Die Erfindung betrifft eine hohle Nockenwelle sowie ein Verfah¬ ren zur Herstellung von hohlen Wellen unter Verwendung des In- nenhochdruck-Umfor ens von Hohlrohren.

Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren, die Vorformen beim Innenhochdruck-Umformen zur Ausgestaltung vollständiger hohler Wellen aus Rohrabschnitten einsetzen, wobei hier unter Rohrabschnitten beliebige langgestreckte Hohlkörper verstanden werden, also auch Vierkantrohre, Sechskantrohre oder andere Hohlprofile.

Gegenüber massiven Hohlwellen bieten hohle Nockenwellen, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt sind, einen Gewichtsvorteil von bis zu 75% gegenüber Vollmaterialwellen. Im Vergleich dazu bieten gebaute Nockenwellen, wie sie z.B aus der DE-C-37 04 092, der EP 278292, der EP 278292, der DE-C-3428372 oder auch der EP 290758 oder EP 303845 bekannt geworden sind, nur einen Gewichts¬ vorteil von 40% gegenüber Vollwellen. Zudem sind gebaute Nocken¬ wellen nach wie vor vergleichsweise teuer in der Herstellung, da getrennt Nocken und Hohlrohre vorgehalten werden müssen und dann in geeigneter Weise gemeinsam in eine Form eingelegt werden müs¬ sen. Es müssen also aufwendig Einzelkomponenten auf Lager gehal¬ ten und zusammengesetzt werden.

Aus diesem Grunde werden bisher hohle Nockenwellen, obwohl ihre gebaute Form theoretisch und auch in Schutzrechtsanmeldungen be¬ schrieben ist, noch nicht in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die Ursache hierfür ist in einer geeigneten Verfahrenstechnik zur Herstellung dieser Wellen zu sehen. Vorschläge zur Herstel¬ lung gebauter hohler Nockenwellen sind bspw. in der DE-C-19 10 517 aufgeführt. Diese Verfahrenstechniken sind jedoch für die Herstellung hohler Nockenwellen aus Rohrabschnitten vollkommen ungeeignet. Die erforderlichen Umformgrade können weder mit elektro agetischen noch mit elektrohydraulischem Umformen wirt-

schaftlich erreicht werden. Das Rundhämmern bzw. Rundkneten, wie es in der DE-C-37 36 453 beschrieben ist, hat bisher auch noch nicht zum Ziel geführt. Diese Art der Herstellung hohler Nocken¬ wellen scheitert insbesondere an der einseitigen Massenvertei- lung in den Nocken. Auch das einstufige Innenhochdruckumformen mit einem Werkzeug entsprechend der US-C-2,892,254 führt nicht zum Ziel. Obwohl bei dieser Vorgehensweise axiales Nachschieben von Werkstoff vorgesehen ist, wird die Formausfüllung 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 einstufi¬ gen Innenhochdruckumformverfahren hergestellt wurde.

Unter Innenhochdruckverfahren oder auch IHV-Verfahren wird hier das Verfahren verstanden, das beispielsweise im Industrieanzei¬ ger Nr. 20 vom 9.3.1984 beschrieben worden ist oder auch in "Me¬ tallumformtechnik", Ausgabe 1D/91, Seite 15 ff: A. Ebbinghaus: "Präzisionswerkstücke in Leichtbauweise, hergestellt durch In¬ nenhochdruckumformen" oder auch Werkstoff und Betrieb 123 (1990), 3, Seite 241 bis 243: A. Ebbinghaus: "Wirtschaftliches Konstruieren mit innenhochdruckumgeformten Präzisionswerkstük- ken" oder auch "Werkstoff und Betrieb 122, (1991), 11, (1989), Seite 933 bis 938. Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wieder¬ holungen 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 Nockenwellen einge¬ setzt.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftlich herzustellende hohle Nockenwelle bzw. ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird durch eine Nockenwelle gelöst, die einstückig aus einem kaltumformbaren, wärmebehandelbaren Metall oder Kunst-

stoff 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 Här¬ ten auch wärmebehandelbar ist.

Geeignete Materialien können sein: 19MnB4, 16MnCr5, CK45, 19CrMθ44, 15Cr3, C25 Stahl, X3NiCθMθTil8 9 5, ß-C- Titanlegierungen und solche, die ein ähnliches Verhalten aufweisen.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstel¬ lung von hohlen Wellen unter Verwendung des Innenhochdruck-Um- formens von Hohlrohren, gekennzeichnet durch nachfolgende 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 der¬ art 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 Innenhoch- druckumformverfahrens, so daß Nocken an den erwünschten Stellen ausgeformt werden; ggf. Nacharbeiten der Nocken durch Wärmebehandlung od.dgl.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü¬ chen.

Es wird erfindungsgemäß also ein über das bekannte Innenhoch- druckumform-Verfahren hinausgehend (s. Tagungsband des 14. Um¬ formtechnischen Kolloquiums in Hannover 1993, auf dessen Offen¬ barung in vollem Umfang bezug genommen wird) ein spezielles

zweistufiges Umform-Verfahren für Nockenwellen konzipiert, mit¬ tels 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.

In überraschender Weise ist es möglich, Nockenwellen mit im wesentlichen konstanter Wandstärke herzustellen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung sowie der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen, in zwei Umformschritten hergestellten 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 Nok¬ ken im Quer- und Längsschnitt;

Fig . 6 eine weitere Vorform einer ersten Umformstufe für Nok¬ ken im Quer- und Längssschnitt;

Fig . 7 die Nocken-Endform, die aus den in Fig. 4-6 dargestell¬ ten Vorformen hergestellt ist; und

Fig . 8 eine Darstellung des Faserverlaufs in einem Teilab¬ schnitt einer Fotografie einer erfindungsgemäßen Welle, längs geschnitten.

Eine erfindungsgemäße Nockenwelle zeichnet sich dadurch aus, daß sie - im Gegensatz zu den bisherigen gebauten hohlen Nockenwel¬ len - keine aufgesetzten Nocken mehr besitzt, sondern aus einem einzigen Ausgangsrohr ohne weitere Einzelteile in mehreren Um-

formstufen hergestellt ist. Dadurch wird ein äußerst günstiger, zu den Außenkonturen der Welle paralleler Faserverlauf erzielt, der zu einer hohen Festigkeit der Welle und damit zu einem ge¬ ringen Gewicht führt. Gleichzeitig kann, sofern erwünscht, eine im wesentlichen konstante Wandstärke von beispielsweise 2mm bis 5mm eingestellt werden, die eine Toleranz von nur etwa 0,5mm aufweist. 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 verwen¬ det wird, das eine ausreichende Kaltverformbarkeit bei gleich¬ zeitiger Härte oder Härtungsmöglichkeit aufweist, um verschlei߬ feste Nocken zu bilden.

Dieses kann bspw. ein geeigneter kohlenstoffhaltiger Stahl sein, der wär ebehandelbar ist, aber auch ausreichend dehnungsfähig, um eine derartig aufwendige Umformung ohne Reißen durchzustehen. Selbstverständlich können andere leichte und/oder feste Materia¬ lien je nach Einsatzzweck der Welle in stationären Motoren, Flugzeugmotoren, Schiffsmotoren oder Landfahrzeugen, wie Alumi¬ niumlegierungen, Titanlegierungen und andere Materialien, wie sie dem Fachmann geläufig sind, eingesetzt werden, wie 19MnB4, 16MnCr5, CK45, 19CrMθ44, 15Cr3, C25 Stahl, X3NiCθMθTil8 9 5, ß- C-Titanlegierungen und solche, die ein ähnliches Verhalten auf¬ weisen. Je nach Einsatzzweck kann ein teures, leichtes Material verwendet werden - dies bietet sich bspw. für den Flugzeugmotor¬ bau an - oder auch ein schwereres Material, falls das Gewicht, wie bspw. bei Schiffsmotoren - keine wesentliche Komponente dar¬ stellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt bevorzugt eine mindestens zweistufige Umformung mit Vorform und Fertigform durch, wobei der Vorform in der ersten Umformεtufe besondere Bedeutung zu¬ kommt. Damit Formgenauigkeit und geringe Wandabstreckung bei der Fertigform in der zweiten Umformstufe gewährleistet sind, muß in der Vorform eine günstige Massenvorverteilung in der Nockenwand vorgenommen werden. Die Massenverteilung kann in jedem Fall nur

erreicht werden, wenn an jeder Nocke der Stoff beidseitig axial nachgeschoben wird. Das axiale Nachschieben an jedem Nocken ge¬ schieht durch an sich bekannte Werkzeugtechnik.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine in einem einzigen Umform¬ schritt ausgeformte hohle Nockenwelle gezeigt, wobei sich insbesondere aus Fig. la, dem Querschnitt durch den Nocken, er¬ gibt, daß die Abstreckung des Metalls beim einstufigen Verfahren zu hoch ist und erhebliche Wanddickenunterschiede, nämlich eine Wandstärke von ca. 1,0 mm an der Nockenspitze und von 3,0 mm an der der Nockenspitze gegenüberliegenden Rohrwand, auftreten. Da¬ durch ist die Festigkeit nicht gewährleistet.

In Fig. 3 wird demgegenüber ein Nocken, wie er beim erfindungs¬ gemäßen Verfahren als Teil der Vorform hergestellt wird, ge¬ zeigt. Dadurch, daß zunächst ein Nocken in der Vorform herge¬ stellt wird, der breiter, bevorzugt etwa 10 bis 40 % breiter und besonders bevorzugt etwa 20 bis 30 % breiter als die Endform und auch runder als die Endform ist, kann eine ausreichende Materi¬ alansammlung an der kritischen Nockenstelle, bei der die maxi¬ male Materialabstreckung erfolgt, hergestellt werden. Diese Ma¬ terialanhäufung 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 Materialanhäufung unter dem Nocken erzielt werden kann.

In Fig. 4 z.B. weist die Nockenvorform runde Nockenspitzen Rl auf, um unnötige Materialabstreckung zu vermeiden. Die Nocken¬ vorform-Breite Bl ist um 10 bis 40 %. bevorzugt 20 bis 30 % breiter als die Fertigformbreite B2. Beim Umformen der Fertig¬ form wird in der zweiten Umformεtufe die runde und bereite Vorform axial gestaucht. Dieser Stauchprozeß verhindert die übermäßige Abstreckung der Rohrwand und erzwingt eine hohe Form¬ genauigkeit, die ein späteres Nacharbeiten vermeidet.

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Die Fig. 5 und 6 zeigen andere mögliche Vorform-Varianten für die erste Umformstufe mit gezielt vergrößertem Umfang Ul der Nocken in der Vorform, der etwa 5 bis 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 ei¬ nem nachfolgenden Umformschritt endgültig zu einem Nocken ge¬ formt 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 au¬ ßen 50 mm von Nockenspitze bis Nockenbasis; der Rohrteil besitzt einen Durchmesser von 30 mm und eine Wanddicke von etwa 3 mm, die Nockenspitze besitzt eine Wandstärke von 2 bis 3 mm und die Nockenbasis eine Wanddicke von bis zu 5 mm, da dort eine größere Materialanhäufung stattfindet. Selbstverständlich sind die in diesen Figuren dargestellten 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 In- nenhochdruckumform- und anderen Umformverfahren erwähnt werden, z.B. läßt sich eine geeignete Vorform durch Innenhochdruckumfor- men herstellen und anschließend durch Rundhämmern oder andere geeignete Verfahren, die dem Fachmann geläufig sind, fertigstel¬ len.

Die Welle kann nach dem IHV-Verfahren in bekannter Weise weiter¬ behandelt, bspw. gehärtet, werden. Dafür bieten sich die bekann¬ ten Verfahren, wie Nacharbeiten der Welle durch ein oder meh-

rere Nachbehandlungsverfahren, ausgewählt aus der Gruppe beste¬ hend aus Nitrocarburieren, Plasmanitrieren, Borieren, Laserhär¬ ten, Härten ohne Aufkohlen, Induktionshärten, Flammhärten, Elek- tronenstrahlhärten, Einsatzhärten, an.

Es soll daraufhingewiesen werden, daß die erfindungsgemäßen Wel¬ len mit den verschiedensten Nockenwinkeln, Wanddicken, Wanddik- kenverhältnissen durch das IHV-Verfahren hergestellt werden kön¬ nen und keineswegs auf irgendeine beschriebene Ausführungsform begrenzt sind.