專利名稱:組裝式凸輪軸的制作方法
本發(fā)明涉及一種用軸管和若干個以一定間距布置的元件、借助于在各元件所在部位通過內(nèi)部壓力加載的方法使所述軸管擴(kuò)徑來制造一種組裝式凸輪軸或其類似物的方法，以及一種用軸管和若干個以一定間距布置的元件、借助于在各元件所在部位使所述軸管擴(kuò)徑的方法制造的、作為產(chǎn)品的組裝式凸輪軸或其類似物。上述以一定間距布置的各元件可以是控制凸輪、軸承座圈、齒輪或錐齒輪，它們必須同所述軸管連結(jié)成一體，不得相對轉(zhuǎn)動，并且要角度精確。
有一些組裝式凸輪軸是公知的，加工好的各凸輪和軸承座圈是按照熱壓方法套裝在一根軸管上的(聯(lián)邦德國專利申請公開說明書DE-OS 3301749號)。為了得到所需要的配合緊度，使用熱壓方法的材料必須有一定的熱膨脹系數(shù)，這就限制了用于制造各元件的材料的選擇。為了保障軸管和各元件之間適應(yīng)抗扭連接所需要的足夠的應(yīng)力，不得不對制造軸的材料在強(qiáng)度和表面硬度方面提出某些更高的要求。由于必要的熱處理的需要，是時間較長、花費(fèi)較大的。結(jié)合過程中使用的高溫不可避免地使得各元件的硬度有所降低。
再有一些凸輪軸是公知的，各凸輪按成型連接的要求以一定間距配置在異型棒材上，并且通過例如熱套、冷凍、釬焊、熔焊或粘合同所述棒材連結(jié)(聯(lián)邦德國專利申請公開說明書DE-OS 2336241號，聯(lián)邦德國實(shí)用新型申請公告DE-GM 7920957號)。與通常的凸輪軸相比，它在重量上并無優(yōu)越性，要改變各凸輪的角位置或其配合時需要對各部件進(jìn)行完全改造。
還有一種公知的凸輪軸，它由一根空心軸以及由一此孔內(nèi)開有縱向的或周向凹槽的軸承座和凸輪組成，借助內(nèi)壓力使所述軸管分段分別擴(kuò)徑，并使之?dāng)D壓入所述各凹槽中，以此方法進(jìn)行連接(聯(lián)邦德國發(fā)明書DE-PS 2546802)。在其結(jié)構(gòu)上，被設(shè)計成管子形狀的凸輪具有均勻壁厚，以致它與所述軸的結(jié)合面不可能是連續(xù)地環(huán)繞著軸的，因而各凸輪的強(qiáng)度顯得是沒有保障的。
最近公知的一種凸輪軸，其具有圓形內(nèi)孔的凸輪和軸承座通過借助內(nèi)壓力沿一根軸管全長擴(kuò)徑的方法，完全按傳力連接的要求固定在該軸管上，此時為了維持薄壁管材的壓緊配合，所述管子必須用塑料物質(zhì)填滿(聯(lián)邦德國發(fā)明書DE-PS 3227693號)。沒有這種附加措施，就不可能造成一種可靠的、能加上轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的緊配合。所述在整個長度上擴(kuò)徑的做法包含著在各凸輪之間的部位上鼓起來的危險，此時可能在各凸輪的端面旁發(fā)生應(yīng)力集中，從而降低軸的強(qiáng)度。
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種組裝式的軸，它可以按照一種簡單而成本低廉的制造方法生產(chǎn)出來，并且在使用這些軸的時候，在選擇軸管、各凸輪以及各軸承座的材料的自由得到擴(kuò)大的同時，傳遞高轉(zhuǎn)矩卻成為可能。
解決此任務(wù)的方案在于一種方法，該方法突出的優(yōu)點(diǎn)是，所述軸管縱向各段的材料在擴(kuò)徑時是經(jīng)受塑性變形的，而各元件的材料則主要是處于彈性變形的狀態(tài)。按這種方式，不用熱態(tài)處置就可造成緊配合，它允許傳遞達(dá)到軸的80%抗扭強(qiáng)度的轉(zhuǎn)矩。作為軸的材料，它可以利用像St 35至St 52這樣的相對低值的材料，而各凸輪和軸承支座則可使用高強(qiáng)度材料。所述的接合方式不損害這兩種材料的使用值。因?yàn)樵斐蛇@種連續(xù)是在不用外部加熱的情況下進(jìn)行的，并且也不要求為消除應(yīng)力而作熱處理，所以既不會發(fā)生損賽材料的結(jié)構(gòu)變化，也不會造成硬度降低。在擴(kuò)徑時出現(xiàn)的若干尺寸變化是可以計算出來的，這不同于在熱處理時出現(xiàn)的情況。由于用作各元件的材料有了更大的選擇自由，就能夠做到使凸輪材料更好地適應(yīng)各種不同的載荷。因此可以使用各種不同材料制造的凸輪和軸承座而不致?lián)p及必要的轉(zhuǎn)矩傳遞性能。與通過壓入一典塑料來使一根軸擴(kuò)徑的方法相比較，采用合適的方法和裝備按液壓原理使縱向各段擴(kuò)徑的工藝更簡單、費(fèi)用更低廉一些。本發(fā)明的方法的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于所述軸管的內(nèi)截面保持著敞開，這樣就有可能進(jìn)行軸的冷卻和軸承座的內(nèi)潤滑。按照本發(fā)明的軸是容易制作的，并且在相應(yīng)地注意到所述結(jié)合過程的情況下各凸輪或軸承座在裝上后不再需要隨后的研磨工序。所要固定的各元件的間距可以做得很小，而所選用的材料可以適應(yīng)其功能所需的特殊要求，這些都使得在與該凸輪軸相配的氣缸蓋的設(shè)計方面的自由度更大。
如果軸的外徑d和元件的內(nèi)徑Di之間的差量Umin在進(jìn)行所述擴(kuò)徑之前，相當(dāng)于0.9倍的外徑值乘以由0.2%時候的屈服極限值Rp和彈性模量E相除所得的商，那么按照本發(fā)明的方法去做可以得到最佳的效果。在符合這些量值關(guān)系的條件下可在按傳力連接要求固定的元件透孔的表面層獲得所希望的彈性預(yù)應(yīng)力。
按下述做法來實(shí)施本發(fā)明的方法，可進(jìn)一步保持其最佳特性所述軸管在其軸向各段上進(jìn)行擴(kuò)徑時，其擴(kuò)徑段的長度超過所述元件每一邊端面至少是壁厚的50%，至多是壁厚的150%。就這樣以有利的方式保證元件的透孔在其整個長度上全面地，并且基本上是等應(yīng)力地緊貼在管壁上，因而可減少微小滑動的危險，并且可排除配合腐蝕的可能性。同時還防止可能在各元件的端面近旁發(fā)生所述軸管鼓出來以及由此造成的應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在某些特殊性況下，即有多個元件緊挨在一起，尤其是在所謂三或四閥門的發(fā)動機(jī)上，即每個氣缸配置有三個或四個閥門的那種情況下，此時按照本發(fā)明所述的方法需要變更為將軸管擴(kuò)徑的做法要在兩個或多個元件覆蓋的整個部位上同時實(shí)施。只要各元件的間距不超過軸管壁厚的40%，所述軸管就不會鼓起來，從而保障了各種元件的均勻的緊配合。
在一種有利的設(shè)計中，應(yīng)用可延展的材料(例如碳鋼)，使元件透孔內(nèi)表面的徑向塑性變形層達(dá)到各元件最小徑向壁厚的10至15%，借此得到足夠的結(jié)合力，元件強(qiáng)度則不受損害。在硬質(zhì)材料(例如鑄鐵)的情況下，表面塑料變形層厚度要達(dá)到這個數(shù)量級是不可能的，并且也是不必要的。按照更有利的方式，應(yīng)該在擴(kuò)徑之后把各元件的外部區(qū)域在切線＊向出現(xiàn)的伸長率限制在1%的數(shù)量級，以便在使用中該部件承受附加載荷時其表面不致發(fā)生損傷。在應(yīng)用可延展的材料，例如鋼情況下，所述伸長率的優(yōu)選范圍在0.1%和0.4%之間，而在脆性材料例如鑄鐵的情況下，該伸長率應(yīng)該在0.01%和0.2%之間。
按照通常的并且有利的方式來實(shí)施本發(fā)明所述之方法，即，為了在各凸輪所在部位擴(kuò)徑，使用的液壓應(yīng)在2，000至3，500巴，與此相比，為使所述軸在薄壁的軸承座所在部位擴(kuò)徑，使用的液壓應(yīng)在1，000至2，500巴的范圍內(nèi)。
本方法的改進(jìn)還在于，在所述軸管和所述元件之間，除了按照本發(fā)明所述的傳力連接之外還可能具有一種成形連接。關(guān)于這一點(diǎn)，其可能性特別在于當(dāng)軸材料在受壓成形時被允許擠入各元件透孔中的至少一條，更可能是多條按周向分布的縱向槽內(nèi)。所述成形連接的另外一種可能性，是將所述元件的中段的孔的截面設(shè)計得較大，而與在元件兩個端面的孔的截面較小處接上。根據(jù)所述的前一種設(shè)計，它首先可以改善在轉(zhuǎn)矩載荷作用下的配合的耐用性;根據(jù)第二種設(shè)計，則可以得到在所述配合長度上均勻的表面壓力，并可消除所述軸管在元件端面前鼓出的傾向。除了前面提到的宏觀的成形連接以外，還有形成一種微觀的成形連接的可能性，就是在各元件透孔的內(nèi)表面上設(shè)置有硬質(zhì)顆粒的涂層，它在結(jié)合時被壓入到軸管材料中去;這種微觀的成形連接的另一個可能是由有意保留著的加工痕跡產(chǎn)生的，特別是各元件透孔上的一些周向凹痕，它在接觸面上同所述拉制軸管的加工痕跡交叉，因而在交錯壓入的作用下形成緊密結(jié)合。具有點(diǎn)狀凹坑形式的加工痕跡也可以在各元件進(jìn)行結(jié)合之前，以特別廉價的方式對它們作噴砂處理或噴丸處理(用玻璃彈丸噴射)來形成。
用上面提及的全部措施或?qū)⒍囗?xiàng)措施結(jié)合起來，可以降低所需的擴(kuò)徑的壓力。從而可以取得減少軸管在擴(kuò)徑后的殘余成形偏差的效果。此外，也可因此而使用硬質(zhì)和脆性材料做各凸輪以提高其使用壽命。
本發(fā)明還涉及一些組裝式的凸輪軸或其類似物，它們由一根軸管和若干個以一定間距布置的元件，如控制凸輪、軸承座圈、齒輪或錐齒輪組成，并借助在所述軸管上各元件所在部位通過內(nèi)部壓力加載的方法制造而成，特別是根據(jù)先前所述方法之一，即所述軸管材料在縱向各段上是塑性變形的，而各元件的材料則主要是彈性變形的。正如已詳細(xì)說明過的所述變形過程最好用液力的內(nèi)壓加載的方法來完成。
根據(jù)推薦的改進(jìn)方案，所述軸管材料的抗拉強(qiáng)度應(yīng)該是比各元件的材料低25-35%。這有利于所企求的結(jié)合方式，并出于成本高的考慮使選擇相對較軟的軸管材料成為可能。
作為凸輪，可使用在與軸管結(jié)合之前以有利的方式加工好的鑄鐵、鋼或者燒結(jié)材料的元件，也可選用高硬度材料，例如球軸承鋼，以提高按本發(fā)明所述之凸輪軸的壽命，它不會損害所述結(jié)合的強(qiáng)度。
上面所述的本發(fā)明在應(yīng)用所述的基本概念的情況下也可用于將空心軸裝入鉆孔中、借助管接頭將兩根管子連接起來。本發(fā)明的一些細(xì)節(jié)參閱附圖就可一目了然。
圖1a表示凸輪和管體在結(jié)合之前通過結(jié)合處的一個縱剖面;
圖1b表示根據(jù)圖1a的、在結(jié)合之后的連結(jié)處;
圖1c表示具有兩個緊挨著的元件的、結(jié)合之后的結(jié)合處;
圖2a以縱剖面和橫剖面形式表示一個開有幾條縱向溝槽的元件。
圖2b以縱剖面和橫剖面形式表示一個橫截面形式表示一個橫截面有變化的元件。
在這些圖中分別用1標(biāo)記所述軸管、用2標(biāo)記套在它上面的元件，其中特別用2a標(biāo)記一個凸輪，用2b標(biāo)記一個軸承襯套。在本專利權(quán)利要求
書和說明書中給出的各長度以及其他各量值都是用各該特定的字母指明的。
圖1a中表明的是，在所述軸管1和所述凸輪2之間存在用沿圓周面的間隙3。
在圖1b中可以見到所述軸管在結(jié)合之后的橫截面變化，其中特別注明了被擴(kuò)徑的管段4的限制長度。
圖1c上表示被擴(kuò)徑的管段4，它被兩個緊挨著的、但有一定間距的元件2a和2b所覆蓋，后兩都相互間有一個小的間距5。
圖2a中示有一個帶有三條按周向分布的凹槽6的元件，而圖2b中則描繪了一個具有縮小呈錐形的兩端部位7a、7b的透孔。
權(quán)利要求
1.由一根軸管和若干個以一定間距布置的元件，例如控制凸輪、軸承座圈、齒輪或錐齒輪所組成，借助于在各元件所在部位通過內(nèi)部壓力加載使所述軸管擴(kuò)徑的手段制造一種組裝式凸輪軸或其類似物的方法，其特在于，所述軸管對應(yīng)于一個元件的縱向段的材料，在擴(kuò)徑時全部承受塑性變形，而各該元件的材料則在其表層呈現(xiàn)主要是彈性變形的狀態(tài)。
2.按照權(quán)利要求
1的方法，其特征在于，所述軸管的外徑d和所述各元件的內(nèi)徑Di之間的差量Umin在進(jìn)行所述的擴(kuò)徑之前，至少為0.9倍的軸管外徑d乘以軸管材料在0.2%時候的屈服極限值Rp和彈性模量E相除的商。
3.按照權(quán)利要求
1或2的方法，其特征在于，所述軸管總是在一個縱向段Lax上擴(kuò)徑，該縱向段在其每一側(cè)都超過被裝在該段的元件的長度Lax至少等于所述軸管的壁厚Lrad的50%，至多是LradR的150%。
4.按照權(quán)利要求
1至3之一的方法，其特征在于，當(dāng)兩個相鄰放置的元件覆蓋一個縱向段時，如果該兩元件的間距Aax小于所述軸管壁厚Lrad的40%，那么，所述軸管在該縱向段上只作統(tǒng)一的擴(kuò)徑。
5.按照權(quán)利要求
1至4之一的方法，其特征在于，在進(jìn)行擴(kuò)徑的時候，在粘附連接(傳力連接)以外，附帶地也造成軸管和元件之間的成形連接。
6.按照權(quán)利要求
5的方法，其特征在于，通過使軸管材料擠入在所述元件內(nèi)作周向分布的縱向溝槽內(nèi)而造成一種宏觀的成形連接。
7.按照權(quán)利要求
5或6的方法，其特征在于，通過使軸管材料擠入孔徑加大的所述元件透孔的中段而造成一種宏觀的成形連接。
8.按照權(quán)利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通過使所述元件透孔內(nèi)的硬質(zhì)顆粒層壓入所述軸管材料中去而造成一種微觀的成形連接。
9.按照權(quán)利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通過使軸管材料壓力所述元件透孔內(nèi)的加工凹痕內(nèi)而造成一種微觀的成形連接。
10.按照權(quán)利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通過使軸管材料壓入所述透孔內(nèi)的、由噴砂處理或噴丸處理(噴射玻璃彈丸)產(chǎn)生的凹坑內(nèi)而造成一種微觀的成形連接。
11.按照權(quán)利要求
1至9之一的方法，其特征在于，在一個特別是由鋼做成的元件的透孔內(nèi)，在所述擴(kuò)徑過程中其徑向邊緣塑性變形達(dá)到的深度△Lard為所述元件最小壁厚Lrad的10%至15%。
12.按照權(quán)利要求
1至11之一的方法，其特征在于，所述元件在所述擴(kuò)徑之后，其外部區(qū)域內(nèi)在切線方向的伸長率的數(shù)值最好小于1%。
13.按照權(quán)利要求
12的方法，其特征在于，在應(yīng)用一種延展性材料例如鋼的情況下，所述元件在所述擴(kuò)徑之后，在其外部區(qū)域區(qū)伸長率在0.1%和0.4%之間。
14.按照權(quán)利要求
12的方法，其特征在于，在應(yīng)用一種硬質(zhì)材料例如鑄鐵或燒結(jié)材料的情況下，所述元件在所述擴(kuò)徑之后，在其外部區(qū)域內(nèi)的伸長率在0.01%和0.2%之間。
15.由一根軸管和若干個以一定間距布置的元件，例如控制凸輪、軸承座圈、齒輪或錐齒輪所組成，借助于在各元件的部位使所述軸管擴(kuò)徑的手段，特別是按照根據(jù)上述各項(xiàng)權(quán)利要求
所述的方法制造的組裝式凸輪軸或其類似物，其特征在于，所述軸管對應(yīng)于一個元件的縱向段的材料全部作塑性變形，而各該元件的材料在所述表面層則主要作彈性變形。
16.按照權(quán)利要求
15的軸，其特征在于，所述軸管材料與所述各元件材料相比，前者的抗拉強(qiáng)度要小25%至35%。
17.按照權(quán)利要求
15或16之一的軸，其特征在于，被用作為軸管的是一種拉制的，其表面最好是不經(jīng)加工的精密管材，特別是用例如st35至st52號鋼制成的管材。
18.按照權(quán)利要求
15至18之一的軸，其特征在于，被用作為凸輪的是高硬度鑄鐵、鋼或是燒結(jié)材料的元件(它們最好在與軸結(jié)合之前預(yù)制好)，例如用球軸承鋼制作凸輪。
19.按照權(quán)利要求
15至18之一的軸，其特征在于，在所述各元件的透孔中有一個(尤其是借助金屬粘結(jié)劑所結(jié)合的)硬質(zhì)顆粒層以及/或者在所述結(jié)合之前加工形成的周向凹槽。
20.按照權(quán)利要求
15至19之一的軸，其特征在于，在所述各元件的透孔中有若干條軸向伸展的溝槽，它們的深度Ti從橫截面的基圓量起，相當(dāng)于所述軸管壁厚LradR的0.2-1%。
21.按照權(quán)利要求
20的軸，其特征在于，在所述各元件的透孔中最好配置三條按周向分布的、軸向伸展的溝槽，其總寬取大約整個圓周的1/3。
22.按照權(quán)利要求
15至21之一的軸，其特征在于，所述各元件的透孔本身由一個橫截面不變的中段以及至少相對其基圓部位呈圓錐狀縮小至兩端面的兩個端部段所組成。
23.按照權(quán)利要求
22的軸，其特征在于，所述軸管外徑d和所述各元件的內(nèi)徑Di之間在所述兩端面上的差量，在所述擴(kuò)徑之前是大于或等于零。
專利摘要
用軸管和滑套在其上的控制凸輪、軸承座圈、齒輪或錐齒輪，借助于在各元件所在部位通過內(nèi)部壓力加載的方法，使所述軸管擴(kuò)徑來制造組裝式凸輪軸或其類似物。所述軸管縱向各段的材料在擴(kuò)徑時是經(jīng)受塑性變形的，而各元件的材料則主要是處于彈性變形的狀態(tài)。
文檔編號B21D39/06GK87106724SQ87106724
公開日1988年4月20日 申請日期1987年9月30日
發(fā)明者漢斯·于爾根·布羅伊阿, 沃爾夫?qū)っ? 魯?shù)婪颉な鏍柎? 赫爾穆特·斯瓦斯, 漢斯·漢斯維勒曼克, 赫爾穆特·里姆斯沙·伊, 卡爾·魏斯, 赫伯特·弗里令斯多夫, 恩格爾伯特·施瓦茨, 赫里伯特·格華, 克勞斯·格力茨 申請人:姚尼-卡丹股份公司, 英特阿托姆公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan