DE102005061979A1

DE102005061979A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und Nockenwelle

Info

Publication number: DE102005061979A1
Application number: DE200510061979
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Dengler; Carsten Hildebrand; Thomas Schimmer; Peter Speth
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-24
Also published as: DE102005061979B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle (10), insbesondere eine Grundnockenwelle, umfassend ein Rohrteil (11) und einen Verstellerkopf (12), wobei wenigstens das Rohrteil (12) gehärtet wird. Erfindungsgemäß wird das Rohrteil (11) mit dem Verstellerkopf (12) in ungehärtetem Zustand fest verbunden und fertig bearbeitet und nach der Fertigbearbeitung gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Eine Nockenwelle wird dazu eingesetzt, Ventile einer Verbrennungskraftmaschine zu betätigen. Die Umfangsform der Nocken, die die so genannte Nockenlauffläche bildet, steuert das Öffnen und/oder Schließen der Ventile. Die mechanischen Anforderungen an die Nockenwelle, sowohl an die Nocken als auch an den Nockenträger, aber auch die Anforderungen an die Herstelltoleranzen sind entsprechend groß. Die üblicherweise aus Stahl bestehende Nockenwelle wird daher bei der Herstellung gehärtet. Dies erfolgt zwangsläufig bei hohen Temperaturen und verursacht relativ große Verzüge der Bauteile, die nachbearbeitet werden müssen. Eine Feinbearbeitung an den Lagern und an den Nocken erfolgt z.B. durch Schleifen und Drehen nach dem Härten. Durch die Härte des Materials unterliegen insbesondere die Werkzeuge zur Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide einem hohen Verschleiß.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle zu schaffen, das den mechanischen Anforderungen an die Nockenwelle genügt und das Nacharbeit im gehärteten Zustand vermindert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht neben den gattungsgemäßen Merkmal die Verfahrenschritte vor, dass die üblicherweise aus Stahl bestehende Nockenwelle, umfassend ein Rohrteil und einen Verstellerkopf, in ungehärtetem Zustand fertig bearbeitet wird und ihre Oberfläche anschließend gehärtet wird. Dabei wird das Rohrteil mit dem Verstellerkopf in ungehärtetem Zustand fest verbunden und fertig bearbeitet und die Nockenwelle nach der Fertigbearbeitung gehärtet. Bei der Härtung der Nockenwelle wirkt eine nur moderate Temperatur auf die ganze Nockenwelle ein. Dadurch wird die Wärmebelastung der Nockenwelle verringert. Verzüge können sich nicht ausbilden. Da kein Schleifen als Nacharbeit erfolgen muss, ist die Standzeit der Werkzeuge bei der Fertigung entsprechend länger und ein Herstelltakt der Nockenwellen kürzer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einem günstigen Verfahrensschritt wird die Nockenwelle im Ganzen einem Diffusionshärteschritt bei mittlerer Temperatur unterzogen. Dadurch können Bereiche, die nicht so extremen Anforderungen genügen müssen, ebenfalls gehärtet werden. Bevorzugt ist ein Gasaushärteschritt, bei dem z.B. Stickstoff oder ein Stickstoff-Kohlenstoffgemisch in die Oberfläche der Nockenwelle eindiffundiert und dort das Material durch Nitrieren bzw. Karbonitrieren gehärtet wird.

In einem günstigen Verfahrensschritt erfolgt der Diffusionshärteschritt bei einer Temperatur zwischen 450 und 650°C, bevorzugt zwischen 500 und 600°C, besonders bevorzugt bei 550°C. Die Nockenwelle wird dazu in einer geeigneten Gasatmosphäre z.B. in einem Ofen erhitzt. Das Gas diffundiert in eine dünne Oberflächenschicht der Nockenwelle ein, die dadurch gehärtet wird. Bevorzugt wird die Nockenwelle nitriert. Bevorzugt kann die Temperatur relativ niedrig in einem Bereich bleiben, in dem zwar eine Diffusion erfolgen kann, aber noch keine Verzüge der Nockenwelle zu befürchten sind.

In einem günstigen Verfahrensschritt werden das Rohrteil und der Verstellerkopf vor dem Härten durch Reibschweißen verbunden.

In einem günstigen alternativen Verfahrensschritt werden das Rohrteil und der Verstellerkopf vor dem Härten durch Anstauchen von Stangenmaterial hergestellt. Es ist zweckmäßig, die Nockenwelle vor dem Härten durch ein Elektrolytverfahren zu entgraten.

Die erfindungsgemäße Nockenwelle weist neben ihren gattungsgemäßen Merkmalen auf, dass der Nockenwellenkörper durch Diffusionshärten gehärtet ist. Die Nockenwelle ist insbesondere eine Grundnockenwelle.

Die Nockenträger bzw. Nockenwellenkörper ist im Oberflächenbereich bevorzugt nitriert.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Grundnockenwelle.
Die Figur zeigt eine als bevorzugte Grundnockenwelle ausgebildete Nockenwelle 10 mit einem Rohrteil 11 und einem an einem Ende 17 ihrer beiden Enden 17, 18 angesetzten Verstellerkopf 12, an dem eine Verstelleinrichtung zur Verstellung einer Phasenlage der Nockenwelle 10 angeordnet werden kann. Das Rohrteil 11 weist an seinem Umfang vier strukturierte Erhebungen 15, von denen die drei vom Verstellerkopf 12 ausgehenden strukturiert sind, und dazwischen angeordnet Ausnehmungen 16 auf.
Der Verstellerkopf 12 ist fest mit dem Rohrteil 11 verbunden. Das Rohrteil 11 kann aus einem Stangenmaterial gebildet sein, das mit dem separat hergestellten Verstellerkopf 12 verschweißt, insbesondere reibverschweißt ist. Die Nockenwelle 10 kann als Rohmaterial auch einstückig hergestellt werden, wobei das Stangenmaterial angestaucht wird. Zweckmäßigerweise werden dabei entstehende Grate entfernt, insbesondere durch eine elektrolytische Behandlung.
Nach dem Verbinden des Rohrteils 11 mit dem Verstellerkopf 12 in ungehärtetem Zustand wird die Nockenwelle 10 im ungehärteten Zustand fertig bearbeitet. Nach der Fertigbearbeitung wird die Nockenwelle 10 gehärtet, indem sie im Ganzen einem Diffusionshärteschritt unterzogen wird.
Beim konventionellen Verfahren wird das Teil durchgehärtet, um entsprechende Bauteilfestigkeiten zu erreichen. Beim Durchhärten ergeben sich durch die Erwärmung des gesamten Bauteils relativ große Verzüge. Um diese zu kompensieren, muss die Feinbearbeitung durch Schleifen nach dem Härten erfolgen. Da sich durch die hohe Härtetemperatur auch Maßänderungen an der Innenverzahnung ergeben, muss auch diese in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt hart nachgeräumt werden. Daraus folgt eine nur geringe Schrittgeschwindigkeit und hoher Werkzeugverschleiß und damit hohe Werkzeugkosten.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren der bevorzugten Nockenwelle 10 sieht dagegen vor, nach dem Vorbearbeiten (Drehen, Bohren, Fräsen, Reiben am weichen Rohteil der Nockenwelle 10) ein Diffusionshärten der kompletten Nockenwelle 10 durchzuführen, insbesondere ein Gasnitrieren bei einer moderaten Temperatur um ca. 550°C;
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass das Durchhärten der gesamten Nockenwelle 10 mit den unvermeidlichen Materialverzügen entfällt.
Beim Gasnitrieren diffundieren Stickstoffatome bei Temperaturen von etwa 550°C in eine dünne Oberflächenschicht 14 des Nockenwellenkörpers 13 ein. Diese nitrierte Oberflächenschicht 14 ist sehr hart und verschleißbeständig, und weist eine Tiefe auf, die temperaturabhängig ist und bei der gewählten Temperatur bei etwa 0,2-0,3 mm liegt.
Die Dicke der Oberflächenschicht 14 ist für die mechanische Belastung der bevorzugten Grundnockenwelle ausreichend. Durch das Härteverfahren werden den zu erwartenden Beanspruchungen der Nockenwelle 10 gerechte Gefügezustände ohne große maßliche Veränderungen erzeugt. Auf ein kostenintensives Nachbearbeiten der Nockenwelle 10 kann verzichtet werden.

10: Nockenwelle
11: Rohrteil
12: Verstellerkopf
13: Nockenwellenkörper
14: Oberfläche
15: Erhebung
16: Ausnehmung
17: Ende
18: Ende

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle (10), insbesondere eine Grundnockenwelle, umfassend ein Rohrteil (11) und einen Verstellerkopf (12), wobei wenigstens das Rohrteil (11) gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil (11) mit dem Verstellerkopf (12) in ungehärtetem Zustand fest verbunden und fertig bearbeitet und die Nockenwelle (10) nach der Fertigbearbeitung gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (10) im Ganzen einem Diffusionshärteschritt unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionshärteschritt bei mittlerer Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionshärteschritt bei einer Temperatur zwischen 450 und 650°C erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenträger bzw. Nockenwellenkörper (13) nitriert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil (11) und der Verstellerkopf (12) vor dem Härten durch Reibschweißen verbunden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil (11) und der Verstellerkopf (12) vor dem Härten durch Anstauchen von Stangenmaterial hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (10) vor dem Härten durch ein Elektrolytverfahren entgratet wird.
Nockenwelle, insbesondere Grundnockenwelle, mit einem Nockenwellenkörper (13) umfassend ein Rohrteil (11) und einen Verstellerkopf (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenkörper (13) nitriert ist.