DE4427201A1 - Hohle Nockenwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Hohle Nockenwelle und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine hohle Nockenwelle sowie ein
Verfahren zur Herstellung von hohlen Wellen unter Verwendung
des Innenhochdruck-Umformens von Hohlrohren.
Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren, die Vorformen
beim Innenhochdruck-Umformen zur Ausgestaltung vollständiger
hohler Wellen aus Rohrabschnitten einsetzen, wobei hier un
ter Rohrabschnitten beliebige langgestreckte Hohlkörper ver
standen werden, also auch Vierkantrohre, Sechskantrohre oder
andere Hohlprofile.
Gegenüber massiven Hohlwellen bieten hohle Nockenwellen, wie
sie schematisch in Fig. 1 dargestellt sind, einen Gewichts
vorteil von bis zu 75% gegenüber Vollmaterialwellen. Im Ver
gleich dazu bieten gebaute Nockenwellen, wie sie z. B. aus der
DE-PS 37 04 092, der EP 278292, der EP 278292, der DE-PS
34 28 372 oder auch der EP 290758 oder EP 303845 bekannt ge
worden sind, nur einen Gewichtsvorteil von 40% gegenüber
Vollwellen. Zudem sind gebaute Nockenwellen nach wie vor
vergleichsweise teuer in der Herstellung, da getrennt Nocken
und Hohlrohre vorgehalten werden müssen und dann in geeigne
ter Weise gemeinsam in eine Form eingelegt werden müssen. Es
müssen also aufwendig Einzelkomponenten auf Lager gehalten
und zusammengesetzt werden.
Aus diesem Grunde werden bisher hohle Nockenwellen, obwohl
ihre gebaute Form theoretisch und auch in Schutzrechtsanmel
dungen beschrieben ist, noch nicht in Kraftfahrzeugen einge
setzt.
Die Ursache hierfür ist in einer geeigneten Verfahrenstech
nik zur Herstellung dieser Wellen zu sehen. Vorschläge zur
Herstellung gebauter hohler Nockenwellen sind bspw. in der
DE-PS 19 10 517.0-14 aufgeführt. Diese Verfahrenstechniken
sind jedoch für die Herstellung hohler Nockenwellen aus
Rohrabschnitten vollkommen ungeeignet. Die erforderlichen
Umformgrade können weder mit elektromagnetischen noch mit
elektrohydraulischem Umformen wirtschaftlich erreicht wer
den. Das Rundhämmern bzw. Rundkneten, wie es in der DE-PS 37
36 453 beschrieben ist, hat bisher auch noch nicht zum Ziel
geführt. Diese Art der Herstellung hohler Nockenwellen
scheitert insbesondere an der einseitigen Massenverteilung
in den Nocken. Auch das einstufige Innenhochdruckumformen
mit einem Werkzeug entsprechend der US-PS 2 892 254 führt
nicht zum Ziel. Obwohl bei dieser Vorgehensweise axiales
Nachschieben von Werkstoff vorgesehen ist, wird die Formaus
füllung an den Nockenspitzen nicht erreicht, ebenso ergibt
sich eine erhebliche Wandabstreckung auf den Nocken. Fig. 2
zeigt die unerwünschte Wandabstreckung an einer Nocke, die
mit dem bekannten einstufigen Innenhochdruckumformverfahren
hergestellt wurde.
Unter Innenhochdruckverfahren oder auch IHV-Verfahren wird
hier das Verfahren verstanden, das beispielsweise im Indu
strieanzeiger Nr. 20 vom 9.3.1984 beschrieben worden ist
oder auch in "Metallumformtechnik", Ausgabe 1D/91, Seite 15
ff: A. Ebbinghaus: Präzisionswerkstücke in Leichtbauweise,
hergestellt durch Innenhochdruckumformen" oder auch Werk
stoff und Betrieb 123 (1990), 3, Seite 241 bis 243: A. Eb
binghaus: "Wirtschaftliches Konstruieren mit innenhoch
druckumgeformten Präzisionswerkstücken" oder auch "Werkstoff
und Betrieb 122, (1991), 11, (1989), Seite 933 bis 938.
Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf deren
Offenbarung in vollem Umfang Bezug genommen.
Dieses Verfahren wurde bisher bspw. für die Herstellung von
Flanschen, wie es in der EP-2395052 beschrieben ist, bzw.
zur Herstellung von gebauten Nockenwellen zur Befestigung
von Nocken an einem Rohr zur Herstellung von hohlen Nocken
wellen eingesetzt.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaft
lich herzustellende hohle Nockenwelle bzw. ein Verfahren zu
ihrer Herstellung anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Nockenwelle gelöst, die einstüc
kig aus einem kaltumformbaren, wärmebehandelbaren Metall
oder Kunststoff besteht und einen zu den Außenkonturen der
Nockenwelle parallelen Faserverlauf aufweist.
Bevorzugt kann als Material dafür ein kohlenstoffhaltiger
Stahl eingesetzt werden, der ausreichend dehnungsfähig, aber
zum Härten auch wärmebehandelbar ist.
Geeignete Materialien können sein: 19MnB4, 16MNCr5, CK45,
19CrMo44, 15Cr3, C25 Stahl, X3NiCoMoTi1895, β-C-Tit
anlegierungen und solche, die ein ähnliches Verhalten auf
weisen.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Her
stellung von hohlen Wellen unter Verwendung des Innenhoch
druck-Umformens von Hohlrohren, gekennzeichnet durch nach
folgende Schritte:
- - Vorlegen eines Rohrausgangsteils und Füllen desselben mit Fluid;
- - Abdichten zumindest des aufzuweitenden Rohrabschnitts;
- - Aufbringen eines zum Aufweiten des Rohrabschnitts geeigneten Innenhochdrucks zur Herstellung einer Zwischenprodukt-Vorform, wobei das Hohlrohr in Richtung seiner Längsachse während des Aufbringens des Innenhochdrucks gegen eine bewegbare Form derart gestaucht wird, daß Materialanhäufungen in etwa an den Stellen entstehen, an denen Nocken entstehen sollen; Umformen der Zwischenprodukt-Vorform in einer der endgültigen Nockenwellenform entsprechenden Form mittels des Innenhochdruckumformverfahrens, sodaß Nocken an den erwünschten Stellen ausgeformt werden; ggf. Nacharbeiten der Nocken durch Wärmebehandlung od. dgl.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Es wird erfindungsgemäß also ein über das bekannte Innen
hochdruckumform-Verfahren hinausgehend (s. Tagungsband des
14. Umformtechnischen Kolloquiums in Hannover 1993, auf des
sen Offenbarung in vollem Umfang bezug genommen wird) ein
spezielles zweistufiges Umform-Verfahren für Nockenwellen
konzipiert, mittels dessen sich preiswert hohle Nockenwellen
herstellen lassen. Dabei bieten Formgenauigkeit und geringe
Wandabstreckung an den Nockenspitzen aus technologischer
Sicht die Hauptanforderungen an ein entsprechendes
Innenhochdruckumformverfahren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeich
nung sowie der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen, in zwei Umformschritten herge
stellten Nockenwelle;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer in einem
einzigen Umformschritt hergestellten Nockenwelle;
Fig. 2a einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2;
Fig. 3 einen Schnitt durch den Nocken einer erfindungsgemäß
hergestellten Vorform;
Fig. 3a einen Schnitt durch die Endform des Nockens, der aus
der Vorform der Fig. 3 entstand;
Fig. 4 eine Vorform einer ersten Umformstufe für Nocken im
Quer- und Längsschnitt;
Fig. 5 eine weitere Vorform einer ersten Umformstufe für
Nocken im Quer- und Längsschnitt;
Fig. 6 eine weitere Vorform einer ersten Umformstufe für
Nocken im Quer- und Längsschnitt;
Fig. 7 die Nocken-Endform, die aus den in Fig. 4-6
dargestellten Vorformen hergestellt ist, und
Fig. 8 eine Darstellung des Faserverlaufs in einem
Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Welle,
längs geschnitten.
Eine erfindungsgemäße Nockenwelle zeichnet sich dadurch aus,
daß sie keine aufgesetzten Nocken mehr besitzt, sondern aus
einem einzigen Ausgangsrohr ohne weitere Einzelteile in meh
reren Umformstufen hergestellt ist. Dadurch wird ein äußerst
günstiger, zu den Außenkonturen der Welle paralleler Faser
verlauf erzielt, der zu einer hohen Festigkeit der Welle und
damit zu einem geringen Gewicht führt. Eine erfindungsgemäße
Welle ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.
Es treten keine Probleme mit möglicher Ablösung der Nocken
von einem Zentralrohr auf. Es ist wichtig, daß ein Material
verwendet wird, das eine ausreichende Kaltverformbarkeit bei
gleichzeitiger Härte oder Härtungsmöglichkeit aufweist, um
verschleißfeste Nocken zu bilden.
Dieses kann bspw. ein geeigneter kohlenstoffhaltiger Stahl
sein, der wärmebehandelbar ist, aber auch ausreichend deh
nungsfähig, um eine derartig aufwendige Umformung ohne Rei
ßen durchzustehen. Selbstverständlich können andere leichte
und/oder feste Materialien je nach Einsatzzweck der Welle in
stationären Motoren, Flugzeugmotoren, Schiffsmotoren oder
Landfahrzeugen, wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen
und andere Materialien, wie sie dem Fachmann geläufig sind,
eingesetzt werden, wie 19MnB4, 16MNcr5, CK45, 19CrMo44,
15Cr3, C25 Stahl, X3NiCoMoTi1895, β-C-Titanlegierungen und
solche, die ein ähnliches Verhalten aufweisen. Je nach
Einsatzzweck kann ein teures, leichtes Material verwendet
werden - dies bietet sich bspw. für den Flugzeugmotorbau an
- oder auch ein schwereres Material, falls das Gewicht, wie
bspw. bei Schiffsmotoren - keine wesentliche Komponente dar
stellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt bevorzugt eine minde
stens zweistufige Umformung mit Vorform und Fertigform
durch, wobei der Vorform in der ersten Umformstufe besondere
Bedeutung zukommt. Damit Formgenauigkeit und geringe Wandab
streckung bei der Fertigform in der zweiten Umformstufe ge
währleistet sind, muß in der Vorform eine günstige Massen
vorverteilung in der Nockenwand vorgenommen werden. Die Mas
senverteilung kann in jedem Fall nur erreicht werden, wenn
an jeder Nocke der Stoff beidseitig axial nachgeschoben
wird. Das axiale Nachschieben an jedem Nocken geschieht
durch an sich bekannte Werkzeugtechnik.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine in einem einzigen Um
formschritt ausgeformte hohle Nockenwelle gezeigt, wobei
sich insbesondere aus Fig. 1a, dem Querschnitt durch den
Nocken, ergibt, daß die Abstreckung des Metalls beim einstu
figen Verfahren zu hoch ist und erhebliche Wanddickenunter
schiede, nämlich eine Wandstärke von ca. 1,0 mm an der Noc
kenspitze und von 3,0 mm an der der Nockenspitze
gegenüberliegenden Rohrwand, auftreten. Dadurch ist die Fe
stigkeit nicht gewährleistet.
In Fig. 3 wird demgegenüber ein Nocken, wie er beim erfin
dungsgemäßen Verfahren als Teil der Vorform hergestellt
wird, gezeigt. Dadurch, daß zunächst ein Nocken in der
Vorform hergestellt wird, der breiter, bevorzugt etwa 10 bis
40% breiter und besonders bevorzugt etwa 20-30% breiter
als die Endform und auch runder als die Endform ist, kann
eine ausreichende Materialansammlung an der kritischen
Nockenstelle, bei der die maximale Materialabstreckung
erfolgt, hergestellt werden. Diese Materialanhäufung kann
dann in einem zweiten Umformschritt - bspw. durch ein
Innenhochdruckumformverfahren - es können aber auch andere
Formverfahren, falls erwünscht, eingesetzt werden, wie
Rundhämmern od. dgl. - zur Fertigform umgeformt. Es zeigt
sich, daß durch zwei Umformschritte die erwünschte Ma
terialanhäufung unter dem Nocken erzielt werden kann.
In Fig. 4 z. B. weist die Nockenvorform runde Nockenspitzern
R1 auf, um unnötige Materialabstreckung zu vermeiden. Die
Nockenvorform-Breite B1 ist um 10 bis 40%. bevorzugt 20 bis
30% breiter als die Fertigformbreite B2. Beim Umformen der
Fertigform wird in der zweiten Umformstufe die runde und
bereite Vorform axial gestaucht. Dieser Stauchprozeß
verhindert die übermäßige Abstreckung der Rohrwand und
erzwingt eine hohe Formgenauigkeit, die ein späteres
Nacharbeiten vermeidet.
Die Fig. 5 und 6 zeigen andere mögliche Vorform-Varianten
für die erste Umformstufe mit gezielt vergrößertem Umfang U1
der Nocken in der Vorform, der etwa 5-20% größer,
bevorzugt um 10% größer als die Fertigform ist. In diesem
Fall fließt das Material beim Herstellen der Fertigform in
Umfangsrichtung U2 in die Nockenspitze. Dabei ist auf die
Form der Fig. 6 hinzuweisen, die eine teilkollabierte
Nockenvorform zeigt, die sodann in einem nachfolgenden
Umformschritt endgültig zu einem Nocken geformt wird.
In Fig. 7 ist sodann die fertige Nockenendform dargestellt,
wie sie aus jeder der Vorformen der Fig. 4 bis 6 herstellbar
ist. Dort beträgt bei einer Ausführungsform - auf die die
Erfindung keineswegs beschränkt ist, - typischerweise die
Nockenhöhe außen 50 mm von Nockenspitze bis Nockenbasis; der
Rohrteil besitzt einen Durchmesser von 30 mm und eine Wand
dicke von etwa 3 mm, die Nockenspitze besitzt eine Wand
stärke von 2-3 mm und die Nockenbasis eine Wanddicke von
bis zu 5 mm, da dort eine größere Materialanhäufung statt
findet. Selbstverständlich sind die in diesen Figuren darge
stellten Nockenvor- und endformen keineswegs einschränkend -
nach diesem Prinzip können auch Lagerringe u. dgl. auf der
Nockenwelle ausgebildet werden, falls notwendig.
Fig. 8 ist eine fotografische Darstellung des Faserverlaufs
in einem Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Nockenwelle,
aus dem sich ersehen läßt, daß die Fasern parallel zu den
Wänden der Nockenwelle verlaufen.
Abschließend soll noch die Möglichkeit der Kombination von
Innenhochdruckumform- und anderen Umformverfahren erwähnt
werden. Z.B. läßt sich eine geeignete Vorform durch Innen
hochdruckumformen herstellen und anschließend durch Rundhäm
mern oder andere geeignete Verfahren, die dem Fachmann ge
läufig sind, fertigstellen.
Die Welle kann nach dem IHV-Verfahren in bekannter Weise
weiterbehandelt, bspw. gehärtet, werden. Dafür bieten sich
die bekannten Verfahren, wie Nacharbeiten der Welle durch
ein oder mehrere Nachbehandlungsverfahren, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Nitrocarburieren, Plasmanitrieren,
Borieren, Laserhärten, Härten ohne Aufkohlen,
Induktionshärten, Flammhärten, Elektronenstrahlhärten,
Einsatzhärten, an.
Es soll daraufhingewiesen werden, daß die erfindungsgemäßen
Wellen mit den verschiedensten Nockenwinkeln, Wanddicken,
Wanddickenverhältnissen durch das IHV-Verfahren hergestellt
werden können und keineswegs auf irgendeine beschriebene
Ausführungsform begrenzt sind.
Claims (8)
1. Hohle Nockenwelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus
einem kaltumformbaren, wärmebehandelbaren Metall oder Metal
legierung oder Kunststoff besteht und einen zu den Außenkon
turen der Nockenwelle parallelen Faserverlauf aufweist.
2. Hohle Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Material ein kohlenstoffhaltiger Stahl ist.
3. Hohle Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nockenhöhe in der geformten Nockenwelle
etwa 40 bis 60 mm beträgt, wobei die Wandstärke der Nocken
spitze ca. 1,5 bis 4 mm, der Nockenbasis etwa 4 bis 6 mm und
die Wandstärke des rohrförmigen Abschnitts zwischen den Nok
ken etwa 2 bis 4 mm beträgt.
3. Verfahren zur Herstellung von hohlen Wellen gemäß einem
der vorangehenden Ansprüche unter Verwendung des Innenhoch
druck-Umformens von Hohlrohren, gekennzeichnet durch nach
folgende Schritte:
- - Vorlegen eines Rohrausgangsteils und Füllen desselben mit Fluid;
- - Abdichten zumindest des aufzuweitenden Rohrabschnitts;
- - Aufbringen eines zum Aufweiten des Rohrabschnitts geeigneten Innenhochdrucks zur Herstellung einer Zwischenprodukt-Vorform, wobei das Hohlrohr in Richtung seiner Längsachse während des Aufbringens des Innenhochdrucks gegen eine bewegbare Form derart gestaucht wird, daß Materialanhäufungen in etwa an den Stellen entstehen, an denen Nocken entstehen sollen;
- - Umformen der Zwischenprodukt-Vorform in einer der endgültigen Nockenwellenform entsprechenden Form mittels des Innenhochdruckumformverfahrens, sodaß Nocken an den erwünschten Stellen ausgeformt werden;
- - ggf. Nacharbeiten der Nocken durch Wärmebehandlung od. dgl.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandstärke des rohrförmigen Ausgangsmaterials zwischen
etwa 2 bis 5 mm, bevorzugt etwa 2,5 bis 4 mm beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Zwischenform die Nockenvorform breiter als der
fertige Nocken ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Zwischenform die Nockenvorform
einen größeren Umfang als der fertige Nocken besitzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Nacharbeiten der Welle durch ein
oder mehrere Nachbehandlungsverfahren, ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Nitrocarburieren, Plasmanitrieren,
Borieren, Laserhärten, Härten ohne Aufkohlen,
Induktionshärten, Flammhärten, Elektronenstrahlhärten,
Einsatzhärten, erfolgt.
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