DE102009018406A1

DE102009018406A1 - Nockenwelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009018406A1
Application number: DE102009018406A
Authority: DE
Inventors: Ihsan Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens, mit einem Wellenrohr und wenigstens einem Nocken mit einer Durchtrittsöffnung, mittels welcher der Nocken auf das Wellenrohr aufgesteckt ist, wobei zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs ein Presssitz vorliegt, wobei die Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und/oder der Mantelflächenbereich des Wellenrohrs eine Oberflächenumwandlung aufweist, welche zumindest ein Chromoxid umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 3.
Solche gebauten Nockenwellen sind dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausführungen zu entnehmen. So beschreibt die DE 199 38 791 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle, bei welcher die Nocken in vorbestimmter axialen Positionen auf die Welle aufgeschoben und unter Erzeugung einer Pressung aufgeschrumpft werden.
Die Fügeflächen zwischen Nocken und Wellenrohr unterliegen im Betrieb der Nockenwelle insbesondere Torsionsbelastungen unter zusätzlichen Schwingungsbelastungen. Hierdurch kommt es zu Reibkorrosion zwischen Nocken und Wellenrohr, was den sicheren Sitz der Nocken beeinträchtigen kann. Im Extremfall kommt es zu einem vollständigen Versagen der Verbindung der Nocken und Wellenrohr, was in der Regel einen Totalausfall der Brennkraftmaschine nach sich zieht, da diese durch das Versagen der Nockenwelle ihre Ventilsteuerung verliert. Dies ist in jedem Fall zu vermeiden, da bei einem solchen Ausfall extrem teure und aufwendige Reparaturarbeiten notwendig werden.
Zur Verbesserung der Haltbarkeit von gebauten Nockenwellen ist es heutzutage üblich, zusätzliche Beschichtungen oder Klebeverbindungen zwischen Nocken und Wellenrohr vorzusehen. Auch diese altern jedoch und werden durch die Triebkorrosion beschädigt. Es ist auch bekannt, eine Manganphosphatierung des Nocken oder des Wellenrohrs vorzusehen bzw. die Verbindung beim Fügen mit zusätzlichen Werstoffen, wie beispielsweise Grafit zu schmieren. Alle bekannten Verfahren zum Behandeln der Fügeflächen führen jedoch zu keiner nennenswerten Verbesserung der Haltbarkeit der Nockenwelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Nockenwelle der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu deren Herstellung so weiter zu entwickeln, dass die Haltbarkeit der Nockenwelle verbessert und ihre Drehmomentübertragungsfähigkeit erhöht wird und dies auf eine möglichst kostengünstige Weise.
Diese Aufgabe wird durch eine Nockenwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.
Eine derartige Nockenwelle für eine derartige Brennkraftmaschine eines Kraftwagens umfasst ein Wellenrohr und wenigstens einen Nocken, welcher mit einer Durchtrittsöffnung auf das Wellenrohr aufgesteckt ist. Zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs liegt dabei ein Presssitz vor, welcher den Nocken auf dem Wellenrohr fixiert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und/oder der Mantelflächenbereich des Wellenrohrs eine Oberflächenumwandlung aufweist, welche zumindest ein Dichromtrioxid umfasst. Insbesondere besteht die Oberflächenumwandlung bevorzugter Weise hauptsächlich aus Dichromtrioxid. Durch derartige Oberflächenumwandlung wird sowohl die Adhäsionsneigung als auch die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Mantelfläche bzw. des Mantelflächenbereichs erhöht, wodurch sich auch ein gesteigerter Haftbeiwert und Haltbarkeit der Verbindung von Nocken und Wellenrohr ergibt. Die so erzeugte Verbindung ist somit haltbarer und weniger anfällig gegen Triebkorrosion und Mikrorissbildung. Ein Versagen einer derartigen Nockenwelle ist verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen wesentlich unwahrscheinlicher. Gleichzeitig wird die Drehmomentübertragungsfähigkeit zwischen Nocken und Wellenrohr erhöht. Die übertragbaren Drehmomente verdoppeln sich im Idealfall hierbei.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen Nocken und/oder Wellenrohr aus einer chromhaltigen Legierung.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens. Hierbei wird zunächst ein Nocken mit einer Durchtrittsöffnung auf ein Wellenrohr aufgesteckt. Dies geschieht bevorzugt im erwärmten Zustand des Nockens, so dass dieser durch Abkühlen auf das Wellenrohr aufgeschrumpft wird, wobei zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs ein Presssitz erzeugt wird.
Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, vor dem Aufschrumpfen die Mantelfläche und/oder den Mantelflächenbereichs in eine chromoxidhaltige Randschicht umzuwandeln. Dies verbessert wie bereits geschildert die Haltbarkeit und Drehmomentübertragungsfähigkeit der Nockenwelle. Bevorzugt wird hierzu die umzuwandelnde Oberfläche mit einem Stahl-Ätzmittel, wie z. B. Salpetersäure, Quecksilber(II)-Chlorid, Eisen(III)-Chlorid oder dergleichen behandelt, bzw. zur Bildung von einer Chromoxidschicht aktiviert und anschließend sofort mit heißer Luft zum Zusammenfügen erhitzt. Das Ätzmittel löst eine bereits vorhandene Passivierungsschicht und Grenzschicht des Grundwerkstoffs, insbesondere eines chromhaltigen Stahls, so dass durch den Ätzvorgang eine reaktive und rein metallische Oberflächenschicht gebildet wird. Diese überzieht sich bei der anschließenden Erhitzung mit der Luft mit der Oxidschicht, die im Falle von chromhaltigen Stählen im Wesentlichen aus Dichromtrioxid und Eisenoxid besteht. Die Erhitzung wird dabei bevorzugter Weise in einem Heißluftofen bei 250° bis 350° über einen Zeitraum von 12 bis 48 Stunden durchgeführt. Besonders vorteilhaft haben sich dabei Temperaturen von etwa 250° erwiesen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei auch, wenn die zu erhitzende Heißluft zusätzlich mit Sauerstoff bereichert wird. Es ergeben sich so besonders gut haftende, lediglich wenige moleküllagenstarke Chromoxidschichten, welche dem derart behandelnden Bauteil eine besonders hohe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit gegen Triebkorrosion verleihen. Durch die sehr hohe Adhäsionsneigung der Chromoxidschichten ist der Haftbeiwert zwischen Nocken und Wellenrohr ebenso verbessert, dies weiterhin auf die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Nockenwelle positiv beeinflusst.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle werden zunächst Nocken auf sich an sich bekannte Weise aus einem chromhaltigen Stahl, beispielsweise aus sogenanntem 100CR6-Stahl insbesondere durch Schmieden hergestellt. Die Nocken weisen dabei eine Durchtrittsöffnung auf, über welche sie später auf das Wellenrohr der Nockenwelle aufgeschoben werden. Um die Verbindungsqualität im Bereich der Fügeflächen zwischen Nocken und Wellenrohr zu erhöhen, erfolgt im nächsten Schritt des Herstellungsprozesses eine Oberflächenbehandlung des Nockens. Bereits auf dem Chromstahl vorhandenen Passivierungs- und Grenzschichten werden hierbei durch Salpetersäure entfernt. Insbesondere wird 10%ige Salpetersäure verwendet, welche die oxidischen Passivierungsschichten des Chromstahls aufzulösen vermag. Die Nocken mit der derart aktivierten Oberfläche werden dann in einen Heißluftofen überführt und bei etwa 250°C mit Heißluft für einige Stunden erwärmt. Die aktivierte Oberfläche des Nockens überzieht sich dabei mit einer Oxidschicht, insbesondere mit Chromoxid. Die Schicht ist dabei nur wenige moleküllagenstark und bildet sich besonders gleichmäßig aus, so dass sich eine glatte Oberfläche ergibt.
Nach dieser Oberflächenumwandlung wird der Nocken in erwärmtem Zustand auf das Wellenrohr aufgeschoben und abgekühlt. Durch die Schrumpfung des Nockens im Zuge der Abkühlung ergibt sich eine Presspassung zwischen Nocken und Wellenrohr. Durch die Vorbehandlung des Nockens mit Salpetersäure und anschließender Oberflächenumwandlung an der Luft liegt also im Bereich der aufgepressten Fügefläche des Nockens eine sehr verbundstabile Chromoxidschicht vor. Durch die hohe Adhäsionsneigung dieser Oberflächenschicht kommt es bei der Verwendung einer derartigen Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine zu Mikrokaltverschweißung, welche für einen besonders guten Sitz des Nockens auf dem Wellenrohr sorgen, so dass der Haftbeiwert der Nockenverbindung, bzw. die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Nockenwelle erhöht und bei geeigneter Oberflächenumwandlung des Nockens beinahe verdoppelt wird. Dadurch steigt auch die gesamte Haltbarkeit der Nockenwelle, wodurch ihr Versagen wesentlich unwahrscheinlicher wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19938791 A1 [0002]

Claims

Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens, mit einem Wellenrohr und wenigstens einem Nocken mit einer Durchtrittsöffnung, mittels welcher der Nocken auf das Wellenrohr aufgesteckt ist, wobei zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs ein Presssitz vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und/oder der Mantelflächenbereich des Wellenrohrs eine Oberflächenumwandlung aufweist, welche zumindest ein Chromoxid umfasst.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nocken und/oder Wellenrohr aus einer chromhaltigen Legierung bestehen.
Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens, bei welchem wenigstens ein Nocken mit einer Durchtrittsöffnung auf ein Wellenrohr aufgesteckt und auf dieses aufgeschrumpft wird, wobei zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs ein Presssitz erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufschrumpfen die Mantelfläche und/oder der Mantelflächenbereich in eine chromoxidhaltige Randschicht umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu umwandelnde Oberfläche mit einem Stahl-Ätzmittel behandelt und anschließend mit Heißluft erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der Nockens und/oder das Wellenrohr in einem Heißluftofen bei 250°C bis 350°C über einen Zeitraum vom 12 bis 48 Stunden erhitzt werden.