DE20121375U1

DE20121375U1 - Camshaft designed as a hollow shaft

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Publication number: DE20121375U1
Application number: DE20121375U
Authority: DE
Original assignee: Salzgitter Antriebstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Saechsische Elektronenstrahl De GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2011-10-12

Description

5 Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle, ausgebildet als Hohlwelle, auf der separat und konturengerecht hergestellte Bauteile, insbesondere Nockenringe, durch Innenhochdruck-Umformverfahren kraft- und formschlüssig befestigt sind.5 The invention relates to a camshaft, designed as a hollow shaft, on which components manufactured separately and in accordance with contours, in particular cam rings, are fastened in a force-fitting and form-fitting manner by means of internal high-pressure forming processes.

Es ist bekannt, Nockenwellen nach dem IHU-Verfahren herzustellen, indem in ein 10 IHU-Werkzeug die Hohlwelle und auf ihr Bauteile, das sind Nockenringe und Antriebselemente, entsprechend ihrer Funktion eingelegt werden. Der erzeugte Innendruck bewirkt, dass sich die Welle ausdehnt und die Bauelemente dadurch kraft- und formschlüssig mit der Welle verbunden werden (DE 199 09 184 A1; DE 199 32 810 A1). Die Nockenringe sowie auch anderen Bauteile werden in 15 einem getrennten Verfahren hergestellt und besitzen die dem späteren Einsatz entsprechenden Abmessungen und Werkstoffeigenschaften, d.h. Verschleißfestigkeit. Es werden in gleicher Weise auch Antriebselemente, wie z.B. Zahnräder befestigt. Durch den IHU-Prozess wird die Welle erst elastisch, dann plastisch verformt und die Bauteile sind der plastischen Verformung exakt fixiert und be-20
festigt.It is known to manufacture camshafts using the hydroforming process, in which the hollow shaft and components, i.e. cam rings and drive elements, are placed on it in a hydroforming tool according to their function. The internal pressure generated causes the shaft to expand and the components are thereby connected to the shaft in a force-locking and form-locking manner (DE 199 09 184 A1; DE 199 32 810 A1). The cam rings and other components are manufactured in a separate process and have the dimensions and material properties appropriate for their later use, i.e. wear resistance. Drive elements such as gears are also attached in the same way. The hydroforming process first elastically and then plastically deforms the shaft and the components are precisely fixed and subjected to the plastic deformation.
consolidated.

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Durch den Innendruck erfolgt jedoch auch eine elastische Verformung des zu befestigenden Bauteiles, d.h. des Nockenringes. Die elastische Verformung des Nockenringes überbrückt die Fertigungstoleranzen zwischen der Außenkontur des Nockenringes und der Innenkontur der Nockenform des IHU-Werkzeuges.
5However, the internal pressure also causes an elastic deformation of the component to be fastened, i.e. the cam ring. The elastic deformation of the cam ring bridges the manufacturing tolerances between the outer contour of the cam ring and the inner contour of the cam shape of the hydroforming tool.
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Dieses Verfahren, die Eigenschaften des Nockenringes nur auf die spätere Funktion abzustimmen, hat den Nachteil, dass die zulässige Verformung des Nockenringes überschritten werden kann, und es kommt zu einem Bruch oder zur Vorschädigung, indem ein Anriss entsteht, der später beim Einsatz der Nockenwelle zum Bruch führt. Das tritt ein, wenn der Nockenring z.B. fehlerhaft wärmebehandelt wurde. Es besteht somit die Gefahr, dass der Schaden erst dann eintritt, wenn die Nockenwelle schon längere Zeit im Motor im Einsatz ist. Das kann in gleicher Weise auch bei im IHU-Verfahren aufgebrachte Zahnräder oder anderer Antriebselemente eintreten. Es wurde auch festgestellt, dass die erhöhte Bruchgefahr an den Stellen des Nockenringes besteht, wo dieser im IHU-Prozess besonders belastet wird; das ist der Bereich vor und hinter der Nockenspitze, besonders in den Radienübergängen und an der Nockenspitze.This method of only adjusting the properties of the cam ring to its later function has the disadvantage that the permissible deformation of the cam ring can be exceeded and breakage or pre-damage can occur by creating a crack that later leads to breakage when the camshaft is used. This occurs if, for example, the cam ring has been heat-treated incorrectly. There is therefore a risk that the damage will only occur when the camshaft has already been in use in the engine for a long time. This can also happen in the same way with gears or other drive elements applied using the hydroforming process. It has also been determined that the increased risk of breakage exists at those points on the cam ring where it is particularly stressed in the hydroforming process; this is the area in front of and behind the cam tip, particularly in the radius transitions and at the cam tip.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Nokkenwelle zu schaffen, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und für den Dauerbetrieb in Kraftfahrzeugmotoren geeignet ist.The invention is based on the object of creating a camshaft that can be produced cost-effectively, has a high level of reliability and is suitable for continuous operation in motor vehicle engines.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bauteile, insbesondere Nockenringe auf ihrer Oberfläche einen definierten Dickenbereich aufweisen, der hart und elastisch und geringfügig plastisch verformbar ist, und der darunter liegende Bereich plastisch verformbar ist.This object is achieved according to the invention in that the components, in particular cam rings, have a defined thickness range on their surface which is hard and elastic and slightly plastically deformable, and the area underneath is plastically deformable.

Erfindungsgemäß wird das bekannte IHU-Verfahren angewendet. In einem ersten Verfahrensschritt werden die Bauteile, insbesondere die Nockenringe, die mit der Welle kraft- und formschlüssig verbunden werden sollen, in ihrer funktionsbedingten Form (Kontur) hergestellt. Dazu wird ein Werkstoff verwendet, der nachAccording to the invention, the known hydroforming process is used. In a first process step, the components, in particular the cam rings, which are to be connected to the shaft in a force-locking and form-locking manner, are produced in their functional shape (contour). For this purpose, a material is used which, according to

der Härtung noch eine zulässige Restdehnung von > =0,5 % besitzt, d.h. er darf in gehärtetem Zustand auf der Innen- und Außenseite neben seiner elastischen Verformbarkeit noch eine geringe zulässige plastische Verformbarkeit aufweisen. Am geeignetsten hierfür sind die niedriglegierten Stähle z.B. Federstahl (58 CrMo V4), der sowohl eine nach der Wärmebehandlung zulässige Restdehnung besitzt, aber auch sehr gute Verschleißfestigkeit im Dauerbetrieb aufweist.after hardening, it still has a permissible residual elongation of > =0.5%, i.e. in the hardened state, it may have a low permissible plastic deformability on the inside and outside in addition to its elastic deformability. The most suitable for this are low-alloy steels, e.g. spring steel (58 CrMo V4), which has both a permissible residual elongation after heat treatment and also has very good wear resistance in continuous operation.

Diese vorgefertigten Nockenringe oder auch anderen Bauteile werden in das IHU-Werkzeug funktionsgerecht mit der Hohlwelle eingelegt und in einem zweiten Verfahrensschritt wird durch den in der Welle erzeugten Axialdruck diese Hohlwelle aufgeweitet und dabei werden die Nocken und/oder Bauelemente kraft- und formschlüssig mit der Hohlwelle verbunden.These prefabricated cam rings or other components are inserted into the IHU tool in a functional manner with the hollow shaft and in a second process step this hollow shaft is expanded by the axial pressure generated in the shaft and the cams and/or components are connected to the hollow shaft in a force-fitting and form-fitting manner.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Nockenringe oder Bauteile nach der funktionsgerechten Herstellung, d.h. der Erzeugung der äußeren Kontur der Lauffläche des Nockens und der inneren Kontur, randschichtgehärtet. Dadurch werden die äußeren verschleißbeanspruchten Zonen hart und elastisch verformbar und die sich infolge des Innendruckes aufweitende Innenkontur auf der der Welle zugewandten Seite des Nockenringes bleibt in gewissem Grad weich, d.h. plastisch verformbar.In a second embodiment of the invention, the cam rings or components are surface-hardened after functional production, i.e. the creation of the outer contour of the running surface of the cam and the inner contour. This makes the outer wear-stressed zones hard and elastically deformable and the inner contour, which expands as a result of the internal pressure on the side of the cam ring facing the shaft, remains soft to a certain degree, i.e. plastically deformable.

Das Randschichthärten erfolgt z.B. durch Einsatzhärten, Nitrieren, Induktionshärten oder durch Einwirkung eines Ladungsträgerstrahles.Surface hardening is achieved, for example, by case hardening, nitriding, induction hardening or by the action of a charge carrier beam.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Nockenring aus zwei Materialien zusammengesetzt ist. D.h., es ist auf einen inneren Ring aus einem weichen, plastisch verformbaren Material ein Ring aus einem harten und elastischen Material aufgebracht. Beide Ringe sind fest miteinander verbunden, was z.B. durch Einpressen oder Aufschrumpfen erfolgt. Damit besteht der Nockenring aus quasi zwei Zonen, wie es in der vorher beschriebenen Ausführungsform durch die Randschichthärtung erreicht wird.A further embodiment of the invention consists in the cam ring being composed of two materials. This means that a ring made of a hard and elastic material is applied to an inner ring made of a soft, plastically deformable material. Both rings are firmly connected to one another, for example by pressing or shrinking. The cam ring thus consists of two zones, as is achieved in the previously described embodiment by the surface hardening.

Diese Lösung ist noch in folgenden Varianten ausführbar, indem die Dicke des Nockenringes ungleich ist, d.h. im Bereich der Nockenspitze dicker ist. Somit kann die Dicke im Bereich der Nockenspitze dadurch erreicht werden, dass die Dicke des inneren Ringes unterschiedlich , d.h. im Bereich der Nockenspitze dikker ist, und der äußere Ring eine gleiche Dicke besitzt, oder dass der innere Ring gleiche Dicke hat und der äußere Ring unterschiedliche Dicke besitzt. Der Außenring ist immer hart und verschleißfest.This solution can be implemented in the following variants: the thickness of the cam ring is uneven, i.e. it is thicker in the area of the cam tip. The thickness in the area of the cam tip can therefore be achieved by making the thickness of the inner ring different, i.e. thicker in the area of the cam tip, and the outer ring having the same thickness, or by making the inner ring the same thickness and the outer ring having a different thickness. The outer ring is always hard and wear-resistant.

Es kann auch vorteilhaft sein, bei allen Ausführungsformen der Erfindung auf der Hohlwelle einen runden symmetrischen Ring aus einem weichen Material, zweckmäßig wie das der Hohlwelle oder noch weicher gleicher Dicke aufzubringen und auf diesem den in seiner Kontur funktionsgerecht geformten Nockenring aufzubringen, so dass im IHU-Prozess der runde innere Ring mit der Hohlwelle gemeinsam soweit verformt wird, bis die innere Kontur des äußeren Ringes, dem Nockenring erreicht ist. Durch den IHU-Prozess werden somit die Hohlwelle, der auf ihr aufgebrachte runde Ring und der darüber befindliche Nockenring kraft- und formschlüssig verbunden. Der äußere Ring besteht aus einem harten Material, dessen zulässige Restdehnung > = 0,5 % beträgt, er darf neben seiner elastischen nur eine geringe zulässige plastische Verformbarkeit aufweisen. Es ist aber auch möglich, den äußeren Ring randschichtzuhärten.It can also be advantageous in all embodiments of the invention to apply a round symmetrical ring made of a soft material, preferably the same as that of the hollow shaft or even softer and of the same thickness, to the hollow shaft and to apply the cam ring, whose contour is shaped to suit the function, to this ring, so that in the hydroforming process the round inner ring is deformed together with the hollow shaft until the inner contour of the outer ring, the cam ring, is reached. The hydroforming process thus connects the hollow shaft, the round ring applied to it and the cam ring located above it in a force-fitting and form-fitting manner. The outer ring is made of a hard material with a permissible residual elongation of >= 0.5%; in addition to its elastic deformability, it may only have a low permissible plastic deformability. However, it is also possible to surface harden the outer ring.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass die Mängel am Stand der Technik dadurch zu beseitigen sind, dass die Nockenringe die Eigenschaft besitzen, dass sich infolge des maximalen Innendruckes, der beim IHU-Verfahren auftritt, aufbauende Spannungszustände im Nockenring niedriger sind als bei den bekannten durchgehärteten Nockenringen oder denen, die aus einem Werkstoff bestehen, der durchgehend diese Härte aufweist.Surprisingly, it was found that the deficiencies in the prior art can be eliminated by the fact that the cam rings have the property that, as a result of the maximum internal pressure that occurs during the hydroforming process, the stress states building up in the cam ring are lower than in the known through-hardened cam rings or those that consist of a material that has this hardness throughout.

Bei der Herstellung der Nockenringe durch die entsprechende Materialauswahl einschließlich des Härtens und dem Wärmebehandeln durch Randschichthärten, bei welcher zusätzlich Druckeigenspannungen in der gehärteten Schicht entste-When manufacturing the cam rings, the appropriate material selection including hardening and heat treatment by surface hardening, which also creates residual compressive stresses in the hardened layer,

hen, wird der Schädigungsmechanismus noch weiter unterdrückt, und die Nokkenringe oder auch andere Bauteile dann wesentlich höheren Beanspruchungen standhalten.the damage mechanism is suppressed even further and the cam rings or other components can then withstand much higher stresses.

Erfindungswesentlich aller Ausführungsformen ist, dass der Nockenring in seiner Materialdicke unterschiedliche Materialeigenschaften besitzt. Die obere Schicht, das ist die mechanisch im Betrieb beanspruchte, muss hart und elastisch verformbar sein und die darunter liegende Schicht plastisch und elastisch verformbar. Damit ist erreicht, dass selbst im Schädigungsfall keine durchgehenden Risse auftreten können, sondern im Ausnahmefall nur lokale Schädigungen. Diese Abplatzungen können niemals zur plötzlichen Zerstörung eines Motors führen.The essential feature of all embodiments of the invention is that the cam ring has different material properties in its material thickness. The upper layer, which is subject to mechanical stress during operation, must be hard and elastically deformable and the layer underneath must be plastically and elastically deformable. This ensures that even in the event of damage, no continuous cracks can occur, but only local damage in exceptional cases. This flaking can never lead to the sudden destruction of an engine.

In einer zweiten Ausführungsform ist die Oberfläche des Nockenringes in einer definierten Dicke randschichtgehärtet. Dadurch ist die obere Schicht elastisch verformbar und die darunterliegende Schicht plastisch verformbar. Beide Ausführungsformen bezüglich der Herstellung des Nockenringes können auch vorteilhafterweise vereinigt sein, um noch bessere Gebrauchseigenschaften zu erzielen.In a second embodiment, the surface of the cam ring is surface-hardened to a defined thickness. This means that the upper layer is elastically deformable and the layer below is plastically deformable. Both embodiments of the manufacture of the cam ring can also advantageously be combined in order to achieve even better performance properties.

Schließlich besteht noch die weitere Ausführungsform darin, dass die harte und elastisch verformbare Oberschicht des Nockenringes aus zwei Materialien, hart elastisch und weich - plastisch verformbar, zusammengesetzt ist.Finally, the further embodiment consists in that the hard and elastically deformable upper layer of the cam ring is composed of two materials, hard elastic and soft - plastically deformable.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Nockenwelle besteht noch darin, dass die Dicke der Nockenringe unterschiedlich ist, indem der Bereich der Nockenspitze dicker ist. Der durch Randschichthärten behandelte Bereich der Materialdicke bleibt über dem gesamten Umfang des Nockenringes in seiner Dicke gleich.Another advantageous design of the camshaft is that the thickness of the cam rings is different, with the area of the cam tip being thicker. The area of the material thickness treated by surface hardening remains the same in thickness over the entire circumference of the cam ring.

An einem Anwendungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Nockenwelle beschrieben.
30A camshaft according to the invention is described using an application example.
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In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The accompanying drawing shows:

Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Nockenwelle im Bereich einesFig. 1: a cross section through a camshaft in the area of a

Nockens, gleicher Wanddicke,
5Cam, same wall thickness,
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Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine Nockenwelle,Fig. 2: a longitudinal section through a camshaft,

Fig. 3: einen Querschnitt durch eine Nockenwelle im Bereich eines NockensFig. 3: a cross section through a camshaft in the area of a cam

aus zwei Materialien und unterschiedlicher Wanddicke.made of two materials and different wall thicknesses.

In Fig. 1 und 2 werden in einem getrennten bekannten mechanischen Verfahren die Nockenringe 1 mit ihrer funktionsbedingten Kontur hergestellt. Es wird als Material 58 CrMoV6 verwendet. Danach werden die Nockenringe 1 in bekannter Weise randschichtgehärtet. Dieser Härtevorgang wird derart gesteuert, dass in einer Tiefe T eine gehärtete Schicht 2 entsteht, die elastisch verformbar ist und eine geringe plastische Verformung noch zulässt. Der unter der Schicht 2 befindliche Bereich 3 bleibt ungehärtet, d.h. er ist sowohl plastisch als auch elastisch verformbar. Der Nockenring 1 ist durch das bekannte IHU-Verfahren auf einer Hohlwelle 4 kraft- und formschlüssig aufgebracht. Die Hohlwelle 4, ursprünglich ein rotationssymmetrisches Rohr, besteht aus einem Material, das plastisch verformbar ist.In Fig. 1 and 2, the cam rings 1 are manufactured with their functional contour in a separate known mechanical process. The material used is 58 CrMoV6. The cam rings 1 are then surface hardened in a known manner. This hardening process is controlled in such a way that a hardened layer 2 is created at a depth T, which is elastically deformable and still allows a small amount of plastic deformation. The area 3 located under the layer 2 remains unhardened, i.e. it is both plastically and elastically deformable. The cam ring 1 is applied to a hollow shaft 4 in a force-fitting and form-fitting manner using the known hydroforming process. The hollow shaft 4, originally a rotationally symmetrical tube, consists of a material that is plastically deformable.

Der Bereich, in dem nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik Mängel durch Rissbildung auftraten, ist mit 5 bezeichnet und erfindungsgemäß beseitigt.The area in which defects due to cracking occurred according to the prior art method is designated 5 and is eliminated according to the invention.

In Fig. 3 bestehen die Nockenringe 2 aus einem unmittelbar auf der Hohlwelle 4 aufgebrachten inneren Ring 6, der aus einem weichen, plastisch verformbaren Material besteht. Er ist im Bereich der Nockenspitze 7 wesentlich dicker als in seinem übrigen Bereich. Auf diesem Ring 6 ist ein vorhandener Ring 8 mit gleieher Dicke , aus einem harten, elastisch verformbaren Material aufgebracht. Seine äußere Kontur ist der Funktion entsprechend ausgebildet.In Fig. 3, the cam rings 2 consist of an inner ring 6 which is mounted directly on the hollow shaft 4 and is made of a soft, plastically deformable material. It is significantly thicker in the area of the cam tip 7 than in the rest of the area. An existing ring 8 of the same thickness, made of a hard, elastically deformable material, is mounted on this ring 6. Its outer contour is designed to suit its function.

Die beiden Ringe 6 und 8 werden vor dem Einlegen in das IHU-Werkzeug kraft- und formschlüssig, beispielsweise durch Aufschrumpfen, miteinander verbunden. Gr/afThe two rings 6 and 8 are connected to each other in a force-locking and form-locking manner, for example by shrinking, before being inserted into the hydroforming tool. Gr/af

Claims

1. Camshaft, designed as a hollow shaft ( 2 ), on which components manufactured separately and in accordance with contours, in particular cam rings ( 1 ), are fastened in a force-fitting and form-fitting manner by means of internal high-pressure forming processes, characterized in that the components, in particular cam rings ( 1 ) have a defined thickness region on their surface which is hard and elastic and slightly plastically deformable, and the region underneath is plastically deformable.

2. Camshaft according to claim 1, characterized in that the cam rings ( 1 ) are hardened in their functional shape after production.

3. Camshaft according to claim 1, characterized in that the cam rings ( 1 ) are surface-hardened in their functional shape after manufacture.

4. Camshaft according to claim 1, characterized in that the cam rings ( 1 ) consist of two rings ( 6 ; 8 ) connected to one another in a force-fitting and form-fitting manner.

5. Camshaft according to claim 4, characterized in that the rings ( 6 ; 8 ) consist of different materials, the inner ring ( 6 ) consisting of a soft, plastically deformable material and the outer ring ( 8 ) consisting of a hard, elastic material.

6. Camshaft according to claim 4 and 5, characterized in that the inner ring ( 6 ) is thicker in the region of the cam tip ( 7 ) and the outer ring ( 8 ) is the same in thickness.

7. Camshaft according to claim 4 and 5, characterized in that the outer ring ( 8 ) is thicker in the region of the cam tip ( 7 ) and that the inner ring ( 6 ) is the same in thickness.

8. Camshaft according to claim 1 to 3, characterized in that the cam rings ( 1 ) differ in their wall thickness in that the region of the cam tip ( 7 ) is thicker.

9. Camshaft according to at least one of claims 4 to 8, characterized in that the inner ring ( 6 ) is only a volume-filling segment between the ring ( 8 ) and the hollow shaft ( 4 ) in the region of the cam tip ( 7 ).

10. Camshaft according to at least one of the preceding claims, characterized in that on the hollow shaft ( 4 ) in the region of a cam ring ( 1 ) a ring of the same thickness made of a soft material which is the same or softer than that of the hollow shaft ( 4 ) is applied, and that on this ring the cam ring ( 1 ), which consists of a material whose surface is edge-hardened or of a hard, elastic material, or of two rings ( 6 ; 8 ) of different materials which are connected to one another, is applied.

11. Camshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the components are gears, chain wheels or similar force-transmitting functional elements which have the elastically deformable layer in a defined thickness from the root circle inwards.