CH695064A5 - Nockenwelle mit Einbuchtungen. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung bezieht sich auf eine Nockenwelle nach dem Oberbegriff  des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle  nach Anspruch 5. 



   Nockenwellen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge  werden heute in immer kompakteren Anordnungen eingebaut. Nockenwellen  liegen beispielsweise aus Platzspargründen so nahe paarweise nebeneinander,  dass ein direkter Zugang zu den Zylinderkopfschrauben nicht mehr  möglich ist. In diesen Fällen müssen zur Demontage des Zylinderkopfes  oder zum Nachziehen von Zylinderkopfschrauben solche Nockenwellen  zuerst demontiert werden, was nicht sehr servicefreundlich ist und  mit Zusatzkosten verbunden ist. Eine Lösung besteht nun darin, bei  massiv gebauten Nockenwellen im Bereich der Zylinderkopfschrauben  eine querliegende nutförmige Einbuchtung einzufräsen oder einzuschleifen.  Auch ist es möglich, bei massiven gegossenen Nockenwellen die Einbuchtungen  direkt zu giessen.

   Die Nockenwellen können dann, um Zugang zu den  Zylinderkopfschrauben herzustellen, so verdreht werden, dass die  Nockenwelleneinbuchtungen den Bereich der Zylinderkopfschraube freigeben.                                                      



   Seit einiger Zeit werden aber zur Vereinfachung und zur Kosteneinsparung  Nockenwellen nicht mehr aus einem Teil hergestellt wie gegossen,  sondern als sogenannte gebaute Nockenwellen, d.h. als zusammengesetzte  Nockenwelle hergestellt. Eine solche gebaute Nockenwelle besteht  aus einem Rohr, auf welches vorgefertigte Nocken bis zu ihrer Position  aufgeschoben werden und am Rohr fixiert werden. In solche Nockenwellenrohre  können Einbuchtungen nicht in bekannter Weise beispielsweise durch  Einfrasen angebracht werden. Ein Ein   fräsen würde das Rohr im Bereich  der Einbuchtung so stark schwächen, dass die Belastungen im Motorbetrieb  nicht ertragen würden.

   Würde man zur Verstärkung der ausgefrästen  Einbuchtungen im Rohr in dasselbe ein weiteres Rohr oder gar eine  Vollwelle einpressen, würde eine ausreichende Festigkeit in vielen  Fällen immer noch nicht sichergestellt sein und die Gewichtsvorteile  von gebauten hohlen Nockenwellen vermindern, wenn nicht gar vollständig  aufheben und es würden zusätzliche Kosten verursacht. 



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Nachteile  des vorerwähnten Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere  besteht die Aufgabe darin, eine Nockenwelle mit einer als Rohr ausgebildeten  Welle und darauf aufgeschobenen und befestigten Nocken auszubilden  und in der Rohrwandung des Rohrs Einbuchtungen anzubringen, welche  in eingebautem Zustand den Zugang zu Zylinderkopfschrauben ermöglichen,  ohne den Vorteil von sogenannten gebauten Nockenwellen zu verlieren.                                                           



   Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Anordnung nach den Merkmalen  des Anspruchs 1 sowie nach dem Herstellverfahren nach Anspruch 5  gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte  Ausführungsformen. 



   Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Herstellung  von Einbuchtungen in einer als Rohr ausgebildeten Welle die Wandung  im gewünschten Bereich des Rohrs derart eingepresst wird, dass die  gewünschte Einkerbung in Querrichtung zur Nockenwellenachse erzeugt  wird, ohne dass beim Einpressvorgang die entstehende Deformation  im Rohrwandbereich zu einer Überragung des ursprünglichen Aussendurchmessers  des Rohres führt. Dadurch ist gewährleistet,    dass die Nocken präzise  über das mit den Einbuchtungen versehene Rohr an ihre Position geschoben  werden können und dort mit den üblichen Montageverfahren fixiert  werden können.

   Die Nockenwelle kann in bekannter Weise aus dem Rohr,  Nocken und den weiteren bekannten Komponenten wie Axiallagerring,  Kettenrad usw. auf bekannte Art präzise nach dem Herstellen der eingepressten  Einbuchtungen zusammengebaut werden als gebaute Nockenwelle. 



   Wie bereits erwähnt ist zu beachten, dass die Nocken nach dem Einpressvorgang  präzise über diese und das Rohr geschoben werden können. Bei der  Einbuchtung sollte der Rohreinzug schmal sein, damit die Nocken auch  dicht neben Einbuchtungen liegen können. Hierbei darf das Rohr nicht  oder nur wenig geschwächt werden wegen der notwendigen Steifigkeit  gegen Knickung und Verdrehung. In der Einbuchtung wird der Rohrumfang  um bis zu 30% reduziert, wobei dieser Werkstoff so verdrängt werden  muss, dass kein Überstand bezogen auf den Rohraussendurchmesser entsteht.  Ausserdem darf sich das Rohr beim Einbuchtungsvorgang nicht verbiegen.  Bei Herstellverfahren zwischen der Erzeugung der Einbuchtung in der  als Rohr ausgebildeten Welle und der Montage der Teile, insbesondere  der Nocken, ist ein weiterer Verfahrenszwischenschritt unerwünscht.

    Zwischenschritte wie Überschleifen, Drehen etc. sollen vermieden  werden, indem der Rohrdurchmesser durch das Einbuchtungsverfahren  nicht oder nur unwesentlich vergrössert wird. Das Rohr wird zur Erzeugung  der Einbuchtung passgenau am Ort der erzeugenden Einbuchtung in einer  Matrize gehalten, wobei diese Matrize vorzugsweise als Vorspannwerkzeug  ausgebildet ist. Die Matrize weist im Bereich der zu erzeugenden  Einbuchtung eine Öffnung auf, in welcher ein Einpressstempel geführt  wird. Mit diesem Einpressstempel wird die Rohrwandung derart deformiert,  dass    die gewünschte Einbuchtung in der Rohrwandung entsteht. Durch  präzises umschliessendes Halten des Rohres in der Matrize wird erreicht,  dass beim Pressvorgang die gesamte Werkstoffverdrängung in die Wandstärke  bzw. in den Innenquerschnitt des Rohres erfolgt und nicht über eine  Deformation nach aussen.

   Mit diesem Verfahren können passgenaue Einbuchtungen  erzeugt werden auf einfache und kostengünstige Art unter Verwendung  der bewährten rohrförmigen Nockenwellenbautechnik, bekannt als gebaute  Nockenwellen. 



   Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen  Figuren näher erläutert. Es zeigen:      Fig. 1a schematisch  und in Seitenansicht eine zusammengebaute rohrförmige Nockenwelle  mit erfindungsgemässen Einbuchtungen;     Fig. 1b schematisch und  im Querschnitt eine rohrförmige zusammengebaute Nockenwelle mit erfindungsgemässen  Einbuchtungen;     Fig. 2 schematisch und im Querschnitt eine rohrförmige  Nockenwelle mit mehreren erfindungsgemäss eingepressten Einbuchtungen;     Fig. 3 schematisch und in dreidimensionaler Ansicht ein Matrizenpaar  zur Aufnahme des Rohrs der Nockenwelle;     Fig. 4 schematisch  und in dreidimensionaler Ansicht einen Einpressstempel;       Fig.

    5 schematisch und in dreidimensionaler Ansicht eine Matrizen- und  Stempelanordnung zur Erzeugung mehrerer Einbuchtungen auf ein Rohr  der Nockenwelle;     Fig. 6 schematisch und im Querschnitt eine  rohrförmige Nockenwelle mit Einbuchtungen mit am Ende eingeschobenem  Hilfsdorn.  



   Ein sogenannte gebaute Nockenwelle, wie sie aus verschiedenen Teilen  zusammengebaut wird, ist in Seitenansicht in der Fig. 1a dargestellt.  Die Nockenwelle besteht aus einer als Rohr 1 ausgebildeten Welle  mit Länge l, auf welches die Nocken 3 aufgeschoben, positioniert  und befestigt sind, sowie zusätzlichen Elementen für die Lagerung  und den Antrieb, beispielsweise ein Antriebszahnrad. Die Nockenwelle  ist im eingebauten Zustand um ihre Achse 4 drehbar gelagert angeordnet.  Ersichtlich sind auch die erfindungsgemässen Einbuchtungen 2, welche  entlang dem Rohr 1 entsprechend der gewünschten Position angeordnet  sind, wo ein Zugang zu den Zylinderkopfschrauben in eingebautem Zustand  nötig ist.

   Bei den immer enger werdenden Bauraumanforderungen bei  den Verbrennungsmotoren, wo solche Nockenwellen vorgesehen sind,  erlauben diese Einbuchtungen den Zugang zu den Zylinderkopfschrauben  auch nach Einbau der Nockenwelle, wenn diese Einbuchtungen 2 entsprechend  geformt sind und in Bezug auf die Zylinderkopfschrauben positioniert  sind. Werden solche Nockenwellen paarweise eingebaut und stehen sehr  eng beieinander, können Einbuchtungen 2 auf beiden Rohren 1 vorgesehen  werden, die sich gegenüberstehen und somit den Zugang zu den Zylinderkopfschrauben  ermöglichen, wenn die Nockenwellen in entsprechend ausgerichtete  Position gedreht werden. In Fig. 1b ist eine Nockenwelle entsprechend  der Fig. 1a im Längsschnitt dargestellt. Ein Rohr 1 mit mehreren  Einbuchtungen 2 ist in    Fig. 2 dargestellt.

   Die Einbuchtung 2 wird  durch seitliches Einpressen in das Rohr 1 hergestellt, wobei die  Einbuchtung 2 quer zur Längsachse 4 des Rohres 1 liegt und gegenüber  dem Ursprungsaussendurchmesser d auf eine Tiefe 6 eingepresst wird,  welche um bis zu 40%, vorzugsweise bis 30%, des Rohraussendurchmessers  d eingepresst wird. Hierbei ist es besonders wichtig, dass durch  den Einpressvorgang das Rohr nicht derart deformiert wird, dass ein  Überstand gegenüber dem Ursprungsrohraussendurchmesser d entsteht.  Die Nockenwellenbauteile wie die Nocken 3 könnten ansonsten nicht  mehr über die Einbuchtungen auf das Rohr in ihre Position geschoben  werden oder es müsste so viel Spiel vorgesehen werden, dass die geforderte  Präzision nicht mehr gewährleistet wäre. 



   Wie bereits erwähnt ist das Einpressen von Einbuchtungen 2 wegen  den entstehenden Deformationen problematisch und es muss dafür gesorgt  werden, dass Rohre nicht unzulässig im Aussendurchmesserbereich d  verformt werden beziehungsweise so vorgespannt werden, dass sie nach  dem Einpressen eine bleibende Verbiegung aufweisen. Rohre, welche  sich auch für Einpresstechnik eignen, bestehen aus einem Metall,  wobei vorzugsweise ein Stahl ST52 verwendet wird und/oder Aluminium  oder ihre entsprechenden Legierungen. Zur Halterung des Rohres für  den Einpressvorgang wird eine Matrize verwendet, die das Rohr derart  aufnimmt, dass es beim Einpressvorgang im Aussendurchmesser nicht  über den Aussendurchmesser deformiert werden kann. In Fig. 3 ist  eine bevorzugte Matrize 11 dargestellt mit einer passgenauen Ausnehmung  für das Rohr.

   Die Matrize 11 ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet  aus einem linken Matrizenteil 12 und einem rechten Matrizenteil 13,  welche sich entlang der Rohrachse 4 trennen lässt, um somit die Rohrmontage  beziehungsweise Demontage zu erleichtern. In den Matrizenteilen 12,  13 ist eine bahnförmige Aus   nehmung 14 vorgesehen, in welcher ein  Pressstempel 10 geführt wird, derart, dass der Pressstempel präzise  seitlich an das Rohr 1 herangeführt werden kann, um eine Einpressung  2 entsprechend der Ausbildung des Stempels 10 zu erzeugen. Der Pressstempel  10 besitzt eine Ausformung 15, welche den Stempelgrund bildet und  entsprechend der gewünschten Einbuchtungsform 2 ausgebildet ist,  wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

   Auf der gegenüberliegenden Seite  des Stempelgrundes 15 wird der Stempel als Stempelhalterung 16 ausgebildet,  mit welcher der Stempel 10 an der Pressmaschine befestigt werden  kann. Vorteilhafterweise wird die Ausnehmung 14 an den Matrizen 12,  13 stirnseitig einseitig offen an den Matrizenteilen 12, 13 ausgebildet,  womit die Anordnung leichter zu montieren beziehungsweise demontieren  ist und modular aufgebaut werden kann. Dies ist vor allem auch dann  vorteilhaft, wenn wie in Fig. 5 dargestellt, mehrere Presswerkzeuge  hintereinander angeordnet werden sollen, um mehrere Einbuchtungen  2 erzeugen zu können. Hierbei kann der Pressvorgang durch mehrere  Stempel 10 und Matrizenpaare 12, 13 gleichzeitig erfolgen oder auch  sequentiell nacheinander vorgenommen werden.

   Weiterhin können mit  dieser Technologie durch weiteres Aneinanderreihen der Presswerkzeuge  10, 12, 13 auch mehrere Rohre 1 gleichzeitig eingespannt entlang  der Achsrichtung 4 und somit gleichzeitig bearbeitet werden. 



   Die Matrize 12, 13 wird vorzugsweise nicht in der gleichen Richtung  wie der Stempel 10 zugeführt, sondern quer dazu, um zu vermeiden,  dass im Werkzeugspalt ein Grat entstehen kann. Der modulare Aufbau  ermöglicht ohne weiteres, eine unterschiedliche Anzahl von Einbuchtungen  2 auch in verschiedenen Abständen auf einfache Weise zu realisieren.  Hierbei erfolgt die Prozessführung mit Vorteil durch eine Weg-Anschlag-Steuerung.  Die vorliegende Anordnung ermöglicht, auch dick   wandige Rohre auf  einfache Weise umzuformen. Bei den erwähnten grossen Tiefen 6 von  Einbuchtungen 2, welche mit der Innenhochdruckumformtechnik, auch  bekannt als Hydroforming, nicht oder nur schwierig mit mehreren Arbeitsschritten  zu realisieren wäre. Das Verfahren benötigt keine innere Gegenkraft,  allein die Spannung des Rohres genügt hierbei.

   Die Matrize 12, 13  sollte wie gesagt das Rohr 1 passgenau aufnehmen zur Vermeidung von  Rohraussendeformationen. Hierbei sollte die Präzision der Passgenauigkeit  im Bereich von besser  +/-  5% des Rohraussendurchmessers d liegen,  wobei vorzugsweise eine Vorspannung einzustellen ist. Die Form des  Stempels sollte vorzugsweise, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist,  als Schuh ausgeführt werden, der über das Rohr geschoben werden kann  und einen Stempelgrund 15 besitzt, dessen Form auf den geforderten  Einbuchtungsradius angepasst wird. Für die Auslegung dieser Formen  ist die Verwendung der Finite Element Simulationsrechnung hilfreich.

    Durch das passgenaue Halten des Rohres mit der Matrize 11, insbesondere  als Vorspannwerkzeug, wird erreicht, dass die gesamte Werkstoffverdrängung  bei Pressvorgang in die Wandstärke w bzw. in den Innenquerschnitt  des Rohres 1 erfolgt und der Aussendurchmesser d nicht verwendet  wird. Ausserdem wird bei diesem Verfahren ermöglicht, dass kein Zwischenschritt  in der Produktion, wie Nachschleifen, Überdrehen etc., und der Montage  erforderlich wird. Dies bedeutet eine hohe Wirtschaftlichkeit des  Herstellungsverfahrens. 



   Zusätzlich können neben den Matrizen 12, 13 beim Einpressvorgang  für die Einbuchtungen 2 im Endbereich des Rohres 1 passgenau Hilfsdorne  18, 19 eingeschoben werden, um eine Stützwirkung zu erzielen, wie  dies in Fig. 6 beispielsweise dargestellt ist. Diese Massnahme verhindert,  dass im Endbereich des Rohres unerwünschte Deformationen auftreten,  weil    die Eigenstützkraft des Rohres 1 im Endbereich ohne Gegenmassnahme  verringert ist. Die Masshaltigkeit wird mit diesem Vorgehen zusätzlich  verbessert. Die Präzision kann zusätzlich erhöht werden, indem der  Einschubdorn 18 auf seiner Stirnfläche eine Verkleinerung des Radius  um mindestens 10% aufweist, womit der Hilfsdorn näher an die zu erzeugende  Einbuchtung 2 herangeführt werden kann und damit die Stabilisierwirkung  weiterhin erhöht werden kann.

Claims (8)

1. Nockenwelle mit einer als Rohr (1) ausgebildeten Welle und darauf aufgeschobenen und befestigten Nocken (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) in der Rohrwandung mindestens eine eingepresste, nicht das Rohr (1) umlaufende Einbuchtung (2) aufweist, wobei im Deformationsbereich der jeweiligen eingepressten Einbuchtung (2) die Rohraussenwand den vorgegebenen Ursprungsrohrdurchmesser (d) nicht überragt.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einbuchtungen (2) am Rohr (1) vorgesehen sind und diese vorzugsweise in Rohrlängsrichtung parallel zur Rohrachse (4) ausgerichtet sind.

3.

Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einbuchtung (2) eine Tiefe (6) von bis zu 40% des Rohraussendurchmessers (d) aufweist und die Einbuchtung (2) vorzugsweise quer zur Achsrichtung (4) liegt.

4. Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) aus einem Metall besteht, vorzugsweise aus Stahl St52 und/oder Aluminium oder dessen Legierungen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einbuchtung (2) in die Rohrwand einer als Rohr (1) ausgebildeten Welle eingepresst wird, ohne dass der ursprünglich vorgegebene Rohraussendurchmesser (d) im Deforma tionsbereich der jeweiligen Einbuchtung (2) überschritten wird.

6.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einbuchtungen (2) eingepresst werden und diese vorzugsweise in Rohrlängsrichtung parallel zur Rohrachse (4) ausgerichtet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einbuchtung (2) einzeln nacheinander eingepresst wird oder dass die jeweiligen Einbuchtungen (2) vorzugsweise gleichzeitig eingepresst werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpressvorgang durch Warm- oder Kaltumformung erfolgt, vorzugsweise mit Kaltumformung.9.

Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) in eine das Rohr (1) umschliessende Matrize (11) massgenau eingespannt und dass ein Stempel (10) durch eine Öffnung (14) in der Matrize (11) gegen das Rohr (1) gepresst wird derart, dass in das Rohr (1) eine Einbuchtung (2) mit gewünschter Einbuchtungs-tiefe (6) erzeugt wird.10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (11) entlang des Rohres (1) in mindestens zwei Teile (12, 13) aufgetrennt wird.11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (11) das Rohr (1) mit einer Massabweichung des Rohraussendurchmessers (d) von maximal +/- 5% aufnimmt. 12.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jede zu erzeugende Einbuchtung (2) eine abnehmbare Matrize (11) verwendet wird.