DE10333614B4

DE10333614B4 - Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle, insbesondere einer Nockenwelle oder Excenterwelle, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Nocken- oder Excenterwelle

Info

Publication number: DE10333614B4
Application number: DE10333614A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. Osburg; Eberhard Dr.rer.nat. Bessey; Michael Dr. Ing. Lahres; Wolfgang Dipl.-Ing. Beck
Original assignee: DaimlerChrysler AG; ThyssenKrupp Stahl AG; Adam Opel GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Adam Opel GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: DE10333614A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit auf dieser angeordneten Drehmoment-Übertragungselementen (6), insbesondere einer Nockenwelle oder Excenterwelle, umfassend folgende Schritte:
– Herstellen eines Bleches (1, 2, 3) in vorbestimmten Abmessungen für die Hohlwelle;
– Umformen des Bleches (1, 2, 3) auf einen vorgesehenen Querschnitt der Hohlwelle; und
– Fügen der Enden des Bleches (1, 2, 3) unter Ausbildung der so umgeformten Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet , dass beim Herstellen des Bleches (1, 2, 3) dieses in eine Folge von Abschnitten (1', 1'', 1'''; 2', 2'', 2'''; 4) unterteilt wird, wobei zumindest ein Abschnitt (1'', 1'''; 2'', 2'''; 4) mit einer größeren Blechdicke nach vollendeter Herstellung der Hohlwelle einem Drehmoment-Übertragungselement (6) dieser Hohlwelle entspricht, dessen geometrische Abmessungen und/oder Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit des Beanspruchungsprofils der Hohlwelle beim Herstellen des Bleches (1, 2, 3) festgelegt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle, insbesondere einer Nockenwelle oder Excenterwelle, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Nocken- oder Excenterwelle.
Es ist allgemeiner Stand der Technik, Nockenwellen in einstückiger Ausbildung zu schmieden oder zu gießen. Die Nocken werden dann anschließend dadurch ausgebildet, dass die vorzusehenden Lauf- bzw. Lagerflächen einer mechanischen spanenden Bearbeitung unterzogen werden, beispielsweise durch Schleifen. Nach dieser mechanischen Bearbeitung können die stets einem erhöhten Verschleiß ausgesetzten Nocken beispielsweise mittels Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder WIG gehärtet werden.
Aufgrund ihrer einstückigen Ausgestaltung weisen derartige Nockenwellen jedoch den Nachteil auf, dass ihnen infolge ihres Gewichtes eine erhöhte zu bewegende Masse mit einem damit einhergehenden hohen Träqheitsmoment innewohnt, was sich im Fahrzeugbau insbesondere nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Darüber hinaus ist durch die Notwendigkeit der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung des einstückigen Rohlings der Nockenwelle ein erhöhter mechanischer Aufwand bei der Herstellung gegeben, der die Kosten entsprechend erhöht.

Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, Hohlwellen zu verwenden, auf welchen die Elemente, welche ein Drehmoment in eine lineare Bewegung übertragen sollen, wie beispielsweise Zahnkränze, Lagerschalen, Nocken usw., als separate Bauteile angebracht werden. Diese Elemente, beispielsweise Nocken, werden vorzugsweise mit der Hohlwelle durch Schweißen verbunden oder auf diese aufgeschrumpft. Trotz eines geringeren Gewichts ist der Aufwand bei der Herstellung derartiger Hohlwellen jedoch noch sehr hoch und daher kostenintensiv.

Aus der DE 34 09 541 A1 ist es darüber hinaus bekannt, einzelne Nocken auf der Hohlwelle zu befestigen, indem die Hohlwelle nach dem Aufschieben der Nocken durch Einwirken von Druck aufgeweitet wird. Man spricht vom sogenannten Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU), bei welchem als Druckmedium vorzugsweise Flüssigkeiten Verwendung finden, die mittels eines Kolbens oder Stempels in die Hohlwelle eingebracht werden. Derartige Herstellungsverfahren sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Herstellung der Einzelteile, insbesondere deren Fügen, sich als technologisch kompliziert erweist und darüber hinaus die Innenkontur der Nocken einschränkt.

Dem Vorteil des IHU-Verfahrens geringerer Herstellungskosten gegenüber geschmiedeten oder zusammengesetzten Nockenwellen steht die unzureichende Verschleißfestigkeit der Laufflächen derartig hergestellter Nockenwellen entgegen. Es ist nur bedingt möglich, mit einem Material, welches die Herstellung mittels IHU-Verfahren zulässt, die für den Einsatz von Nockenflächen geforderte Verschleißfestigkeit zu erzielen.

Gerade die Härte und Verschleißfestigkeit der Nocken sind jedoch eine Grundvoraussetzung für eine lange Lebensdauer der Nockenwellen in einem Kfz-Motor.

Hierzu wird in der DE 199 09 184 A1 vorgeschlagen, zur Herstellung einer Nockenwelle das IHU-Verfahren heranzuziehen und die geforderten Materialeigenschaften für die Nocken bzw. deren Laufflächen dadurch zu bewerkstelligen, dass zusätzliche Tragringe, die der Ausbildung der Nockenkontur dienen, gemeinsam mit der Hohlwelle in ein IHU-Werkzeug eingelegt werden und durch Aufweiten der Hohlwelle die Tragringe kraft- und formschlüssig mit dieser verbunden werden. Ein derartiges Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die die erforderliche Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisenden Tragringe vorab in einem getrennten Verfahren hergestellt werden müssen, was die Herstellungskosten der Nockenwelle insgesamt hoch hält.

Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle, insbesondere einer Nockenwelle, weiterzubilden, welches einerseits unnötige Bauteilgewichte vermeidet und andererseits die für die auf dieser Hohlwelle anzubringenden Elemente zur Kraft- bzw. Drehmomentübertragung erforderliche Härte und Verschleißfestigkeit ermöglicht, ohne dass hierzu weitere kostenverursachende Verfahrensschritte während des Herstellungsprozesses der Hohlwelle notwendig werden.

Gelöst wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Schritten gemäß dem Patentanspruch 1. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch eine nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle oder Excenterwelle gelöst.

Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei der Herstellung eines Bleches, welches abschließend zu einer Hohlwelle umgeformt wird, das Blech vorab mit definierten Eigenschaften versehen wird.

Hierbei wird das Blech in mehrere Abschnitte unterteilt, wovon zumindest diejenigen Abschnitte, welche nach vollendeter Umformung in eine Hohlwelle den Drehmoment-Übertragungselementen dieser Hohlwelle, also beispielsweise späteren Nocken, entsprechen, in ihren geometrischen Abmessungen, wie beispielsweise Breite und Höhe, und/oder ihren Werkstoffeigenschaften, das heißt Härte, Verschleißfestigkeit, Oberflächengüte usw., festgelegt werden.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Festlegung dieser Eigenschaften in Abhängigkeit des späteren Beanspruchungsprofils der Hohlwelle, das heißt in Abhängigkeit der während des Einsatzes der Hohlwelle an dieser zu erwartenden dynamischen Belastungen hinsichtlich Übertragungskräften, Reibungskräften, Drehmomenten usw. In diesem Zusammenhang stellen sich entsprechende Anforderungen an die Materialauswahl der jeweiligen Abschnitte bei der Blechherstellung bzw. -bearbeitung. Beispielsweise stehen bei einer Nockenwelle vor allem die tribologischen Eigenschaften der Laufflächen der Nocken im Vordergrund der Überlegungen für die Materialauswahl.

Der Konturverlauf der Drehmoment-Übertragungselemente, d.h. insbesondere der Nocken, über deren Umfang wird durch die Höhe, Breite und gegebenenfalls Wanddicke des Bleches der hierfür vorgesehenen Abschnitte vorab festgelegt. Bei der Materialauswahl für die den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechenden Abschnitte liegt das Augenmerk auf hoch- bzw. höherfesten Stahlwerkstoffen bzw. Mehrphasenstählen, welche ein ausreichendes Potenzial für gegebenenfalls anschließende Verfahren, wie beispielsweise Oberflächenhärten und -verfestigen aufweisen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung beinhaltet der Schritt des Herstellens des Bleches in eine Folge von Abschnitten den Prozess des Walzens.

Hierbei wird das Blech variabel gewalzt, sodass Abschnitte, die den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, zumindest eine größere Blechdicke aufweisen als diejenigen Abschnitte, die nicht den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, nachdem die Hohlwelle vervollständigt ist. Derartiges flexibles Walzen von unterschiedlichen Blechdicken aus einem einstückigen Blech wird bewerkstelligt, indem die Höhe des Walzradsatzes in Walzrichtung beim Walzen kontrolliert verstellt wird. So lassen sich unterschiedliche Blechdicken der einzelnen Abschnitte erzielen, wobei es auch je nach Anforderungsprofil der vervollständigten Hohlwelle möglich ist, dass die Abschnitte, die den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, untereinander unterschiedliche Blechdicken aufweisen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Blech mit den definierten Abschnitten aus mehreren Blechstreifen, die diesen Abschnitten dann entsprechen, stoffschlüssig zusammengefügt.

Die einzelnen Blechstreifen können hierbei je nach Anforderungsprofil der vervollständigten Hohlwelle in entsprechender Weise aus unterschiedlichen Werkstoffen mit entsprechenden Werkstoffeigenschaften sowie den entsprechenden geometrischen Abmessungen bestehen. Hierdurch lässt sich ein maßgeschneidertes Bauteil als Blech für die nachfolgenden Herstellungsschritte des Umformens und des Fügens bei der Herstellung der Hohlwelle bereitstellen.

Der Stoffschluss zwischen den einzelnen Blechstreifen kann über an sich bekannte Verfahren, wie beispielsweise dem Hochfrequenz-, dem Widerstands-, dem Induktions-, dem linearen oder dem nicht-linearen Laserschweißen, erfolgen.

Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass beim Schritt des Herstellens des Bleches auf denjenigen Abschnitten, die den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, Erhöhungen angebracht werden.

Hierbei ist es vorgesehen, dass nur an denjenigen Stellen, an welchen sich bei vervollständigter Hohlwelle das spätere Drehmoment-Übertragungselement befinden soll, derartige Erhöhungen mit definierten geometrischen Abmessungen und Werkstoffeigenschaften auf der Oberfläche des Bleches dieser Abschnitte angeordnet werden. Diese Erhöhungen können selbst aus einem Blechmaterial bestehen, welches mit dem Blech der Oberfläche stoffschlüssig oder auf andere Weise verbunden wird. Als stoffschlüssiges Verbindungsverfahren bietet sich z.B. das Schweißen an. Jedoch ist auch eine Klebe- oder Lötverbindung denkbar.

Eine nach den vorhergehend genannten drei verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellte Hohlwelle kann unter Umständen, wenn dies konstruktionsbedingt erforderlich ist, einer Innenhochdruck-Umformung (IHU) unterzogen werden, mittels welcher diejenigen Abschnitte, die den Drehmoment-Übertragungselementen bzw. ggf. den Nocken entsprechen, einer weiteren umformenden Bearbeitung ausgesetzt werden. So lassen sich beispielsweise die bereits als Drehmoment-Übertragungselemente oder als Nocken ausgeformten Erhöhungen entsprechend dem IHU-Werkzeug noch weiter aufweiten, um die gewünschte abschließende Gestalt bzw. den Konturverlauf zu erzielen.

Aufgrund der an den Laufflächen vorherrschenden Reibungsverhältnisse sind bestimmte tribologische Eigenschaften der Materialien der den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechenden Abschnitte gefordert, sodass gemäß der Erfindung diese nach vervollständigter Herstellung der Hohlwelle unter Umständen einem anschließenden partiellen Einsatzhärteverfahren unterzogen werden können. Hierbei wird bereits bei der erfindungsbedingten vorgezogenen Materialselektion der Abschnitte, die den späteren Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, auf das spätere partielle Einsatzhärteverfahren, beispielsweise auf ein Laser-Härteverfahren, abgestellt, sodass sich besonders verschleißarme Laufflächen hinsichtlich der geforderten tribologischen Anforderungen bewerkstelligen lassen.

Eine definierte Bestimmung der Eigenschaften der Drehmoment-Übertragungselemente erfolgt zuerst durch die Auswahl einer geeigneten Werkstofflegierung. In Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften können entsprechende Bake-oder Work-Hardening-, Härte- und Vergütungsprozesse, wie bspw. Kaltverfestigen durch Rollen oder Walzen, entwickelt werden, denen die Legierung des Bauteils dann ausgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeichnet sich durch geringere Produkt- und Produktionskosten infolge drastischer Prozesskettenverkürzung aus. Damit bleiben auch die Kosten einer nach diesem Verfahren hergestellten Hohlwelle, insbesondere in Form von Nockenwelle oder Excenterwelle, bei gleichzeitig verbesserten Eigenschaften niedrig. Die Qualität und Lebensdauer derartig hergestellter Wellen sind im Vergleich zu derzeit konventionell gefertigten Nockenwellen entwicklungsfähig.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden. Es zeigen:
1 schematisch ein Blech zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
2 schematisch ein Blech zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 schematisch ein Blech zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 schematisch eine vervollständigte Hohlwelle, welche nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde; und
5 schematisch eine vervollständigte Hohlwelle, welche nach der dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
1 zeigt exemplarisch ein Blech 1 zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß einem Verfahren gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform.
Das Blech 1 unterteilt sich in mehrere Abschnitte 1', 1'' und 1'''. Die Abschnitte 1'' und 1''', die nach vervollständigter Hohlwelle diejenigen Abschnitte darstellen, die den Drehmoment-Übertragungselementenentsprechen, sind zur Verdeutlichung schraffiert gezeichnet. Für den Fall, dass es sich bei der Hohlwelle um eine Nockenwelle handelt, bilden die Drehmoment-Übertragungselemente die Nocken der Nockenwelle.
Die Breite einerseits und das Material andererseits dieser Abschnitte 1'' und 1''' richtet sich nach dem späteren Anforderungsprofil der Hohlwelle im Einsatz.
Das in 1 gezeigte Blech 1 wird mittels Walzen des Bleches hergestellt, indem ein Walzrad definiert höhenverstellt wird, sodass sich unterschiedliche Blechdicken ausbilden. Dies ist exemplarisch in der Schnittdarstellung A-A der 1 gezeigt.
Das derartig hergestellte Blech 1 wird anschließend in den weiteren Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Hohlwelle umgeformt.
In einer weiteren Ausführungsform ist in 2 exemplarisch ein Blech 2 gezeigt, welches ebenfalls in mehrere Abschnitte 2', 2'' und 2''' unterteilt ist. Die Abschnitte 2', 2'' und 2''' sind jeweils Blechstreifen aus definiert festgelegten Materialien, die längs miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Die den späteren Übertragungselementen der Hohlwelle entsprechenden Abschnitte 2'' und 2''' können sich nicht nur hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen, sondern auch hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften voneinander unterscheiden.
Wie Schnitt B-B der 2 zeigt, sind zwischen den einzelnen Blechstreifen 2', 2'' und 2''' dann Schweißnähte 5 ausgebildet.
In 3 ist exemplarisch ein Blech 3 zur Herstellung einer Hohlwelle nach einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt.
Auf dem durchgängigen einstückigen Blech 3 werden an definierten Stellen bzw. Abschnitten, die später den Nocken bzw. Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, Erhöhungen 4 angeordnet. Die geometrischen Abmessungen und die Materialauswahl der Erhöhungen werden vorab festgelegt. Die Erhöhungen 4 werden auf der Oberfläche des Bleches 3 angeordnet und dann stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen, mit diesem verbunden. Der Schnitt C-C in 3 zeigt dies exemplarisch mit den Schweißnähten 5.
In 4 ist eine vervollständigte Hohlwelle gezeigt, welche aus einem Blech 2 aus 2 hergestellt wurde. In der Schnittdarstellung D-D dieser 4 ist zu erkennen, dass die Abschnitte 2'' unter Ausbildung eines Drehmoment-Übertragungselements 6, beispielsweise in Form eines Nockens, anschließend einer Innenhochdruckverformung unterzogen wurden.
In 5 ist exemplarisch eine vervollständigte Hohlwelle gezeigt, die aus einem Blech 3 nach dem Verfahren gemäß 3 hergestellt wurde. wie die Schnittdarstellung E-E der 5 zeigt, sind die Erhöhungen 4 im vorliegenden Fall auf die Oberfläche des Bleches 3 geklebt. Der Abschnitt des Bleches 3, auf welchem sich die Erhöhung 4 befindet, wurde in entsprechender Weise dann unter Ausbildung eines Drehmoment-Übertragungselements bzw. eines Nockens 6 dem Innenhochdruckverformen unterzogen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit auf dieser angeordneten Drehmoment-Übertragungselementen (6), insbesondere einer Nockenwelle oder Excenterwelle, umfassend folgende Schritte: – Herstellen eines Bleches (1, 2, 3) in vorbestimmten Abmessungen für die Hohlwelle; – Umformen des Bleches (1, 2, 3) auf einen vorgesehenen Querschnitt der Hohlwelle; und – Fügen der Enden des Bleches (1, 2, 3) unter Ausbildung der so umgeformten Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet , dass beim Herstellen des Bleches (1, 2, 3) dieses in eine Folge von Abschnitten (1', 1'', 1'''; 2', 2'', 2'''; 4) unterteilt wird, wobei zumindest ein Abschnitt (1'', 1'''; 2'', 2'''; 4) mit einer größeren Blechdicke nach vollendeter Herstellung der Hohlwelle einem Drehmoment-Übertragungselement (6) dieser Hohlwelle entspricht, dessen geometrische Abmessungen und/oder Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit des Beanspruchungsprofils der Hohlwelle beim Herstellen des Bleches (1, 2, 3) festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt des Herstellens des Bleches (1) das Blech gewalzt wird, derart, dass die Abschnitte (1'', 1'''), die den Drehmoment-Übertragungselementen (6) entsprechen, zumindest eine größere Blechdicke aufweisen als diejenigen Abschnitte (1'), die nicht den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt des Herstellens des Bleches (2) das Blech aus mehreren Blechstreifen (2', 2'', 2'''), welche den Abschnitten entsprechen, stoffschlüssig zusammengefügt wird, wobei die Blechstreifen (2'', 2'''), die den Drehmoment-Übertragungselementen (6) entsprechen, zumindest eine größere Blechdicke aufweisen als diejenigen Blechstreifen (2'), die nicht den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Fügen mittels Hochfrequenz-, Widerstands-, Induktions-, linearem oder nicht-linearem Laserschweißen bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Bleches (3) die Abschnitte, die den Drehmoment-Übertragungselementen entsprechen, zumindest teilweise mit auf der Oberfläche des Bleches (3) angeordneten Erhöhungen (4) versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen (4) mit dem Blech (3) mittels Schweißen, Kleben oder Löten verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle anschließend einer Innenhochdruck-Umformung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (1'', 1'''; 2'', 2'''; 4), die den Drehmoment-Übertragungselementen (6) entsprechen, einem partiellen Einsatzhärteverfahren unterzogen werden.
Nockenwelle oder Exzenterwelle, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer Hohlwelle, die aus einem Blech (1, 2, 3) geformt ist, das unterschiedliche axiale Abschnitte (1', 1'', 1'''; 2', 2'', 2'''; 4) aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt (1'', 1'''; 2'', 2'''; 4) als Drehmoment-Übertragungselement in der Form eines Nockens (6) ausgebildet ist, dessen geometrische Abmessungen und/oder Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit des Beanspruchungsprofils der Hohlwelle beim Herstellen des Bleches (1, 2, 3) festgelegt sind.