical outer surface" refers to shaft areas that protrude concentrically or eccentrically beyond the cylindrical basic shape of the actual shafts, i.e. the cams of camshafts. Such highly loaded and stressed components are usually made of solid steel or cast iron of a suitable choice, and if they are hollow shafts, they are provided with drilled or pre-cast central channels that can later be used for the lubricant supply. In particular in engine and vehicle construction, efforts are now being made to build as light as possible for well-known reasons in order to save weight. If one wanted to achieve this for shafts of the type of interest here, it would be advisable to cast the shaft bodies as hollow shafts from the outset, but this means that cores must be used that are made of
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Formsand besonderer Art bestehen, der nach Gebrauch einer Sonderentsorgung bedarf.Special types of molding sand require special disposal after use.
Ohne Kerne bei der Herstellung koirant eine Nockenwelle nach dem JP-Abstract 1-23 87 65 aus, da hierbei ein Modell aus einem Stahlrohr benutzt wird, auf dem eine äußere Lage aus Polystylen aufgebracht ist. Beim Eingießen des Flüssigmetalls brennt dann das Polystylen weg, und der zunächst vom Polystylen eingenommene Raum wird vom Flüssigmetall eingenommen. Abgesehen vom Aufwand der Vorfertigung des Modells und der Fraglichkeit eines lunkerfreien Gusses besteht die Außenlage auch im Bereich der Nocken aus Vollmaterial. Gleiches gilt in etwa auch für eine Nockenwelle nach der US-PS 4 977 793, für deren Herstellung das Stahlrohr und vorgefertigte Nockenkörper in die Gießform eingesetzt und dann durch Vergießen miteinander verbunden werden, wobei durch besondere Ausnehmungsgestaltungen am Stahlrohr und an den Nockenkörpern für eine verdrehfeste Verbindung dieser Elemente mittels des eingegossenen Materials gesorgt wird.A camshaft according to JP Abstract 1-23 87 65 is not suitable for manufacturing without cores, as a model made of a steel tube is used, onto which an outer layer of polystyrene is applied. When the liquid metal is poured in, the polystyrene burns away and the space initially occupied by the polystyrene is taken up by the liquid metal. Apart from the effort of prefabricating the model and the questionable nature of a void-free casting, the outer layer in the area of the cams is also made of solid material. The same applies to a camshaft according to US Patent 4,977,793, for the manufacture of which the steel tube and prefabricated cam bodies are inserted into the mold and then connected to one another by casting, whereby special recess designs on the steel tube and on the cam bodies ensure that these elements are connected in a torsion-proof manner using the cast-in material.
Unter Ausnutzung der durch Innendruck in Form gebrachten Welle nach der eingangs erwähnten DE 29 50 275, die sich, so "nackt" wie sie war, nicht durchsetzen konnte und die keine Nachbearbeitung, zumindest keine aufwendige Nacharbeit garantieren sollte, ist dann gemäß DE 43 14 138 Cl vorgeschlagen worden, die Welle aus einem druckverformten, von der zylindrischen Grundform abweichenden Stahlrohrkern zu bilden, wobei die äußere Lage zwangsläufigUsing the shaft formed by internal pressure according to the aforementioned DE 29 50 275, which, as "naked" as it was, was not able to prevail and which was not supposed to guarantee any reworking, at least no complex reworking, it was then proposed according to DE 43 14 138 Cl to form the shaft from a pressure-formed steel tube core that deviates from the basic cylindrical shape, whereby the outer layer inevitably
auch die im wesentlichen radial orientierten und aus der zylindrischen Oberfläche des Stahlrohrkernes kon- oder exzentrisch herausragenden Druckverformungen vollständig bedeckt. Wesentlich war hierbei also, daß der sonst notwendige Gießkern durch den druckverformten Stahlrohrkern ersetzt ist, der ein integrales Bestandteil der Welle bildet und der der Welle auch die notwendige Stabilität vermittelt. Da es sich bei einem Stahlrohrkern per se, wie beim vorerwähnten Stand der Technik, auch um einen Hohlkörper handelt, entsteht durch die Verwendung eines solchen Stahlrohrkernes automatisch eine Hohlwelle. Nur über dem Umweg einer Kombination aus Innendruckausformung und anschließender Umgießung des durch Innendruck ausgeformten Wellenrohlings bzw. Wellenkerns kam man also zur gewünschten, allerdings noch eine Endbearbeitung erfordernden Hohlwelle. Abgesehen davon, daß man hierbei noch von einem sich gewichtsmäßig niederschlagenden und mit beträchtlichem Untermaß auf im wesentlichen schon auf Endform gebrachten Stahlrohrrohling ausging, wurde, soweit bekannt, eine solche Hohlwelle nach der DE 43 14 138 Cl noch nicht von einschlägigen Herstellern aufgegriffen, da einerseits der damit verbundene Gießaufwand nicht ohne weiteres für eine Serienfertigung geeignet erschien und zum anderen die Gewichtseinsparung durch Verwendung einer im wesentlichen schon äußerlich der Endform in etwa entsprechenden Hohlwelle als Kern, durch die per Gießen zwangsläufig entsprechend dick zu haltende äußere Lage zumindest zum Teil wieder reduziert wurde.also the essentially radially oriented compression deformations that protrude concentrically or eccentrically from the cylindrical surface of the steel tube core are completely covered. It was therefore essential that the otherwise necessary casting core was replaced by the compression-formed steel tube core, which forms an integral part of the shaft and also provides the shaft with the necessary stability. Since a steel tube core is per se a hollow body, as in the aforementioned state of the art, the use of such a steel tube core automatically creates a hollow shaft. Only by combining internal pressure forming and subsequent casting of the shaft blank or shaft core formed by internal pressure could the desired hollow shaft be achieved, although this still required finishing. Apart from the fact that the starting point here was a steel tube blank that was significantly undersized and had already been brought to its final shape, as far as is known, such a hollow shaft according to DE 43 14 138 Cl had not yet been adopted by relevant manufacturers, since on the one hand the associated casting effort did not appear to be suitable for series production and on the other hand the weight saving by using a hollow shaft that essentially already corresponded to the final shape on the outside as a core was at least partially reduced by the outer layer that inevitably had to be kept correspondingly thick by casting.
Der Neuerung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine gewichtsreduzierte Nockenwelle einer Verschleißflächenvergütung mit einfachen Mitteln und unter Verzicht auf Gießtechniken oder wärmebeanspruchende Härtungstechniken zugänglich zu machen.The innovation is therefore based on the task of making a weight-reduced camshaft accessible to wear surface treatment using simple means and without the need for casting techniques or heat-stressing hardening techniques.
Diese Aufgabe ist mit einer Nockenwelle der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlkörper im Bereich von Gleitlager- und Nockenaußenflächen und in bezug auf deren Endmaße mit Untermaß ausgeformt und mit einer Hartmetallegierungsschicht beschichtet und diese Schicht auf Endmaß beschliffen ist.This object is achieved with a camshaft of the type mentioned at the outset according to the invention in that the hollow body is formed with an undersize in the area of the plain bearing and cam outer surfaces and in relation to their final dimensions and is coated with a hard metal alloy layer and this layer is ground to the final dimension.
Aus diesem Aufbau der Nockenwelle ergibt sich logisch die Herstellungsmethode nämlich derart, daß der Rohrrohling nach seiner Innendruckumformung im Bereich von Verschleißflächen anschließend mit einer Hartmetallegierung beschichtet und auf Endmaß geschliffen wird.The manufacturing method logically follows from this structure of the camshaft, namely that the tube blank after its internal pressure forming is then coated with a hard metal alloy in the area of wear surfaces and ground to the final size.
Das Ganze reduziert sich hierbei vorteilhaft also auf nur drei einfache, für eine Serienfertigung komplikationslos geeignete Bearbeitungsvorgänge, nämlich Innendruckausformung des Rohrrohlings mit geringem Untermaß im Bereich der Laufflächen, keine äußeren Formwerkzeuge erfordernde Beschichtung (bspw. durch Flammauftragsspritzen oder andere geeigneten Auftragsmethoden) mit einer Hartmetallegierung und Endbearbeitung durch Schleifen der beschichteten Laufflächen.The whole thing is advantageously reduced to just three simple processing steps that are suitable for series production without complications, namely internal pressure forming of the pipe blank with a slight undersize in the area of the running surfaces, coating with a hard metal alloy that does not require any external forming tools (e.g. by flame spraying or other suitable application methods) and final processing by grinding the coated running surfaces.
Da bei der neuartigen Nockenwelle bezüglich ihrer Härte an den Laufflächen keine raumbeanspruchende Gußhülle mehr vorhanden ist, besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß der Hohlkörper aus Leichtmetall, vorzugsweise aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gebildet ist. Durch die fehlende Gußhülle kann nämlich bei vergleichbaren Außenabmessungen der gewonnene Raum für eine etwas größere Wandstärkenbemessung genutzt werden, falls dies die Festigkeitswerte der Aluminiumlegierung verlangen sollten. Insbesondere und vorzugsweise bei diesem speziellen Material sind die Gleitlager- und Nockenaußenflächen glatt- und festgewalzt ausgebildet, was keiner besonderen Erläuterung bedarf, da diese Behandlungsmethode bekannt ist, die im vorliegenden Fall jedoch einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt darstellt.Since the new camshaft no longer has a space-consuming cast casing on the running surfaces due to its hardness, an advantageous further development is that the hollow body is made of light metal, preferably a high-strength aluminum alloy. Because the cast casing is missing, the space gained can be used for a slightly larger wall thickness with comparable external dimensions, if the strength values of the aluminum alloy require this. In particular and preferably with this special material, the plain bearing and cam outer surfaces are smooth and rolled, which does not require any special explanation, since this treatment method is known, but in this case it represents an additional processing step.
Mit Rücksicht auf eine möglichst exakte Seitenbegrenzung der Gleitlagerflächen und relativ teures Hartmetallauftragsmaterial, sind in vorteilhaft weiterer Ausgestaltung die Gleitlagerflächen jeweils beidseitig durch eine umlaufende Sicke am Hohlkörper begrenzt, die sich problemlos durch entsprechende Negativsicken in den Formwerkzeugen für das Innendruckverformen darstellen lassen.In order to achieve the most precise possible lateral limitation of the plain bearing surfaces and to use relatively expensive hard metal coating material, in a further advantageous embodiment, the plain bearing surfaces are each limited on both sides by a circumferential bead on the hollow body, which can easily be represented by corresponding negative beads in the molds for internal pressure forming.
Die neuartige, gewichtsreduzierte Nockenwelle wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The new, weight-reduced camshaft is explained in more detail below using drawings of exemplary embodiments.
Es zeigt schematischIt shows schematically
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Nockenwelle undFig. 1 a longitudinal section through a camshaft and
Fig, 2 im Teilschnitt eine besondere Ausführungsform der Hohlwelle im Bereich eines Gleitlagers.Fig. 2 shows a partial section of a special embodiment of the hollow shaft in the area of a plain bearing.
Die Nockenwelle besteht, wie bisher auch schon, aus einem aus einem Rohrrohling durch in einem der Negativform der Hohlwelle entsprechenden, lückenlos schließbaren Formwerkzeug durch Innendruck ausgeformten, metallischen Hohlkörper.As before, the camshaft consists of a hollow metal body formed from a tube blank by internal pressure in a mold that corresponds to the negative shape of the hollow shaft and can be closed without gaps.
Für eine solche Nockenwelle ist nun, orientiert an Fig. 1 wesentlich, daß der Hohlkörper 1 im Bereich von Gleitlager- und Nockenaußenflächen 2, 3 und in bezug auf deren Endmaße E mit Untermaß ausgeformt und mit einer Hartmetallegierungsschicht 4 beschichtet und diese Schicht auf Endmaß E beschliffen ist.For such a camshaft, based on Fig. 1, it is essential that the hollow body 1 is formed with an undersize in the area of the plain bearing and cam outer surfaces 2, 3 and in relation to their final dimensions E and is coated with a hard metal alloy layer 4 and that this layer is ground to the final dimension E.
Im Bereich der Gleitlager- und Nockenaußenflächen 2, 3 sind also die hier nicht dargestellten Formwerkzeuge je nach erforderlicher Dicke der aufzubringenden Hartmetallegierungsschicht 4 und in bezug auf das tatsächliche Endmaß reduziert bemessen. Auf diese Flächen 2, 3 wird dann mit einem der heutigen gängigen Auftragsverfahren (bspw. Pulverauftragsflammspritzen) die Hartmetallegierungsschicht 4 mit einer Stärke aufgetragen, die etwas dicker ist als das zu fordernde Endmaß E der Nockenwelle, das nach Auftrag dieser Schicht 4 durch Schleifen hergestellt wird. Da die zu lagernden Enden 6 der NockenwelleIn the area of the plain bearing and cam outer surfaces 2, 3, the molds (not shown here) are therefore dimensioned in a reduced manner depending on the required thickness of the hard metal alloy layer 4 to be applied and in relation to the actual final dimension. The hard metal alloy layer 4 is then applied to these surfaces 2, 3 using one of today's common application methods (e.g. powder application flame spraying) with a thickness that is slightly thicker than the required final dimension E of the camshaft, which is produced by grinding after this layer 4 has been applied. Since the ends 6 of the camshaft to be supported
für die Lagerung in Kugellagern zugänglich sind, bedürfen diese keiner Beschichtung.accessible for storage in ball bearings, these do not require any coating.
Sofern die Nockenwelle, wie in Fig. 1 dargestellt, mittig in einem Gleitlager gelagert werden muß, so wird dort ebenfalls eine entsprechend zu beschleifende Hartmetallegierungsschicht 4 aufgetragen.If the camshaft, as shown in Fig. 1, has to be mounted centrally in a plain bearing, a hard metal alloy layer 4 that is to be ground accordingly is also applied there.
Wie in Fig. 2 dargestellt und um eine seitliche Begrenzung für diese Schicht 4 zu schaffen, ist dort die Gleitlagerfläche 2 der Nockenwelle beidseitig durch eine umlaufende Sicke 5 begrenzt, die sich durch negative Formentsprechung an den Formwerkzeugen beim Innendruckformen automatisch mit ergeben. Vor dem Auftrag der Hartmetallbeschichtung werden, insbesondere und bevorzugt bei Verwendung einer hochfesten Aluminiumlegierung, die zu beschichtenden Flächen in bekannter Weise zwecks Festigkeitserhöhung glatt- bzw. festgewalzt.As shown in Fig. 2 and in order to create a lateral limitation for this layer 4, the plain bearing surface 2 of the camshaft is limited on both sides by a circumferential bead 5, which is automatically created by the negative shape correspondence on the molds during internal pressure forming. Before the hard metal coating is applied, the surfaces to be coated are smoothed or rolled in a known manner in order to increase their strength, particularly and preferably when using a high-strength aluminum alloy.
Da einerseits die aufzutragende Hartmetallschicht auch wenn sie auf Endmaß gebracht ist, noch ausreichend dick sein muß, durch diese relativ kleine Maßreduzierung beim bevorzugten Glatt- und Festwalzen aber andererseits keine ausreichende Maßreduzierung erzielt werden kann, ist es notwendig, den im Bereich von Laufflächen zu beschichtenden Hohlkörper von vornherein durch entsprechende Maßgabe an den Formwerkzeugen maßlich so weit zu reduzieren, daß eine ausreichend dicke Verschleißschicht aufgetragen werden kann, d.h., hierbei muß also gerade umgekehrt vorge-Since, on the one hand, the hard metal layer to be applied must still be sufficiently thick even when it is brought to the final size, but on the other hand, this relatively small reduction in size cannot be achieved with the preferred smooth and deep rolling, it is necessary to reduce the dimensions of the hollow body to be coated in the area of the running surfaces from the outset by making appropriate adjustments to the molding tools so that a sufficiently thick wear layer can be applied, i.e., the opposite must be done here.
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gangen werden, wie das sonst bei Glatt- und Festwalzen von Werkstücken praktiziert wird, d.h., dort muß eine Maßzugabe erfolgen, die der vorher gegebenen Oberflächenrauhigkeit entspricht, um dann auf das gewünschte Endmaß glatt- bzw. festwalzen zu können.be handled in the same way as is otherwise practiced when smoothing and deep rolling workpieces, i.e., a dimension allowance must be made that corresponds to the previously given surface roughness in order to then be able to smooth or deep roll to the desired final dimension.
Claims (4)
daß der Hohlkörper (1) im Bereich von Gleitlagerund Nockenaußenflächen (2, 3) und in bezug auf deren Endmaße (E) mit Untermaß ausgeformt und mit einer Hartmetallegierungsschicht (4) beschichtet und diese Schicht auf Endmaß (E) beschliffen ist.characterized,
that the hollow body (1) is formed with an undersize in the region of the plain bearing and cam outer surfaces (2, 3) and in relation to their final dimensions (E) and is coated with a hard metal alloy layer (4) and this layer is ground to the final dimension (E).
dadurch gekennzeichnet,2. Camshaft according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Camshaft according to claim 1 or 2,
characterized,
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