Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus ei­nem Rohr, das mit Lagerstellen und mit Nocken versehen wird, oder aus einem Rohling, der eine Nockenform aufweist, wird in das Rohr bzw. den Rohling durch Rundhämmern und Rundkne­ten durch Werkzeugsegmente, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt. Ein Rohling (9) in Nockenform wird in einem ersten Schritt im Bereich der Lagerstellen (13) der Nockenwelle einer Vorformung durch Schmieden oder Hämmern in eine wenigstens annähernd kreisför­mige Form gebracht. Anschließend werden in einem zweiten Schritt sowohl die Lagerstellen (13) als auch die übrigen Bereiche der Nockenwelle durch das Hämmern und Rundkneten durch Werkzeugelemente, die den Rohling wenigstens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei dessen Form und Querschnitt verändern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken (16) und den Lagerstellen (13) eingeformt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus einem Rohr, das mit Lagerstellen und mit Nocken versehen wird, oder aus einem Rohling, der eine Nockenform aufweist, und eine danach hergestellte Nocken­welle, wobei in das Rohr bzw. den Rohling durch Rundhämmern bzw. Rundkneten durch Werkzeugsegmente, die den Rohling wenigstens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei die Form und den Querschnitt des Rohlings verändern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt wird.

[0002] Nockenwellen werden im allgemeinen aus einem Werkstück zu­sammen mit den Lagerstellen und den auf einem Grundkörper angeordneten Nocken, z.B. durch Gießen oder Schmieden, her­gestellt. An diese Herstellung schließt sich eine relativ zeit- und kostenaufwendige Bearbeitung an. So muß die Nocken­welle geschliffen, die Nocken müssen gehärtet und die Nocken­welle am Ende ausgewuchtet werden. Neben dem hohen Aufwand ist weiterhin nachteilig, daß eine Nockenwelle dieser Art aus vollem Material besteht und daher relativ schwer ist. Die Automobilindustrie fordert jedoch zunehmend leichtere Nockenwellen.

[0003] Aus diesem Grunde ist bereits vorgeschlagen worden, als ­Grundkörper ein Rohr zu verwenden auf das Sinternocken auf­gebracht worden sind. Auch diese Herstellungsart ist noch relativ aufwendig und hat noch nicht den gewünschten Erfolg gebracht.

[0004] In der DE-OS 35 28 464 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle beschrieben, wobei ein Rohr mit einem Außenumfang gleich oder großer dem der Lagerabschnitte und/oder der Nocken verwendet und durch Rundhämmern umge­formt wird.

[0005] Neben einem kreissymmetrischen Rohr wird auch als Rohling ein bereits in Nockenform gezogenes Rohr vorgeschlagen.

[0006] In der Praxis hat sich jedoch nun herausgestellt, daß ein derartiges Herstellungsverfahren nicht verwirklichbar ist. So müßte beim Rundkneten innen und außen gegengehalten wer­den. Die dabei auftretenden Belastungen sind jedoch zu groß und die Dimensionierungen sind zu schwach. Außerdem würden erhebliche Probleme beim Herausholen der Gegenhalter ent­stehen, da diese sich nicht über die engeren Stellen der Nockenwellenlagerung herausziehen ließen. Beim Rundkneten oder Rundhämmern eines Rohlings in Oval- bzw. Nockenform trifft der Hammer zum Formen der runden Lagerstellen stets zuerst auf die erhöhte Nockenstelle, wodurch eine unkontrol­lierte Formung im Bereich der Lagerstellen eintreten würde. Das Rohr kann sich einbeulen und ggf. sogar umbördeln. Außer dem würde sich der Rohling in diesem Bereich durch das ein­seitige Daraufschlagen durchbiegen, was zu erheblichen Prob­lemen führen würde.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem die vorstehend genannten Probleme nicht auftreten, ins­besondere nach dem Nockenwellen großer Festigkeit und hoher Formgenauigkeit mit geringem Aufwand hergestellt werden können.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Rohling in Nockenform in einem ersten Schritt im Bereich der Lagerstellen der Nockenwelle einer Verformung durch Schmie­ den oder Hämmern in eine wenigstens annähernd kreisförmige Form gebracht wird, und daß anschließend in einem zweiten Schritt sowohl die Lagerstellen als auch die übrigen Berei­che der Nockenwelle durch das Rundhämmern bzw. Rundkneten durch Werkzeugelemente, die den Rohling wenigstens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei dessen Form und Querschnitt verändern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt wird.

[0009] Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung besteht nun­mehr darin, daß durch die Vorformung anschließend ein wesent­lich gleichmäßigeres Rundkneten bzw. Rundhämmern im Bereich der Lagerstellen vorgenommen werden kann. Die Hämmerwerk­zeuge können praktisch über den gesamten Umfang angreifen, so daß es zu keinen Durchbiegungen oder zu einer einseitigen Belastung kommt. Wesentlich ist, daß durch die Vorformung aus dem Rohling im Bereich der Lagerstellen wenigstens an­nähernd ein kreisrunder Querschnitt erreicht wird.

[0010] Diese Vorformung kann auf beliebige Weise erfolgen, wobei man die Vorformung im allgemeinen zur Erleichterung und besseren Verformung im warmen Zustand durchführen wird.

[0011] In vorteilhafter Weise wird man die Vorformung so durchfüh ren, daß der dabei erzielte Durchmesser etwas größer ist als der Enddurchmesser der Lagerstellen. Bei dem anschließenden Rundhämmern bzw. Rundkneten wird dann der endgültige Durch­messer der Lagerstellen sehr exakt hergestellt. Ebenso wer­den die Nocken entsprechend exakt auf Maß gebracht, wobei das verdrängte Material entweder in die Wandstärke oder in die Länge der Nockenwelle eingeht, wobei auch eine Kombina­tion möglich ist.

[0012] Ggf. ist es nicht notwendig, daß der gesamte Rohling erwärmt wird. Eine partielle Erwärmung im Bereich der vorzuformenden Lagerstellen ist ggf. ausreichend. Hierfür können Schmiede­pressen oder Schmiedehämmer verwendet werden.

[0013] Der Rohling in Nockenform kann aus einem Rohr hergestellt sein, das durch Pressen in die Nockenform umgewandelt wird.

[0014] In vorteilhafter Weise wird man einen Rohling mit einem Außendurchmesser verwenden der etwas größer ist als der größte Durchmesser bzw. Querschnitt der fertiggestellten Nockenwelle. Dies gilt insbesondere für den Nockenbereich.

[0015] Damit eine optimale Gewichtsersparnis erreicht wird, kann vorgesehen sein, daß die Durchmesserverhältnisse und die Formkräfte so aufeinander abgestimmt sind, daß neben einem hohlen Rohr mit hohlen Lagerstellen auch die Nocken wenig­stens teilweise im Inneren hohl verbleiben.

[0016] Im allgemeinen wird man aus dem Rohling in Nockenform die Nocken beim Rundkneten alle in einer Ebene bzw. einer Flucht kneten, wonach anschließend in einem dritten Schritt die Nockenwelle einem Twistvorgang unterworfen wird, um die Nocken in die gewünschten Lagen zu drehen.

[0017] Im Vergleich zu vollwandigen, geschmiedeten oder gegossenen Nockenwellen kann eine Gewichtsminderung von bis zu 50 % erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäß hergestellte Nockenwelle geringere Auswirkun­gen bezüglich Massenunwuchten zeigt.

[0018] Trotz ihrer Leichtgewichtigkeit und ihrer Herstellung aus einem Rohr ist die Nockenwelle relativ steif und verwindungs­fest. Es wurde nämlich festgestellt, daß gerade in den Be­reichen, die besonders wichtig bzw. besonders belastet sind, Materialverstärkungen durch das Rundkneten bzw. Rundhämmern erreicht wird.

[0019] Ein weiterer großer Vorteil durch das erfindungsgemäße Rund­kneten liegt darin, daß man die Formgebung der Nockenwelle leichter an die an sie gestellten Anforderungen anpassen kann. So können z.B. die Seiten der Nocken mit besseren Über­gängen zur Nockenwelle versehen werden. Im Unterschied zu einer spanabhebenden Bearbeitung der Nockenwelle wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Faserverlauf nicht eingegriffen.

[0020] Durch das Rundkneten und insbesondere durch das Rundhämmern wird eine Materialverbesserung erreicht, wodurch ggf. als Ausgangsmaterial für die Nockenwelle ein einfacheres und damit billigeres Material verwendet werden kann, das an­schließend durch die Bearbeitung eine höhere Härte bzw. Festigkeit erreicht.

[0021] Nachfolgend ist anhand der Zeichnung das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren prinzipmäßig beschrieben.

[0022] Es zeigt:

Fig. 1: ein Werkzeug zur Herstellung einer Nockenwelle in schematischer Darstellung

Fig. 2: einen Längsschnitt (ausschnittsweise) in vergrößer­ter Darstellung mit zwei Werkzeugen und einem Rohling

Fig. 3: eine Nockenwelle in Seitenansicht

Fig. 4: Stirnansicht eines Rohlings in Nockenform.

[0023] Ein Rohling in Nockenform, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist, dient als Ausgangsmaterial. Der Rohling in dieser Form kann z.B. aus einem Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt hergestellt sein, das z.B. durch Pressen in die Nockenform übergeführt worden ist. Als Rohr kann dabei sowohl ein naht­loses als auch ein geschweißtes Rohr eingesetzt werden. Selbstverständlich kann jedoch auch ein auf beliebige Weise hergestellter Rohling verwendet werden, der bereits zu Beginn eine Nockenform aufweist.

[0024] In einem ersten Verfahrensschritt wird nun der Rohling in Nockenform an den Stellen, an denen die Lagerstellen der Nockenwelle angeordnet bzw. in die diese eingeformt werden sollen, vorgeformt. Ggf. durch eine lediglich partielle Er­wärmung in diesem Bereich wird durch zweiteilige Gesenkhäm­mer die Nockenform in eine kreisrunde Durchmesserform an den Lagerstellen umgeformt. Ebenso kann diese Umformung durch ein Warmschmieden erreicht werden.

[0025] Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt das Hämmern und Rundkneten.

[0026] Das Arbeitsverfahren, der Umformvorgang und das Funktions­prinzip des Rundknetens, welches ein Freiformen zur Quer­schnittsverminderung in Stäben und Rohren mit zwei oder meh­reren Werkzeugen ist, die den zu vermindernden Querschnitt eines Werkstückes ganz oder teilweise umschließen, ist allge­mein bekannt, weshalb es nachfolgend nur kurz beschrieben wird. Im Kopf einer Hämmerwelle 1 befinden sich schlitzförmi­ge Aussparungen, welche zur Aufnahme der eigentlichen Hämmer­werkzeuge 2 dienen. Die Hämmerwerkzeuge werden über Hämmer­stößel 4 mit dazwischenliegenden Ausgleichsplatten 3 bewegt.

[0027] Der für die Umformung des Werkstückes 9 erforderliche Hämmer­hub entsteht durch eine Überhöhung an einer Abrollbahn 5 der Hämmerstößel 4.

[0028] Ein Rollenkäfig 6 ist frei drehbar zwischen der Hämmerwelle 1 und einem äußeren Haltering 8 angeordnet. Druckrollen 7 sind in Aufnahmebohrungen des Rollenkäfigs 6 gelagert.

[0029] Bei einer rotierenden Hämmerwelle 1 werden nun die Hämmer­werkzeuge 2 über die Stößel 4 durch Fliehkraft nach außen geführt. Im Falle einer stehenden bzw. langsam drehenden Hämmerwelle kann diese Öffnungsbewegung auch von Federn übernommen werden.

[0030] Bei einer rotierenden Hämmerwelle wälzen sich die Hämmer­stößel 4 mit ihrer Abrollbahn 5 an den Druckrollen 7 ab und übermitteln somit dem Rollenkäfig 6 eine Relativbewegung im gleichen Drehsinn, jedoch entsprechend langsamer als die Hämmerwelle selbst. Bei jedem Durchgang der Hämmerstößel 4 unter den Druckrollen 7 erfolgt ein Druckimpuls radial nach innen, der sich als Umformkraft auf die Hämmerwerkzeuge 2 und somit auf das Werkstück überträgt.

[0031] In einer anderen Ausgestaltung kann der Haltering 8 rotie­ren, wobei die Hämmerwelle 1 entweder still steht oder mit langsamer Drehzahl gleich bzw. gegensinnig angetrieben wird.

[0032] Art und Ausgestaltung des Werkzeuges richten sich nach dem Einsatzfall und nach der Art des zu bearbeitenden Werkstük­kes, welches im vorliegenden Falle eine Nockenwelle ist.

[0033] In der Fig. 2 ist prinzipmäßig der vorgeformte Rohling darge­stellt, in dessem Inneren bei Bedarf ein Dorn 10 angeordnet sein kann.

[0034] Das Werkstück wird dabei in axialer Richtung zwischen die Hämmerwerkzeuge 2 eingeschoben.

[0035] Dadurch, daß beim Rundkneten im Bereich der Lagerstellen durch die Vorformung bereits ein kreisrunder Durchmesser vorliegt, läßt sich auch in diesem Bereich ein Hämmern und Rundkneten in die gewünschte Form mit den daraus sich erge­benden Vorteilen erreichen.

[0036] In der Fig. 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte anhand einer Seitenansicht einer Nockenwelle (ausschnittsweise) dargestellt.

[0037] Ausgehend von einem Rohling 9, wie er in der Fig. 4 darge­stellt ist und der eine Nockenform aufweist (siehe die bei­den äußeren gestrichelten Linien 11 und 12), wird in einem ersten Schritt eine Umformung der Nockenform im Bereich der Lagerstellen 13 vorgenommen und zwar bis zu einem Durchmes- ­ser, der geringfügig größer ist als der Enddurchmesser der Lagerstellen. Der vergrößerte Durchmesser ist durch die gestrichelten Linien 14 und 15 dargestellt. Die ausgezogenen Linien der Nockenwelle stellen die Enddurchmesser bzw. End­querschnitte dar. Wenn der Rohling 9 in Nockenform einen geringfügig größeren Durchmesser als der größte Durchmesser bzw. Querschnitt der fertiggestellten Nockenwelle aufweist, sind ggf. die beiden gestrichelten Linien 11 und 12 noch etwas außerhalb der Nocken 16, die in diesem Falle auf den Enddurchmesser in der ausgezogenen Linie geknetet werden.

[0038] Eine Vorformung in dem angegebenen Sinne kann ggf. auch für Teile der Nockenwelle vorgenommen werden, die sich zwischen Lagerstellen 13 und Nocken 16 befinden und die ebenfalls einen runden Querschnitt im Endzustand aufweisen sollen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einem Rohr, das mit Lagerstellen und mit Nocken versehen wird, oder aus einem Rohling, der eine Nockenform aufweist, wobei in das Rohr bzw. den Rohling durch Rundhämmern und Rundkne­ten durch Werkzeugsegmente, die den Rohling wenigstens teil­weise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei die Form und den Querschnitt des Rohlings verän­dern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt wird,
d a d u r ch ge k e n n z ei c h n e t, daß
ein Rohling (9) in Nockenform in einem ersten Schritt im Bereich der Lagerstellen (13) der Nockenwelle einer Vorfor­mung durch Schmieden oder Hämmern in eine wenigstens annä­ hernd kreisförmige Form gebracht wird, und daß anschließend in einem zweiten Schritt sowohl die Lagerstellen (13) als auch die übrigen Bereiche der Nockenwelle durch das Hämmern und Rundkneten durch Werkzeugelemente, die den Rohling wenig­stens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf die­sen ausüben und dabei dessen Form und Querschnitt verändern, ­die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken (16) und den Lagerstellen (13) eingeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
die Vorformung im warmen Zustand durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
der bei der Vorformung erzielte Durchmesser größer ist als der Enddurchmesser der Lagerstellen (13).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
der Rohling (9) in Nockenform aus einem Rohr hergestellt ist, das durch Pressen in die Nockenform umgewandelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
ein Rohling (9) mit einem Außendurchmesser verwendet wird, der etwas größer ist als der größte Durchmesser bzw. Quer­schnitt der fertiggestellten Nockenwelle.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
die Durchmesserverhältnisse und die Formkräfte so aufeinan­der abgestimmt sind, daß neben einem hohlen Rohr mit hohlen Lagerstellen (13) auch die Nocken (16) wenigstens teilweise im Inneren hohl verbleiben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
die Nockenwelle in einem dritten Schritt einem Twistvorgang unterworfen wird, um die Nocken (16) in die gewünschte Lagen zu drehen.

Zeichnung