CN104379882A - 凸轮轴 - Google Patents

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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)，所述至少一个组件(3)接合至所述轴(2)，特别是热接合至所述轴(2)，并利用组件侧的接合表面(5)连接至轴侧的接合表面(6)。本发明的本质在于所述组件侧的接合表面(5)和/或所述轴侧的接合表面(6)具有粗糙部(7)，所述粗糙部(7)利用激光(11)引入并硬化；且所述粗糙部(7)具有由各个激光点(20)组成的印迹(21)，其中所述各个激光点(20)的中心点(22)彼此偏移布置，并且布置所述各个激光点(20)使得它们彼此重叠。本发明还涉及用于所述凸轮轴(1)的凸轮(4)。

Description

凸轮轴
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的凸轮轴，以及涉及用于这种凸轮轴的凸轮。
背景技术
凸轮轴是内燃机的永久部件。凸轮轴包括至少一个凸轮接合于其上的(空心)轴。通常将热接合法用于使轴和凸轮接合。由此通过凸轮侧的接合面和轴侧的接合面来确保轴和凸轮之间的连结，凸轮侧的接合面通常布置在凸轮孔中。如此的缺点是通过凸轮侧接合表面和轴侧接合表面之间的摩擦限定了可传输的扭矩。
DE 10 2009 060 352 A1公开了一种制造用于内燃机阀门控制的凸轮轴的方法，该方法包括以下步骤：以彼此距离一定轴向距离布置的凸轮的洞彼此对齐的方式，对齐多个盘状凸轮，每个盘状凸轮分别具有垂直于主凸轮平面延展的中心圆洞。使相对于凸轮的圆形外轮廓的空心轴过冷，过冷的空心轴的外径较小，并且未过冷的空心轴的外径比凸轮洞的内径大。将过冷的空心轴插入对齐的凸轮洞中。在空心轴和凸轮之间产生温度均衡，使得空心轴和凸轮永久连接以形成凸轮轴，当处于插入状态时，凸轮洞的内表面和/或空心轴的外表面在被凸轮洞围绕的区域中具有通过激光消融产生的粗糙图案。
发明内容
本发明关注于为普通类型的凸轮轴提供改善的实施方式或至少替代的实施方式，其尤其具有较低的生产费用。
根据本发明该问题通过独立权利要求的主题解决。有利的实施方式形成从属权利要求的主题。
本发明基于以下总体构思：特别除热接合方法以外，通过使组件侧的接合表面和/或轴侧的接合表面粗糙化，来改善组件和轴之间的连接，例如凸轮和凸轮轴之间的扭矩传输的连接。根据本发明，组件侧的接合表面和/或轴侧的接合表面具有粗糙部，该粗糙部通过激光引入并硬化，并具有由单个激光点组成的印迹，单个激光点的中心点彼此偏移地布置，并且布置各个激光点，使得它们彼此重叠。通过仅用根据本发明的激光点或激光点印迹使组件侧的接合表面和/或轴侧的接合表面粗糙化，能大幅降低粗糙化的费用，并由此大幅缩短循环时间，从而能加快凸轮轴的组装。缩短循环时间的原因在于不再需要使整个接合表面粗糙化，例如通过激光处理粗糙化，而是只使接合表面的部分表面粗糙化，由此能使粗糙化过程本身改进。激光点或者由各个激光点组成的印迹还能使可传输的扭矩大幅增大，因为激光点的边界作用就像倒钩和吊钩，或者陷入接合表面相反面的材料中。如果将粗糙部引入轴中，由于所述轴的碳含量低，首先使轴进行渗碳处理，并例如利用激光使其硬化。硬化能在引入粗糙部之前，或者在引入粗糙部的过程中进行。
当然，接合至凸轮轴的组件还可形成为信号发射车轮、插头、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、定位元件、对齐元件、组装辅助元件、轴承环或代替凸轮的轴衬。相似地，容易想到上述此类组件接合至通用的轴，该通用的轴不特别构造为凸轮轴。本申请文件中，术语“凸轮轴”都能用术语“轴”替代或概括，术语“凸轮”都能用术语“组件”替代或概括。
在根据本发明的方案的有利实施方式中，预定的粗糙度约为Rz2～25。能通过确切设定粗糙度来确切设定可传输的扭矩。同时，由于上述粗糙化，可缩短加热后凸轮的保持时间，由此还缩短循环时间。
激光印迹有利地平行、横跨或倾斜于凸轮轴轴线对齐。额外地或可替代地，容易想到组件侧的接合表面和轴侧的接合表面具有不同的粗糙度，特别由不同的激光功率产生。具体地，如果预定粗糙度的印迹相对于凸轮轴轴线平行对齐，延伸至印迹可更轻易地进行，该印迹现被粗糙化，同时被激光束硬化，同时还容易想到适用原始的，即未加工的凸轮轴或普通轴。即使轴线方向上的接合更好，高的扭矩也能以此方式在凸轮和轴之间传输，因为加载方向在扭矩传输期间发生改变。激光处理能在粗糙区域中实现较硬的粗糙面(grain)，这特别由较软的组件或轴产生较硬的表面结构，所述表面结构设计用于传输更大的扭矩。较硬的表面结构能额外得到在激光处理后相对快速的冷却支持。还容易想到组件侧的硬的表面结构陷入较软的轴中，从而实现齿状连接。
通过限定的激光功率能产生限定的粗糙度，由此产生限定的可传输的扭矩。除了激光功率的变化或影响外，还容易想到加工印迹或加工区域的多次激光处理，由此可特别精确地设定所需硬度。利用上述印迹能产生加工图案，例如方格、菱形、矩形图案等。
在根据本发明的方案的有利实施方式中，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推动。当然，还容易想到未进行热预处理的压配合。
本发明的其它重要特征和优点可发现于所附权利要求、附图以及利用附图的相关附图说明。
上述特征以及下文将要解释的特征不仅能以分别列举的组合使用，还能以其它组合使用，或单独使用，而不背离本发明的范围，这是不言自明的。
附图说明
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当的组件。
附图中，
图1示意性示出了根据本发明的凸轮轴的分解图；
图2示例性示出了具有布置于末端的结构元件的凸轮轴；
图3示意性示出了粗糙部，该粗糙部利用激光引入并硬化，并具有由各激光点组成的印迹，各个激光点的中心点彼此倾斜布置，并且布置各个激光点使得它们彼此重叠；
图4示意性示出了如图3中的图示，但具有与痕迹平行走向的旋转方向；
图5示意性示出了图4的印迹的间歇实施方式的显微镜细节图；
图6示意性示出了穿过粗糙部的激光点的显微镜截面图。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的用于未另外示出的内燃机的凸轮轴1具有轴2和热接合于该轴2上的至少一个组件3，在此情况下为凸轮4，该凸轮4能利用组件侧的接合表面5连接至轴侧的接合表面6。根据本发明，组件侧的接合表面5和/或轴侧的接合表面6具有粗糙部7，引入该粗糙部7并通过激光11硬化，该粗糙部7由各个激光点20组成和/或具有由各个激光点20组成的印迹21，各个激光点20的中心点22彼此偏移布置，并布置各个激光点20使得它们彼此重叠(也参见图3～5)。引入的粗糙部7可为Rz2～25。
通常，组件3可被构造为凸轮4，如在该当前情况下，当然还容易想到例如将其构造为引号发射车轮、插头、轴承环、链式/带式轮、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、设定元件、对齐元件、组装辅助元件或轴衬。此外，优选在相联的凸轮升起部14的区域中，是凸轮侧的接合表面5和/或轴侧的接合表面6进一步粗糙化，该相联的凸轮升起部14为凸轮峰和/或相对的底座圆15，粗糙部7在凸轮升起部14区域中的约20～140°，优选约50～120°的圆周角上延伸，并在底座圆15的相对区域中的约20～140°，优选约20～90°的圆周角上延伸。因此，不需要使整个接合表面5、6粗糙化，仅需要使其一部分粗糙化，这节约了时间和成本。
凸轮4与凸轮轴1的连接或者组件3与轴2的连接通常可利用简单的压配合或利用热接合配合来进行，凸轮4，即组件3预先被加热。所用的所有的轴2或凸轮轴1可被全部加工的或完全未被加工。
印迹21可平行、横跨或倾斜于凸轮轴轴线8取向，还容易想到，组件侧的接合表面5和轴侧的接合表面6具有不同的粗糙度7，特别由不同的激光功率产生。通常，粗糙部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，容易想到引入相同或不同的粗糙部7。
通常，组件3可被构造为凸轮4，并具有向内弯曲并被构造为凸轮座的接合表面5，并且粗糙部7以激光结构的形式被重叠在接合表面5上。内翻转的凸轮座具有翻转印迹(翻转通道)，该翻转印迹以圆周方向取向，并具有能在限值内设定的深度、宽度等。如果将粗糙部7还引入至基本结构上，该基本结构已通过横跨于翻转通道(相对于翻转通道为0～90°角)机械切割产生，产生在轮廓上具有许多峰的方格/菱形/矩形图案。在该过程中，相对翻转通道的角、印迹21的间隔以及印迹21的深度均可改变。印迹21不必一定要彼此平行走向，还可以例如相交。通常，当安装凸轮4时，此类轮廓能实现更好的扭矩传输。因为实际接触面积较小，压配合的表面压力增大。粗糙部7的突出结构更好地“钩”在相对的接合表面中。
如果观察图2，可见结构元件16贴附至组件3，组件侧的接合表面5’被布置在组件3上，和/或结构元件侧的接合表面17被布置在结构元件16上，当结构元件16贴附至组件3时，它们彼此接触，组件侧的接合表面5'和/或结构元件侧的接合表面17具有预定的粗糙部7。结构元件16和组件3可通过螺旋式连接部19彼此连接。组件侧的接合表面5、5’和/或轴侧的接合表面6和/或结构元件侧的接合表面17可被布置在端面上或者被布置在相应的组件2、3、16的圆周面上。
激光处理产生微观硬度，该微观硬度产生较硬的表面结构，特别是在较软的轴2或组件3中，借此较大的扭矩可被传输。较大的微观硬度例如可通过快速冷却来提升。
通常，组件3，特别是凸轮4可由碳含量至少为0.4wt％的金属形成，然而，轴2具有较低的碳含量。具体地，能容易硬化的钢材，诸如100Cr6、C60、C45，或烧结材料，诸如A1100、1200、1300、1500，或者浇铸材料，诸如EN GJL 250或EN GJS 700，通常被考虑作为用于凸轮4或组件3的材料。空气硬化的钢材通常也可用于组件3。然而，诸如E335和C60E等钢材，它们在需要引入粗糙部7时必须经渗碳处理，特别被考虑用于轴2。
在图3中，轴2的旋转方向23正交于印迹21的方向走向，在该情况下，印迹21的边界/边缘24特别影响翻转的最大可能扭矩。然而，在图4中，轴2的旋转方向23平行于印迹21的方向走向，由此可实现甚至更高的耐滑动性，从而可实现甚至更高的扭矩传输能力。扭矩传输能力以及由此耐轴2和组件3之间的滑动性受激光点产生时消失的边界24的影响(参见图3～6)，该边界24通常被布置在组件3或凸轮4上，并在它接合至轴2时陷入轴2中。由于轴2的材料相比于组件3的材料更软，使得陷入成为可能。
在图3～6中，都是将粗糙部7，例如激光点20引入组件3或凸轮4中，当然还容易想到使激光点产生在轴2上，从而使边界24产生在轴2上，为了在产生激光点的过程中硬化，轴2必须首先经历渗碳处理。如果轴2由诸如E60的富碳材料制造，则能省略渗碳处理。这特别具有如下优点：只有单个组件，即轴2必须进行加工，而不是多个组件3或凸轮4。在实验中，如果激光点在轴2上产生，翻转的扭矩可从约135Nm增大至225Nm，且如果激光点在组件3上产生，翻转的扭矩甚至可增大至325Nm，这相当于增大了超过100％。翻转扭矩是指轴2上的组件3开始滑动的时刻。
如果凸轮4热接合至轴2，凸轮座的激光结构化(轴侧和/或凸轮侧)是用于实现翻转扭矩的显著增大的最佳方法。在其它研究中，焦点集中于在改善成本效益的同时增大翻转扭矩。经发现如果使用激光11只使凸轮4结构化，可实现较大的翻转扭矩。如果轴2，而不是凸轮4，被结构化，与前述纯热学结合相比，实现了较大的翻转扭矩，但不与凸轮4的激光结构一样高。这归因于所用的凸轮/轴的材料对。富碳的钢材(例如C60或100Cr6)应被用作凸轮4的材料，因为所述材料由于比通常用于轴2的具有较低碳含量的E335钢相比更高的碳含量而能更易硬化。在激光结构化过程中，局部引入了大量的能量，该能量精确地确保了推上的结构，即特别为边界24的区域中的显微硬度。出于此原因，在凸轮4的结构化过程中产生的边界24(消失部分)陷入轴2中，而不是其它方式的情况。如果轴2也能被硬化，且如果它使用激光结构化，反之也能观察到该效果。轴上的硬结构陷入凸轮的反向表面中。
此外，已发现单个激光印迹20或彼此部分重叠的激光印记20(比较图3-6)相似地产生翻转扭矩的增大，因为相比于连续的“激光印迹”，由此更多的倒钩结构可形成在表面上，所述结构能陷入反向表面中。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的凸轮轴(1)，包括轴(2)和至少一个组件(3)，所述至少一个组件(3)接合至所述轴(2)，特别是热接合至所述轴(2)，并利用组件侧的接合表面(5)连接至轴侧的接合表面(6)；
其特征在于，所述组件侧的接合表面(5)和/或所述轴侧的接合表面(6)具有粗糙部(7)，所述粗糙部(7)利用激光(11)引入并硬化；
所述粗糙部(7)具有由各个激光点(20)组成的印迹(21)，其中所述各个激光点(20)的中心点(22)彼此偏移布置，并且布置所述各个激光点(20)使得它们彼此重叠。
2.根据权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，所述组件(3)，特别是所述凸轮(4)由碳含量至少为0.4wt％的金属形成，然而所述轴(2)具有较低的碳含量。
3.根据权利要求1或2所述的凸轮轴，其特征在于，所述轴(2)在利用所述激光(11)引入所述粗糙部(7)之前已进行渗碳处理，或者所述轴(2)由碳含量至少为0.4wt％的富碳材料构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，所述轴(2)由E335钢或C60E形成，且所述凸轮(4)由C60或100Cr6钢或烧结材料形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，预定的粗糙部(7)为约Rz 2至25。
6.根据前述权利要求中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，所述组件(3)被形成为信号发射车轮、链式车轮/带式车轮、插座、齿轮、驱动元件或输出元件、工具界面、设定元件、对齐元件、组装辅助元件、轴承环或轴衬。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，所述印迹(21)平行、横跨或倾斜于所述凸轮轴的轴线(8)取向，和/或
所述组件侧的接合表面(5)和所述轴侧的接合表面(6)具有不同的粗糙部(7)，特别是由不同的激光功率产生。
8.根据前述权利要求中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，结构元件(16)贴附至所述组件(3)，组件侧的接合表面(5’)被布置在所述组件(3)上，和/或结构元件侧的接合表面(17)被布置在所述结构元件(16)上，当所述结构元件(16)贴附至所述组件(3)时，所述结构元件侧的接合表面(17)彼此接触，并且所述组件侧的接合表面(5')和/或所述结构元件侧的接合表面(17)具有粗糙部(7)，所述粗糙部(7)利用激光(11)引入并硬化，并具有由各个激光点(20)组成的印迹(21)，且所述各个激光点(20)的中心点(22)彼此偏移布置，且布置所述各个激光点(20)使得它们彼此重叠。
9.根据权利要求8所述的凸轮轴，其特征在于，所述组件侧的接合表面(5、5’)和/或所述轴侧的接合表面(6)和/或所述结构元件侧的接合表面(17)被布置在端面上或者被布置在相应的所述组件的圆周面上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件(3)，特别是用于凸轮轴(1)的凸轮(4)，其中，所述组件侧的接合表面(5)具有利用激光(11)引入并硬化的粗糙部(7)，所述粗糙部(7)具有由各个激光点(20)组成的印迹(21)，所述各个激光点(20)彼此偏移布置，并且布置所述各个激光点(20)使得它们彼此重叠。
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