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Die
Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle mit einem die Welle
bildenden Tragrohr und mit ringförmigen
Nockenscheiben aus Stahl, die mit dem Tragrohr durch ein Schweißverfahren
verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Nockenwelle sowie einen Nockenscheiben-Rohling als
Halbzeug für
die Herstellung einer Nockenscheibe.
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Eine
gebaute Nockenwelle, bestehend aus einem Tragrohr und aus auf dieses
aufgefädelten und
mit ihm durch Schweißen
verbundenen ringförmige
Nockenscheiben, ist z. B. aus der
DE 34 33 595 A1 bekannt. Mit solchen gebauten
Nockenwellen lassen sich – im
Vergleich zu herkömmlichen
geschmiedeten Nockenwellen-erhebliche Gewichtsreduktionen erzielen,
da als Grundkörper
eine rohrförmige Welle
(anstatt einer Vollwelle) verwendet werden kann. Weiterhin können bei
gebauten Nockenwellen – im
Gegensatz zu einstückig
gefertigten Nockenwellen – Nockenscheiben
und Tragrohr aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und/oder
unter Verwendung verschiedener spezifischer Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren
hergestellt werden, wodurch die für die jeweilige Komponente
geforderten spezifischen Materialeigenschaften erreicht und gleichzeitig Kosteneinsparungen
erzielt werden können.
Als Grundwerkstoffe für
Nockenscheiben und Tragrohr werden vielfach Stähle verwendet.
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Insbesondere
die Nockenscheibe muß in
einer gebauten Nockenwelle bezüglich
ihrer Materialeigenschaften zwei schwer zu vereinbaren Anforderungen
genügen:
Einerseits muß sie
im Bereich der Funktionsfläche
eine hohe Härte
aufweisen, um den Verschleiß während des
Betriebes der Nockenwelle zu minimieren; andererseits muß sie im
Verbindungsbereich zum Tragrohr so gestaltet sein, daß ein großserienfähiges, prozeßsicheres
Verschweißen
mit dem währleistet
werden kann. Weiterhin soll die Nockenwelle ein möglichst
geringer Gewicht haben.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gewichtsreduzierte
gebaute Nockenwelle mit Nockenscheiben aus Stahl bereitzustellen, die
einerseits im Bereich der Funktionsflächen der Nockenscheiben eine
ausreichende Härte
aufweist und andererseits eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung
zwischen Tragrohr und Nockenscheibe umfaßt. Weiterhin liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer
solchen Nockenwelle vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1, 2, 3 und 5 gelöst.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß eine
großserienfähige Verschweißbarkeit
eines Stahl-Werkstücks
nur dann gegeben ist, wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahls an der
Schweißstelle
einen gewissen Maximalwert (etwa 0.35%) nicht übersteigt; andererseits kann
ein Stahl-Werkstück
nur dann zufriedenstellend gehärtet werden,
wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahls im zu härtenden Bereich einen gewissen
Minimalwert (mindestens 0.4%) nicht unterschreitet.
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Erfindungsgemäß ist die
mit dem Tragrohr unter Bildung der Nockenwelle zu verschweißende Nockenscheibe
daher so gestaltet, daß sie
im Bereich der Funktionsfläche
einen hohen Kohlenstoffgehalt (> 0.4%)
aufweist und gleichzeitig im Verbindungsbereich, in dem die Nockenscheibe
mit der Tragrohr der Nockenwelle verschweißt ist, einen niedrigen Kohlenstoffgehalt
(< 0.35%) aufweist.
Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts im Bereich der Funktionsfläche kann
die Nockenscheibe – durch Einsatz
eines geeigneten Härtungsverfahrens – in diesem
Bereich gezielt in einer solchen Weise oberflächengehärtet werden, daß die Funktionsfläche die für eine lange
Lebensdauer benötigte
Härte und
Resistenz gegenüber
Verschleiß erhält. Andererseits stellt
der niedrige Kohlenstoffgehalt im Verbindungsbereich der Nockenscheibe
mit dem Tragrohr sicher, daß beim
Verschweißen
der Nockenscheibe mit dem Tragrohr ein Auftreten von Mikrorissen
weitgehend unterbunden wird, so daß die Nockenscheibe prozeßsicher
mir dem Tragrohr verbunden werden kann.
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Die
Nockenscheibe ist als Rohrabschnitt ausgesteltet, der so gefermt
ist, dass seine Innenwandung flächig
auf dem Tregrohr aufliegt und im Bereich der Nockennase einen Freiraum
gegenüber dem
Tragrohr bildet.
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Das
Ausgangsmaterial zur Herstellung der erfindungsgemäßen Nockenwelle
ist ein Nockenscheiben-Rohling, der aus einem Stahl mit einem maximalen
Kohlenstoffgehalt von 0.35% besteht und ein Rohr sein kann.
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Der
Nockenscheiben-Rohling wird in einem ersten Prozeßschritt
selektiv in lokalen, ausgewählten
Bereichen auf einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0.4%, vorzugsweise
auf einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0.5% und 0.8% aufgekohlt.
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Die
ausgewählten
Bereiche umfassen insbesondere die entlang des Außenumfangs
des Nockenscheiben-Rohlings liegenden Funktionsflächen, die im
späteren
Betrieb der Nockenwelle besonders hohen Belastungen und hohem Verschleiß ausgesetzt sind;
dabei kann die gesamte Außenfläche des
Rohlings aufgekohlt werden, oder das Aufkohlen kann auf den Nasenbereich
der Nockenscheibe beschränkt
werden, der im späteren
Betrieb einer besonders hohen Beanspruchung unterliegt. In Abhängigkeit
davon, ob und in welchem Maße
die Nockenscheiben in späteren
Prozeßschritten
einer spanenden Bearbeitung unterworfen werden, sollte die Einsatztiefe
in den Aufkohlungsbereichen mindestens 0.5 mm, besser jedoch etwa
2 mm betragen. – Andere
Bereiche des Nockenscheiben-Rohling – und insbesondere diejenigen
Bereiche, in denen in einem späteren
Prozeßschritt
die Verschweißung
der Nockenscheibe mit dem Tragrohr erfolgt – werden gezielt von der Aufkohlung
ausgespart; in diesen Bereichen liegt somit auch nach der Aufkohlung
der ursprüngliche
Kohlenstoffgehalt von < 0.35%
vor.
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Unter
wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es besonders vorteilhaft, als
Halbzeug zur Herstellung der Nockenscheiben ein Rohr vorzusehen,
das zunächst
als Ganzes im Bereich seiner Außenwandung aufgekohlt
wird – wobei
die Rohrenden verschlossen werden, um ein Eindringen der Aufkohlungsgase
in den Innenraum zu vermeiden –,
und von dem im Zuge der späteren
Bearbeitung die Nockenscheiben scheibenweise abgelängt werden.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß das Aussparen der Schweißbereiche
während
des Aufkohlens unter minimalem Aufwand, nämlich lediglich durch Verschließen der
Rohrenden, erreicht werden kann.
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Nach
dem Aufkohlen wird der Nockenscheiben-Rohling langsam abgekühlt, um
eine Härtung der
aufgekohlten Bereiche zu unterbinden. Anschließend wird aus dem lokal aufgekohlten,
aber noch weichen Rohling durch spanlose und/oder spanende Bearbeitung
eine Nockenscheibe geformt. Ist der Nockenscheiben-Rohling ein Rohr- oder Stangenmaterial,
so werden in diesem Prozeßschritt
auch die einzelnen Nockenscheiben vom Rohr bzw. der Stange abgeschnitten
und nachbearbeitet.
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Anschließend werden
die Nockenscheiben im Bereich der Funktionsflächen oberflächengehärtet; hierzu werden die Nockenscheiben
in den zuvor aufgekohlten Bereichen, die im Betrieb den Funktionsflächen entsprechen,
lokal aufgeheizt und dann abschreckt. Um die Härteverzüge so gering wie möglich zu
halten, empfiehlt sich die Verwen dung des Induktionshärtens. Bei
diesem Verfahren gelangt die eingebrachte Wärme nicht von der Oberfläche her
in die Nockenscheibe, sondern sie entsteht in der zu härtenden
Schicht. Dadurch läßt sich
ein größerer Wärmestau
und somit eine geringere Einhärtetiefe (und
also auch ein kleinerer Härteverzug)
erreichen als bei anderen Härteverfahren.
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Schließlich werden
die Nockenscheiben auf das Tragrohr aufgefädelt, positioniert und mit
Hilfe eines Schweißverfahrens
mit dem Tragrohr verbunden Die Schweißstellen befinden sich dabei
in denjenigen Bereichen der Nockenscheiben, die während der Aufkohlung
gezielt ausgespart blieben und daher den ursprünglichen niedrigen Kohlenstoffgehalt < 0.35% aufweisen.
Aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts führt die Schweißung in
diesen Bereichen reproduzierbar zu einer qualitativ hochwertigen,
mikrorißfreien
Verbindung der Nockenscheiben mir dem Tragrohr. Als Schweißverfahren
zur Verbindung der Nockenscheiben mit dem Tragrohr ist insbesondere das
Laserschweißen
gut geeignet, da dieses Verfahren mit einem verhältnismäßig geringen Wärmeeintrag
einhergeht, weswegen durch die Laserschweißung die Härtung der Funktionsflächen nur
unwesentlich beeinträchtigt
wird.
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Anstelle
des oben beschriebenen Verfahrens, bei dem die Nockenscheiben zuerst
gehärtet und
dann mit dem Tragrohr verbunden werden, können die Nockenscheiben auch
zuerst mit dem Tragrohr verschweißt werden und die gebaute Nockenwelle
anschließend
einer Härtung
unterzogen werden.
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Weiterhin
kann es zweckmäßig sein,
den Nockenscheiben-Rohling nach dem lokal begrenzten Aufkohlen nicht
langsam abzukühlen
sondern sofort abzuschrecken und somit einsatzzuhärten dies
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Nockenscheiben-Rohling
vor dem Aufkohlen bereits eine endkonturnahe Form hat, so daß nach dem
Aufkohlen nur sehr geringe Nacharbeit erforderlich ist. Auch in
diesem Fall werden die Schweißbereiche
während des
Aufkohlens gezielt ausgespart, so daß in diesen Bereichen der ursprüngliche
Kohlenstoffgehalt von < 0.35%
vorliegt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt einer Nockenwelle mit Tragrohr und Nockenscheibe;
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2 die Verfahrensschritte bei der Herstellung
einer Nockenscheibe:
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2a ein
rohrförmiger
Rohling;
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2b der
Rohling nach dem Profilieren;
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2c der
Rohling nach dem Aufkohlen;
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2d das
Zerteilen des Rohlings in einzelne Nockenscheiben.
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3 eine
alternative Ausführungsform
eines rohrförmigen
Rohlings nach dem Aufkohlen;
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4 ein
Schmiedenocken als Rohling zur Herstellung der Nockenscheibe.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Nockenwelle 1 mit einem Tragrohr 2 und
einer Nockenscheibe 3 aus einem niedrigkohlenstoffhaltigen
Stahl (C-Gehalt < 0.35%),
die mit dem Tragrohr 2 mittels einer Schweißverbindung 4 verbunden
ist. Die Nockenscheibe 3 besteht aus einem Rohrabschnitt 5, der
so geformt ist, daß seine
Innenwandung 6 im Schweißbereich 7 flächig auf
dem Tragrohr 2 aufliegt und im Bereich der Nockennase 8 einen
Freiraum 9 gegenüber
dem Tragrohr 2 bildet. Die dem Tragrohr 2 abgewandte
Außenfläche 10 der
Nockenscheibe 3 umfaßt
eine Funktionsfläche 11,
mittels derer die Nockenwelle 1 im Betrieb mir einem (in 1 nicht
gezeigten) Ventilhebel oder Tassenstößel wechselwirkt. Im Bereich
der Außenfläche 10 weist
die Nockenscheibe eine (schraffiert angedeutete) Schicht 12 auf, deren
Kohlenstoffgehalt > 0.4%
beträgt
und somit deutlich höher
ist als der Kohlenstoffgehalt der restlichen Nockenscheibe. Um eine
hohe Verschleißfestigkeit
der Funktionsfläche 11 sicherzustellen,
ist die Nockenscheibe 3 im Bereich zumindest dieser Schicht 12 gehärtet.
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2a bis 2d zeigen
die Verfahrensschritte zur Herstellung der Nockenscheibe 3:
Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Nockenscheiben 3 ist
ein rohrförmiger
Rohling 13 aus einem niedrigkohlenstoffhaltigen Stahlwerkstoff
mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt < 0.35% (siehe 2a). Dieser
Rohling 13 kann durch Biegen und Schweißen eines Stahlblechs hergestellt
oder auch ein nahtlos gefertigtes Stahlrohr sein.
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In
einem ersten Prozeßschritt
wird dieser rohrförmige
Rohling 13 zunächst
mit Hilfe eines spanlosen Umformverfahrens, z. B. durch Rundkneten,
umgeformt, bis die Außenkontur
des Rohres 13' – zumindest
näherungsweise – dem gewünschten Nockenprofil
der zu fertigenden Nockenscheibe 3 entspricht (2b).
Dann wird die Außenwand 10' des profilierten
Rohres 13' bei
hoher Temperatur in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre auf einen Kohlenstoffgehalt
von mindestens 0.4% aufgekohlt. Die Enden 14 des profilierten
Rohres 13' werden
hierbei gasdicht verschlossen, um ein Aufkohlen des Innenbereiches 6' des Rohres 13' zu vermeiden.
Die dabei erzeugte Aufkohlungsschicht 15 im Bereich der
Außenwand 10' (in 2c gepunktet
angedeutet), in der ein erhöhter
Kohlenstoffgehalt von > 0.4%
vorliegt, hat eine Einsatztiefe 16 von vorzugsweise zwischen
0.5 und 2.0 mm.
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Die
Abkühlung
des Rohrs 13' von
der Aufkohltemperatur auf Raumtemperatur erfolgt langsam, um ein
Abschrecken und eine damit einhergehende Härtung des Rohres 13' zu vermeiden.
Anschließend werden
von dem aufgekohlten, aber noch weichen profilierten Rohr 13' Scheiben 3' abgeschnitten
(siehe 2d), deren Breite 18 der
Breite der herzustellenden Nockenscheiben 3 entspricht.
Falls notwendig, erfolgt nun eine weitere Formanpassung der Innen-
und Außenkontur
dieser aufgekohlten Nockenscheiben 3' durch spanloses Umformen und/oder durch
spanende Bearbeitung.
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Anschließend werden
die Außenwandungen 10' der Nockenscheiben 3' einer induktiven
Härtung unterzogen,
bei der die den Aufkohlungssbereichen 16 entsprechenden
Funktionsflächen 11 der
Nockenscheiben 3' gezielt
und lokal gehärtet
werden. Diese induktive Randschichthärtung bringt nur eine geringe Wärmemenge
in die Nockenscheibe 3' ein
und führt daher
zu vernachlässigbar
geringen Härteverzügen; gegebenenfalls
werden die Härteverzüge durch
eine weitere spanende Bearbeitung korrigiert.
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Schließlich werden
die randschichtgehärteten
Nockenscheiben 3 auf das die Welle bildende Tragrohr 2 aufgefädelt, positionier
und mittels Laserschweißen
mit dem Tragrohr 2 verbunden. Die Laserschweißung erfolgt
dabei in einem der Innenwandung 6 der Nockenscheibe 3 unmittelbar
benachbarten Schweißbereich 7,
welcher von der Aufkohlung ausgespart war und in dem daher der Kohlenstoffgehalt
des Ausgangsmaterials (< 0.35%)
vorliegt. Dieser niedrigkohlenstoffhaltige Bereich 7 der
Nockenscheibe 3 kann auf unaufwendige Art und Weise prozeßsicher
mit dem Tragrohr 2 verschweißt werden. Die so entstehende
Nockenwelle 1 kann anschließend durch Schleifen der Funktionsflächen 11 der Nockenscheiben 3 fertigbearbeitet
werden.
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Der
bisher beschriebene Verfahrensablauf sieht vor, das den Nockenwellen-Rohling
bildende Rohr 13 zunächst
zu profilieren und anschließend aufzukohlen.
Alter nativ kann das Rohr auch in seinem ursprünglichen, kreisförmigen Zustand
zunächst lokal
aufgekohlt und anschließend
profiliert werden; dies hat den Vorteil, daß die kreisförmigen Öffnungen an
den Enden dieses Rohres 13, die während des Aufkohlens verschlossen
werden müssen,
durch rotationssymmetrische Stopfen verschlossen werden können, was
in der Regel einfacher zu bewerkstelligen ist als das Verschließen der
profilierten Enden des bereits auf Nockenform gebogenen Rohres 13'.
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Weiterhin
wurde in dem bisher beschriebenen Verfahrensablauf die Nockenscheibe 3' zunächst vom
profilierten Rohr 13' abgeschnitten
und dann induktionsgehärtet.
Stattdessen kann auch zunächst eine
Induktionshärtung
des profilierten Rohres 13' erfolgen,
bevor die Nockenscheiben 3 von dem – nun bereits randschichtgehärteten – profilierten
Rohr 13' abgeschnitten
werden.
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Alternativ
kann die Induktionshärtung
der Funktionsflächen 11 der
Nockenscheiben 3' erst nach
Zusammenbau der Nockenwelle 1 erfolgen: In diesem Fall
werden die Nockenscheiben 3' von
dem aufgekohlten aber noch weichen profilierten Rohr 13' abgeschnitten,
evtl. spanend und/oder spanlos umgeformt, auf das Tragrohr 2 aufgefädelt und
mit diesem verschweißt
und anschließend
im Bereich der Funktionsflächen 11 induktionsgehärtet.
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Anstelle
des Induktionshärtens
können
auch andere Härteverfahren,
z. B. Flamm- oder Laserhärten,
zum Einsatz kommen.
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Statt
der oben beschriebenen langsamen Abkühlung des profilierten Rohres 13' nach dem Aufkohlen
kann das profilierte Rohr 13' auch
schnell aus der Aufkohltemperatur abgeschreckt werden; dies entspricht
einem Einsatzhärten
des profilierten Rohres. Auch hier muß ein Kontakt der Umgebung
der Innenwandung 6' des
profilierten Rohres 13' mit
dem kohlenstoffhaltigen Gas vermieden werden, um zu gewährleisten,
daß im
Schweißbereich 7 der
Nockenscheibe 3' der
ursprüngliche
geringe Kohlenstoffgehalt < 0.35%
vorliegt. Zur Herstellung der Nockenscheiben 3' werden dann – wie oben
beschrieben – Scheiben
des gehärteten
profilierten Rohrs 13' abgeschnitten,
evtl. spanend nachbearbeitet, auf das Tragrohr 2 aufgefädelt und
mittels Laserschweißen mit
diesem verbunden.
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Als
Ausgangsmaterial zur Herstellung der Nockenscheiben 3 wurde
in den bisher beschriebenen Verfahrensabläufen ein rohrförmiger Nockenscheiben-Rohling 13 verwendet,
dessen Innendurchmesser 17 so bemessen ist, daß das Innenprofil
des Rohrs 13' nach
der Profilierung dem Außendurchmesser
des Tragrohrs 2 angepaßt
ist. Stattdessen kann als Rohling auch ein Rohr 13'' mit einem kleineren Durchmesser 17' verwendet werden
(siehe 3). Der Innenraum 6'' dieses
Rohr 13'' wird nach dem
Aufkohlen mittels spanender Bearbeitung aufgeweitet, weswegen in
diesem Fall die Innenwand 6'' des Rohres 13 während des
Aufkohlens nicht abgedeckt zu werden braucht, weil die Aufkohlschicht 15' im Bereich
der Innenwand 6'' später im Zuge
der spanenden Bearbeitung abgetragen wird.
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Weiterhin
kann als Rohling 19 zur Herstellung der Nockenscheibe 3 auch
ein Schmiedenocken 20 aus niederkohlenstoffhaltigem Stahl
verwendet werden (siehe 4), der – wie oben beschrieben – im Bereich
seiner Außenfläche 10'' aufgekohlt, gehärtet und
mit dem Tragrohr 2 verschweißt wird.
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Neben
dem oben beschriebenen Laserschweißen können zur Verbindung der Nockenscheiben 3 mit
dem Tragrohr 2 auch andere Schweißverfahren, insbesondere auch
Elektronenstrahl- und MAG-Schweißen, zu Einsatz kommen.