CN103635662B - 凸轮轴及相应的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的凸轮轴（1），包括轴（2）和至少一个组件（3），所述组件（3）特别以热方式接合至所述轴，并通过所述组件的接合表面（5）连接至所述轴的接合表面（6）。对本发明必不可少的是所述组件的接合表面（5）和/或所述轴的接合表面（6）在负载关键的区域上仅部分具有限定的粗糙度（7）。本发明进一步涉及用于该凸轮轴（1）的凸轮（4），以及制造所述凸轮轴（1）或凸轮（4）的方法。

Description

凸轮轴及相应的制造方法

技术领域

本发明涉及一种凸轮轴，以及涉及用于这种凸轮轴的凸轮。本发明还涉及用于制造所述凸轮轴和所述凸轮的装置和方法。

背景技术

凸轮轴是内燃机的主要部件。凸轮轴包括至少一个凸轮接合于其上的(空转)轴。为了连接轴和凸轮，通常使用热接合法。此时，通过凸轮的接合表面和轴的结合表面来确保轴与凸轮的连接，凸轮的接合表面通常布置在凸轮孔内。此时的优点是通过凸轮的接合表面和轴的接合表面之间的摩擦限定了可通过凸轮轴传输的扭矩。

由DE102009060352A1可知一种制造用于内燃机阀定时的凸轮轴的方法，该方法包括以下步骤：使多个盘状凸轮对齐，每个盘状凸轮以如下方式具有垂直于凸轮主平面延伸的中心圆形开口：彼此隔开地轴向布置的凸轮开口彼此对齐；使相对于凸轮具有圆形外轮廓的空转轴过度冷却，其中过度冷却的空转轴的外径小于凸轮开口的内径，且未过度冷却的空转轴外径大于凸轮开口的内径；将过度冷却的轴插入对齐的凸轮开口中；在空转轴和凸轮之间引入温度平衡，使得空转轴与凸轮固定地连接以形成凸轮轴，其中凸轮开口的内表面和/或空转轴的外表面以它们的插入状态在被凸轮开口围绕的部分上具有粗糙图案，该粗糙图案通过激光热熔产生。

发明内容

本发明特别关注于为普通凸轮轴提供改善的或至少可替代的实施方式的问题，该实施方式尤其以低制造成本为特征。

本发明基于以下总体理念：除了还通过使组件的接合表面和/或轴的接合表面部分粗糙之外，还特别包括通过热接合支撑组件和凸轮轴之间的连接，例如凸轮和凸轮轴之间的连接。根据本发明，组件的接合表面和/或轴的接合表面仅在负载关键的区域上变粗糙，或者在其上具有预定的粗糙度，此外，这可通过激光实施。当然，作为激光的替代方式，对待被粗糙化的相应区域进行喷丸硬化或化学处理也是容易想到的。仅通过使每个负载关键的区域上的组件的接合表面和/或轴的接合表面部分变粗糙，用于粗糙化的工作以及因此循环时间可得到显著减少，从而反过来可加速凸轮轴的组装。循环时间的减少特别基于以下事实：当前，整个接合表面不再都被粗糙化，即例如经激光处理，但只有部分接合表面被粗糙化，由此粗糙化工艺本身可被改进，从而可缩短循环时间。当然，作为凸轮的替代方式，接合至凸轮轴的组件还可形成为信号发生器轮、插座、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、调节元件、对准元件、组装辅助元件、轴承环或套筒。类似地，容易想到此类前述组件接合至普通轴，而无需该轴特别形成为凸轮轴。因此，对整个专利申请均适用，术语“凸轮轴”可一直用术语“轴”替代，且术语“凸轮”可一直用术语“组件”替代或概括。

在根据本发明的方案的有利细化中，预定的粗糙度为约2～25Rz。通过准确设定粗糙度，就能准确设定可传输的扭矩。同时，由于上述粗糙化，可缩短加热后凸轮的温度下的保持时间，由此还缩短循环时间。

有利地，上述组件形成为凸轮，同时在相联的凸轮上升区域和/或相对的基座圈的区域中使凸轮的接合表面和/或轴的接合表面变粗糙，其中凸轮上升区域中的粗糙度在约20～140°的圆周角上以及在约20～140°的圆周角的相对区域中延展。特别是在凸轮上升区域中，即，在凸轮顶端和/或相对的底座圈的区域中，能预见法向力增大，使得准确地在这些位置上施加预定的粗糙度可靠地保证了高的扭矩传输。

在另外的或替代的实施方式中，可提供凸轮轴的接合表面和/或轴的接合表面以环形方式在彼此隔开的两个轴向边缘上至少部分地，优选圆周地被粗糙化。从而，在此情况下，只有该组件和/或轴的接合表面的相应边缘区域被粗糙化，即特别经激光处理，其中，精确地在这些区域中，出现最高的接触压力，从而，反过来高的法向力导致高扭矩的传输。由于仅仅部分粗糙化，粗糙化工艺本身可明显快速地进行，从而能够减少循环时间。当然，各个接合表面的许多不同区域具有许多不同的粗糙度值也是可能的，其中，此外，容易想到对该表面区域中的负载程度采用预定的粗糙度程度，使得在较高负载的区域中，提供较高的粗糙度。

有利地，利用激光并入的部分粗糙度具有加工痕迹，这些加工痕迹与凸轮轴的轴线平行、横切或成斜纹地对齐。特别在预定粗糙度的加工痕迹相对于凸轮轴轴线平行对齐的情况下，使得滑到加工痕迹上更容易，此时加工痕迹已被粗糙化，同时也已被激光光束硬化，其中，同时，也容易想到使用凸轮轴坯料，即未经加工的凸轮轴，或普通的轴。无论轴线方向的接合更容易与否，可能以此方式在凸轮和轴之间传输高扭矩，因为在扭矩传输期间，负载方向改变。通过激光处理，可在粗糙度区域实现较硬的晶粒结构，该晶粒结构特别在较软的组件或轴的情况下产生较硬的表面结构，该较硬的表面结构反过来被设计用于传输更高的扭矩。使表面结构变硬能得到在激光处理后相对快速的冷却支持。

通过限定的激光功率，可产生限定的粗糙度，从而产生限定的可传输的扭矩。除了改变或影响激光功率以外，容易想到加工痕迹或加工区域的重复激光处理，从而可以特别精确的方式设定所需硬度。通过所述加工痕迹，原理上还能够产生加工图案，例如细缝、棱形、矩形图案等。

在根据本发明的方案的有利细化中，各组件通过压配合和/或通过热接合配合连接至凸轮轴，其中，在后一种情况下，凸轮被加热。在常规热接合配合的情况下，通常，轴被冷却和/或凸轮或该组件被加热。然而，在该情况下，只有各组件，即在该特定情况下为各凸轮，被加热，然后在相联的轴或凸轮轴上滑动。当然，还容易想到仅使用压配合，而不需要热预处理。

本发明进一步基于提供用于制造凸轮轴的装置的总体思想，该凸轮轴包括轴和至少一个凸轮，即特别是热接合至其上的凸轮，其中所述凸轮通过凸轮的接合表面连接至轴的接合表面。根据本发明的装置具有用于移置轴的进给单元，以及用于加热所述凸轮以及用于在组装过程中固定所述凸轮的夹持和加热装置。此外，提供激光用于在凸轮的接合表面和/或轴的接合表面在于凸轮上滑动之前即时地部分粗糙化。此时，容易想到，例如，将轴移置略微大于接合宽度，即，在该情况下，移置略微大于凸轮宽度，其中，事先，所有的组件，且特别是凸轮，被螺旋至凸轮轴上。然后，轴上所有的接合位置，即轴的所有接合表面经激光处理，随后，凸轮滑动至轴上的接合表面上，或反之亦然。通过如此，可避免凸轮无意地在轴的其它接合表面上移动。

附图说明

要理解的是上述特征以及下文仍将解释的特征不仅能以各个已提及的组合使用，还可以其它组合使用或单独使用，而不背离本发明的上下文。

本发明的优选示例性实施方式示于附图中，并在以下说明中得到更详细地解释，相同的附图标记指代相同或相似或功能相同的组件。

在附图中，示意性地：

图1：示出了根据本发明的凸轮轴，以及具有预定粗糙度的相联的凸轮，该粗糙度以环形方式引入在彼此隔开的两个轴向边缘处。

图2：示出了与图1相似的图示，但具有不同地布置的部分粗糙度。

图3：反过来示出了提高扭矩传输能力的粗糙度的许多不同的可能实施方式。

图4：示出了根据本发明的凸轮轴的视图，该凸轮轴具有用于滑动凸轮和扭矩传输的纵向加工痕迹。

图5a～5c：示出了用于制造根据本发明的凸轮轴的不同方法步骤。

图6：示出了本发明应用的其它可能领域。

图7：示出了利用激光引入的粗糙度，所述粗糙度有单个激光点组成，其中单个激光点的中心彼此偏移布置，且单个激光点彼此重叠布置。

图8：示出了如图8中的图示，但具有与痕迹平行走向的旋转方向。

图9：示出了图8的痕迹的另一可能实施方式的显微镜细节图示。

图10：示出了穿过粗糙度的激光点的显微镜截面图。

具体实施方式

根据图1和2，根据本发明的用于内燃机(此处未示出)的凸轮轴1包括轴2和至少一个组件3，此处为凸轮4，此时该凸轮4特别热接合至所述轴，并可通过组件的接合表面5连接至轴的接合表面6。根据本发明，组件的接合表面5和/或轴的引导表面7仅在负载关键的区域中，即，例如在凸轮上升区域或相对的底座圈的区域中部分地具有预定粗糙度7，该粗糙度特别通过激光引入。上述预定的粗糙度7可在2至25Rz之间变化。

通常，组件3可形成为，在该情况下，形成为凸轮4，其中当然也容易想到组件3例如形成为信号发生器轮、插座、轴承环、链/带状轮、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、调节元件、对准元件、组装辅助元件或套筒。如前所述，凸轮轴的接合表面5和/或轴的接合表面6优选在相联的凸轮上升区域，即凸轮顶端和/或相对的底座圈的区域中被粗糙化，其中粗糙度7在约20～140°，优选约50～120°的圆周角上方的凸轮上升区域中，以及在约20～140°，优选约20～90°的圆周角上方的底座圈的相对区域中延展。

观察根据图1的接合表面5和6，可看出它们以环状方式在彼此隔开的两个轴向边缘处圆周地粗糙化。可选择地，当然还能例如如图2和图3所示的，粗糙度7被提供为在凸轮4的整个轴向宽度上延展。然而，在此情况下，不是整个接合表面5或6被粗糙化，而是只有它们的某一区域被粗糙化。例如观察图3，可看出左侧图示中的粗糙度7如图1中所示以环状方式形成，其中，根据图3的第二幅图，这些环在赤道区域中被打断。

将凸轮4连接至凸轮轴1，或者，通常将组件3连接至轴2能够通过压配合或热接合配合进行，其中在该情况下，预先加热凸轮4，即组件3。粗糙化，例如仅在轴向边缘区域中粗糙化具有如下优点：在所述区域中，出现最高接触压力，这也是例如通过倾斜导致，因此在这些边缘区域中传输最高的扭矩。所用的所有轴2或凸轮轴1可为完全加工的或未加工的。

当观察图4时，可看到加工痕迹9，该加工痕迹9平行与凸轮轴轴线8变粗糙化，凸轮4在其上滑动。此外，轴的接合表面6和/或组件的接合表面5另外提供有传输扭矩所需的预定的粗糙度7。根据图4，加工痕迹9平行于凸轮轴线8走向，其中，加工痕迹9当然还能与其成斜纹地走向，或者粗糙度7在接合表面5、6的区域中具有对应的加工痕迹9，这些加工痕迹与凸轮轴轴线8平行地、横切地或成斜纹地走向。此外，加工痕迹9还能形成为滑动痕迹18，而且能用作储油器。此处，可使用半成品轴，即，特别是未经打磨或未加工的轴。同时，在组件的接合表面5上和/或在轴的接合表面7上，可并入轴向平行的加工痕迹，从而使组装更容易。使凸轮4滑到凸轮轴1上在此情况下利用压力进行，其中，然而，在凸轮轴1的接合表面5、6区域中的粗糙度7保障了扭矩传输。

通常，组件3可形成为凸轮4，并可包括接合表面5，该接合表面5在内侧翻转，并形成为被激光结构形式的粗糙度7覆盖的凸轮座。翻转的内凸轮座具有翻转痕迹(翻转通道)，该翻转痕迹以圆周方向取向，并具有能在一定限度内调节的深度、宽度等。如果在该通过加工制造的基础结构中，并入与翻转通道横切(相对于翻转通道成0～90°)的具有条形/加工痕迹9的另外的激光结构，产生了具有许多剖面峰的裂缝/斜方形/矩形图案(详见图2)。此时，可改变相对于翻转通道的角度、加工痕迹9之间的距离和加工痕迹9的深度。通常，当组装凸轮4时，这种剖面能显著改善扭矩传输。因为实际接触面积减小，压配合的表面压力增大。指定的结构与凸轮轴表面的粗糙度7“互锁”得更好。

当参见图6时，可看出，结构元件16与组件3连接，其中该组件的接合表面5’布置在组件3上，和/或结构元件的接合表面17布置在结构元件16上，该接合表面在与组件3连接的结构元件16连接处彼此接触，且其中该组件的接合表面5’和/或该结构元件的接合表面17至少在负载关键的区域上或仅仅负载关键的部分区域上具有预定的粗糙度。结构元件16和组件3可通过螺纹连接部19彼此连接。该组件的接合表面5、5’和/或轴的接合表面6和/或结构元件的接合表面17可布置在对应的组件2、3、16的前侧或圆周长。

图5a～c原理上示出了将凸轮4组装在相联的凸轮轴1上的方法：首先，在第一方法步骤中，即，根据图5a，凸轮4滑到凸轮轴1上，或者通常滑到轴2上，或者为此目的利用夹持和加热装置12预先加热凸轮4(参见图5b)。在根据图5b的方法步骤中，然后利用激光器11在轴的后接合表面6的区域中并入预定的粗糙度7，该激光器11步骤在用于制造凸轮轴1的对应装置10中。在根据图5c的方法步骤中，凸轮轴1或者通常为轴2以凸轮4，或者通常为组件3借助该组件的接合表面5定位于轴的接合表面6上方的方式随后利用进给单元13重置。

通常，粗糙度7可布置在一个摩擦部件或两个摩擦部件上，即布置在组件3和轴2两者上，其中容易想到并入相同或不同的粗糙度7。这可例如通过具有不同激光功率的激光器，或通过例如不同化学处理方法或采用不同喷丸材料(例如钢、玻璃或刚玉)的不同喷丸方法进行。

然而，利用产生粗糙度7的激光器11，不仅能施加该粗糙度，而且通常还可分别清洁轴2或凸轮轴1。激光处理产生显微硬度，特别在较软的轴2或组件3的情况下，该显微硬度导致较硬的表面结构，反过来，利用该较硬的表面结构可传输较高的扭矩。例如通过快速冷却可促进较高的显微硬度。

通常，组件3，特别是凸轮4可由碳含量至少为0.6wt％的金属形成，然而，轴2具有较低的碳含量。作为用于凸轮4的材料考虑，通常，组件3特别可为很适于硬化的钢，例如100Cr6、C60、C45；或烧结材料，例如A1100、1200、1300、1500；或浇铸材料，例如ENGJL250或ENGJS700。通常，空冷硬化的钢也能用于组件3。然而，对于轴2，可考虑低碳钢，例如E335和C60E。

为了能提高扭矩传输能力，组件的接合表面5、5’和组件的接合表面17可具有粗糙度7，该粗糙度7通过激光器1并入及硬化，并特别包括由单个激光点20组成的多个痕迹21，其中单个激光点20的中心22彼此偏移布置，且单个激光点20彼此重叠布置，如根据图7～9所示。当然，也容易想到轴的接合表面6具有利用激光器11并入及硬化的此类粗糙度7，其中，在该情况下，轴2在利用激光器11并入粗糙度7之前硬化。

在图7中，轴2的扭转方向23正交于痕迹21的方向走向，其中在该情况下，痕迹21的边缘/角24特别影响最大可能的转矩。与此相比，图8中轴2的扭转方向23平行于痕迹21的方向走向，从而可实现对滑动的甚至更大的抗性，以及由此产生的更高的扭矩传输能力。此时，扭矩传输能力和由此产生的对轴2和组件3之间滑动的抗性受激光器穿透期间升起的边缘24影响(参见图7～10)，该边缘通常布置在组件3或凸轮4上，并在接合至所述轴的期间嵌入轴2中。由于与组件3的材料相比较软的轴2的材料，嵌入是可能的。

在图7～10中，粗糙度7，例如激光点20总是分别并入组件3或凸轮4中，其中，当然也容易想到激光器穿透轴2，从而在轴2上产生边缘24，其中，为此，轴2首先不得不经历渗碳，使轴随后在激光穿透过程中硬化。这特别具有以下优点：只有一个组件，即轴2必须进行加工，而不是多个组件3或凸轮4必须进行加工。通常，在激光穿透和轴2的预先渗碳的情况下，扭矩可从约135Nm增大至225Nm，且在激光穿透组件3的情况下，甚至能增大至325Nm，这对应于大于100％的增加。转矩在此应理解为组件3开始在轴2上滑动的时刻。

使(轴和/或凸轮上的)凸轮座激光结构化是目前对于将来的最佳方法，以实现热接合至轴2的凸轮4的转矩的显著提高。在进一步的检测中，焦点在于同时改善效率，以及同时增加提高。人们发现如果只有凸轮4通过激光器11结构化，可实现较高的转矩。如果轴2被结构化，且凸轮4未被结构化，实现了与先前单纯热接合相比更高的转矩；然而，可实现的转矩与使凸轮4激光结构化的情况一样不高。这是由于所用的材料组合凸轮/轴。高碳钢(例如C60或100Cr6)由于较高的碳含量应被用作凸轮4的材料，这种钢比用于轴2的钢E335更适于硬化。在激光结构化期间，原地导入了大量的能量，这仅在升起的结构区域中，即特别是在边缘24的区域中产生显微硬度。因此原因，由结构化产生的凸轮4的边缘24(凸出部分)比相反情况下更深地嵌入轴2中。

此外，变得明显的是单个激光点20或彼此部分重叠的激光点20(参见图7～9)也导致转矩增大，因为由此与连续的“激光痕迹”相比，可在表面上形成更多的倒钩状结构，然后该倒钩状结构可嵌入相反的表面中。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的凸轮轴(1)，包括轴(2)以及至少一个组件(3)，所述至少一个组件(3)以热方式接合至所述轴，并且通过所述组件的接合表面(5)连接至所述轴的接合表面(6)，其特征在于，所述组件的接合表面(5)和/或所述轴的接合表面(6)仅在负载关键的部分区域上具有预定的粗糙度(7)；

结构元件(16)与所述组件(3)连接，其中组件的接合表面(5’)布置在所述组件(3)上，和/或结构元件的接合表面(17)布置在所述结构元件(16)上，这些接合表面在与所述组件(3)连接的结构元件(16)处彼此接触，且其中所述组件的接合表面(5’)和/或所述结构元件的接合表面(17)至少在负载关键的区域上或仅仅负载关键的部分区域上具有预定的粗糙度(7)。

2.根据权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，所述预定的粗糙度(7)为2至25Rz，和/或

所述粗糙度利用激光器机械地并入，或利用化学方法并入。

3.根据权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，

所述组件(3)形成为凸轮(4)、信号发生器轮、链状轮/带状轮、插座、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、调节元件、对准元件、组装辅助元件、轴承环或套筒。

4.根据权利要求3所述的凸轮轴，其特征在于，

在相联的凸轮上升区域(14)和/或相对的基座圈的区域(15)中使所述凸轮的接合表面(5)和/或所述轴的接合表面(6)变粗糙，其中凸轮上升区域(14)中的粗糙度(7)在20～140°的圆周角上以及在20～140°的圆周角的相对区域中延展。

5.根据权利要求4所述的凸轮轴，其特征在于，

所述凸轮的接合表面(5)和/或所述轴的接合表面(6)以环形方式在彼此隔开的两个轴向边缘上至少部分地，或者圆周地被粗糙化。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，

利用激光并入的部分粗糙度(7)具有加工痕迹(9)，所述加工痕迹(9)与所述凸轮轴的轴线(8)平行、横切或成斜纹地对齐；和/或

所述凸轮的接合表面(5)和所述轴的接合表面(6)具有由不同的激光功率导致的不同粗糙度(7)。

7.根据权利要求6所述的凸轮轴，其特征在于，

所述加工痕迹(9)形成加工图案，是细缝图案、棱形图案、矩形图案，其中单个的所述加工痕迹(9)以相对于所述凸轮轴的轴线(8)0～90°的角度布置。

8.根据权利要求7所述的凸轮轴，其特征在于，

所述组件(3)通过压配合和/或通过热接合配合连接至所述凸轮轴(1)，其中，在后一种情况下，所述凸轮(4)被加热。

9.根据权利要求8所述的凸轮轴，其特征在于，

所述结构元件(16)和所述组件(3)通过螺纹连接部(19)彼此连接。

10.根据权利要求9所述的凸轮轴，其特征在于，

所述组件的接合表面(5、5’)和/或所述轴的接合表面(6)和/或所述结构元件的接合表面(17)布置在对应的组件的前侧或圆周上。

11.根据权利要求10所述的凸轮轴，其特征在于，

所述组件(3)，所述凸轮(4)由碳含量至少为0.6wt％的金属形成，然而所述轴(2)具有较低的碳含量；

所述组件的接合表面(5、5’)和/或所述结构元件的接合表面(17)和/或所述轴的接合表面(6)具有利用激光器(11)并入及硬化的粗糙度(7)，其中所述轴(2)在并入所述粗糙度(7)之前利用所述激光器(11)硬化。

12.根据权利要求11所述的凸轮轴，其特征在于，

所述利用所述激光器(11)并入及硬化的粗糙度(7)包括由单个激光点(20)组成的痕迹(21)，其中所述单个激光点(20)的中心(22)彼此偏离布置，且所述单个激光点(20)彼此重叠布置，和/或

所述轴(2)由E335钢形成，且所述凸轮(4)由C60或100Cr6形成。

13.一种用于根据权利要求1至12中任一项所述的凸轮轴(1)的组件(3)，为凸轮(4)，其中所述组件的接合表面(5)仅在负载关键的部分区域上具有预定的粗糙度(7)，所述粗糙度利用激光器(11)并入。

14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，

为了简化组装，硬化的滑动痕迹(18)的类型的轴向平行的加工痕迹(9)并入在所述组件的接合表面(5)和/所述轴的接合表面(6)中，和/或

所述组件(3)形成为凸轮(4)，且所述接合表面(5)形成为在内侧翻转，并被激光结构形式的加工痕迹(9)覆盖的凸轮座。

15.一种用于制造凸轮轴(1)的装置(10)，包括轴(2)和至少一个凸轮(4)，所述凸轮(4)以热方式接合至所述轴，并可通过所述凸轮的接合表面(5)连接至所述轴的接合表面(6)；所述装置包括：

用于使所述轴(2)移置的进给单元(13)；

用于加热所述凸轮(4)以及用于在组装过程中固定所述凸轮的夹持和加热装置(12)；

激光器(11)，用于在所述凸轮的接合表面(5)和/或所述轴的接合表面(6)在于所述凸轮(4)上滑动之前即时地并入部分粗糙度(7)。

16.一种用于制造凸轮轴(1)的方法，包括轴(2)和至少一个凸轮(4)，所述凸轮(4)以热方式接合至所述轴，并通过所述凸轮的接合表面(5)连接至所述轴的接合表面(6)；其中：

进给单元(13)使所述轴(2)移置；

夹持和加热装置(12)预先加热所述凸轮(4)，并在组装过程中固定所述凸轮；

激光器(11)在所述凸轮的接合表面(5)和/或所述轴的接合表面(6)在于所述凸轮(4)上滑动之前即时地并入部分粗糙度(7)。