DE102009018408A1 - Camshaft for use in internal combustion engine, has cam inserted into shaft pipe, where coating with matrix is provided on joint surface of opening and/or joint surface of shaft pipe, and hard material particles are stored in matrix - Google Patents

Camshaft for use in internal combustion engine, has cam inserted into shaft pipe, where coating with matrix is provided on joint surface of opening and/or joint surface of shaft pipe, and hard material particles are stored in matrix Download PDF

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Abstract

The camshaft has a cam (14) with an opening, where the cam is inserted into the shaft pipe (12) via the opening. A press fit is present between a joint surface (18) of the opening and a corresponding joint surface (16) of the shaft pipe. A coating (28) with a matrix (30) is provided on the joint surface of the opening and/or the joint surface of the shaft pipe, where hard material particles (32) are stored in the matrix. The matrix is designed as a chemical nickel matrix. Size of each particle and a layer thickness (d) of the coating amounts to 5 micrometer to 15 micrometer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The The invention relates to a camshaft for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Solche gebauten Nockenwellen sind dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausführungen zu entnehmen. So beschreibt beispielsweise die DE 3803 683 A1 eine gebaute Nockenwelle, bei welcher die Nocken auf ein Wellenrohr aufgeschoben werden, welches in der Folge hydraulisch durch Innenhochdruckumformen an die Nocken angepresst wird.Such built-up camshafts can be found in the prior art in a variety of designs. For example, describes the DE 3803 683 A1 a built-in camshaft, in which the cams are pushed onto a shaft tube, which is then pressed hydraulically by hydroforming to the cams.

Die DE 199 38 791 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle, bei welcher die Nocken in vorbestimmte axiale Positionen auf die Welle aufgeschoben und unter Erzeugung einer Presspassung aufgeschrumpft werden.The DE 199 38 791 A1 discloses a method of making a built camshaft in which the cams are slid into predetermined axial positions on the shaft and shrunk to form a press fit.

Die Fügeflächen zwischen Wellenrohr und Nocken unterliegen im Betrieb der Nockenwelle zunächst Torsionsbelastungen aufgrund des übertragenen Drehmoments. Hinzu kommen weitere, durch das Eigenschwingungsverhalten der Nockenwelle hervorgerufene Belastungen in axialer und radialer Richtung. Mit zunehmender Schwächung der Fügeverbindung zwischen Nocken und Wellenrohr kann es zu einem vollständigen Versagen des Presssitzes zwischen Nocken und Wellenrohr kommen. Ein Verlust der Funktion der Nockenwelle führt naturgemäß zum vollständigen Verlust der Ventilsteuerung des Motors, was zu schweren Schäden und in der Regel zum Totalausfall des Motors führen wird. Dies gilt es daher auf jeden Fall zu vermeiden.The Subject to joining surfaces between the shaft tube and cam During operation of the camshaft initially torsional loads due to the transmitted torque. There are more, caused by the natural vibration behavior of the camshaft Loads in the axial and radial directions. With increasing weakening the joint between cam and shaft tube can it to a complete failure of the interference fit between Cam and shaft tube come. A loss of function of the camshaft naturally leads to complete Loss of valve control of the engine, causing serious damage and will usually lead to total failure of the engine. This is why it should be avoided in any case.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Haltbarkeit des Presssitzes zwischen Nocken und Wellenrohr bei einer gebauten Nockenwelle im Dauerbetrieb zu verbessern.Of the The present invention is therefore based on the object, the durability the interference fit between cam and shaft tube in a built camshaft to improve in continuous operation.

Diese Aufgabe wird durch eine Nockenwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a camshaft having the features of the patent claim 1 solved.

Eine derartige Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine weist ein Wellenrohr auf, auf welches wenigstens ein Nocken mit einer Durchtrittsöffnung aufgesteckt ist. Zwischen einer Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich des Wellenrohrs liegt dabei ein Presssitz vor, welcher beispielsweise durch thermisches Aufschrumpfen des Nockens auf das Wellenrohr erzeugt werden kann.A such camshaft for an internal combustion engine has a shaft tube, on which at least one cam with a Passage opening is attached. Between a lateral surface the passage opening and a corresponding lateral surface area the shaft tube is an interference fit, which, for example produced by thermal shrinkage of the cam on the shaft tube can be.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Mantelfläche der Durchtrittsöffnung und/oder dem Mantelflächenbereich des Wellenrohrs eine Beschichtung mit einer Matrix, in welche Hartstoffpartikel eingelagert sind, aufgebracht ist. Die Hartstoffpartikel auf einer der genannten Fügeflächen zwischen Wellenrohr und Nocken graben sich unter Ausbildung von Mikroformschlüssen in die korrespondierende Fügefläche ein, was durch die Presspassung zwischen Nocken und Wellenrohr noch verstärkt wird. Hierdurch wird die Drehmomentenübertragung zwischen Wellenrohr und Nocken wesentlich verbessert. Der im Stand der Technik vorhandene reine Reibschluss aufgrund der Presspassung wird durch einen zusätzlichen Formschluss ergänzt, so dass auch die langfristige Haltbarkeit einer derartigen gebauten Nockenwelle wesentlich verbessert wird.According to the invention provided that on the lateral surface of the passage opening and / or the lateral surface region of the shaft tube a Coating with a matrix, embedded in which hard material particles are upset. The hard material particles on one of the mentioned Dig joint surfaces between shaft tube and cam forming microforming into the corresponding joining surface one, which is still due to the interference fit between the cam and shaft tube is reinforced. As a result, the torque transmission significantly improved between shaft tube and cam. The in the state the technology existing pure friction due to the interference fit is supplemented by an additional form fit, so that even the long-term durability of such a built Camshaft is significantly improved.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Matrix als Chemisch-Nickel-Matrix ausgebildet. Bei der chemischen Nickelabscheidung werden in wässriger Prozesslösung Nickelionen vorgelegt und durch gleichzeitig in der Lösung anwesende Hypophosphitionen reduziert. Das Hypophosphit wird dabei im Reaktionsverlauf selbst zu Orthophosphit oxidiert und lagert sich zumindest teilweise in die abgeschiedene Nickelschicht ein. So erhaltene Nickelschichten haben in der Regel einen Phosphoranteil von etwa 15%. Eine Nickelmatrix ist besonders gut für die Anwendung an einer Nockenwelle geeignet, da bereits die Matrix selbst hochgradig korrosions- und verschleißbeständig ist. Weiterhin ist ein extrem maßgenaues Abscheiden der Nickelschicht auf das jeweils zu beschichtende Bauteil möglich. Auch die Temperaturbeständigkeit von Nickelmatrixes ist mit etwa 500°C sehr gut, so dass einem Einsatz in der nahen Umgebung des Motors nichts im Wege steht.In a preferred embodiment of the invention is the Matrix formed as a chemical nickel matrix. In the chemical Nickel deposition become in aqueous process solution Submitted nickel ions and by simultaneously in the solution reduced hypophosphite ions. The hypophosphite is thereby oxidized and stored in the course of the reaction itself to orthophosphite at least partially into the deposited nickel layer. So obtained nickel layers usually have a phosphorus content of about 15%. A nickel matrix is especially good for the Application suitable on a camshaft, since already the matrix itself highly resistant to corrosion and wear is. Furthermore, an extremely accurate deposition of the Nickel layer on the component to be coated in each case possible. The temperature resistance of nickel matrixes is with about 500 ° C very good, so use in the near Environment of the engine is in the way.

Als Hartstoffpartikel werden bevorzugt Siliziumcarbidpartikel verwendet. Siliziumcarbid zeichnet sich durch eine sehr hohe Härte aus, so dass sich diese Partikel problemlos in die jeweils zugeordnete Fügefläche des Fügeflächenpaares eingraben können und so den gewünschten Mikroformschluss erzeugen. Die Partikelgröße der Hartstoffpartikel beträgt weiterhin bevorzugt 5 bis 15 μm, und liegt damit in der Größenordnung der ebenfalls bevorzugten Schichtdicke von 5 bis 15 μm. Damit ist gewährleistet, dass bei der gewünschten homogenen Verteilung der Hartstoffpartikel in der Matrix hinreichend hohe Rauheitsspitzen entstehen, welche zum Mikroformschluss zwischen Wellenrohr und Nocken führen.When Hard material particles preferably silicon carbide particles are used. Silicon carbide is characterized by a very high hardness out, so that these particles easily into the respectively associated joint surface of the mating surface pair can dig and thus produce the desired microforming. The particle size the hard material particles is furthermore preferably 5 to 15 microns, and is thus in the order of magnitude the likewise preferred layer thickness of 5 to 15 microns. This ensures that the desired homogeneous distribution of the hard particles in the matrix sufficient high roughness peaks arise, which leads to microforming Lead shaft tube and cam.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung zweier korrespondierender Fügeflächen mit zwischengelagerter Matrix mit Hartstoffpartikeln.in the Following is the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. The only figure shows a schematic representation of two corresponding joining surfaces with intermediately stored Matrix with hard material particles.

Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Fügeverbindung zwischen einem Wellenrohr 12, einer Nockenwelle und einem Nocken 14 ist in der Fig. ausschnittsweise im mikroskopischen Nahbereich der Fügeflächen 16 des Wellenrohrs 12 und der Fügefläche 18 des Nockens 14 dargestellt. Bei der Herstellung einer derartigen gebauten Nockenwelle wird der Nocken 14 auf das Wellenrohr 12 der Nockenwelle aufgeschrumpft, so dass sich ein Presssitz zwischen den Fügeflächen 16 und 18 ergibt. Die Pressungskräfte wirken dabei entlang der Pfeile 20 und 22, also senkrecht auf die Fügeflächen 16 und 18.One in total with 10 designated joint connection between a shaft tube 12 , a camshaft and a cam 14 is in the figure in detail in the microscopic close range of the joining surfaces 16 of the shaft tube 12 and the joining surface che 18 of the cam 14 shown. In the manufacture of such a built camshaft is the cam 14 on the shaft tube 12 the camshaft shrunk, leaving a press fit between the joining surfaces 16 and 18 results. The pressing forces act along the arrows 20 and 22 , ie perpendicular to the joining surfaces 16 and 18 ,

Im Betrieb der Nockenwelle unterliegt die Verbindung zwischen Wellenrohr 12 und Nocken 14 weiterhin Torsionsbeanspruchungen entlang der Pfeile 24 und 26. Durch diese Torsionsbeanspruchungen kann der Presssitz zwischen Nocken 14 und Wellenrohr 12 geschwächt werden, was im Extremfall zum vollständigen Versagen der Verbindung zwischen Wellenrohr 12 und Nocken 14 führt. Durch den damit einhergehenden Verlust der Ventilsteuerung des Motors, in welcher die Nockenwelle Anwendung findet, kommt es in der Regel zu einem Totalversagen des Motors, was einen teuren Austausch notwendig macht.During operation of the camshaft is subject to the connection between the shaft tube 12 and cams 14 continue to torsional stresses along the arrows 24 and 26 , Due to these torsional stresses, the interference fit between cams 14 and shaft tube 12 weakened, which in extreme cases, the complete failure of the connection between wave tube 12 and cams 14 leads. Due to the concomitant loss of valve control of the engine, in which the camshaft is applied, it comes as a rule to a total failure of the engine, which makes an expensive replacement necessary.

Um die Haltbarkeit der Verbindung zwischen Wellenrohr 12 und den Nocken 14 zu verbessern und die Drehmomentenübertragung zwischen Wellenrohr 12 und Nocken 14 zu erhöhen, ist es im gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, auf die Fügefläche 16 des Wellenrohrs 12 eine Beschichtung 28 aufzubringen. Diese weist eine Matrix 30 auf, in welche Hartstoffpartikel 32 eingelagert sind. Die Matrix 30 besteht bevorzugt aus einer chemisch abgeschiedenen Nickelschicht. Diese zeichnet sich durch hohe Temperatur und Verschleißbeständigkeit aus und ist daher besonders gut zum Einsatz in einer Brennkraftmaschine geeignet. Beim Abscheiden der Nickelschicht 30 werden die Hartstoffpartikel 32 in diese unter möglichst homogener Verteilung eingelagert. Die Korngröße der Hartstoffpartikel 32 entspricht dabei im Wesentlichen der Schichtdicke d, welche zwischen 5 und 15 μm liegen soll.To increase the durability of the connection between shaft tube 12 and the cam 14 to improve and torque transmission between shaft tube 12 and cams 14 to increase, it is provided in the embodiment shown, on the joint surface 16 of the shaft tube 12 a coating 28 applied. This has a matrix 30 into which hard material particles 32 are stored. The matrix 30 preferably consists of a chemically deposited nickel layer. This is characterized by high temperature and wear resistance and is therefore particularly well suited for use in an internal combustion engine. When depositing the nickel layer 30 become the hard material particles 32 stored in these as homogeneous as possible distribution. The grain size of the hard material particles 32 This corresponds essentially to the layer thickness d, which should be between 5 and 15 microns.

Durch die homogene Verteilung der Hartstoffpartikel 32 in der Matrix 30 kommt es dazu, dass die Hartstoffpartikel 32 zumindest teilweise aus der Oberfläche 34 der Matrix 30 herausragen. Beim Aufpressen des Nockens 14 graben sich die derart herausragenden Hartstoffpartikel 32 in die Oberfläche 18 des Nockens ein, wodurch der Reibschluss aufgrund der Presspassung zwischen Nocken 14 und Wellenrohr 12 um einen Mikroformschluss ergänzt wird. Die Größe der durch eine derartige gefügte Nockenwelle übertragbaren Drehmomente wird so verglichen mit einer lediglich auf Presspassung beruhenden gebauten Nockenwelle fast verdoppelt. Damit erhöht sich auch die Beständigkeit der Nockenwelle gegenüber Torsionsbelastungen und dergleichen, was die Lebensdauer einer solchen Nockenwelle signifikant erhöht und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls stark reduziert.Due to the homogeneous distribution of the hard material particles 32 in the matrix 30 it happens that the hard particles 32 at least partially from the surface 34 the matrix 30 protrude. When pressing the cam 14 dig the so outstanding hard particles 32 in the surface 18 of the cam, whereby the frictional engagement due to the interference fit between cams 14 and shaft tube 12 is supplemented by a microforming. The magnitude of the torques that can be transmitted by such a joined camshaft is thus almost doubled compared to a press fit based camshaft. This also increases the durability of the camshaft against torsional loads and the like, which significantly increases the life of such a camshaft and greatly reduces the likelihood of failure.

Die Hartstoffpartikel können dabei aus Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Diamant oder ähnlichen Hartstoffen bestehen. Die konkrete Auswahl richtet sich dabei nach der Auslegung des Motors, in welcher die Nockenwelle Verwendung finden soll, da durch den Motor ja die zu übertragenden Drehmomente vorgegeben werden.The Hard material particles may consist of silicon carbide, tungsten carbide, Diamond or similar hard materials exist. The concrete one Selection depends on the design of the engine, in which the camshaft should be used, because by the engine yes the be given to be transmitted torques.

1010
FügeverbindungRetaining compound
1212
Wellenrohrwave tube
1414
Nockecam
1616
Fügeflächejoining surface
1818
Fügeflächejoining surface
2020
Pfeilarrow
2222
Pfeilarrow
2424
Pfeilarrow
2626
Pfeilarrow
2828
Beschichtungcoating
3030
Matrixmatrix
3232
HartstoffpartikelHard particles
3434
Oberflächesurface
dd
Schichtdickelayer thickness

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 3803683 A1 [0002] - DE 3803683 A1 [0002]
  • - DE 19938791 A1 [0003] - DE 19938791 A1 [0003]

Claims (5)

Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine mit einem Wellenrohr (12) und wenigstens einem Nocken (14) mit einer Durchtrittsöffnung, mittels welcher der Nocken auf das Wellenrohr aufgesteckt ist, wobei zwischen einer Mantelfläche (18) der Durchtrittsöffnung und einem korrespondierenden Mantelflächenbereich (16) des Wellenrohres (12) ein Presssitz vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Mantelfläche (18) der Durchtrittsöffnung und/oder dem Mantelflächenbereich (16) des Wellenrohres (12) eine Beschichtung (28) mit einer Matrix (30), in welche Hartstoffpartikel (32) eingelagert sind, vorgesehen ist.Camshaft for an internal combustion engine with a shaft tube ( 12 ) and at least one cam ( 14 ) with a passage opening, by means of which the cam is attached to the shaft tube, wherein between a lateral surface ( 18 ) of the passage opening and a corresponding lateral surface area ( 16 ) of the shaft tube ( 12 ) is an interference fit, characterized in that on the lateral surface ( 18 ) of the passage opening and / or the lateral surface area ( 16 ) of the shaft tube ( 12 ) a coating ( 28 ) with a matrix ( 30 ) into which hard material particles ( 32 ) are stored, is provided. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (30) als Chemisch-Nickel-Matrix ausgebildet ist.Camshaft according to claim 1, characterized in that the matrix ( 30 ) is formed as a chemical nickel matrix. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (32) Siliziumcarbid umfassen.Camshaft according to claim 1 or 2, characterized in that the hard material particles ( 32 ) Silicon carbide. Nockenwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Partikelgröße der Hartstoffpartikel (32) 5 μm bis 15 μm beträgt.Camshaft according to claim 3, characterized in that a particle size of the hard material particles ( 32 ) Is 5 microns to 15 microns. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d) der Beschichtung (28) 5 μm bis 15 μm beträgt.Camshaft according to one of claims 1 to 4, characterized in that a layer thickness (d) of the coating ( 28 ) Is 5 microns to 15 microns.
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