DE19617219C2 - Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei Nockenwellen, die zur Betätigung von Ventilen von Brennkraftmaschinen dienen, treten an den Nocken sehr hohe Kräfte auf, die entsprechend hohe Pressungen erzeugen. Dies bedingt den Einsatz von harten und verschleißfesten Werkstoffen für die Noc­ kenwelle oder die Schaffung einer harten Verschleißschutzschicht auf den Nocken durch Nitrieren, Einsatzhärten, Induktivhärten und dergl., wodurch ein teurer Grundwerkstoff verwendet werden muß. Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist das Gewicht der Noc­ kenwelle, das möglichst gering sein soll.

Aus der DE 38 37 293 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Verbundkörpern (insbesondere Nockenwellen) bekannt, wobei besagter Verbundkörper Erhebungen aufweist und mindestens zwei dünnwandige, ineinander angeordnete Rohre umfaßt, die in ei­ ner Außenform mit einer der Außenkontur der Welle entsprechenden Innenkontur durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen werden.

Des weiteren ist aus der DE 33 03 629 A1 ein Verfahren zum Her­ stellen einer Nockenwelle mit einem oder mehreren exzentrischen Nocken bekannt, wobei an einer gewünschten Stelle eines rohrförmi­ gen Ausgangsmaterials eine Vertiefung geformt wird. Sodann wird auf dieses ein ringförmiges Teil aufgesetzt und in Übereinstimmung mit der Vertiefung gebracht und anschließend das rohrförmige Aus­ gangsmaterial zusammen mit dem ringförmigen Teil in einem Werkzeug, daß den äußeren Abmessungen der äußeren Form der Nockenwelle entsprechende innere Abmessungen und Form beisitzt, beispielsweise durch Innenhochdruck-Umformen ausgebaucht. Dadurch wird das ring­ förmige Teil auf dem rohrförmigen Ausgangsmaterial fixiert.

Aus der DE-PS 22 32 438 ist eine mehrteilige Nockenwelle bekannt, die einen rohrartigen Stahlkörper mit Nocken aufweist, der im Ge­ senk durch ein mit Stoßentladung arbeitendes elektromagnetisches Formverfahren oder durch ein Hochgeschwindigkeitsdruckverfahren geformt wird, und in seinem Inneren ein rohrförmiges Kernteil auf­ nimmt, das mit Festsitz an Innenflächen des Stahlkörpers anliegt. Das Kernteil nimmt zum großen Teil die Biege- und Verdrehbeanspru­ chungen der Nockenwelle auf und es soll die hohlen Nocken des äußeren Stahlkörpers und insbesondere deren Seitenwände unterstüt­ zen. Diese Nockenwelle hat gegenüber vollen Nockenwellen erhebliche Gewichtsvorteile, jedoch muß das Stahlteil mit den Noc­ ken eine beträchtliche Wandstärke haben, damit im Betrieb keine Verformung der Nocken durch die hohen Kräfte eintritt, die in Um­ fangsrichtung auf die Nocken wirken. Die Formgebung des dickwandigen Stahlkörpers erfordert einen beträchtlichen Energie­ aufwand.

Ähnliche Probleme bestehen bei der Nockenwelle entsprechend der DE-OS 44 27 201, bei der ein Rohr zur Bildung der Nocken durch Anwendung eines Innenhochdruck-Umformverfahrens in mehreren Stufen aufgeweitet wird. Anschließend wird die Welle mit bekannten Ver­ fahren, wie Nitrocarburieren, Plasmanitrieren, Borieren, Laserhärten, Induktionshärten, Flammhärten, Elektronenstrahlhärten oder Einsatzhärten nachbehandelt. Das Rohr muß eine verhältnismä­ ßige große Wandstärke haben, um nicht nur die auf die Nocken wirkenden Kräfte, sondern die auf die gesamte Nockenwelle wirken­ den Kräfte verformungsfrei aufnehmen zu können, da hier kein Stützkörper wie bei der Nockenwelle entsprechend der DE-PS 22 32 438 vorgesehen ist. Die Formgebung des dickwandigen Rohres ist wiederum mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden. Außerdem muß für das Rohr ein härt- und/oder vergütbarer Werkstoff verwen­ det werden und es ist dadurch aufgrund seiner verhältnismäßig großen Wandstärke entsprechend teuer.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 44 03 426 A1, DE 41 01 011 A1 und GB 2 164 420 A, hin­ gewiesen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Her­ stellung einer hohlen Welle, insbesondere einer Nockenwelle, zu schaffen, für das lediglich ein vergleichsweise geringer Energie­ aufwand erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag im Gegensatz zu dem Stand der Technik nicht ein dickwandiges Rohr, sondern minde­ stens zwei dünnwandige Rohre durch ein an sich bekanntes, beispielsweise in den genannten Druckschriften beschriebenes In­ nenhochdruck-Umformverfahren zur Bildung der Erhebungen in einer Außenform aufgeblasen werden, ist der Energieaufwand für die Form­ gebung besonders dann erheblich geringer, wenn die Rohre nacheinander in die Außenform eingelegt und aufgeblasen werden. Da nur das Außenrohr aus einem härt- und/oder vergütbaren Material bestehen muß, sind auch die Materialkosten reduziert. Eine weitere Verringerung der Materialkosten kann dadurch erreicht werden, daß anstelle eines durchgehenden Außenrohres aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff einzelne Rohrabschnitte aus einem solchen Werkstoff vorge-sehen werden, die jeweils die Umfangsfläche einer Erhebung, also beispielsweise eines Nockens, bilden und die auf das Außenrohr aufgesteckt und mit diesem in der Außenform durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen werden. Alternativ könnten diese Rohrabschnitte in bereits weitgehend fertiger Form in die Außenform eingelegt werden. Dann wird das Außenrohr durch diese Rohrabschnitte hindurchgesteckt und durch Erzeugung eines Innenhochdruckes aufgeblasen und in form-oder kraftschlüssige Ver­ bindung mit den Rohrabschnitten gebracht. Gegebenenfalls können die Rohrabschnitte dabei ihre endgültige Form erhalten.

Die Rohre können kraftschlüssig oder durch entsprechende Formge­ bung formschlüssig miteinander verbunden sein.

Um eine hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen, kann das Außenrohr bei oder nach dem Aufblasen in der Außenform einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Alternativ kann diese Wärmebehandlung nach dem Aufblasen aller Rohre stattfinden, wobei für das Außenrohr ein solcher Werkstoff gewählt wird, daß bei der Wärmebehandlung auch eine Schrumpfverbindung mit dem folgenden Rohr entsteht.

Das innere Rohr oder die inneren Rohre kann bzw. können eine sol­ che Oberflächenbeschaffenheit und/oder Wandstärke haben und/oder aus solchen Werkstoffen bestehen, daß eine gute Schwingungsdämp­ fung und eine gute Verbindung zwischen den Rohren erreicht wird.

Der innere Hohlraum der hohlen Welle kann mit einem Kunststoff ausgefüllt sein, um eine verbesserte Geräusch- und Schwingungs­ dämpfung zu erreichen.

Zwei Ausführungsbespiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt entlang Linie 1-1 in Fig. 2 eines Abschnittes einer Außenform mit einer fertig geformten Nockenwelle entsprechend dem ersten Beispiel,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 mit einer fertig geformten Nockenwelle entsprechend dem zweiten Beispiel, und

Fig. 4 einen Querschnitt der Nockenwelle entlang Linie IV-IV in Fig. 3.

Es sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 bezuggenommen, in denen ei­ ne aus zwei Teilen 1 und 2 bestehende Außenform dargestellt ist, die zusammen eine Innenkontur entsprechend der Außenkontur der Nockenwelle haben, also an den Stellen, an denen Nocken gebildet werden sollen, entsprechende Vertiefungen 3 bzw. 4 aufweisen. In die Außenform wird zunächst ein äußeres Rohr 5 eingelegt, das durch ein bekanntes innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen wird, so daß es sich eng an die Innenkontur der Außenform an­ legt. Das Rohr 5 besteht aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff, um eine verschleißfeste Oberfläche zu erhalten. Nach dem Aufblasen des äußeren Rohres 5 wird in dieses ein Innenrohr 6 eingeführt, das aufgeblasen wird und sich eng an die Innenkon­ tur des äußeren Rohres 5 anlegt. Falls erforderlich, kann in das aufgeblasene Innenrohr 6 ein weiteres Innenrohr 7 eingeführt werden, das aufgeblasen wird und sich eng an die Innenkontur des ersten Innenrohres 6 anlegt. Je nach Bedarf können weitere Innenrohre nacheinander eingelegt und aufgeblasen werden. Das Er­ gebnis ist eine Nockenwelle mit einem sandwichartigen Aufbau, die ein sehr geringes Gewicht hat.

Die Rohre 5 bis 7 können verhältnismäßig dünnwandig sein, so daß für ihr Aufblasen ein geringer Energieaufwand erforderlich ist. Die Innenrohre 6 und 7 können aus einem relativ billigen Werk­ stoff bestehen, wodurch die Materialkosten der Nockenwelle redu­ ziert werden. Sie können in ihrer Oberflächenbeschaffenheit und/oder Wandstärke unterschiedlich sein und/oder aus unter­ schiedlichen Werkstoffen bestehen, um gegebenenfalls eine gute Schwingungs- und Geräuschdämpfung zu erreichen und die Verbin­ dung zwischen den Rohren und mit dem äußeren Rohr 5 zu verbes­ sern.

Die Rohre 5 bis 7 sind durch die ineinanderliegenden unrunden Abschnitte, welche die Nocken bilden, miteinander formschlüssig verbunden. Es können jedoch Maßnahmen für eine zusätzliche form­ schlüssige Verbindung vorgesehen werden, wie später in Verbin­ dung mit Fig. 4 beschrieben.

Wenn zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit eine Wärme­ behandlung des äußeren Rohres 5 erfolgen soll, so kann diese bei oder nach dem Aufblasen dieses Rohres in der Außenform stattfin­ den. Alternativ kann die Wärmebehandlung in der Außenform nach dem Aufblasen des Innenrohres 6 oder weiterer Innenrohre erfol­ gen, in welchem Fall der Werkstoff des äußeren Rohres 5 so ge­ wählt werden kann, daß eine Schrumpfverbindung mit dem Innenrohr 6 erreicht wird.

Zur Verbesserung der Geräusch- und Schwingungsdämpfung kann der innere Hohlraum 8 der geformten Nockenwelle mit einem Kunststoff ausgefüllt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist die gleiche Außen­ form mit den Teilen 1 und 2 verwendet. Abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel sind auf dem äußeren Rohr 5 einzelne Rohrab­ schnitte 9 aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff vorge­ sehen, die an den Stellen, an denen Nocken entstehen sollen, auf das Rohr 5 aufgesetzt und mit diesem so in die Außenform einge­ legt werden, daß die Rohrabschnitte 9 den Vertiefungen 3 und 4 in den Formteilen 1 und 2 gegenüberliegen. Dann wird das Rohr 5 mit den darauf befindlichen Rohrabschnitten 9 aufgeblasen, wo­ durch sich die Rohrabschnitte eng an die Wände der Vertiefungen 3, 4 anlegen und die gewünschte Nockenform erhalten. Nach dem Aufblasen des äußeren Rohres 5 wird wie bei dem ersten Beispiel ein Innenrohr 6 in das äußere Rohr 5 eingeführt und aufgeblasen. Auch hier können bei Bedarf weitere Innenrohre nacheinander ein­ geführt und aufgeblasen werden. Diese Ausführung hat den Vor­ teil, daß nur die Umfänge der Nocken, die von den Rohrabschnit­ ten 9 gebildet sind, aus dem relativ teuren, härt- oder vergüt­ baren Werkstoff bestehen, so daß die Material­ kosten reduziert sind.

Um eine zusätzliche formschlüssige Verbindung der Rohrab­ schnitte 9 mit dem Außenrohr 5 zu erreichen, ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich, die Innenfläche jedes Rohrabschnittes 9 mit axial verlaufenden Nuten 10 versehen, in die das Außenrohr 5 bei Auf­ blasen hineingedrückt wird. Dabei bilden sich an der Innenfläche des Außenrohres 5 entsprechende Nuten 11, in die das Innenrohr 6 beim Aufblasen hineingedrückt wird, so daß auch zwischen den Rohren 5 und 6 eine formschlüssige Verbindung zusätzlich zu dem Formschluß entsteht, der durch die in die Vertiefungen 3, 4 hin­ eingedrückten, die Nocken bildenden Abschnitte der Rohre gebil­ det ist.

Abweichend von dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist es denk­ bar, die Rohrabschnitte 9 bereits vorgeformt in die Vertiefungen 3, 4 einzulegen und dann das Außenrohr 5 durch die eingelegten Rohrabschnitte 9 hindurchzuführen und aufzublasen.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einer Nockenwelle beschrie­ ben und dargestellt. Sie ist jedoch allgemein für hohle Wellen anwendbar, an die ähnliche Anforderungen gestellt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Welle mit Erhebungen, insbesondere Nocken, wobei die hohle Welle mindestens zwei dünn­ wandige, ineinander angeordnete Rohre (5, 6, 7) umfaßt, die in einer Außenform (1, 2) mit einer der Außenkontur der Welle entsprechenden Innenkontur durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren aufgeblasen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5, 6, 7) nacheinander in die Außenform eingelegt und nacheinander aufgeblasen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem äußeren Rohr (5) einzelne Rohrabschnitte (9) angeord­ net sind, die jeweils die Umfangsfläche einer Erhebung bilden, wobei die die späteren Erhebungen bildenden Rohrabschnitte (9) auf das äußere Rohr (5) aufgesetzt und zusammen mit diesem in die Au­ ßenform eingelegt und aufgeblasen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (5) bzw. die Rohrabschnitte (9) nach dem Auf­ blasen zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit einer Wärmebehandlung unterworfen wird bzw. werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (5) bzw. die Rohrabschnitte (9) nach dem Auf­ blasen des folgenden Rohres zur Erzielung einer hohen Ver­ schleißfestigkeit und einer Schrumpfverbindung mit dem folgenden Rohr einer Wärmebehandlung unterworfen wird bzw. werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenform an den Stellen, an denen die Erhebungen ge­ formt werden, jeweils ein der Form der Erhebungen entsprechender Rohrabschnitt aus einem härt- und/oder vergütbaren Werkstoff ein­ gelegt wird, dann mindestens zwei Rohre nacheinander durch die Rohrabschnitte hindurchgeführt und durch Erzeugung eines Innen­ hochdruckes nacheinander aufgeblasen und in form- oder kraftschlüssige Verbindung miteinander und mit den Rohrabschnitten gebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei innere Rohre (6, 7) eine unterschiedliche Ober­ flächenbeschaffenheit aufweisen.