DE102008053929A1

DE102008053929A1 - Nockenwellenversteller mit Komponenten aus einer Aluminiumbasislegierung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102008053929A1
Application number: DE102008053929A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulte
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Nockenwellenversteller mit den Nockenwellenverstellerkomponenten Antriebsrad, Stator und Rotor, bei dem wenigstens eines von Antriebsrad, Stator oder Rotor zumindest teilweise aus einer übereutektischen Aluminiumbasislegierung hergestellt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit Komponenten aus einer Aluminiumbasislegierung und Verfahren zu deren Herstellung.
Die Nockenwellenverstellung (auch variable Nockenwellensteuerung oder variable Ventilsteuerung) bezeichnet ein Verfahren zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung von Viertaktmotoren im Betrieb. Bei der Nockenverstellung werden die Steuerzeiten abhängig von der Drehzahl verändert, um in allen Drehzahlbereichen eine möglichst effiziente Zylinderfüllung zu erreichen. Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten erlaubt eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten. Diese Steigerung kann als Leistungs- und Drehmomentgewinn und als Kraftstoffeinsparung zum Tragen kommen.
Derzeit werden Nockenwellenverstellerkomponenten, z. B. Ketten- und Riemenräder, Rotoren und Statoren aus Stahl- und Sinterwerkstoffen auf Eisenbasis hergestellt. Ferner werden Kettenräder, Rotoren und Statoren von Nockenwellenverstellern auch aus Sinterwerkstoffen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumanteil hergestellt. Das Zusetzen von Erdalkalimetallen zur Gefügeverfeinerung bei Sinterwerkstoffen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumanteil verbessert die Festigkeitseigenschaften.
Aus der US 2003/0019449 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, dessen Komponenten teilweise aus einer Aluminium-Legierung hergestellt sind. Es wird vorgeschlagen, Silizium als Legierungselement zu verwenden. Hierbei wird ein Korndurchmesser von 3 μm oder weniger für das Silizium vorgeschlagen.
Um das geforderte hochdynamische Verhalten der Nockenwellenverstellung zu erzielen, sind werden an die für die Nockenwellenverstellerkomponenten verwendeten Materialien hohe Ansprüche gestellt. Diese sollen ausreichend fest und verschleißbeständig sein und dabei ein geringes Gewicht aufweisen.
Ketten- und Riemenräder aus Stahl und Sinterwerkstoffen auf Eisenbasis weisen ein hohes Gewicht und Massenträgheitsmoment auf. In der Regel ist eine zusätzliche Oberflächen- oder Wärmebehandlung erforderlich. Aluminiumteile aus Sinterwerkstoffen haben den Nachteil von hohen Kosten des Basismaterials. Ferner ist die Herstellung aufwändig, da unter Umständen entsprechende Press-, Sinter-, Kalibrier-, oder Wärmebehandlungsverfahrensschritte erforderlich sind. Bei Aluminiumguss besteht die Gefahr von Fehlern im Werkstoff.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Nockenwellenversteller mit Komponenten, insbesondere Kettenrad, Rotor oder Stator aus einer Aluminiumbasislegierung und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen, das eine Reibungs- und Massenreduzierung der hergestellten Antriebsteile ermöglicht. Ferner soll das Verschleißverhalten der Antriebsteile, insbesondere der Leichtmetallantriebsräder verbessert werden. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Herstellkosten der Antriebsteile zu reduzieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen Sinterwerkstoffe auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumanteil eingesetzt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Nockenwellenversteller mit Komponenten aus einer Aluminiumbasislegierung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 und ein und Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 5 gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellerkomponente (Kettenrad, Stator oder Rotor) besteht aus einer Aluminiumbasis-Legierung, die wenigstens 12,5% Massenanteil Silizium aufweist. Eine solche Leichtmetall-Legierung ist mittels eines Umformverfahrens, wie z. B. einem Schmieden verarbeitbar. Gleichzeitig weist die Legierung durch den hohen Siliziumanteil von mehr als 12,5% eine gute Verschleißbeständigkeit auf.
Legierungen aus Aluminium und Silizium bilden ein eutektisches System wenn sich beide Phasen im Gleichgewicht befinden. Die eutektische Temperatur beträgt 850°K (577°C) und der zugehörige Si-Gehalt liegt größenordnungsmäßig bei 12,5%. Bei Si Anteilen oberhalb (übereutektische Legierung) der eutektischen Zusammensetzung ergeben sich im Gegensatz zu untereutektischen Legierungen andere Mikrostrukturen. Das Silizium liegt dann sowohl als Silizium-Primärkristall in einer Matrix aus reinem Aluminium und einem Netz eutektischer Partikel vor.
Die Korngröße wird bevorzugt durch die Zugabe von 50–80 ppm Phosphor eingestellt. Phosphor hält die Si Partikel klein, d. h. feinert die Legierung. Eine große Anzahl harter, gleichmäßig verteilter Si Phasen unterstützt die tribologischen Eigenschaften des Werkstoffs.
Bevorzugt weist die Leichtmetall-Legierung Silizium mit einer Korngröße 15–40 μm auf. Besonders bevorzugt wird der Legierung zur Beeinflussung der Größe der Si-Ausscheidungen Phosphor, bevorzugt Strontium (Sr) oder Halbmetalle wie Antimon (Sb) zugesetzt. Dadurch wird eine hohe Verschleißfestigkeit der Funktionsoberflächen der Komponenten erreicht. Gleichzeitig wird die Gefahr des Entstehens von Lunkern und Fehlstellen, wie sie beim Guss entstehen können, vermieden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Nockenwellenverstellerkomponente weist folgende Verfahrenschritte auf:

(a) Bereitstellen eines Basismaterials mit einem Siliziummassenanteil von wenigstens 12,5%;
(b) Herstellung eines Halbzeuges aus dem Basismaterial mittels einem Gießverfahren oder pulvermetallurgischen Verfahren;
(c) Herstellung eines Rohlings aus dem Halbzeug mittels einem Umformverfahren;
(d) Fertigbearbeitung des Rohlings zu einer Komponente.

Bevorzugt erfolgt eine Wärmebehandlung des Bauteils nach dessen Umformung, um die Stabilität des Bauteils bei der max. Betriebstemperatur zu gewährleisten. Das Verfahren zur Herstellung der Halbzeuge ermöglicht eine optimale Gestaltung des Gefüges hinsichtlich der Größe der Si-Ausscheidungen, der Gleichmäßigkeit und Fehlerfreiheit des Gefüges. Aufgrund der geringeren Kosten für Werkstoff und Werkzeuge können z. B. Al-Kettenräder so trotz größerer Nacharbeit im Vergleich zu Al-Kettenrädern aus Al-Sinterwerkstoffen kostengünstiger hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Nockenwellenverstellerkomponente aus einer Aluminiumbasis-Legierung und das Verfahren zu deren Herstellung ermöglichen ein reduziertes Bauteilgewicht und damit die Reduzierung der Fahrzeugmasse. Ferner werden die Massen und die Massenträgheitsmomente reduziert, was eine verbesserte Dynamik ermöglicht. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Leichtmetall-Legierung ein verbessertes Verschleißverhalten der Leichtmetall-Komponenten, insbesondere eines Antriebsrades im Betrieb ermöglicht. Verglichen mit herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Antriebsrädern können die Herstellkosten reduziert werden. Die erfindungsgemäßen Komponenten aus Leichtmetall und das Verfahren zu deren Herstellung bieten eine Alternative zu Nockenwellenverstellerkomponenten aus Sinterwerkstoffen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumanteil.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
1 einen Längsschnitt A-A eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 einen Querschnitt B-B des Nockenwellenverstellers aus 1.
In 1 ist ein Längsschnitt A-A eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Ein schraffiert dargestellter Stator 2 des Nockenwellenverstellers 1 umgibt einen ebenfalls schraffiert dargestellten Rotor 3. Der Stator 2 weist auf seiner nockenwellenfernen Seite ein Anbauteil 4 mit einer Zwischenplatte 5 auf, die mit einer Seitenscheibe 6 und einem Deckel 7 verbunden ist und die zusammen mit einer scheibenförmigen Buchse 11 den nockenwellenfernen Seitenabschluss des Stators 2 bilden. Den Abschluss der Nockenwellenseite des Stators 2 bildet ein Antriebsrad 9. Die Zwischenplatte 5, die Seitenscheibe 6, der Deckel 7 und das Antriebsrad 9 sind zusammen mit dem Stator 2 durch Schrauben 10 verspannt. Der Rotor 3 ist mit der scheibenförmigen Buchse 11 verbunden, die zwischen der Seitenscheibe 6 und dem Deckel 7 sowie in eine koaxialen Bohrung 12 der Zwischenplatte 5 dichtend geführt ist. Die scheibenförmige Buchse 11 ist über einen Dichtringträger 13 durch eine nicht dargestellte Zentralschraube mit dem Rotor 3 verschraubt. Der Dichtringträger 13 dichtet gegenüber dem Deckel 7 ab. In einer abgestuften, zentralen Bohrung 14 des Innenrotors 3 ist eine Hülse 15 angeordnet, die eine getrennte Druckölzufuhr durch erste Leitungen 16 zu Arbeitskammern A und durch zweite Leitungen 17 zu Arbeitskammern B bewirkt.
2 zeigt einen Querschnitt B-B des Nockenwellenverstellers 1 aus 1. Am Stator 2 sind Hydraulikkammern 18 angeordnet, die durch Trennwände 19 mit radial stehenden Seitenflächen 20 begrenzt und durch Schwenkflügel 21 mit parallelen Seitenflächen 22 in Arbeitskammern A und B dichtend unterteilt sind. Durch die parallelen Seitenflächen 22 der Schwenkflügel 21 bilden sich in deren Anschlagpositionen Restvolumina der Arbeitskammern A und B, in denen sich Schmutz und Abrieb aus dem Ölkreislauf ansammeln können. Die Schwenkflügel 21 sind einstückig mit dem Rotor 3 ausgebildet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0019449 A1 [0004]

Claims

Nockenwellenversteller (1) mit den Nockenwellenverstellerkomponenten Antriebsrad (9), Stator (2) und Rotor (3), bei dem wenigstens eines von Antriebsrad (9), Stator (2) oder Rotor (3) zumindest teilweise aus einer übereutektischen Aluminiumbasislegierung hergestellt ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbasislegierung mindestens 12,5% Massenanteil Silizium aufweist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbasislegierung Silizium mit einer Korngröße von 15 bis 40 μm aufweist.
Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbasislegierung Spuren von Phosphor enthält.
Verfahren (1) zur Herstellung eines Antriebsrades (9), Stators (2) oder Rotors (3) eines Nockenwellenversteller (1) mit den Verfahrenschritten: (a) Bereitstellen eines Basismaterials mit einem Siliziummassenanteil von wenigstens 12,5%; (b) Herstellung eines Halbzeuges aus dem Basismaterial mittels einem Gießverfahren oder pulvermetallurgischen Verfahren; (c) Herstellung eines Rohlings aus dem Halbzeug mittels einem Umformverfahren; (d) Fertigbearbeitung des Rohlings zu einer Komponente.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt (c) und vor dem Verfahrensschritt (d) eine Wärmebehandlung des Rohlings erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (c) das Umformverfahren ein Schmieden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (c) das Schmieden mittels eines geschlossenen Werkzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Gießverfahren im Verfahrensschritt (b) ein Stranggießverfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigbearbeitung im Verfahrensschritt (d) eine spanende Formgebung erfolgt.