DE8626272U1

DE8626272U1 - Gebaute Nockenwelle aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen

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Publication number: DE8626272U1
Application number: DE19868626272
Authority: DE
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1986-10-01
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 1996-10-02

Description

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Gebaute Nockenwelle aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle oder dergleichen aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen. Bei den genannten aufgeschobenen Elementen kann es sich um Steuernocken, Lagerringe und Zahn- oder Kegelräder handeln, die drehfest und winkelgenau mit dem Wellenrohr verbunden sein müssen.

Es sind gebaute Nockenwellen bekannt, bei denen fertigbearbeitete Nocken und Lagerringe nach thermischen Verfahren auf ein Wellenrohr aufgeschrumpft werden (DE-OS 33 01 749). Hierbei ist die Werkstoffwahl der Elemente dadurch beschränkt, daß für die Schrumpfverfahren bestimmte spezifische Wärmedehnungswerte der Werkstoffe erforderlich sind, um die erforderlichen Passungen herzustellen. Um eine ausreichende Spannung zwischen Wellenrohr und Elementen zur drehfesten Verbindung sicherzustellen, sind auch an den Wellenwerkstoff bestimmte erhöhte Anforderungen an Festigkeit und Oberflächenhärte zu stellen Das Fügen des Wellenrohres und der Elemente ist aufgrund der erforderlichen Temperaturbehandlung langwierig und aufwendig. Durch die Temperaturerhöhung beim Fügen ist ein Härteverlust der Elemente unvermeidlich.

Es sind weiterhin Nockenwellen bekannt, bei denen einzelne Nocken formschlüssig auf Profilstäbe aufgeschoben und beispielsweise durch Schrumpfen, Frosten, Löten, Schweißen oder Verkleben mit diesen verbunden werden (DE-OS 23 36 241, DE-GM 79 20 957). Gegenüber üblichen Nockenwellen lassen sich hiermit keine Gewichtsvorteile erzielen, ein Ändern oder Anpassen der Winkellage der Nocken bedingt eine völlige Umgestaltung der Bauteile.

Es ist weiterhin bekannt, eine Nockenwelle, bestehend aus einer Hohlwelle und aus mit Längs- oder Umfangsnuten versehenen Lagersitzen und Nocken, dadurch zu verbinden, daß das Wellenrohr abschnittsweise mittels Innendruck aufgeweitet und in die Nuten eingepreßt wird (DE-PS 25 46 B02). Hierbei sind auch die Nocken mit gleichmäßiger Wandstärke rohrartig ausgebildet, so daß

ein umlaufender Sitz auf der Welle unmöglich Ist und somit die Festigkeit der Nocken nicht als gewährleistet erscheint.

Letztendlich ist es bekannt, innenrunde Nocken und Lagersitze auf einem Wellenrohr rein kraftschlüssig festzulegen, indem das Wellenrohr über seiner ganzen Länge durch Innendruck aufgeweitet wird, wobei zur Aufrechterhaltung des Preßsitzes angesichts des dünnwandigen Rohres das Rohr mit einer Kunststoffmasse verfüllt werden muß (DE-PS 32 27 693). Ohne diese Zusatzmaßnahme ist es bisher nicht möglich gewesen, einen sicheren &iacgr;&ogr; drehmomentbelastbaren Festsitz zu erzeugen. Das Aufweiten über die gesamte Länge beinhaltet die Gefahr von Ausbauchungen in den Bereichen zwischen den Nocken, wobei an den Stirnflächen der Nocken eine Kerbwirkung entstehen kann, die die Wellenfestigkeit herabsetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gebaute Welle bereitzustellen, die nach einem einfachen und billigen Herstellverfahren erzeugt werden kann und bei der eine hohe Drehmomentübertragung bei einer vergrößerten Freiheit in der Werkstoffauswahl für Wellenrohr und Nocken bzw. Lagersitze möglich wird.

Die Lösung hierfür besteht in einer gebauten Nockenwelle, die sich dadurch auszeichnet, daß das Material der Längsabschnitte des Wellenrohres einer plastischen Verformung unterzogen wird, während das Material der Elemente den Zustand einer überwiegend elastischen Verformung annimmt. Auf diese Weise werden ohne thermische Verfahrensschritte Festsitze erzeugt, die eine Drehmomentübertragung zulassen, die bis zu 80 % der Torsionsfestigkeit der Welle erreicht. Als Wellenwerkstoff können dabei relativ geringwertige Materialien wie St 35 bis St 52 verwendet werden, während für die Nocken und Lagersitze Werkstoffe großer Festigkeit zum Einsatz kommen können. Das Fügen beeinträchtigt die Materialwerte beider Werkstoffe nicht. Da die Herstellung der Verbindung ohne äußere Wärmezufuhr erfolgt und auch keine Wärmebehandlung zum Spannungsfreimachen erforderlich ist, tritt weder eine die Verbindung beeinträchtigende Materialstrukturveränderung noch ein

. Härteverlust auf. Die auftretenden Maßveränderungen beim Aufweiten sind anders als bei einer Wärmebehandlung - kalkulierbar. Durch die größere Freiheit der Werkstoffwahl für die Elemente kann eine verbesserte Anpassung des Nockenmaterials an unterschiedliche Belastungen vorgenommen werden.

Es sind hierbei Nocken und Lagersitze aus unterschiedlichen Materialien einsetzbar, ohne daß die notwendige Drehmomentübertragung gefährdet ist. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen zum hydraulischen Aufweiten einzelner Längsabschnitte sind einfach und kostengünstig darzustellen im Vergleich mit dem Aufweiten einer Welle durch Einpressen eines Kunststoffs. In weiterhin vorteilhafter Weise verbleibt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Innenquerschnitt des Wellenrohres offen, um auf diese Weise eine Wellenkühlung und Innenschmierung der Lagersitze zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Welle baut leicht und kann bei entsprechender

&iacgr;&ogr; Berücksichtigung der Fügevorgänge ohne nachgeordnete Schleifvorgänge der Nocken oder Lagersitze fertiggestellt werden. Die Darstellbarkeit geringer Abstände der festzulegenden Elemente und an die Funktion spezifisch angepaßte Werkstoffe ermöglichen größere Freiheiten bei der entsprechenden Zylinderkopfkonstruktion.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere dann optimal dargestellt, wenn die Differenz U_min zwischen Wellenaußendurchmesser d_a und Elementinnendurchmesser D₁ vor dem Aufweiten zumindest das 0,9 fache des Außendurchmessers, multipliziert mit dem Quotienten aus 0,2 % - Streckgrenze Rp und Elastizitätsmodul E eingestellt wird. Bei Einstellung dieser Werte kommt es zu der gewünschten elastischen Vorspannung in der Randschicht der Durchgangsöffnung des kraftschlüssig festgelegten Elements.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin dadurch optimal eingehalten, daß die Aufweitung des Rohres auf einer axialen Länge erfolgt, die in der Länge zumindest um 50 % und höchstens um 150 % der Wanddicke an jeder Seite über die Stirnfläche des Elements hinausgeht. Hiermit wird In vorteilhafter Weise sichergestellt daß eine vollständige und im wesentlichen spannungsgleiche Anschmiegung der Rohrwandung an die Durchgangsöffnung des Elementes auf der gesamten Länge erfolgt, wodurch die Gefahr von Mikroschlupf verringert und die Möglichkeit von Passungskorrosion ausgeschlossen wird. Zugleich wird verhindert, daß es zu Ausbauchungen des Rohres mit Kerbwirkungen an den Stirnflächen der Elemente kommen kann.

Besondere Bedingungen ergeben sich, wenn mehrere Elemente eng benachbart liegen, wie es insbesondere bei sogenannten Drei- oder Vierventilmotoren, d.h. bei einer Anordnung von drei oder vier Ventilen je Zylinder der Fall ist. Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend

abzuwandeln, daß die Aufweitung des Wellenrohres in einem zwei oder mehr Elemente überdeckenden Bereich zugleich vollzogen wird. Sofern dies nur bis zu einem Höchstmaß des freien Abstandes der Elemente bis zu 40 % der Wanddicke des Rohres erfolgt, ist ein Ausbeulen des Rohres nicht zu besorgen und ein gleichmäßiger Festsitz der verschiedenen Elemente sichergestellt.

Nach einer günstigen Ausgestaltung reicht die plastische radiale Randverformung an der Durchgangsöffnung der Elemente bei Verwendung duktilen Werkstoffs wie Stahl bis zu einer Materialtiefe, die etwa 10 bis 15 %

&iacgr;&ogr; der geringsten radialen Wanddicke der Elemente beträgt. Hierdurch werden ausreichende Verbindungskräfte erzielt, ohne daß die Festigkeit der Elemente beeinträchtigt ist. Bei harten Werkstoffen wie Guß ist eine plastische Randverformung in dieser Größenordnung nicht möglich und auch nicht erforderlich. In weiterhin günstiger Weise soll die auftretende Dehnung in der Außenzone der Elemente in tangentialer Richtung nach dem Aufweiten in der Größenordnung bis 1 % eingestellt werden, um Schäden bei zusätzlicher Belastung im Einsatz in der Oberfläche auszuschließen. Bei Verwendung duktilen Werkstoffs wie Stahl liegt der bevorzugte Wertebereich für die Dehnung zwischen 0,1 und 0,4 %, während bei spröden Werkstoffen wie Guß die Dehnungswerte zwischen 0,01 und 0,2 % liegen sollen.

In üblicher und günstiger Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß zum Aufweiten im Bereich von Nocken hydraulische Innendrücke von 2000 bis 3500 bar dagegen zum Aufweiten der Welle im Bereich der dünnwandigeren Lagersitze hydraulische Innendrücke im Bereich von 1000 bis 2S00 bar angewandt werden.

In einer günstigen Weiterbildung des Verfahrens ist es möglich, zwischen dem Wellenrohr und dem Element neben dem erfindungsgemäßen Kraftschluß einen Formschluß darzustellen. Hierzu ist es insbesondere möglich, das Wellenmaterial beim Umformen in zumindest eine, vorzugsweise mehrere umfangsverteilte Längsnuten in der Durchgangsöffnung des Elements einfließen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit des Formschlusses ist durch die Ausbildung eines querschnittsgrößeren Mittenabschnittes des Elementes möglich, an den sich zu den Stirnflächen querschnittsverjüngende Abschnitte anschließen. Nach der erstgenannten Ausgestaltung ist in erster Linie die Verbesserung des dauerhaften Festsitzes unter Drehmomentbelastung

möglich, nach der zweiten Ausgestaltung wird eine gleichmäßige Flächenpressung über der Sitzlänge erzielt und der Neigung des Rohres zum Ausbauchen vor den Stirnflächen der Elemente entgegengewirkt. Neben den zuvorgenannten Möglichkeiten eines Makroformschlusses ist auch ein Mikroformschluß dadurch möglich, daß auf der Oberfläche der Durchgangsöffnung der Elemente eine Hartpartikelbeschichtung vorgesehen wird, die sich beim Verbinden in das Rohrmaterial eindrückt; eine weitere Möglichkeit eines solchen Mikroformschlusses ergibt sich aus gezielt angebrachten Bearbeitungsspuren, insbesondere Umfangsriefen in der Durchgangsöffnung

&iacgr;&ogr; der Elemente, die sich mit den Bearbeitungsspuren des gezogenen Rohres in der Oberfläche kreuzen und somit beim Ineinanderdrücken eine innige Verbindung bilden.

Mit den oben aufgeführten Maßnahmen insgesamt oder zu mehreren in Kombination kann der erforderliche Aufweitdruck reduziert werden. Hierdurch ist eine Verringerung der bleibenden Formtoleranzen der Welle nach dem Aufweiten zu erzielen. Darüber hinaus können dadurch zur Steigerung der Lebensdauer auch harte und spröde Materialien für die Nocken verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin gebaute Nockenwellen oder dergleichen, aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen wie Steuernocken, Lagerringen, Zahn- oder Kogolrädern, hergestellt mittels einer Aufweitung des Wellenrohres im Bereich der Elemente durch innere Druckbeaufschlagung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahren, bei denen das Material des Wellenrohres in den Längsabschnitten plastisch umgeformt ist und das Material der Elemente überwiegend elastisch verformt ist. Der Umformvorgang wird hierbei, wie im einzelnen beschrieben, bevorzugt durch hydraulische innere Druckbeaufschlagung vollzogen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung soll das Material des Wellenrohres eine um 25 bis 35 % geringere Zugfestigkeit gegenüber dem Material der Elemente aufweisen. Dies begünstigt die angestrebte Art der Verbindung und ermöglicht die Auswahl relativ weicher Wellenwerkstoffe aus Kostengründen.

Als Nocken können in günstiger Weise vor dem Fügen fertigbearbeitete Guß-, Stahl- oder Sinterelemente verwendet werden, wobei Werkstoffe hoher Härte

wie &zgr;. B. Kugellagerstahl zur Erhöhung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Nockenwelle ausgewählt werden können, ohne daß dies die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigt.

Die vorstehend erläuterte Erfindung ist in Anwendung des zugrundeliegenden Gedankens auch auf das Einsetzen von Hohlzapfen in Bohrungen, das Verbinden zweier Rohre mittels einer Rohrmuffe oder das Verbinden zweier ineinandergesteckter Rohrstücke sinngemäß anzuwenden. Einige Einzelheiten der Erfindung sind anhand der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.

Fig. 1a zeigt einen Längsschnitt durch eine Verbindungsstelle vor dem
Fügen von Nocken und Rohrkörper

Fig. 1b zeigt eine Verbindungsstelle nach Fig. 1a nach dem Fügen

Fig. 1c zeigt eine Verbindungsstelle mit zwei benachbarten Elementen nach dem Fügen

Fig. 2a zeigt ein mit Längsausnehmungen versehenes Element im
Längsschnitt und im Querschnitt

Fig. 2b zeigt ein Querschnittsänderungen aufweisendes Element im
Längsschnitt und im Querschnitt.

In den Figuren ist jeweils das Rohr mit 1 und das aufgesetzte Element mit 2, dabei insbesondere ein Nocken mit 2a und eine Lagerbuchse mit 2b bezeichnet. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung angegebenen Längen und sonstigen Größen sind mit den jeweiligen Kennbuchstaben angegeben.

In Fig 1a ist dargestellt, daß vor dem Fügen zwischen dem Rohr 1 und dem Nocken 2 ein Umfangsspalt 3 vorhanden ist.

In Fig. 1b ist die Querschnittsveränderung des Rohres nach dem Fügen erkennbar, wobei insbesondere die begrenzte Lange des aufgeweiteten Rohrabschnitts 4 deutlich ist.

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In Fig. 1c ist ein aufgeweiterter Rohrabschnitt 4 gezeigt, der zwei benachbarte aufgeschobene Elemente 2a und 2b überdeckt, die einen geringen freien Abstand 5 voneinander haben.

In. Fig. 2a ist ein Element mit drei umfangsverteilten Vertiefungen 6 gezeigt, während in Fig. 2b eine Durchgangsöffnung mit konisch verjüngten Endbereichen 7a, 7b dargestellt ist.

• ·

Claims

1. Gebaute Nockenwelle oder dergleichen aus einem Wellenrohr und aufgeschobenen Elementen wie Steuernocken, Lagerringen, Zahn- oder Kegelrädern, hergestellt mittels einer Aufweitung des Wellenrohres im Bereich der Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des einem Element zugeordneten Längsabschnittes des Wellenrohres insgesamt plastisch umgeformt ist, während das Material des jeweiligen Elements in der Randschicht überwiegend elastisch verformt ist.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Wellenrohres eine um 25 bis 35% geringere Zugfestigkeit R_m gegenüber dem Material der Elemente aufweist.

3. Welle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenrohr ein gezogenes - in der Oberfläche vorzugsweise unbearbeitetes - Präzisionsrohr verwendet wird, insbesondere aus einem Werkstoff wie St 35 bis St 52.

4. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Nocken Guß-, Stahl- oder Sinterelemente von großer Härte - bevorzugt vor dem Fügen fertig bearbeitet - verwendet werden, z. B. Nocken aus Kugellagerstahl.

5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4; dadurch gekennzeichnet, daß in der Durchgangsöffnung der Elemente eine - besondere mittels metallischer Paste gebundene - Hartpartikelbeschichtung und/oder vor dem Fügen ausgebildete Umfangsriefen vorgesehen sind.

6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Durchgangsöffnung der Elemente axial verlaufende Ausnehmungen vorgesehen sind, deren Tiefe Ti vom Grundkreis des Querschnitts gemessen 0,2-1% der Wanddicke Lrad R des Rohres entspricht.

7. Welle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Durchgangsöffnung der Elemente vorzugsweise drei axial verlaufende Ausnehmungen umfangsverteilt angeordnet sind, die in der Summe etwa 1/3 des Gesamtumfangs einnehmen.

8. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung der Elemente sich aus einem querschnittskonstanten Mittelabschnitt und zumindest bezüglich des Grundkreisbereichs sich zu den Stirnflächen hin konisch verjüngenden Endbereichen besteht.

9. Welle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz U_min zwischen dem Rohr-Außendurchmesser d_a und dem Elementen-Innendurchmesser D_i an den Stirnflächen vor dem Aufweiten größer oder gleich null ist.