-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von nichtmagnetischen Kraftfahrzeugkomponenten aus Stahl unter Verwendung eines Pulver-Metallurgieprozesses und insbesondere die Herstellung von austenitischen Nockenwellen-Lagerzapfen unter Verwendung eines dynamischen magnetischen Verdichtungsprozesses (DMC-Prozesses).
-
Kraftfahrzeug-Motornockenwellen werden verwendet, um Ventile in Synchronisation mit der Bewegung von Kolben, Kraftstoff und Sauerstoff in einem Verbrennungsmotor zu öffnen und zu schließen. Eine typische Nockenwelle weist eine rotierende Welle mit einer Anzahl von Nocken auf, die in Gruppen (oder Packungen) über die Länge der Welle angebracht sind, wobei jede Gruppe ausgebildet ist, um mit einem oder mehreren Ventilen in jedem der Zylinder des Motors zusammenzuwirken. Bei der Drehung der Nockenwelle zwingen die Nocken die federbelasteten Ventile selektiv dazu, sich zu öffnen oder zu schließen, was davon abhängt, in welcher Phase des Betriebszyklus sich ein entsprechender Kolben befindet.
-
Die Nockenwelle ist an dem Nockenwellengehäuse, dem Zylinderkopf oder einer verwandten Motorstruktur durch ein Zusammenwirken zahlreicher Lagerzapfen an der Nockenwelle und eines komplementär geformten Lagers angebracht, das in dem Gehäuse gebildet ist. Die Nockenwellen-Lagerzapfen sind über die Länge der Welle derart intermittierend beabstandet, dass sie jede der Gruppen von Nocken in Segmente aufteilen. Während des Betriebs sind der Lagerzapfen und das Lager technisch nicht in Kontakt, da Öl oder ein verwandtes Schmiermittel dazwischen eingefügt ist, um einen dünnen Film in dem Bereich zwischen ihren angrenzenden Flächen zu bilden. Im gesamten Rest dieser Offenbarung wird die Anordnung des Lagerzapfens und des Lagers in Kontakt miteinander derart interpretiert, dass auch die vorstehend diskutierte Situation abgedeckt ist, bei der die zwei Flächen nur durch den dünnen Film eines Schmiermittels separiert sind.
-
Sogar mit einem solchen Schmiermittel ist die Umgebung rau, da hohe Temperaturen, hohe Drehzahlen und dazugehörige radiale Lasten gekoppelt mit der Notwendigkeit eines langfristigen, wartungsfreien Betriebs vorschreiben, dass der Lagerzapfen, der für eine Nockenwelle verwendet wird, aus hochfesten Materialien hergestellt wird, die mit sehr engen Toleranzen geformt werden können. Darüber hinaus schreibt eine Produktion im großen Umfang vor, dass der Lagerzapfen so günstig wie möglich herzustellen ist.
-
Austenitische Manganstähle (auch bekannt als Hadfield-Stähle oder Sheffield-Stähle) zeigen viele wünschenswerte Eigenschaften, die aus Gründen, die nachstehend dargelegt werden, bei Nockenwellen-Lagerzapfen brauchbar sein können. Solche Eigenschaften umfassen eine gute Verschleißfestigkeit, Härte, Verformbarkeit und ein nichtmagnetisches Verhalten, wobei diese letzte Eigenschaft wichtig ist, um zu ermöglichen, dass sich der Lagerzapfen in enger Nachbarschaft eines oder mehrerer magnetischer Positionssensoren befindet, die verwendet werden können, um eine Information bezogen auf die Nockenwellendrehung oder ähnliche Motorbetriebszustände zu liefern. Üblicherweise wurden austenitische Manganstähle in gegossener Form erzeugt; das Gießen weist jedoch eine Neigung auf, zahlreiche spröde Karbide an den Korngrenzen zu erzeugen. Eine Wärmebehandlung (beispielsweise ein Aufwärmen in den austenitischen Bereich, gefolgt von einem Abschrecken durch Wasser) bricht die Karbide auf, um eine maschinelle Bearbeitung oder andere Arbeitsgänge nach dem Gießen zu ermöglichen, sie benötigt aber einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt. Andere Schwierigkeiten treten ebenso bei gegossenen austenitischen Manganstählen auf. Beispielsweise ist ein Abschleifen nur in minimalem Umfang zulässig, und es bewirkt als solches, dass das Material eine signifikante Zunahme an Kaltverfestigung und eine gleichzeitige Abnahme an maschineller Bearbeitbarkeit durchläuft. Ein Warmschmieden von gesinterten Pulverpressteilen bei erhöhten Temperaturen (beispielsweise bis zu 1100°C) kann ebenso verwendet werden; dieses Verfahren ist jedoch für eine Produktion im großen Umfang nicht geeignet und daher nicht kommerziell durchführbar. Um diese Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitbarkeit zu vermeiden, verzichten die meisten Komponenten, die aus austenitischen Manganstählen gegossen werden, auf diese zusätzlichen Schritte, was unvorteilhafterweise zu Komponenten führt, welche die Fähigkeit der Materialien nicht vollständig nutzen können.
-
Es wurden noch andere Ansätze zum Erzeugen von austenitischen Manganstählen in Erwägung gezogen, wie beispielsweise die Pulver-Metallurgie (PM). Bei der PM umfasst das Aufbereitungsverfahren typischerweise ein Pressen (oder Verdichten) eines Pulvers, gefolgt von einem Sintern. Unvorteilhafterweise neigen die resultierenden Komponenten dazu, mechanische Eigenschaften aufzuweisen, die gegenüber denjenigen des herkömmlichen Gusses, der vorstehend diskutiert wurde, minderwertig sind. Speziell führt die hohe Sauerstoffaffinität des Mangans und des Chroms in der Legierung zu einem Material mit einer hohen Porosität und einer damit einhergehenden Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus ist ein gewisses Maß an Bearbeitung durch Nachsintern erforderlich, und wie vorstehend erwähnt wurde, sind austenitische Manganstähle für eine maschinelle Bearbeitung nicht zugänglich. Andere Prozesse, wie beispielsweise ein dynamisches Warmpressen (DHP), bei dem gesinterte Pulverpressteile bei erhöhten Temperaturen weiter verarbeitet werden (wie beispielsweise durch Schmieden), können verwendet werden. Diese weisen ebenso Nachteile auf, da Probleme mit der Umfangsvergrößerung für die Produktion, mit der Abmessungskontrolle und der Einheitlichkeit der Mikrostruktur verhindern können, dass ein solcher Ansatz Akzeptanz erlangt.
-
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren zum Erzeugen eines austenitischen Manganstahls zu entwickeln, der einer Produktion im großen Umfang zugänglich ist, während er seine strukturellen Eigenschaften vollständig ausnutzen kann. Spezieller ist es wünschenswert, Nockenwellen-Lagerzapfen und andere Komponenten einer Produktion mit hohem Volumen basierend auf austenitischen Manganstählen zu erzeugen, die unter Verwendung eines Prozesses herzustellen sind, der in der Lage ist, diese mit einer minimalen oder keiner maschinellen Bearbeitung endabmessungsnah zu erzeugen.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDING
-
Diese Wünsche können durch die vorliegende Erfindung erfüllt werden, durch die verbesserte Motorkomponenten und Verfahren zum Herstellen solcher Komponenten offenbart werden. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen eines nicht magnetischen Nockenwellen-Lagerzapfens unter Verwendung der DMC offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Formwerkzeug oder ein verwandtes Werkzeug mit einem Innenprofil geschaffen wird, das dem Außenprofil des Nockenwellen-Lagerzapfens, der gebildet werden soll, im Wesentlichen ähnlich ist, und in welchem das zubereitete Pulver, das letztlich einen austenitischen Manganstahl erzeugen würde, verwendet werden kann. In dem vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck „im Wesentlichen” auf eine Anordnung von Elementen oder Merkmalen, die, obwohl gemäß der Theorie erwartet werden würde, dass sie eine exakte Entsprechung oder ein exaktes Verhalten zeigt, in der Praxis etwas weniger als exakt verkörpert wird. Somit bezeichnet der Ausdruck ein Maß, um das ein quantitativer Wert, ein Messwert oder eine andere ähnliche Darstellung von einer genannten Referenz abweichen kann, ohne zu einer Veränderung in der Basisfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen.
-
Gemäß einer Ausbildung wird der austenitische Manganstahl pulverisiert. Zusätzlich kann das Verfahren optional umfassen, dass ein zweites Material in einem Teil des Formwerkzeug-Innenprofils des Lagerzapfens angeordnet wird. Wie vorstehend diskutiert wurde, ist dieses Verfahren für die Produktion des End-Lagerzapfens besonders relevant, der den Positionssensor entweder hält oder sich in dessen Nähe befindet. Indem zwei verschiedene Pulver eingebunden werden (d. h. das eine, das den austenitischen Manganstahl erzeugen würde, und das andere mit verbesserter maschineller Bearbeitbarkeit), kann ein Hybridansatz zum Erzeugen eines Lagerzapfens mit maßgeschneiderten Eigenschaften eingeführt werden. Ein solcher Ansatz könnte verwendet werden, um eine äußere Schicht zu erzeugen, die ein kalthärtbares Material nutzt, während ebenso die nichtmagnetischen Eigenschaften des austenitischen Manganstahls an bestimmten Orten des Lagerzapfens erhalten werden, wie beispielsweise für den zuvor erwähnten Positionssensor. Auf diese Weise kann der austenitische Manganstahl vernünftig angeordnet werden, wodurch ein besser maschinell bearbeitbares, günstigeres oder anderes zweites Material zugelassen wird, das (zusätzlich dazu, dass es andere magnetische Eigenschaften besitzt) andere Abnutzungs-, Reibungs- oder verwandte tribologische Eigenschaften als der austenitische Manganstahl besitzen kann. Ein solches zweites Pulver kann von Metallpulvern, Keramikpulvern und einer Kombination von beiden ausgewählt werden. Beispielsweise würde ein Material mit einer besseren maschinellen Bearbeitbarkeit und Formbarkeit ermöglichen, dass der Lagerzapfen unter Verwendung von beliebigen herkömmlichen Montageverfahren an der Nockenwelle montiert wird.
-
Andere optionale Schritte können verwendet werden. Beispielsweise kann die DMC verwendet werden, um den austenitischen Manganstahl in einen rohen Vorläufer zu verdichten (d. h. vor dem Sintern), wonach ein solcher Vorläufer verfestigt werden kann. Ein solches Verfestigen des rohen Vorläufers kann ein Sintern umfassen. Darüber hinaus können vor dem Sintern eine oder mehrere zusätzliche Formen in dem Lagerzapfen gebildet werden. Gemäß einer Ausbildung kann eine maschinelle Bearbeitung in dem rohen Zustand verwendet werden, um die Durchgänge für ein Schmiermittel zu bilden. Bei Ausbildungen, bei denen Öldurchgänge nützlich sein können, kann deren Bildung in einem rohen Zustand nützlich sein. Eine solche maschinelle Bearbeitung kann vor einer beliebigen Wärmebehandlung oder vor verwandten Verfestigungstechniken stattfinden. Bei einer Ausbildung wird die DMC erreicht, indem der austenitische Manganstahl in Pulverform im Innern einer elektrisch leitenden Hülse oder verwandten Armatur angeordnet wird und in dem anschließend ein elektrischer Strom durch eine Spule hindurchtritt, die um das Pulvermaterial und die Armatur herum derart angeordnet ist, dass der Strom ein Magnetfeld und einen daraus resultierenden magnetischen Druckpuls induziert, der auf die Armatur und das darin enthaltene Pulvermaterial ausgeübt wird. Gemäß einer anderen Option kann die maschinelle Bearbeitung des Lagerzapfens nach der Bildung ausgeführt werden, bevor bei einer Schutzgas- oder einer ähnlichen schützenden Atmosphäre gesintert wird.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen eines Nockenwellen-Lagerzapfens offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Formwerkzeug, eine Vorlage oder eine verwandte Struktur mit einem Innenprofil geschaffen wird, das im Wesentlichen eine Außenfläche des Nockenwellen-Lagerzapfens definiert, und in welchem ein verdichtbarer austenitischer Manganstahl angeordnet wird. Wie bei dem vorhergehenden Aspekt ist es ein signifikanter Vorteil gegenüber dem DMC-Prozess aus dem Stand der Technik, dass nichtaxialsymmetrische und ähnliche unregelmäßige Komponentenformen gebildet werden können.
-
Der austenitische Manganstahl liegt vor der Anordnung in dem Formwerkzeug optional in Pulverform vor. Gemäß anderen Optionen können zusätzliche Schritte, wie beispielsweise ein Sintern oder eine verwandte Wärmebehandlung, eine maschinelle Bearbeitung oder eine Kombination des Vorstehenden, ausgeführt werden, um die Nockenwelle in eine beständigere Form zu bringen. Wie bei dem ersten Aspekt kann dieser Aspekt ebenso Materialien mit anderen tribologischen Eigenschaften als diejenigen des austenitischen Manganstahls umfassen. Auf diese Weise können Metalllegierungen mit spezieller Zusammensetzung an Abschnitten der Außenfläche des Nockenwellen-Lagerzapfens strategisch angeordnet werden, um die Materialeigenschaften gemäß den Notwendigkeiten des Nockenwellen-Lagerzapfens maßzuschneidern. Alternativ könnten besser maschinell bearbeitbare oder Stahlpulver mit magnetisierbarer Zusammensetzung in dem Inneren des Lagerzapfens angeordnet werden.
-
Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Nockenwellen-Lagerzapfens offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Formwerkzeug mit einem Innenprofil geschaffen wird, das im Wesentlichen eine Außenfläche eines Lagerzapfens definiert, dass ein verdichtbarer austenitischer Manganstahl in zumindest einem Abschnitt des Formwerkzeug-Innenprofils angeordnet wird und dass zumindest der Lagerzapfen unter Verwendung der DMC gebildet wird.
-
Das Verfahren umfasst optional, dass ein pulverisierter austenitischer Manganstahl verwendet wird. Gemäß einer spezielleren Ausbildung können eine maschinelle Bearbeitung, eine Wärmebehandlung oder beides an dem Lagerzapfen ausgeführt werden, nachdem er durch den DMC-Prozess gebildet wurde. Beispielsweise kann, wie vorstehend diskutiert wurde, der Durchgang in den Lagerzapfen maschinell eingearbeitet werden, wenn sich letzterer noch in dem rohen Zustand befindet.
-
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerzapfens aus einer Mehrfach-Vorläuferzusammensetzung beschrieben. Das Verfahren umfasst, dass Stahlpulver verwendet werden, von denen eines einer vergleichsweise maschinell bearbeitbaren Legierung entspricht, die für einen Abschnitt des Lagerzapfens geeignet ist, und von denen das andere einer im Wesentlichen nicht magnetischen Legierung entspricht, die zur Verwendung an einem anderen Abschnitt des Lagerzapfens geeignet ist.
-
Gemäß einer optionalen Ausbildung umfasst das Verfahren die Verbindung oder die dazugehörige Montage des Lagerzapfens an der Nockenwelle. Gemäß einer anderen Option würde die vergleichsweise maschinell bearbeitbare Zusammensetzung entsprechende magnetische Eigenschaften besitzen, und ihre Verwendung würde dementsprechend auf einen inneren Abschnitt des Lagerzapfens beschränkt sein. Darüber hinaus würde die im Wesentlichen nichtmagnetische Zusammensetzung, wie beispielsweise eine solche, die für Hadfield-Stähle typisch ist, an einem exponierten, äußeren Abschnitt des Lagerzapfens verwendet werden. Gemäß einer anderen Option werden der erste und der zweite Abschnitt der Form derart entlang einer Drehachse angeordnet, dass dann, wenn ein Lagerzapfen, der durch die Form erzeugt wird, gebildet wird, der erste und der zweite Stahlvorläufer (die beispielsweise einem magnetischen und einem nichtmagnetischen Stahl entsprechen) im Wesentlichen diskrete axiale Abschnitte des Lagerzapfens einnehmen. Gemäß einer anderen Ausbildung kann der magnetische Materialteil aus einer separaten Scheibe oder Platte gebildet sein, die derart an einem axialen Ende des Lagerzapfens oder in dessen Nähe angeordnet werden kann, dass in den Fällen, in denen ein Sensor verwendet wird, um eine Rotationsinformation über die Nockenwelle, die Scheibe oder die Platte (die zu einem Rotieren zusammen mit der Nockenwelle und dem Lagerzapfen veranlasst werden kann) zu erfassen, dies in Verbindung mit Diskontiunuitäten, Unterbrechungen oder verwandten Schwankungen ausgeführt werden kann, die in dem Umfang der Scheibe oder Platte gebildet werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
-
Die folgende ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet wird und von denen:
-
1A bis 1C die verschiedenen Schritte zeigen, die in dem DMC-Prozess aus dem Stand der Technik zum Herstellen einer zylinderförmigen Pulverkomponente verwendet werden;
-
2 eine Draufansicht eines zylindrischen Teils zeigt, das mit dem DMC-Prozess aus dem Stand der Technik hergestellt wird;
-
3 eine Ansicht einer Nockenwelle mit Lagerzapfen zeigt, die durch einen modifizierten DMC-Prozess gemäß eifern Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt werden;
-
4 eine andere Ansicht eines der Nockenwellen-Lagerzapfen von 3 zeigt;
-
5A und 5B ein vereinfachtes Formwerkzeug und einen Nockenwellen-Lagerzapfen zeigen, sowohl vor (5A) als auch nach (5B) dem modifizierten DMC-Prozess der vorliegenden Erfindung; und
-
6 eine teilweise Schnittansicht eines Kraftfahrzeugmotors mit einer Nockenwelle zeigt, die einen oder mehrere Lagerzapfen verwendet, die durch den modifizierten DMC-Prozess der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Anfänglich auf 1A bis 1C und 2 Bezug nehmend, ist ein herkömmlicher DMC-Prozess gezeigt, mit dem eine im Wesentlichen zylinderförmige Komponente erzeugt wird. 1A zeigt ein Pulvermaterial 10, das in einer elektrisch leitenden zylindrischen Armatur 20 (auch eine Hülse genannt) angeordnet ist. Eine Spule 30 ist derart mit einer Gleichstrom-Leistungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden, dass ein elektrischer Strom durch die Spule 30 hindurchtreten kann. Das Pulvermaterial 10 füllt die elektrisch leitende Armatur 20 im Wesentlichen aus. Speziell auf 1B Bezug nehmend, wird dafür gesorgt, dass ein großer Betrag an elektrischem Strom 40 durch die Spule 30 strömt; dieser Strom induziert ein Magnetfeld 50 in einer senkrechten Richtung, das wiederum einen magnetischen Druckpuls 60 aufbaut, der auf den elektrisch leitenden Behälter 20 ausgeübt wird. Dieser radial nach innen gerichtete Druck wirkt derart, dass der Behälter 20 komprimiert wird, was bewirkt, dass das Pulvermaterial 10 in einer sehr kurzen Zeitspanne (beispielsweise weniger als eine Sekunde) und bei relativ niedrigen Temperaturen in ein vollständig verdichtetes Teil verdichtet wird. Zusätzlich kann dieser Arbeitsschritt (falls nötig) in einer kontrollierten Umgebung ausgeführt werden, um zu vermeiden, dass das verfestigte Material verunreinigt wird. Beispielsweise kann der Stromfluss durch die Spule 30 in der Größenordnung von 100.000 Ampere bei einer Spannung von ungefähr 4.000 Volt liegen, obwohl einzusehen ist, dass andere Werte des Stroms und der Spannung verwendet werden können, was von den Charakteristiken des Behälters 20 und des Pulvermaterials 10 in diesem abhängt. Speziell auf 1C Bezug nehmend, sind die Armatur 20 und das Pulvermaterial 10 als infolge des DMC-Prozesses komprimiert gezeigt (wobei sie eine kleinere Querabmessung als die vorhergehende Größe von 1A einnehmen).
-
Speziell auf 2 Bezug nehmend, ist eine Draufsicht einer fiktiven zylindrischen DMC-Behälterstruktur gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei das lose gehaltene Pulver 10 in dem elektrisch leitenden runden Behälter 20 in Erwartung der verdichtenden Kraft angeordnet ist, die aufgrund des Magnetfelds entsteht, das durch einen plötzlichen Durchgang eines großen Strombetrags durch die Spule 30 aufgebaut wird. Dieser induzierte Strom erzeugt ein zweites Magnetfeld, das durch seine Größe und Richtung das erste Magnetfeld zurückdrängt. Dieses wechselseitige Zurückdrängen bewirkt, dass der Behälter 20 komprimiert wird, was wiederum einen Druck auf das Pulver 10 ausübt und seine Verdichtung bewirkt. Die Spule 30 ist innerhalb einer äußeren Behälterhülse 70 angeordnet, um die Spule 30 gegenüber einer radial nach außen gerichteten Ausdehnung zurückzuhalten, wenn sie durch das zweite Magnetfeld zurückgedrängt wird.
-
Die chemische Zusammensetzung der austenitischen Manganstähle ist vorzugsweise ungefähr 1,0 bis 1,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C), ungefähr 10,0 bis 15,0 Gewichtsprozent Mangan (Mn), ungefähr 0,3 bis 1,5 Gewichtsprozent Silizium (Si), bis zu ungefähr 0,07 Gewichtsprozent Phosphor (P) und bis zu ungefähr 0,07 Gewichtsprozent Schwefel (S), wobei der Rest aus Eisen (Fe) besteht. Die Verwendung der DMC, um die speziell zubereiteten Pulver in eine gewünschte Form mit einer gewünschten chemischen Zusammensetzung zu verdichten, würde einen neuartigen Weg zum Verarbeiten dieser schwer zu verarbeitenden Klasse von Materialien ermöglichen. Wie vorstehend diskutiert wurde, könnte die Komponente anschließend in dem rohen Zustand maschinell bearbeitet werden und später in einer schützenden Atmosphäre gesintert werden, falls dies notwendig ist. Zusätzlich zum Vermeiden der PM-Porosität erfordert die DMC kein teures zeitaufwendiges Vorheizen, was sie damit verträglich macht, eine rohe Komponente maschinell zu bearbeiten und anschließend mit Wärme zu behandeln.
-
Als Nächstes auf 3 Bezug nehmend, ist eine Nockenwelle 100 gezeigt, die einen allgemein länglichen Wellenkörper mit zahlreichen Nockengruppen 110, 120, 130 und 140 definiert, die axial über die Länge des Körpers beabstandet sind. Unter Verwendung der ersten Nockengruppe 110 als ein Beispiel sind zahlreiche Nocken 110A, 110B und 110C bezüglich des Winkels relativ zueinander verschoben, um das Öffnen und Schließen von Motorventilen (nicht gezeigt) in einer Weise auszuführen, die Fachleuten bekannt ist. Wie Fachleute ebenso verstehen werden, erstreckt sich ein Höcker von jedem Nocken 110A, 110B und 110C, um dessen im Allgemeinen nichtaxialsymmetrisches Axialprofil zu definieren. Obgleich die gezeigte Nockenwelle 100 vier separate Nockengruppen 110, 120, 130 und 140 aufweist (die als eine Einlass- oder Auslassnockenwelle für einen Motor mit vier oder acht Zylindern verwendet werden könnten), werden Fachleute der Motortechnik einsehen, dass andere Nockenwellen-Ausbildungen in Übereinstimmung mit den Notwendigkeiten eines speziellen Motors ebenso innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
-
Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 sind zwischen jeder von den Nockengruppen 110, 120, 130 und 140 beabstandet und übertragen die Rotationslasten der Nockenwelle 100 auf ein Nockenwellengehäuse, einen Zylinderkopf oder eine ähnliche Motorstruktur (von denen keine gezeigt ist) durch Lager, die eine im Wesentlichen glatte Oberfläche definieren, die als Teil einer solchen Struktur gebildet ist. Anders als die Nocken innerhalb der verschiedenen Nockengruppen 110, 120, 130 und 140 definieren die Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 ein im Wesentlichen axialsymmetrisches Profil, um ein glattes Zusammenwirken bezüglich der Rotation mit den entsprechenden Lagern zu erleichtern. Nockendeckel (ebenso nicht gezeigt) können verwendet werden, um den verbleibenden inneren Laufring der Lager als einen Weg zu bilden, um die Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 in den Lagern zu befestigen. Bei einer Ausbildung können die Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 durch eine Schrumpfpassung oder andere bekannte Verfahren an der Nockenwelle 100 befestigt werden. Die Nockenwelle 100 kann zusätzliche Komponenten aufweisen, die an dem Körper gebildet oder an diesem befestigt sind, wie beispielsweise ein Zahnrad 200, das mit einem Kurbelwellenzahnrad (nicht gezeigt) in Eingriff stehen kann, und ein Zahnrad 210, das verwendet werden kann, um eine Verteilerkappe oder eine Ölpumpe (von denen keine gezeigt ist) anzutreiben. Wie vorstehend diskutiert wurde, kann ein vorgemischtes Pulver der gewünschten Zusammensetzung in einen Formwerkzeug-Hohlraum eingebracht werden, der in der Form der verschiedenen Komponenten der Nockenwelle 100, insbesondere der Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190, gebildet ist.
-
Als Nächstes auf 4 Bezug nehmend, ist einer der Lagerzapfen 150 gekoppelt mit einem Teil der Nockenwelle 100 gezeigt, in dem ein Zahnrad (wie beispielsweise das Zahnrad 210, das in 3 gezeigt ist) oder eine andere Komponente angeordnet sein kann. Eine dünne Scheibe 300 aus herkömmlichem Stahl ist axial benachbart zu einem Ende des Lagerzapfens 150 oder in Kontakt mit diesem angeordnet und weist einen oder mehrere Schlitze 305 auf, die an dessen Umfang gebildet sind. Bei einer Ausbildung kann die Scheibe 300 durch bekannte Mittel starr an der Welle fixiert sein, so dass sie mit derselben Geschwindigkeit wie der Lagerzapfen 150 und in Verlängerung wie die Nockenwelle 100 rotiert. Die Scheibe 300, die mit einem herkömmlichen Pulvermetallansatz hergestellt oder gebildet sein kann und in welche die Schlitze 305 anschließend geschnitten werden, kann in Verbindung mit einem magnetischen Sensor 400 verwendet werden, um ein Signal zu erzeugen, das dem Durchtritt der Schlitze 305 (und deren dazugehöriger Magnetfeld-Diskontinuität) entspricht, was wiederum Indizien für den Rotationszustand der Nockenwelle 100 liefert. Ein Draht 405 übermittelt das detektierte Signal von dem Sensor 400 zu einem Controller (nicht gezeigt) oder einer verwandten Einrichtung, um eine Zeitpunktinformation oder eine andere Betriebsinformation zu liefern. Die Zusammensetzung aus Manganstahl und dessen dazugehörige nichtmagnetische Eigenschaft wären für den Lagerzapfen 150 vorteilhaft, da ansonsten seine Anwesenheit in Form eines magnetischen Metalls die Erzeugung von Signalen in dem Sensor 400 stören würde. Gemäß einem optionalen Merkmal kann ein Durchgang (nicht gezeigt) für Öl (oder ein Schmiermittel) in dem Lagerzapfen 150 gebildet werden, um das Schmiermittel durch eine innere Fluidkopplung, die im Innern des Lagerzapfens 150 gebildet ist, an das Lager und den Lagerzapfen 150 zu liefern.
-
Ein DMC-Werkzeug (einschließlich der Verdrahtung, die den Durchgang von elektrischem Strom ermöglicht) wird um den Formwerkzeug-Hohlraum herum angeordnet. Bei dem Durchgang des elektrischen Stroms (und der daraus resultierenden Erzeugung eines Paares von entgegengesetzten Magnetfeldern) wird das Pulver in dem Formwerkzeug-Hohlraum endabmessungsnah verdichtet. Auf ähnliche Weise kann eine beliebige Sinterung, falls erforderlich, in einem Brennofen mit kontrollierter Atmosphäre erreicht werden, wobei die Sauerstoffmenge in dem Brennofen streng kontrolliert wird. Diesem Schritt kann eine kontrollierte Abkühlung folgen, die ein Abschrecken mit Wasser umfassen kann oder nicht umfassen kann. Indem ein beliebiger von den Arbeitsschritten der maschinellen Bearbeitung oder von anderen Arbeitsschritten nach der Verdichtung vor dem abschließenden Sinterungsschritt ausgeführt wird, überwindet das vorliegende Verfahren die Schwierigkeit, die vollständig verarbeitete austenitische Manganstähle (mit ihrer dazugehörigen Härte) aus dem Stand der Technik erfahren haben. Auf diese Weise können Lagerzapfen aus austenitischem Manganstahl hergestellt werden, der bisher als ein Material für eine Produktion im großen Umfang nicht praktikabel war.
-
Als Nächstes auf 5A und 5B Bezug nehmend, ist ein Aufbau 500 gezeigt, der verwendet wird, um den Nockenwellen-Lagerzapfen unter Verwendung des DMC-Prozesses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung herzustellen. Eine elektrisch leitende Spule 530 ist um eine Hülse 525 herum gewunden (die aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt ist), die umlaufend um eine Pulvermasse 540 herum angeordnet ist, die in einem Formwerkzeug 550 enthalten ist. Wie es gezeigt ist, ist ein Spalt (als Beispiel, und ein Luftspalt) 135 zwischen der Spule 530 und der Hülse 525 angeordnet. Wie bei der herkömmlichen DMC nutzt der vorliegende DMC-basierte Prozess den elektrischen Strom, der durch die Spule 530 fließt, um eine magnetisch komprimierende Kraft auf die Hülse 525, das Formwerkzeug 550 und die Pulver-Vorläufermaterialien 540 in diesen auszuüben. Die Innenfläche des Formwerkzeugs 550 ist auf ähnliche Weise geformt wie die gewünschte Außenform des Lagerzapfens 150 der Nockenwelle 100, der gebildet werden soll. Das Formwerkzeug 550 kann zahlreiche wieder verwendbare Segmente aufweisen, die in verschiedenen Formen vorliegen können (beispielsweise geviertelt, nicht gezeigt). Eine zentrale Bohrung kann in dem Lagerzapfen 150 durch die Einbindung eines geeignet geformten Dorns oder einer geeignet geformten Kernstange 560 während des Bildungsprozesses gebildet werden. Die Hülse 525 und das Formwerkzeug 550 werden durch die magnetischen Kräfte komprimiert, die durch die Spule 530 erzeugt werden; dies bewirkt wiederum, dass die Pulver-Vorläufermaterialien 540 durch die Kompressionskräfte verformt werden, was zu der Bildung eines rohen oder ungesinterten Lagerzapfes 150 führt, der anschließend ein herkömmliches Sintern, maschinelles Bearbeiten oder ähnliche Nachbearbeitungsschritte, (von denen keiner gezeigt ist) durchlaufen kann. Wie vorstehend diskutiert wurde, kann eine separate Scheibe 300 (in 4 gezeigt) mit einem oder mehreren der Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 gekoppelt sein, um die Verwendung eines Sensors oder einer verwandten Einrichtung zu ermöglichen, um Betriebsparameter (wie beispielsweise Rotationseigenschaften) der Nockenwelle 100 abzuleiten.
-
Unter spezieller Bezugnahme auf 6 sind Abschnitte der Oberseite eines Kraftfahrzeugmotors 1000, die eine Nockenwelle 100 mit einem der Nocken 110A der Nockengruppe 110 einschließt, für eine fiktive Nockenausgestaltung mit oben liegendem, direkt wirkendem Stößel gezeigt. Ein Zylinderkopf 1200 weist Einlassöffnungen 1240 und Auslassöffnungen 1250 mit entsprechenden Einlass- und Auslassventilen 1400, 1500 auf, um die eintretende Luft bzw. die verbrauchten Verbrennungsnebenprodukte weiterzuleiten, die durch einen Verbrennungsprozess erzeugt werden, der zwischen dem Kolben 1300 und einer Zündkerze (nicht gezeigt) in dem Zylinder stattfindet. Wenn der Abschnitt mit Höcker des Nockens 110A in einen Eingriff mit der Oberseite des Ventils 1500 rotiert, drückt er das Ventil 1500 abwärts, um die Vorspannung zu überwinden, die durch eine Feder 1600 gebildet wird, wodurch das Ventil 1500 zum Öffnen gezwungen wird und dem Abgas ermöglicht wird, das sich in dem Zylinder oberhalb des Kolbens 1500 gebildet hat, zu entweichen. Wie zuvor diskutiert wurde, wird die Nockenwelle 100 durch eine äußere Quelle, wie beispielsweise eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) durch das in 4 gezeigte Zahnrad 200 angetrieben. Es ist einzusehen, dass eine ähnliche Struktur für das Einlassventil 1400 umfasst ist, die wegen der Klarheit jedoch aus der vorliegenden Zeichnung entfernt ist. Die Härte des austenitischen Manganstahls stellt sicher, dass die Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190 signifikante Lasten über verlängerte Betriebszeiträume aushalten können, während ihr nichtmagnetischer Charakter sicherstellt, dass sie magnetisch basierte Sensoren (wie beispielsweise den Sensor 300, der in 4 gezeigt ist) nicht stören, die in der Nähe angeordnet sind. Fachleute werden einsehen, dass die Ventiltrieb-Architektur, die als zu dem Motor 1000 gehörig gezeigt ist und die einen direkt wirkenden Stößel umfasst, nur zur Veranschaulichung dient und dass die Nockenwelle 100 und ihre Lagerzapfen 150, 160, 170, 180 und 190, die unter Verwendung des DMC-Prozesses hergestellt werden, wie es hierin beschrieben ist, gleichermaßen auf andere Ventiltrieb-Architekturen (nicht gezeigt) anwendbar sind.
-
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details zu den Zwecken gezeigt wurden, die Erfindung zu veranschaulichen, werden Fachleute einsehen, dass verschiedene Veränderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
