DE19606397A1 - Mehrfachnocken-Modul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mehrfachnocken-Module als Bauelemente zum Fügen aufgebauter Nockenwellen und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Auf dem Gebiet der Nockenwellen stellt sich mit dem Vordringen der Mehrventiltechnik zunehmend die Frage, Wellen mit vielen, sehr eng nebeneinanderliegenden Nocken und sonstigen Funktionsteilen wie Gleitlagern und Axialanschlägen zu bauen. Dies bereitet mit konventioneller Technik zunehmend Schwierigkeiten. Insbesondere bei Massiv-Wellen mit größeren Durchmessern kommt das Problem des mit dem Quadrat des Durchmessers steigenden Gewichts hinzu.

Interessante Ansätze zur Lösung dieses Problems gibt es insbesondere auf dem Gebiet aufgebauter hohler Nockenwellen. Dabei lassen sich zwar die Probleme des Nockenabstandes bei sinkendem Gewicht lösen, jedoch ergeben sich gleichzeitig Probleme mit sinkender Torsionssteifigkeit. Relative Verbesserungen lassen sich hierbei durch die Verwendung von aus Rohrprofilen durch Twisten hergestellte Mehrfachnocken erzielen. Hierbei ist man jedoch auf gleiche Nockenprofile und relativ geringen Winkelversatz der Nockenspitzen beschränkt. Außerdem bieten die einzelnen Hohlnocken ohne Seitenflanken keine hohe Steifigkeit gegen die Belastungen des Stößeldrucks.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, Mehrfachnocken als Bauelemente zum Fügen aufgebauter Hohlwellen vorzuschlagen, die auch bei größeren Durchmessern höchste Präzision und Torsionssteifigkeit aufweisen, einfach, leicht und wenig aufwendig in der Konstruktion und Herstellung sind und Vorteile in der mechanischen Bearbeitung der Funktionsteile bieten, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Mehrfachnocken.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Mehrfachnocken- Modul, das zumindest teilweise die Funktionselemente für einen Zylinder oder benachbarte Zylinder umfaßt und als Bauelement zum Fügen aufgebauter Nockenwellen einsetzbar ist, bei dem das Produkt aus Wandstärke und Umfang der Modulelemente an jeder Stelle im wesentlichen gleich ist, die radial über den inneren Wellengrundkreis überstehenden Teile der Funktionselemente hohl sind, wobei die Mehrfachnocken aus duktilem Material bestehen sowie durch ein Verfahren, bei dem in jedem Abschnitt die Konturen der in ihm liegenden Funktionselemente, die entsprechend in einem Untergesenk und in einem Preßstempel ausgebildet sind, eingepreßt werden und die fertig profilierten Teilkreisabschnitte in weiteren Verformungsschritten, insbesondere über einen Innendorn ringförmig umgebogen sowie die zusammenstoßenden Seitenkanten des Blechzuschnitts verschweißt werden.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrfachnockens wird ein Blech in den Abmessungen zugeschnitten, aus dem das gewünschte Nockenpaket hergestellt werden kann. Dieser Blechzuschnitt wird mit den Nockenflanken und -Spitzen, den Lagerflächen und sonstigen Funktionsteilen entsprechenden bahnförmigen Ausprägungen profiliert. Das profilierte Blech wird mehrstufig verformt. In der ersten Verformungsstufe wird der Blechzuschnitt in einem Untergesenk durch einen Stempel verformt, in dem die Konturen der Nocken- und Funktionselemente ausgearbeitet sind, und die abschnittsweise entsprechend dem Wellengrundkreis gebogen sind. In mindestens einer weiteren Verformungsstufe werden die teilkreisförmigen Abschnitte über einen Innendorn zu einem Ring umgebogen, dessen Seitenkanten gegeneinanderstoßen.

Stehen die axial verlaufenden Außenkanten der verschiedenen Funktionselemente des Mehrfachnockenmoduls maximal parallel zueinander, kann die Verformung auch zweistufig erfolgen. Dabei wird der Blechzuschnitt in der ersten Verformungsstufe in einem U-förmigen Untergesenk verformt, so daß sich ein U-förmiges Gebilde mit etwa parallel laufenden Schenkeln ergibt. In der zweiten Verformungsstufe wird das jetzt U-förmige Zwischenprodukt, das im Untergesenk verbleibt, mit einem O- förmigen Obergesenk so verformt, daß die U-Schenkel zu einem geschlossenen Profil umgeformt werden. Vorteilhaft wird bei dem zweiten Verformungsschritt mit einem Innendorn gearbeitet.

Alternativ kann auch der nicht vorprofilierte Blechzuschnitt mehrstufig mittels Pressen umgeformt werden, so daß beim Pressen gleichzeitig die Profilierung der Funktionselemente erfolgt.

Das jetzt praktisch runde Zwischenprodukt wird an der Stoßstelle verschweißt, beispielsweise durch Widerstands-, Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahlschweißung. Vorteilhaft werden die Stoßstellen vor dem Schweißen zur Sicherstellung eines parallelen Kantenverlaufs beigearbeitet. Nach der Schweißung erfolgt die mechanische Bearbeitung der Schweißstelle, beispielsweise das Beischleifen, und je nach Bedarf eine Wärmebehandlung, Einsatzaufkohlung oder Randschichthartung. Wenn die Laufflächen verschiedener Funktionsteile in unterschiedlichen Materialien erforderlich oder vorteilhaft sind, lassen sich diese durch Plattierung oder durch entsprechenden Sandwich-Aufbau des Blechzuschnitts in einfacher Weise herstellen. In besonders vorteilhafter Weise werden die Profilierung und insbesondere die Preßumformung kalt durchgeführt.

Während normalerweise die über die Silhouette des verwollständigten Wellengrundkreises radial überstehenden Teile der Funktionselemente sie seitlich verschließende Flanken aufweisen, kann in einer besonderen Ausführungsform das Material seitlich dieser Funktionselemente, insbesondere an den Nockenspitzen, abgeschert sein.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines konventionellen Einsatzstahls mit beispielsweise 0,1 bis 0,15% C, der einfach verformbar und schweißbar ist. Ein solcher Werkstoff kann durch Einsatzaufkohlung des fertiggeschweißten Mehrfachnockenpaketes und durch Härten auf die für die Anforderungen an Nocken und Funktionselemente erforderlichen Materialeigenschaften gebracht werden. Dies ist aus dem Grunde sehr wichtig, da Materialien, die die geforderten Betriebs- und Verschleißeigenschaften von sich aus aufweisen, nur sehr schwer schweißbar und häufig schwieriger verformbar sind.

Die Schweißbahn muß nicht gerade verlaufen, sie sollte jedoch vorteilhaft immer im Nockengrundkreis liegen.

Die erfindungsgemäßen Mehrfachnocken bieten große Vorteile beim Fügen aufgebauter Nockenwellen. Insbesondere bei dem Fügeverfahren, bei dem verschiedene Funktionselemente und im vorliegenden Fall die Mehrfachnocken auf ein Wellenrohr aufgeschoben werden, das Wellenrohr abschnittsweise im Bereich der Fügestelle hydraulisch aufgeweitet und derart plastisch verformt wird, daß die außen auf dem Wellenrohr befindlichen Funktionselemente an den Fügestellen nur elastisch aufgeweitet werden, lassen sich bei den Mehrfachnockenelementen die Fügestellen insgesamt optimieren. Insbesondere bei Wellen mit größeren Durchmessern kommt dabei vorteilhaft zum Tragen, daß das Gewicht nur linear mit dem Rohrdurchmesser ansteigt, während sich die Torsionssteifigkeit in vierfacher Potenz mit dem Durchmesser erhöht. Dadurch können auch mit relativ geringen Wandstärken für das Wellenrohr und die Funktionselemente sehr leichte und extrem torsionssteife Wellen hergestellt werden.

Diese und weitere Vorteile werden in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Mehrfachnockenpaketes verdeutlicht, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Untergesenk und einen Preßstempel mit eingelegtem Blechzuschnitt vor Umformung;

Fig. 2 Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch nach erstem Umformschritt;

Fig. 3 Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch mit Obergesenk und nach zweitem Umformschritt;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Mehrfachnocken in geschnittener Ansicht und

Fig. 5 Untergesenk mit drei teilkreisförmigen Verformungsabschnitten.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Verformungseinrichtung zur Herstellung von Mehrfachnocken, bestehend aus einem Untergesenk 2, einem Preßstempel 3 und einem eingelegten Blechabschnitt 1. Im Untergesenk sind an diesem Beispiel die Konturen 5′ und 6′ für zwei Nocken 5 und 6 angedeutet. Senkt sich der Preßstempel 3 in Richtung des Pfeils weiter ab, preßt er den Blechzuschnitt 1 in die ausgearbeitete Form 4 im Untergesenk 2.

In Fig. 2 ist die gleiche Situation dargestellt, allerdings nach Beendigung des ersten Umformschrittes. Der Preßstempel 3 ist wieder in Rückwärtsbewegung nach oben und der Blechzuschnitt 1 bildet ein U- förmiges Zwischenprodukt, in dessen Mitte zwei Nocken 5 und 6 ausgebildet sind. Es ist deutlich zu erkennen, daß beim Preßstempel 3 die entsprechenden Nockenkonturen so ausgebildet sind, daß in der nach unten abgesenkten Lage des Preßstempels 3 zwischen diesem und dem Untergesenk 2 exakt der Freiraum bleibt, der vom zu einem u-förmigen Zwischenprodukt umgeformten Blechzuschnitt 1 ausgefüllt wird.

Fig. 3 zeigt den nächsten Verformungsschritt. Statt des Preßstempels 3 wird hier das Obergesenk 10 heruntergepreßt, das in seiner Ausformung die U- förmigen Schenkel des Zwischenprodukts erfaßt und beim weiteren Absenken teilkreisförmig abbiegt. Die Seitenkanten des Blechzuschnitts 1 stoßen an der Stoßstelle 7 aneinander, so daß nach diesem zweiten Verformungsschritt der Mehrfachnocken in seiner Grundform fertiggestellt ist, jedoch an der Stoßstelle noch auseinanderklafft. In einem weiteren Bearbeitungsschritt werden die Stoßkanten so beigearbeitet, daß sie parallel zueinander verlaufen. Im folgenden Schrift wird die Stoßstelle verschweißt, so daß aus dem Blechzuschnitt 1 ein Mehrfachnocken 1 mit den Nocken 5 und 6 und einer Schweißstelle 8 entsteht.

Während die Verformungsstufen in den Fig. 1 bis 3 einem zweistufigen Umformverfahren zur Herstellung des Mehrfachnockens gemäß Fig. 4 entsprechen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mehrstufig, beispielsweise dreistufig arbeiten. Dies ist immer dann erforderlich, wenn die freien Enden der axial verlaufenden Außenkanten der verschiedenen Funktionselemente nicht parallel zueinander verlaufen, sondern in einem Winkel zueinanderstehen, die Flanken also über den Parallelverlauf hinaus nach unten auseinanderlaufen.

In Fig. 5 ist schematisch aufgezeigt, wie das Untergesenk zur Herstellung eines Mehrfachnockens aussieht, dessen beispielsweise sechs Nocken derart angeordnet sind, daß jeweils drei Nockenspitzen um 120° versetzt sind, wobei jeweils zwei benachbarte Nocken um etwa 15° versetzt sind, ähnlich wie bei dem Mehrfachnocken gemäß Fig. 4. Der Blechzuschnitt 1 würde in diesem Fall in drei teilkreisförmige Abschnitte geteilt und verformt, wobei in jedem Teilkreisabschnitt zwei Nockenspitzen angeordnet sind. In weiteren Verformungsschritten werden die beiden außenliegenden Abschnitte über einen Innendorn so umgebogen, daß ihre Seitenkanten sich an der Stoßstelle gegenüberstehen. Danach erfolgt das Schweißen in ähnlicher Form, wie es im Ausführungsbeispiel der zweistufigen Verformung beschrieben ist.

Claims (5)

1. Mehrfachnocken-Modul, das zumindest teilweise die Funktionselemente für einen Zylinder oder zwei benachbarte Zylinder umfaßt und als Bauelement zum Fügen aufgebauter Nockenwellen einsetzbar ist, bei dem das Produkt aus Wandstärke und Umfang der Modulelemente an jeder Stelle im wesentlichen gleich ist, die radial über den inneren Wellengrundkreis überstehenden Teile der Funktionselemente hohl sind und die Mehrfachnocken aus duktilem Material bestehen.

2. Mehrfachnocken gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über den äußeren Wellengrundkreis überstehenden Funktionselemente axial verschließende Seitenflanken aufweisen.

3. Mehrfachnocken gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht im Nockengrundkreis liegt.

4. Verfahren zur Herstellung von Mehrfachnocken, bei dem mehrstufig zunächst ein Blechzuschnitt in mehreren teilkreisförmigen Abschnitten derart verformt wird, daß in jedem Abschnitt die Konturen der in ihm liegenden Funktionselemente, die entsprechend in einem Untergesenk und in einem Preßstempel ausgebildet sind, eingepreßt werden und die fertig profilierten Teilkreisabschnitte in weiteren Verformungsschritten über einen Innendorn ringförmig umgebogen sowie die zusammenstoßenden Seitenkanten des Blechzuschnitts verschweißt werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem zur Herstellung von Mehrfachnocken, deren axial verlaufende Außenkanten der verschiedenen Funktionselemente in einem Winkel von weniger als 0° zueinanderstehen, das Blech in einem ersten Umformschritt in einem Untergesenk mittels eines Preßstempels, wobei sowohl im Untergesenk als auch auf dem Preßstempel die Konturen der Funktionselemente entsprechend ausgebildet sind, zu einem U-förmigen Zwischenprodukt umgeformt wird und in einem zweiten Umformschritt die U-förmigen Schenkel des Zwischenprodukts durch ein O-förmiges Obergesenk zu einem ringförmigen Mehrfachnocken umgeformt werden, bei dem die Seitenkanten des Blechzuschnitts zusammenstoßen.