DE3833326C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen u. dgl. sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Nockenwellen.

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen bezüglich hoher Leistungsfähigkeit, geringen Unterhaltungsaufwands und besserer Kraftstoffausnutzung ist es er­ wünscht, Nockenwellen leichter und dauerhafter zu gestalten. Es sind somit Nockenwellen bekannt, die für eine bessere Verschleißwiderstandsfähigkeit getrennt hergestellte Nockenelemente und Lagerelemente sowie ein zentrales Stahlrohr zur Gewichtseinsparung aufweisen. Solche Nockenwellen werden dadurch hergestellt, daß die einzelnen Elemente auf dem Rohr zusammengefügt und mit dem Rohr verbunden werden.

Die US-PS 45 97 367 offenbart eine solche zusammengefügte Nockenwelle, die aus einem expandierbaren Stahlrohr und getrennt hergestellten und gehärteten Nocken- und Lagerelementen gebildet ist. Die Elemente werden durch mechanische Expansion des Rohres miteinander verbunden. Hierzu wrid ein runder Formkern durch das Rohr hindurchgedrückt oder -gestoßen, um die Rohrwand nach außen aufzuweiten und einen dichten Eingriffssitz mit sechseckigen Öffnungen in den Nocken- und Lagerelementen zu schaffen. Diese bekannte Herstellungs­ weise erfordert einen hohen Kraftbedarf, da sowohl der innere Durchmesser als auch der äußere Durchmesser des Rohres vollständig aufgeweitet wird. Zusätzlich muß der Formkern, nachdem er durch das Rohr hindurchgedrückt worden ist, langsam durch das Rohr hindurch zurückgezogen werden, um den Metall- zu-Metall-Kontakt auf ein Minimum zu bringen. Somit erfordert dieses Ver­ fahren einen hohen Kraft- und Zeitaufwand.

Eine ähnliche Nockenwelle bzw. ein ähnliches Herstellungsverfahren ist aus der DE-OS 37 01 166 bekannt, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde liegt. Hiernach wird die Rohrwand mechanisch durch ein Aufweit­ werkzeug aufgeweitet, das im Umfangsrichtung voneinander getrennte Ansätze aus hartem Material aufweist. Auch dieses Aufweitwerkzeug wird nach dem Aufweiten des Rohrs und nach dessen Verbindung mit den Nocken- und Lagerelementen aus dem Rohr wieder herausgezogen.

Ein weiteres ähnliches Verfahren ist aus der GB-PS 11 17 816 bekannt. Auch hierbei wird ein Formkern durch das Rohr hindurchgezogen, um die Rohrwand gegen die Nocken- und Lagerelemente aufzuweiten, und auch dieser Formkern wird anschließend wieder aus dem Rohr entfernt.

Schließlich ist aus der DE-PS 6 71 431 eine Nockenwelle bekannt, bei der ein Rohr von vornherein die Nocken- und Lagerelemente fest trägt. In das Rohr ist ein hohler Kern dauerhaft eingesetzt, der an seinen axialen Enden mit Verbindungsmitteln zur Drehmomentübertragung versehen ist. Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt also von dem hohlen Kern aus. Das Innere der Nocken­ welle erfolgt also von dem hohlen Kern aus. Das Innere der Nockenwelle bleibt ständig offen und ist nicht abgedichtet.

Wenn es erwünscht ist, das die Nockenwelle bildende Rohr abzudichten oder zuzustopfen, waren bisher getrennte Herstellungs- und Zusammenbauschritte erforderlich. Ein entsprechendes Abdichtungs- oder Verschlußglied mußte mit engen Toleranzen hergestellt werden, so daß es sicher in das verformte Nockenwellenrohr hineinpaßte und dieses abdichten konnte. Andernfalls hätte eine getrennte Abdichtoperation, beispielsweise durch Löten, erfolgen können. Die Herstellung einer Nockenwelle mit einem abgedichteten oder zuge­ stopften Rohr erforderte somit bisher zusätzliche Herstellungsschritte und eine teuere Toleranzüberwachung.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Stand der Technik entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Nockenwelle zu schaffen, bei der die Befestigung der Nocken- und Lagerelemente an der Außenseite des Rohrs und die Abdichtung an der Innenseite des Rohrs vereinfacht und insbesondere in einem Arbeitsschritt zu erreichen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Nockenwelle entsprechend dem Patentanspruch 1 ist ein Formstopfen dauerhaft und bleibend in das Rohr eingesetzt, dessen Gestalt zu derjenigen der Öffnung in den Nocken- und Lagerelementen kom­ plemtär ist. Dieser Formstopfen dient also gleichzeitig als Formkern zum Aufweiten des Rohrs und zum Befestigen der Nocken- und Lagerelemente sowie zum Verstopfen und Abdichten des Innenraums des Rohrs.

Bei dem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 2 wird der Formstopfen einer­ seits dazu benutzt, bei seiner Längsbewegung durch das Rohr die Rohrwand aufzuweiten, um die Nocken- und Lagerelemente dauerhaft mit dem Rohr zu verbinden, und andererseits wird dieser Formstopfen in Eingriff im Inneren des Rohrs belassen, so daß die mechanische Verbindung der Teile der Nocken­ welle und die Abdichtung des Rohres gleichzeitig in einem Arbeitsschritt hergestellt werden.

Durch die Erfindung wird somit eine verbesserte und vereinfachte abgedich­ tete Nockenwellenkonstruktion geschaffen. Durch das erfindungsgemäße Her­ stellungsverfahren wird die Herstellung der Nockenwelle wesentlich verein­ facht, indem mindestens zwei bisher getrennt durchzuführende Verfahrens­ schritte nunmehr in einem einzigen Verfahrensschritt vereinigt werden. Der erfindungsgemäß vorgesehene Formstopfen wird nach Art eines verlorenen Kerns einerseits dazu benutzt, das Rohr derart zu verformen, daß die ein­ zelnen Element auf dem Rohr verriegelt werden, während andererseits der gleiche Formstopfen dann in dem Rohr als Abdichtungsstopfen verbleibt.

Durch die Erfindung werden somit eine einfach aufgebaute Nockenwelle mit hoher Leistungsfähigkeit bei geringen Kosten sowie ein Herstellungsverfahren geschaffen, das leicht durchgeführt und bei den allgemein verfügbaren Materialien verwendet werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Ansicht eines Teils einer Nockenwelle;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Teils der Nockenwelle;

Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Teils der Nockenwelle längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Vorderansicht des Formstopfens;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Formstopfens.

Die gemäß der Erfindung hergestellte Nockenwelle 10 weist ein hohles Stütz­ rohr oder eine hohle Stützwelle 12 auf, das bzw. die vorzugsweise aus nor­ malem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist, der örtlich in einer im folgenden zu beschreibenden Weise aufgeweitet wurde. Fest auf dem Rohr 12 angeordnet ist eine Vielzahl von Nockenelementen 14 und Lager­ elementen 16. Diese Elemente sind in Längsrichtung längs der Welle 12 mit Abständen angeordnet. Die Nockenelemente 14 sind winkelmäßig in einer vor­ bestimmten Phasenbeziehung versetzt zueinander angeordnet, um die Ventile einer Verbrennungskraftmaschine zu betätigen. Die Nockenelemente 14 und die Lagerelemente 16 sind getrennt hergestellt, um die bestmöglichen Eigen­ schaften hinsichtlich Verschleißwiderstandsfähigkeit aufzuweisen.

Sie können durch maschinelle Bearbeitung (spangebend oder spanlos) oder durch Pulvermetalltechniken beispielsweise hergestellt werden.

Die Anordnung liefert eine Nockenwelle mit geringem Gewicht und hoher Stärke aufgrund der hohlen, rohrförmigen Abstützung und aufgrund der getrennt hergestellten Elemente hoher Stärke.

Die Nockenwelle 10 wird gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt:

Die Elemente der Nockenwelle 10, die eine hohe Verschleißfestigkeit haben sollen, wie beispielsweise die Nockenelemente 14 und die Lagerelemente 16, werden mit relativ engen Endtoleranzen durch individuelle Verfahren herge­ stellt. Ein geringer Betrag von überschüssigem Material wird für ein späteres Schleifen nach dem Zusammenbau stehengelassen. Wie Fig. 3 zeigt, ist jedes Element 14, 16 mit einer axialen Öffnung 18 versehen, die vorzugsweise eine allgemein vieleckige oder gezahnte Kreisform hat. Eine Anzahl von mit gleichen Abständen angeordneten, sich axial erstreckenden Nuten 19 bildet einen vieleckigen oder gezahnten Rand um die allgemein kreisförmige Öffnung 18 herum. Es kann jede beliebige Zahl von Nuten 19 verwendet werden, beispielsweise etwa vier bis zwölf Nuten 19. In der Zeichnung ist eine Öffnung 18 mit acht Nuten 19 dargestellt.

Das zentrale Rohr 12 oder die Welle 12 ist aus einem Stahlrohr mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit den geeigneten äußeren und inneren Durchmessern herge­ stellt. Das Rohr 12 wird auf die gewünschte Länge der Nockenwelle abgeschnit­ ten. Der äußere Durchmesser des Rohres 12 ist vorzugsweise derart, daß er dicht, aber leicht in die vorgeformten Öffnungen 18 in den Elementen 14 und 16 hineinpaßt. Der innere Durchmesser des Rohres 12 ist so gewählt, daß er eine ausreichende Wandstärke für die Herstellung bietet, wobei gleich­ zeitig die Verformung durch mechanische Aufweitung in einer im folgenden zu beschreibenden Weise begrenzt ist.

Die einzelnen Nockenelemente 14 und Lagerelemente 16 werden in ein Werkzeug eingesetzt, das sie in einer gewünschten Orientierung positioniert. Die Öffnungen 18 werden dabei für das Einsetzen des Rohres 12 in axialer Richtung ausgerichtet. Dann wird das Rohr 12 durch die ausgerichteten Elemente 14, 16 in eine vorbestimmte Längsstellung eingesetzt.

Ein Formstopfen 20, der einen verlorenen Kern bildet, wird als Verformungs­ werkzeug oder Aufweitwerkzeug für die mechanische Verformung des Rohres 12 verwendet. Fig. 4 und 5 zeigen den Formstopfen 20. Der Formstopfen 20 hat eine im allgemeinen kreisförmige Gestalt. Der äußere Umfang trägt eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter Vorsprünge 22. Die Vorsprünge 22 passen zu der Form der Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Elemente 14, 16. Der durchschnittliche oder wirksame Durchmesser des Stopfens 20 ist gering­ fügig größer als der ursprüngliche Innendurchmesser des Rohres 12. Die vorausgehende Kante des zylindrischen Stopfens 20 hat eine leichte Abschrä­ gung oder Verjüngung 24, die so berechnet ist, daß sich ein leichter Preßsitz mit dem Innendurchmesser des zu bearbeitenden Rohres 12 ergibt. Die Vorsprünge 22 verformen ihrerseits den Innendurchmesser des Rohres 12 in dem Maß, daß örtliche Aufweitungen oder Vorsprünge 30 an der Außenseite des Rohres 12 gebildet werden. Durch ihre Anordnung in einem Werkzeug sind die entsprechenden Nuten 19 in den axialen Öffnungen 18 der Nocken­ elemente 14 und der Lagerelemente 16 mit diesen Ausweitungen oder Vorsprüngen 30 ausgerichtet. Diese örtlichen Aufweitungen füllen die Nuten 19 aus und treten vor und hinter den Nocken- und Lagerelementen 14, 16 als überschüssi­ ges Material nach außen. Die örtliche Verformung des Metallrohres 12 bewirkt, daß die Nocken- und Lagerelemente 14, 16 axial und radial an dem hohlen Rohr 12 verriegelt werden.

Wenn der den verlorenen Kern bildende Formstopfen 20 durch das hohle Rohr 12 bis in eine vorbestimmte axiale Stellung jenseits aller an der Welle 12 zu befestigenden Elemente 14, 16 vorgeschoben worden ist, wird der verlorene Kern 20 von dem Vorschubwerkzeug freigegeben. Das Vorschubwerkzeug kann nun leicht und schnell aus dem Rohr 12 zurückgezogen werden, und zwar mit geringem Kontakt zwischen Metall und Metall. Der Kern 20 bleibt als Stopfen oder Abdichtung in dem Rohr 12. Es sind keine zusätzlichen Herstellungs- oder Zusammenbauschritte erforderlich, um dieses Ende des Rohres 12 abzu­ dichten. Hierdurch werden die zum Abdichten des Rohres 12 notwendigen Arbeitsschritte um die Hälfte vermindert.

Die zusammengefügte, noch nicht fertige Nockenwelle 10 kann nun aus dem Werkzeug entnommen werden, und die Verschleißflächen der Nocken 14 und der Lagerelemente 16 werden in herkömmlicher Weise auf die Endabmessungen geschliffen.

Die Ausbildung der Nockenwelle 10 und das Herstellungsverfahren bieten die Vorteile geringen Gewichts in Verbindung mit einer relativ einfachen und kostengünstigen Herstellung. Zusätzlich sind für die Ausbildung der abgedichteten Nockenwelle 10 weniger Herstellungsschritte erforderlich, und die Werkzeugtoleranzen für eine Abdichtung sind erleichtert, da der Formkern 20 auch gleichzeitig eine Dichtung darstellt und als Dichtungs­ stopfen verwendet wird.

Claims (4)

1. Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenelementen (14) und Lagerele­ menten (16), die jeweils eine axiale Öffnung (18) mit sich axial er­ streckenden Nuten (19) aufweisen, mit einem Rohr (12), das sich axial durch die Öffnungen (18) hindurch erstreckt und in einem Überlagerungs­ eingriff mit den Elementen (14, 16) steht, mit axialen Vorsprüngen (30) auf der äußeren Wand des Rohres (12), die in Überlagerungseingriff mit den Nuten (19) der Öffnungen (18) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stopfen (20) mit einer Gestalt, die zu der Gestalt der Öffnungen (18) in den Elementen (14, 16) komplementär ist, in Überlagerungseingriff mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) steht.

2. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle mit folgenden Schritten:

• - Anordnen einer Vielzahl von Nockenelementen (14) und Lagerelementen (16), die jeweils eine axiale Öffnung (18) mit sich axial erstrecken­ den Nuten (19) aufweisen, in einer vorbestimmten Winkel- und Axial­ stellung auf einer gemeinsamen Achse, wobei die Öffnungen (18) mitein­ ander ausgerichtet werden,
• - Einsetzen eines Rohres (12) in die Elemente (14, 16) mit wenig Spiel,
• - Durchdrücken eines Formstopfens (20), der eine Gestalt komplementär zu der Gestalt der Öffnungen (18) und einen allgemeinen Durchmesser hat, der größer ist als der Innendurchmesser des Rohres (12), durch das Rohr (12), um die Wand des Rohres (12) nach außen zum Erzeugen einer Preßverbindung mit allen Öffnungen (18) der Elemente (14, 16) aufzuweiten, um so die Elemente (14, 16) dauerhaft auf dem Rohr (12) in der vorbestimmten Orientierung zu sichern,

dadurch gekennzeichnet,

• - das das Rohr (12) dadurch verstopft und abgedichtet wird, daß der Formstopfen (20) in dichter, mechanischer Preßverbindung mit dem Innendurchmesser des Rohres (12) an einer vorbestimmten Stelle belassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken des Formstopfens (20) durch einen Stößel einer Maschine verursacht wird, der leicht zurückgezogen werden kann, nachdem der Formstopfen (20) die vorbestimmte Stelle erreicht hat.