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Die Erfindung betrifft ein Nocken-Schiebestück für eine Nockenwelle eines Kraftwagens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der WO 2011/ 072 782 A1 ist eine schaltbare Nockenwelle mit axial verschieblichen Nockenträgern bekannt, durch deren axiale Verschiebung unterschiedliche Nockenlaufbahnen zur Anwendung gebracht werden können, um dergestalt den Ventilhub eines Verbrennungsmotors mit einer solchen Nockenwelle anforderungsgemäß variieren zu können. Die axial verschieblichen Nockenträger sind dabei mehrteilig ausgeführt.
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Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, da ein derartiger Nockenträger bzw. ein derartiges Nocken-Schiebestück eine Mehrzahl von teils widersprüchlichen Eigenschaften miteinander kombinieren muss. Zum einen muss eine sichere axiale Verschieblichkeit auf der Welle gegeben sein, die Ventilbetätigungseigenschaften müssen denen einer konventionellen Nockenwelle entsprechen, und Abschnitte der Nockenträger müssen eine Eignung zur Wälz- und/oder Gleitlagerung aufweisen.
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In der
DE 10 2005 061 980 B4 wird vorgeschlagen, diese lokal unterschiedlichen Anforderungen dadurch zu erfüllen, dass unterschiedliche Bereiche der Nockenwelle auf unterschiedliche Weise gehärtet werden. Die Nockenwelle als Ganzes wird einer Diffusionshärtung unterzogen, und anschließend werden die Nockenlaufflächen nochmals gehärtet, vorzugsweise mittels Elektronenstrahlhärtens. Auf diese Weise soll eine Nockenwelle erzeugt werden, die den mechanischen Anforderungen an die Nockenwelle genügt und eine minimale Nacharbeit im gehärteten Zustand erfordert.
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Alternativ können für verschiedene Bereiche einer Nockenwelle oder eines Nocken-Schiebestücks unterschiedliche Materialien verwendet werden, um den unterschiedlichen Beanspruchungen dieser Funktionsbereiche gerecht zu werden. Während derart eine besonders gut belastbare Nockenwelle geschaffen werden kann, ist die Herstellung von mehrteiligen Nockenträgern bzw. Nocken-Schiebestücken jedoch sehr aufwändig und erhöht daher Herstellungskosten und Herstellungszeit beträchtlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Nocken-Schiebestück nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, sodass eine besonders schnelle, einfache und kostengünstige Fertigung des mechanisch besonders gut an die Belastungen im Dauerbetrieb ausgelegten Nocken-Schiebestücks ermöglicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Nocken-Schiebestück mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Nocken-Schiebestück für eine Nockenwelle eines Kraftwagens ist mittels einer Aufnahmeöffnung verschieblich auf einem Wellengrundkörper der Nockenwelle aufnehmbar und weist zumindest einen Hohlwellenabschnitt sowie mindestens zwei Nocken mit geometrisch unterschiedlichen Nockenfunktionsflächen auf, wobei einer der Nocken auch eine kreisförmige Kontur haben kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Nocken-Schiebestück einstückig ausgebildet und zumindest iin einem Wälzlagerbereich des Hohlwellenabschnitts induktiv gehärtet ist.
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Der Wälzlagerbereich des Nocken-Schiebestücks unterliegt im Betrieb hohen Belastungen und muss daher in geeigneter Weise gestaltet werden. Bei gebauten Nocken-Schiebestücken, die aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt werden, wird dies dadurch erreicht, dass auf die Hohlwelle des Nocken-Schiebestücks ein aus einem geeigneten Werkstoff gefertigter Wälzlager-Innenring aufgefädelt wird, bevor die Nocken auf der Hohlwelle befestigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen einstückig gefertigten Nocken-Schiebestück ist dies nicht möglich, da die einstückig ausgebildeten Nocken ein Auffädeln eines solchen Innenrings verhindern. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, einen Wälzlagerbereich des Hohlwellenabschnitts als Wälzlager-Innenring auszustalten und in einer solchen Weise zu härten, dass er die für ein solches Lager geforderten Festigkeiten aufweist. Um im Lagerbereich lokal eine martensitische Gefügestruktur zu erreichen, wird dieser Bereich daher induktiv randschicht- oder durchgehärtet.
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Durch die einstückige Fertigung eines solchen Nocken-Schiebestücks kann dieses besonders schnell und kostengünstig hergestellt werden, während gleichzeitig durch die lokale induktive Härtung zumindest im Wälzlagerbereich des Hohlwellenabschnitts die Materialeigenschaften des Nocken-Schiebestücks lokal für in diesem Bereich auftretenden Betriebsbelastungen optimiert werden können.
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Zusätzlich zu der induktiven Härtung des Wälzlagerbereichs ist das Nocken-Schiebestück im Bereich der Nockenfunktionsflächen lasergehärtet, um auch dort die Gefügestruktur in einer solchen Weise zu beeinflussen, dass die Nocken den im Betrieb auftretenden Belastungen widerstehen können. Um dies zu erreichen, wird lokal eine martensitische Gefügestruktur eingestellt, was durch Laserhärten bewirkt wird. Das Laserhärten wirkt minimalinvasiv und erzeugt nur geringe Verzüge, so dass eine spanende Nachbearbeitung der gehärteten Bereiche der Nockenfunktionsflächen ggf. entfallen kann. Beim Laserhärten besteht weiterhin die Option, das Nocken-Schiebestück mit Wasser gezielt gegenzukühlen, um das Härteergebnis den jeweiligen Anforderungen entsprechend positiv zu beeinflussen. Dies bietet verfahrenstechnische Vorteile; beispielsweise kann eine größere Härtetiefe erreicht werden.
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Neben dem Wälzlager und den Nockenfunktionsflächen kann das Nocken-Schiebestück weitere Funktionsbereiche umfassen, insbesondere einen Schaltspurbereich, ein Arretierelement zur Begrenzung der axialen Verschiebung, ein Stellelement oder dergleichen. Durch die vorzugsweise ebenfalls einstückige Integration derartiger Funktionsteile werden die Herstellungskosten weiter verringert und die prozesssichere Fertigung von komplexen Nocken-Schiebestücken mit hoher Funktionsintegration ermöglicht.
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Sofern es aus Funktionsgründen des Nocken-Schiebestücks nicht unbedingt notwendig ist, erfolgt in den weiteren Funktionsbereichen keine Oberflächenhärtung, was Kosten einspart. Sollte eine Oberflächenhärtung in einem oder mehreren Funktionsbereichen notwendig sein, so werden die Funktionselemente vorteilhafterweise lokal martensitisch randschicht- oder durchgehärtet. Auf diese Weise kann eine besonders große und optimal an die Betriebsbelastungen angepasste Variabilität der Materialeigenschaften erreicht werden..
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Als Werkstoff für das Nocken-Schiebestück eignet sich besonders gut ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 1,1 Gewichtsprozent, insbesondere C56E2, da derartige Stähle besonders gute Härtungseigenschaften aufweisen und in einem weiten Eigenschaftsbereich modifiziert werden können.
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Offenbart ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Nocken-Schiebestücks für eine Nockenwelle eines Kraftwagens, bei welchem das Nocken-Schiebestück einstückig durch Umformen und/oder Zerspanen gefertigt und zumindest in einem auf dem Nocken-Schiebestück vorgesehenen Wälzlagerbereich induktiv gehärtet wird. Zusätzlich kann das Nocken-Schiebestück im Bereich zweier geometrisch unterschiedlicher Nockenfunktionsflächen thermisch, insbesondere durch Laserhärten und/oder Induktivhärten, gehärtet werden. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Nocken-Schiebestücks geschildert, kann auf diese Art besonders schnell, einfach und kostengünstig ein Nocken-Schiebestück geschaffen werden, dass die gewünschten Materialeigenschaften in seinen besonders belasteten Bereichen aufweist, ohne dass eine mehrteilige Konstruktion notwendig ist.
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Auch hier ist es zweckmäßig, wenigstens einen weiteren Funktionsbereich, insbesondere einen Schaltspurbereich, ein Arretierelement, ein Stellelement oder dergleichen am Nocken-Schiebestück auszuformen und gegebenenfalls - der funktionalen Anforderung an diesen Funktionsbereich entsprechend - das Nocken-Schiebestück in diesem Funktionsbereich zusätzlich martensitisch lokal randschicht- oder durchzuhärten. Für jeden solchen Funktionsbereich können somit die Oberflächen- oder auch Tiefeneigenschaften des Materials des Nocken-Schiebestücks individuell angepasst werden, sodass auf eine mehrteilige Fertigung verzichtet werden kann, ohne dass Qualitätseinbußen auftreten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Nocken-Schiebestück durch Warmumformen oder Halbwarmumformen bei 200°C bis 600°C oder durch Kaltumformen gefertigt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Umformung ausgehend von einem Stangen- oder Rohrmaterial durchzuführen, wobei im Zuge der Herstellung des Nocken-Schiebestücks können vor und/oder nach dem Umformschritt spanende Bearbeitungsschritte erfolgen können.
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Alternativ zu einer umformtechnischen Erzeugung der Rohkontur des Nocken-Schiebestücks kann die Rohkontur auch direkt durch spanende Bearbeitung eines stangen- oder rohrförmigen Ausgangsmaterials hergestellt werden. Dabei kann das stangen- oder rohrförmige Ausgangsmaterial bereits in einem angeformten Zustand vorliegen, in dem Elemente des Nocken-Schiebestücks bereits (wenn auch unvollständig) dargestellt sind.
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Gegebenenfalls kann im Zuge des Herstellungsprozesses eine Wärmebehandlung, insbesondere durch Anlassen, Weichglühen oder Normalisierungsglühen oder eine Kombination dieser Verfahren durchgeführt werden, um zu den gewünschten Materialeigenschaften zu gelangen. Auch das zumindest örtliche Aufbringen von Funktionsbeschichtungen, beispielsweise durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, ist möglich, bevorzugt im endbearbeiteten Zustand. Auf diese Weise können reibleistungsmindernde und/oder verschleißmindernde Oberflächenzustände erreicht werden.
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Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Nocken-Schiebestücks erläutert, empfiehlt es sich, zur Herstellung des Nocken-Schiebestücks einen Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 1,1 Gewichtsprozent, insbesondere einen Stahl des Typs C56E2, zu verwenden.
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Im Folgenden wird die Erfindung und die Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Nockenwelle mit einem verschieblich auf einem Wellengrundkörper dieser Nockenwelle gelagerten Nocken-Schiebestück;
- 1b eine schematische Schnittdarstellung des Nocken-Schiebestücks der 1a;
- 2 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Nocken-Schiebestücks mit einem Wälzlager und zwei Nockenbereichen mit jeweils zwei Nockenfunktionsflächen;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Nocken-Schiebestücks mit einem Wälzlager, zwei Nockenbereichen mit zwei Nockenfunktionsflächen sowie einem Schaltspurbereich;
- 4 eine schematische Seitenansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Nocken-Schiebestücks mit einem Wälzlager, zwei Nockenbereichen mit jeweils zwei Nockenfunktionsflächen und einem gefügten, separat hergestellten Schaltspurbereich.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Nocken-Schiebestück für eine Nockenwelle 1 eines Kraftwagens umfasst zumindest zwei Nocken 12, 13 mit Nockenfunktionsflächen 15, 16 sowie einen Hohlwellenabschnitt 11 und ist über eine Aufnahmeöffnung 18 axial verschiebbar auf einem Nockenwellengrundkörper 2 der Nockenwelle 1 aufnehmbar (siehe 1a und 1b). Durch Verschieben des Nocken-Schiebestückes 10 auf der Nockenwelle 1 können die Nocken 12, 13 alternativ in Eingriff mit den Ventilen einer Brennkraftmaschine eines Kraftwagens gebracht werden, sodass situationsabhängig der Ventilhub geändert werden kann, um so die Verbrauchswerte des Kraftwagens zu verbessern. Um sicherzustellen, dass das Nocken-Schiebestück 10 auf dem Nockenwellengrundkörper 2 zwar axial verschieblich, aber drehsicher gelagert werden kann, ist der Nockenwellengrundkörper 2 abschnittsweise mit einer axial verlaufenden Außenverzahnung 3 versehen, in die eine in die Aufnahmeöffnung 18 des Nocken-Schiebestücks 10 eingearbeitete Längsverzahnung 19 formschlüssig eingreift. Die Längsverzahnung 19 kann die gesamte Baulänge der Aufnahmeöffnung 18 überspannen oder - wie in 1 b dargestellt - auf einen oder mehrere Abschnitte dieser Aufnahmeöffnung 18 beschränkt sein.
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Das Nocken-Schiebestück 10 umfasst im Bereich des Hohlwellenkörpers 11 einen Lagerbereich 22 für ein Wälzlager, in dem das Nocken-Schiebestück 10 einen Innenring einer Wälzlagerung der Nockenwelle 1 bildet. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Lagerringe verzichtet werden, was eine besonders einfache Konstruktion einer derartigen schaltbaren Nockenwelle ermöglicht und dabei kosten-, gewichts- und bauraumsparend ist. In dem Lagerbereich 22 ist der Hohlwellenkörper 11 induktiv randschichtgehärtet. Durch diese Härtung wird im Wälzlagerbereich 22 eine martensitische Gefügestruktur erzeugt, welche eine hohe Widerstandskraft gegenüber den hohen auf Wälzlager typischerweise wirkenden Belastungen bewirkt. Alternativ zur Randschichthärtung im Wälzlagerbereich 22 kann auch eine komplette martensitische Durchhärtung des Mantels zwischen Außenoberfläche des Hohlwellenabschnitts 11 und der Aufnahmeöffnung 18 durchgeführt werden.
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Um eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Nocken-Schiebestücks 10 zu ermöglichen, wird das Nocken-Schiebestück 10 durch Umformen und/oder spanende Bearbeitung aus einem kohlenstoffhaltigen Stahl, insbesondere aus C56E2 gefertigt. Als Ausgangsmaterial kann insbesondere ein stangen- oder rohrförmiger Stahlrohling verwendet werden. In einem spanenden Bearbeitungsschritt werden insbesondere die Nocken 12, 13 durch Fräsen in die gewünschte Form gebracht. Während oder nach der Herstellung des Nocken-Schiebestück-Rohlings durch Umformen und/oder spanende Bearbeitung wird in den Bereich der Aufnahmeöffnung 18 die Längsverzahnung 19 eingebracht, die das Nocken-Schiebestück 10 verdrehsicher am Wellengrundkörper 2 hält. Diese Innenverzahnung wird beispielsweise durch Räumen erzeugt. Nach der spanenden Bearbeitung erfolgt eine induktive Härtung des Wälzlagerbereichs 22. Weiterhin werden die Nockenfunktionsflächen 15, 16 durch Laserhärtung (und/oder durch Induktionshärtung) gehärtet. Hierdurch wird sichergestellt, dass diese Funktionsflächen 15, 16 den hohen Betriebsbelastungen der Nockenwelle standzuhalten vermögen.
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Zum Formen des Nocken-Schiebestücks 10 bietet sich insbesondere das Warmumformen mit anschließender definierter Abkühlung an, durch welche gesteuert ein definierter Gefügezustand mit hoher Grundfestigkeit erreicht werden kann. Alternativ kann auch eine zusätzliche, wenigstens einstufige, isotherme Wärmebehandlung erfolgen. Im Zuge des weiteren Herstellungsprozesses können einer oder mehrere Wärmebehandlungsschritt(e) wie beispielsweise ein Anlassen, ein Weichglühen, ein Normalisierungsglühen etc. bzw. eine Kombination der genannten Verfahren erfolgen.
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Alternativ zur Warmumformung ist auch eine Kaltumformung oder ein Halbwarmumformung bei Temperaturen von 200°C bis 600°C, gegebenenfalls in Kombination mit einem zusätzlichen spanenden Bearbeitungsprozess, möglich. Auch hier kann wieder eine zusätzliche Wärmebehandlung, beispielsweise ein Anlassen, ein Weichglühen und/oder ein Normalisierungsglühen etc. durchgeführt werden.
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Neben der in 1b dargestellten, besonders einfachen Ausführungsform des Nocken-Schiebestücks 10 sind auch komplexere Ausführungen möglich. So umfasst das Nocken-Schiebestück 10 gemäß 2 beispielsweise zwei separate Nockenbereiche 24, in welchen jeweils zwei Nocken 12, 13 mit Nockenfunktionsflächen 15, 16 vorgesehen sind. Grundsätzlich kann die Nockenkontur auch eine Kreisform haben. - Die lasergehärteten Bereiche der Nockenfunktionsflächen 15, 16 und der induktiv gehärtete Wälzlagerbereich 22 sind des Nocken-Schiebestücks 10 sind in dieser Figur durch eine graue Schattierung angedeutet.
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Auch Nockenbereiche 24 mit drei oder mehr Nocken, sind möglich. Neben zusätzlichen Einzelnocken oder Nockenbereichen 24 können auch andere Funktionselemente bzw. Funktionsbereiche bei der Herstellung des Nocken-Schiebestücks 10 mit ausgebildet werden. So zeigt 3 ein Nocken-Schiebestück 10, welches neben zwei Nockenbereichen 24 mit jeweils zwei Nocken 12, 13 mit Nockenfunktionsflächen 15, 16 noch einen zusätzlichen Schaltspurbereich 30 mit einer eingebrachten Schaltspur 32, zum axialen Verschieben des Nocken-Schiebestücks 10 auf der Nockenwelle aufweist. Im Schaltspurbereich 30 bzw. auf der Schaltspur 32 selbst können dabei auch zusätzliche, vom Laser- oder Induktivhärten verschiedene Härtungsverfahren angewendet werden, um den unterschiedlichen Betriebsbelastungen Rechnung zu tragen. Gleiches gilt für den Bereich einer Arretiernut 34 in der Innenfläche der Aufnahmeöffnung 18, die zur Aufnahme eines (in 3 nicht gezeigten) Sperrelements zur Begrenzung der Axialverschiebung des Nocken-Schiebestücks 10 dient. Auch ein zumindest lokales Aufbringen von Funktionsschichten auf die Nockenfunktionsflächen 15, 16, das Wälzlager 22 und/oder die weiteren Funktionsbereiche 32, 34, beispielsweise durch chemische oder physikalische Gasfasernabscheidung ist möglich, bevorzugt im endbearbeiteten Zustand. Auf diese Weise können beispielsweise reibleistungsmindernde und/oder verschleißmindernde Oberflächenzustände erzeugt werden.
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Neben der in 1 bis 3 dargestellten, komplett einstückigen Herstellung des Nocken-Schiebestücks 10 ist auch das spätere Anfügen weiterer Funktionsteile möglich. 4 veranschaulicht dies anhand eines mit einem Nockenbereich 24 des Nocken-Schiebestücks gefügten Schaltspurbereichs 30, der beispielsweise durch eine Schweißnaht 40, eine Lötverbindung, eine Klebeverbindung, eine mechanische Verklammerung oder Verklemmung oder dergleichen mit dem Nockenbereich 24 gefügt werden kann. Auch andere Funktionselemente, wie beispielsweise Axiallager, Stellelemente oder dergleichen können auf diese Weise mit dem Grundkörper des Nocken-Schiebestücks 10 verbunden werden.
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Insgesamt ergibt sich so ein besonders schnell und einfach zu fertigendes Nocken-Schiebestück 10, dessen Materialeigenschaften in unterschiedlichen Bereichen optimal an die jeweils auftretenden Betriebsbelastungen angepasst werden kann.
