专利名称:组装式凸轮轴的制作方法
本发明涉及一种用轴管和若干个以一定间距布置的元件、借助于在各元件所在部位通过内部压力加载的方法使所述轴管扩径来制造一种组装式凸轮轴或其类似物的方法，以及一种用轴管和若干个以一定间距布置的元件、借助于在各元件所在部位使所述轴管扩径的方法制造的、作为产品的组装式凸轮轴或其类似物。上述以一定间距布置的各元件可以是控制凸轮、轴承座圈、齿轮或锥齿轮，它们必须同所述轴管连结成一体，不得相对转动，并且要角度精确。
有一些组装式凸轮轴是公知的，加工好的各凸轮和轴承座圈是按照热压方法套装在一根轴管上的(联邦德国专利申请公开说明书DE-OS 3301749号)。为了得到所需要的配合紧度，使用热压方法的材料必须有一定的热膨胀系数，这就限制了用于制造各元件的材料的选择。为了保障轴管和各元件之间适应抗扭连接所需要的足够的应力，不得不对制造轴的材料在强度和表面硬度方面提出某些更高的要求。由于必要的热处理的需要，是时间较长、花费较大的。结合过程中使用的高温不可避免地使得各元件的硬度有所降低。
再有一些凸轮轴是公知的，各凸轮按成型连接的要求以一定间距配置在异型棒材上，并且通过例如热套、冷冻、钎焊、熔焊或粘合同所述棒材连结(联邦德国专利申请公开说明书DE-OS 2336241号，联邦德国实用新型申请公告DE-GM 7920957号)。与通常的凸轮轴相比，它在重量上并无优越性，要改变各凸轮的角位置或其配合时需要对各部件进行完全改造。
还有一种公知的凸轮轴，它由一根空心轴以及由一此孔内开有纵向的或周向凹槽的轴承座和凸轮组成，借助内压力使所述轴管分段分别扩径，并使之挤压入所述各凹槽中，以此方法进行连接(联邦德国发明书DE-PS 2546802)。在其结构上，被设计成管子形状的凸轮具有均匀壁厚，以致它与所述轴的结合面不可能是连续地环绕着轴的，因而各凸轮的强度显得是没有保障的。
最近公知的一种凸轮轴，其具有圆形内孔的凸轮和轴承座通过借助内压力沿一根轴管全长扩径的方法，完全按传力连接的要求固定在该轴管上，此时为了维持薄壁管材的压紧配合，所述管子必须用塑料物质填满(联邦德国发明书DE-PS 3227693号)。没有这种附加措施，就不可能造成一种可靠的、能加上转矩负荷的紧配合。所述在整个长度上扩径的做法包含着在各凸轮之间的部位上鼓起来的危险，此时可能在各凸轮的端面旁发生应力集中，从而降低轴的强度。
本发明的任务是要提供一种组装式的轴，它可以按照一种简单而成本低廉的制造方法生产出来，并且在使用这些轴的时候，在选择轴管、各凸轮以及各轴承座的材料的自由得到扩大的同时，传递高转矩却成为可能。
解决此任务的方案在于一种方法，该方法突出的优点是，所述轴管纵向各段的材料在扩径时是经受塑性变形的，而各元件的材料则主要是处于弹性变形的状态。按这种方式，不用热态处置就可造成紧配合，它允许传递达到轴的80%抗扭强度的转矩。作为轴的材料，它可以利用像St 35至St 52这样的相对低值的材料，而各凸轮和轴承支座则可使用高强度材料。所述的接合方式不损害这两种材料的使用值。因为造成这种连续是在不用外部加热的情况下进行的，并且也不要求为消除应力而作热处理，所以既不会发生损赛材料的结构变化，也不会造成硬度降低。在扩径时出现的若干尺寸变化是可以计算出来的，这不同于在热处理时出现的情况。由于用作各元件的材料有了更大的选择自由，就能够做到使凸轮材料更好地适应各种不同的载荷。因此可以使用各种不同材料制造的凸轮和轴承座而不致损及必要的转矩传递性能。与通过压入一典塑料来使一根轴扩径的方法相比较，采用合适的方法和装备按液压原理使纵向各段扩径的工艺更简单、费用更低廉一些。本发明的方法的进一步的优点在于所述轴管的内截面保持着敞开，这样就有可能进行轴的冷却和轴承座的内润滑。按照本发明的轴是容易制作的，并且在相应地注意到所述结合过程的情况下各凸轮或轴承座在装上后不再需要随后的研磨工序。所要固定的各元件的间距可以做得很小，而所选用的材料可以适应其功能所需的特殊要求，这些都使得在与该凸轮轴相配的气缸盖的设计方面的自由度更大。
如果轴的外径d和元件的内径Di之间的差量Umin在进行所述扩径之前，相当于0.9倍的外径值乘以由0.2%时候的屈服极限值Rp和弹性模量E相除所得的商，那么按照本发明的方法去做可以得到最佳的效果。在符合这些量值关系的条件下可在按传力连接要求固定的元件透孔的表面层获得所希望的弹性预应力。
按下述做法来实施本发明的方法，可进一步保持其最佳特性所述轴管在其轴向各段上进行扩径时，其扩径段的长度超过所述元件每一边端面至少是壁厚的50%，至多是壁厚的150%。就这样以有利的方式保证元件的透孔在其整个长度上全面地，并且基本上是等应力地紧贴在管壁上，因而可减少微小滑动的危险，并且可排除配合腐蚀的可能性。同时还防止可能在各元件的端面近旁发生所述轴管鼓出来以及由此造成的应力集中的现象。在某些特殊性况下，即有多个元件紧挨在一起，尤其是在所谓三或四阀门的发动机上，即每个气缸配置有三个或四个阀门的那种情况下，此时按照本发明所述的方法需要变更为将轴管扩径的做法要在两个或多个元件覆盖的整个部位上同时实施。只要各元件的间距不超过轴管壁厚的40%，所述轴管就不会鼓起来，从而保障了各种元件的均匀的紧配合。
在一种有利的设计中，应用可延展的材料(例如碳钢)，使元件透孔内表面的径向塑性变形层达到各元件最小径向壁厚的10至15%，借此得到足够的结合力，元件强度则不受损害。在硬质材料(例如铸铁)的情况下，表面塑料变形层厚度要达到这个数量级是不可能的，并且也是不必要的。按照更有利的方式，应该在扩径之后把各元件的外部区域在切线＊向出现的伸长率限制在1%的数量级，以便在使用中该部件承受附加载荷时其表面不致发生损伤。在应用可延展的材料，例如钢情况下，所述伸长率的优选范围在0.1%和0.4%之间，而在脆性材料例如铸铁的情况下，该伸长率应该在0.01%和0.2%之间。
按照通常的并且有利的方式来实施本发明所述之方法，即，为了在各凸轮所在部位扩径，使用的液压应在2，000至3，500巴，与此相比，为使所述轴在薄壁的轴承座所在部位扩径，使用的液压应在1，000至2，500巴的范围内。
本方法的改进还在于，在所述轴管和所述元件之间，除了按照本发明所述的传力连接之外还可能具有一种成形连接。关于这一点，其可能性特别在于当轴材料在受压成形时被允许挤入各元件透孔中的至少一条，更可能是多条按周向分布的纵向槽内。所述成形连接的另外一种可能性，是将所述元件的中段的孔的截面设计得较大，而与在元件两个端面的孔的截面较小处接上。根据所述的前一种设计，它首先可以改善在转矩载荷作用下的配合的耐用性;根据第二种设计，则可以得到在所述配合长度上均匀的表面压力，并可消除所述轴管在元件端面前鼓出的倾向。除了前面提到的宏观的成形连接以外，还有形成一种微观的成形连接的可能性，就是在各元件透孔的内表面上设置有硬质颗粒的涂层，它在结合时被压入到轴管材料中去;这种微观的成形连接的另一个可能是由有意保留着的加工痕迹产生的，特别是各元件透孔上的一些周向凹痕，它在接触面上同所述拉制轴管的加工痕迹交叉，因而在交错压入的作用下形成紧密结合。具有点状凹坑形式的加工痕迹也可以在各元件进行结合之前，以特别廉价的方式对它们作喷砂处理或喷丸处理(用玻璃弹丸喷射)来形成。
用上面提及的全部措施或将多项措施结合起来，可以降低所需的扩径的压力。从而可以取得减少轴管在扩径后的残余成形偏差的效果。此外，也可因此而使用硬质和脆性材料做各凸轮以提高其使用寿命。
本发明还涉及一些组装式的凸轮轴或其类似物，它们由一根轴管和若干个以一定间距布置的元件，如控制凸轮、轴承座圈、齿轮或锥齿轮组成，并借助在所述轴管上各元件所在部位通过内部压力加载的方法制造而成，特别是根据先前所述方法之一，即所述轴管材料在纵向各段上是塑性变形的，而各元件的材料则主要是弹性变形的。正如已详细说明过的所述变形过程最好用液力的内压加载的方法来完成。
根据推荐的改进方案，所述轴管材料的抗拉强度应该是比各元件的材料低25-35%。这有利于所企求的结合方式，并出于成本高的考虑使选择相对较软的轴管材料成为可能。
作为凸轮，可使用在与轴管结合之前以有利的方式加工好的铸铁、钢或者烧结材料的元件，也可选用高硬度材料，例如球轴承钢，以提高按本发明所述之凸轮轴的寿命，它不会损害所述结合的强度。
上面所述的本发明在应用所述的基本概念的情况下也可用于将空心轴装入钻孔中、借助管接头将两根管子连接起来。本发明的一些细节参阅附图就可一目了然。
图1a表示凸轮和管体在结合之前通过结合处的一个纵剖面;
图1b表示根据图1a的、在结合之后的连结处;
图1c表示具有两个紧挨着的元件的、结合之后的结合处;
图2a以纵剖面和横剖面形式表示一个开有几条纵向沟槽的元件。
图2b以纵剖面和横剖面形式表示一个横截面形式表示一个横截面有变化的元件。
在这些图中分别用1标记所述轴管、用2标记套在它上面的元件，其中特别用2a标记一个凸轮，用2b标记一个轴承衬套。在本专利权利要求
书和说明书中给出的各长度以及其他各量值都是用各该特定的字母指明的。
图1a中表明的是，在所述轴管1和所述凸轮2之间存在用沿圆周面的间隙3。
在图1b中可以见到所述轴管在结合之后的横截面变化，其中特别注明了被扩径的管段4的限制长度。
图1c上表示被扩径的管段4，它被两个紧挨着的、但有一定间距的元件2a和2b所覆盖，后两都相互间有一个小的间距5。
图2a中示有一个带有三条按周向分布的凹槽6的元件，而图2b中则描绘了一个具有缩小呈锥形的两端部位7a、7b的透孔。
权利要求
1.由一根轴管和若干个以一定间距布置的元件，例如控制凸轮、轴承座圈、齿轮或锥齿轮所组成，借助于在各元件所在部位通过内部压力加载使所述轴管扩径的手段制造一种组装式凸轮轴或其类似物的方法，其特在于，所述轴管对应于一个元件的纵向段的材料，在扩径时全部承受塑性变形，而各该元件的材料则在其表层呈现主要是弹性变形的状态。
2.按照权利要求
1的方法，其特征在于，所述轴管的外径d和所述各元件的内径Di之间的差量Umin在进行所述的扩径之前，至少为0.9倍的轴管外径d乘以轴管材料在0.2%时候的屈服极限值Rp和弹性模量E相除的商。
3.按照权利要求
1或2的方法，其特征在于，所述轴管总是在一个纵向段Lax上扩径，该纵向段在其每一侧都超过被装在该段的元件的长度Lax至少等于所述轴管的壁厚Lrad的50%，至多是LradR的150%。
4.按照权利要求
1至3之一的方法，其特征在于，当两个相邻放置的元件覆盖一个纵向段时，如果该两元件的间距Aax小于所述轴管壁厚Lrad的40%，那么，所述轴管在该纵向段上只作统一的扩径。
5.按照权利要求
1至4之一的方法，其特征在于，在进行扩径的时候，在粘附连接(传力连接)以外，附带地也造成轴管和元件之间的成形连接。
6.按照权利要求
5的方法，其特征在于，通过使轴管材料挤入在所述元件内作周向分布的纵向沟槽内而造成一种宏观的成形连接。
7.按照权利要求
5或6的方法，其特征在于，通过使轴管材料挤入孔径加大的所述元件透孔的中段而造成一种宏观的成形连接。
8.按照权利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通过使所述元件透孔内的硬质颗粒层压入所述轴管材料中去而造成一种微观的成形连接。
9.按照权利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通过使轴管材料压力所述元件透孔内的加工凹痕内而造成一种微观的成形连接。
10.按照权利要求
5至7之一的方法，其特征在于，通过使轴管材料压入所述透孔内的、由喷砂处理或喷丸处理(喷射玻璃弹丸)产生的凹坑内而造成一种微观的成形连接。
11.按照权利要求
1至9之一的方法，其特征在于，在一个特别是由钢做成的元件的透孔内，在所述扩径过程中其径向边缘塑性变形达到的深度△Lard为所述元件最小壁厚Lrad的10%至15%。
12.按照权利要求
1至11之一的方法，其特征在于，所述元件在所述扩径之后，其外部区域内在切线方向的伸长率的数值最好小于1%。
13.按照权利要求
12的方法，其特征在于，在应用一种延展性材料例如钢的情况下，所述元件在所述扩径之后，在其外部区域区伸长率在0.1%和0.4%之间。
14.按照权利要求
12的方法，其特征在于，在应用一种硬质材料例如铸铁或烧结材料的情况下，所述元件在所述扩径之后，在其外部区域内的伸长率在0.01%和0.2%之间。
15.由一根轴管和若干个以一定间距布置的元件，例如控制凸轮、轴承座圈、齿轮或锥齿轮所组成，借助于在各元件的部位使所述轴管扩径的手段，特别是按照根据上述各项权利要求
所述的方法制造的组装式凸轮轴或其类似物，其特征在于，所述轴管对应于一个元件的纵向段的材料全部作塑性变形，而各该元件的材料在所述表面层则主要作弹性变形。
16.按照权利要求
15的轴，其特征在于，所述轴管材料与所述各元件材料相比，前者的抗拉强度要小25%至35%。
17.按照权利要求
15或16之一的轴，其特征在于，被用作为轴管的是一种拉制的，其表面最好是不经加工的精密管材，特别是用例如st35至st52号钢制成的管材。
18.按照权利要求
15至18之一的轴，其特征在于，被用作为凸轮的是高硬度铸铁、钢或是烧结材料的元件(它们最好在与轴结合之前预制好)，例如用球轴承钢制作凸轮。
19.按照权利要求
15至18之一的轴，其特征在于，在所述各元件的透孔中有一个(尤其是借助金属粘结剂所结合的)硬质颗粒层以及/或者在所述结合之前加工形成的周向凹槽。
20.按照权利要求
15至19之一的轴，其特征在于，在所述各元件的透孔中有若干条轴向伸展的沟槽，它们的深度Ti从横截面的基圆量起，相当于所述轴管壁厚LradR的0.2-1%。
21.按照权利要求
20的轴，其特征在于，在所述各元件的透孔中最好配置三条按周向分布的、轴向伸展的沟槽，其总宽取大约整个圆周的1/3。
22.按照权利要求
15至21之一的轴，其特征在于，所述各元件的透孔本身由一个横截面不变的中段以及至少相对其基圆部位呈圆锥状缩小至两端面的两个端部段所组成。
23.按照权利要求
22的轴，其特征在于，所述轴管外径d和所述各元件的内径Di之间在所述两端面上的差量，在所述扩径之前是大于或等于零。
专利摘要
用轴管和滑套在其上的控制凸轮、轴承座圈、齿轮或锥齿轮，借助于在各元件所在部位通过内部压力加载的方法，使所述轴管扩径来制造组装式凸轮轴或其类似物。所述轴管纵向各段的材料在扩径时是经受塑性变形的，而各元件的材料则主要是处于弹性变形的状态。
文档编号B21D39/06GK87106724SQ87106724
公开日1988年4月20日 申请日期1987年9月30日
发明者汉斯·于尔根·布罗伊阿, 沃尔夫冈·毛斯, 鲁道夫·舒尔茨, 赫尔穆特·斯瓦斯, 汉斯·汉斯维勒曼克, 赫尔穆特·里姆斯沙·伊, 卡尔·魏斯, 赫伯特·弗里令斯多夫, 恩格尔伯特·施瓦茨, 赫里伯特·格华, 克劳斯·格力茨 申请人:姚尼-卡丹股份公司, 英特阿托姆公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan