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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Steuerwelle für einen Verbrennungsmotor, die einen Basiskörper mit zumindest einer Lagerstelle aufweist.
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Steuerwellen im Sinne der Erfindung sind zum Beispiel Nockenwellen oder Kurbelwellen. Diese weisen Lagerstellen auf, die in Lagern des Zylinderkopfes oder des Zylinderblocks drehbar gelagert sind. Ist das Steuerelement als Nockenwelle ausgeführt sind die Lagerstellen in Lagerbohrungen des Zylinderkopfes aufgenommen. Nockenwellen können zum Beispiel aus einem Grauguss gegossen werden oder gebaut werden, wie beispielsweise die
US 5,724,860 A beschreibt.
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Aus der
US 5,724,860 A geht hervor, dass eine gebaute Nockenwelle hergestellt werden könne, indem die Nocken bis zu einer vorgegebenen Position auf die Welle aufgeschoben werden. Die vorgegebene Position ist durch Querstifte bestimmt. Diese Querstifte übertragen das Drehmoment vom Antriebsrad über die Welle auf die Bewegung der Nocken. Damit aber in einem einzigen Herstellvorgang alle beteiligten Nocken und der Querstift-Verschlussmechanismus permanent fixiert werden kann, wird diese gebaute Nockenwelle in einer Spritzgießform mit einem hochwarmfesten thermoplastischem Harz imprägniert und in ihrer gewünschten Position ausgehärtet. Dazu wird auch zwangsweise der Bereich zwischen den Nocken auf der Nockenwelle mit einem dicken Harz- bzw. Kunststoffüberzug versehen. Als mögliche Materialien werden Polyamid 6 (PA6), Polyamid 6-6 (PA6-6), Polyacetal (POM) aber auch PEEK (Poly-Ether-Ether-Keton) vorgeschlagen. Diese und ähnliche Thermoplaste werden vorgeschlagen aufgrund ihrer hohen Schlagbeständigkeit und ausreichenden Oberflächenhärte, was dann wiederum zu guter Verschleißbeständigkeit und guter Selbstschmierwirkung führt.
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Ist die Nockenwelle z.B. aus einem Grauguss hergestellt, also in einem Stück gegossen, bedarf es natürlich der komplizierten Befestigung der Nocken mittels Querstiften nicht, da die komplette Nockenwelle in einem Fertigungsschritt hergestellt wird, anschließend spanabhebend bearbeitet und sodann partiell gehärtet wird.
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Selbstverständlich tritt zwischen den Lagerstellen der Nockenwelle oder der Kurbelwelle und den korrespondierenden Lageraufnahmen Reibung, also Verschleiß auf. Die Reibung ist natürlich von vielen Faktoren abhängig, wie zum Beispiel von der vorherrschenden Mischschmierung bei geringen Drehzahlen. Üblicher Weise dreht sich dabei eine Graugussoberfläche gegen eine andere Graugussoberfläche oder gegen ein Al-Si-Material, aus welchem der Zylinderkopf oder Zylinderblock hergestellt sein kann. Bekannt ist auch, dass besondere Lagerschalen vorgesehen werden, welche zwischen den Lagerpartnern eingesetzt werden. Diese Lagerschalen sind jedoch in ihrer Herstellung sehr kostenintensiv, und benötigen einen besonderen Einbauraum. Dieser Einbauraum erfordert trotzdem eine Bearbeitung beider Lagerpartner, was natürlich einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Gleichwohl unterliegen die Lagerpartner einem gewissen Verschleiß.
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In der
DE 10 2005 009 552 A1 ist offenbart, dass eine Auflagestelle eines Gegenstandes, die in Kontakt mit einem Gegenstück ist, mit einer Beschichtung versehen werden kann, die zu einer Reduktion von Verschleiß und Reibung führt. Dazu sollen thermoplastische Polymere aus der Familie der PEEK, PPS oder Mischungen mit einem Verschleißfüllstoff wie Al2O3 oder einem Trockenschmierstoff wie PTFE verwendet werden. Dazu wird in einem ersten Schritt das thermoplastische Pulver gegebenenfalls mit Beimengungen aufgetragen, indem eine Dispersion der thermoplastischen Pulver mit den gewünschten Beimengungen an Wasser oder Isopropanol auf die betreffende Oberfläche aufgebracht wird. Nach der Trocknung und Entfernung des Binders aus Wasser/Isopropanol wird das Bauteil dann auf eine Temperatur kurzzeitig erhitzt, die oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Materials liegt. Bei PEEK liegt dieser Schmelzpunkt beispielsweise bei ca. 450°C. Dadurch ergibt sich dann eine dichte Schicht, die an dem Substratmaterial festhaftet. Andererseits wird erwähnt, dass die Oberfläche des Gegenstandes beim Pulverauftrag so hoch erhitzt wird, dass die thermoplastischen Pulver direkt auf der erhitzen Oberfläche anhaften und dann im nachfolgenden Schritt im Ofen aufgeheizt werden auf eine Temperatur, die zumindest oberhalb des Schmelzpunktes der Pulver-Polymer-Schicht liegt. Bei solch hohen Temperaturen können sich die Steuerelemente, also die Nockenwelle oder die Kurbelwelle aber verziehen. Ein solcher Verzug würde die Nockenwelle oder Kurbelwelle für den gedachten Einsatz im Verbrennungsmotor unbrauchbar machen. Auch die mechanischen Eigenschaften des Materials können durch die hohe Temperatur negativ beeinflusst werden. Dies insbesondere deshalb, weil die Nockenwelle oder Kurbelwelle als Bauteil komplett der Wärmebehandlung im Ofen ausgesetzt würde.
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Die
WO 2012/116902 A1 beschäftigt sich mit einem Wälz- oder Gleitlager umfassend einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche. Auf der zylindrischen Fläche ist ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft. Der Schrumpfschlauch kann PEEK oder Mischungen davon aufweisen.
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Die bisherigen Maßnahmen zur Reduzierung von Verschleiß also auch von Reibung sei es in Form einer mehrstufigen Beschichtung mit nachfolgender Wärmebehandlung oder in Form von zusätzlichen Lagerschalen erlauben derzeit also noch keine erfolgversprechenden Ergebnisse. Von daher bietet die einfache Fertigung von Steuerelementen, also von insgesamt verschleißbeständigen Nockenwellen oder Kurbelwellen durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Steuerelementes, also einer Nockenwelle oder einer Kurbelwelle sowie ein Steuerelement, also eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle vorzustellen, welche eine kostengünstige und leicht in vorhandene Abläufe integrierbare Fertigung ermöglicht, wobei das Steuerelement selbst alle Anforderungen an deren sichere Funktion über einen langen Zeitraum erfüllt.
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Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe findet seine Lösung in den Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung eines Steuerelementes für ein Fahrzeug vorgestellt, bei welchem auf einem Basiskörper des Steuerelementes, genauer gesagt auf seiner Lagerstelle eine Kunststoff-Beschichtung ausgebildet wird.
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Erfindungsgemäß beinhaltet die Herstellung wenigstens die folgenden Schritte:
Bearbeitung eines Basiskörpers zu einer Endkontur,
wobei an der Lagerstelle ein Mehrabtrag bezogen auf einen ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser abgetragen wird,
Aufrauen der Lagerstellenoberfläche,
Auftragen einer Haftgrundbeschichtung auf die aufgeraute Lagerstellenoberfläche mittels thermischen Spritzens,
Auftragen einer Kunststoff-Beschichtungslage auf die Haftgrundbeschichtung mittels des HVOF Hochgeschwindigkeitsflammspritzens, und
Endbearbeiten der beschichteten Lagerstelle (3) auf den ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser.
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Mit der Erfindung wird so eine kostengünstige Kunststoff-Beschichtung an den Lagerstellen des Steuerelementes, also an den Lagerstellen der Nockenwelle oder an den Lagerstellen der Kurbelwelle erzeugt, indem diese mittels des HVOF-Pulverflammspritzverfahrens aufgebracht wird.
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Die Kunststoff-Beschichtung bewirkt eine deutliche Reduzierung der Reibung der Lagerstellen zu den korrespondierenden Lageraufnahmen im Verbrennungsmotor. Eine konventionelle Nockenwelle zum Beispiel erreicht nach einer Einlaufperiode von ca. 200 Betriebsstunden ihre minimale Reibung, so dass diese dann in den Status „eingelaufen“ gesetzt wird. Bei einer Nockenwelle mit der erfindungsgemäßen Kunststoff-Beschichtung dagegen fällt die Reibung mit einer weitaus höheren Anzahl an Betriebsstunden vorteilhaft weiter ab.
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In zielführender Ausgestaltung des Verfahrens wird als Kunststoff PEEK (Poly-Ether-Ether-Keton) oder Mischungen davon auf die Lagerstellen mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgetragen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl bei gebauten also auch bei gegossenen Steuerelementen, also Kurbelwellen oder Nockenwellen durchführbar. Zielführend ist dabei, dass lediglich die Lagerstellen mit der Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung und zuvor mit der Haftgrundbeschichtung versehen werden. Bei gebauten Steuerelementen können die Lagerstellen beschichtet werden, wenn das Steuerelement komplettiert ist. Natürlich ist ein Auftragen der Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung im Vorfeld auch möglich, was bei gegossenen Steuerelementen nicht angedacht ist.
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Natürlich weisen die Steuerelemente auch Bereiche auf, die einer Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung nicht bedürfen, so dass diese beschichtungsfreien Bereiche mit geeigneten Maßnahmen, wie zum Beispiel mit einer Maskierung gegen eine ungewollte Beschichtung geschützt werden.
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Der im Folgenden jeweils genannte Ausdruck „ca.“ oder „etwa“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von jeweils exakten Werten um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. Das HVOF-Pulverflammspritzverfahren ist im Sinne der Erfindung ein Hochgeschwindigkeitspulverflammspritzverfahren.
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Bevor die Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung auf die Lagerstellen aufgebracht wird, müssen diese, da die Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung zusammen mit der Haftgrundbeschichtung eine gewisse Stärke aufweist, gegenüber dem ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser tiefer abgearbeitet werden, so dass der Außendurchmesser der gefinischten Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung dem ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser entspricht. Auf das Finish, also auf die Endbearbeitung der Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung wird weiter unten eingegangen. Denkbar ist, wenn etwa 250 µm des ursprünglich vorgesehenen Außendurchmessers der Lagerstelle mehr abgetragen werden, was natürlich nur ein beispielhafter Betrag sein soll.
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Nachdem die Lagerstelle so vorbereitet, also mit dem gewünschten Betrag abgetragen wurde, wird diese aufgeraut, wobei zweckdienlich vorgesehen ist, ein rotierendes Korundstrahlen mit Edelkorund durchzuführen, so dass die aufgerauten Lagerstellen eine Rauigkeit von etwa Rz 30 µm aufweisen.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Haftgrundbeschichtung als NiCr-Beschichtung mittels thermischer Spritzverfahren auf die zuvor aufgerauten Lagerstellen aufgetragen wird. Als thermisches Spritzverfahren kann das Plasmaspritzen, das Pulverflammspritzen oder das HVOF-Pulverflammspritzen durchgeführt werden. Die Haftgrundbeschichtung kann eine Dicke von 20 bis 50 µm aufweisen.
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Auf die Haftgrundbeschichtung wird die Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgetragen, wobei eine Spritzvorrichtung, also bevorzugt eine Spritzpistole mit ihrer Spritzöffnung einen Abstand von etwa 250mm zur zu beschichtenden Lagerstelle aufweist. Als Brenngas kann Wasserstoff eingesetzt werden, wobei als Pulverträgergas Argon eingesetzt werden kann, was auch so für den Auftrag der zweiten Kunststoff-Beschichtungslage und der Haftgrundbeschichtung gelten kann.
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Zielführend ist, wenn die Kunststoff- also PEEK-Beschichtung in mehreren Lagen, bevorzugt in zwei Beschichtungslagen aufgebracht wird, wobei beide Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslagen mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgebracht werden. Eine erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage weist eine Schichtdicke von etwa 5 bis 50 µm auf.
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Auf die so erzeugte erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage wird die zweite und ggf. weitere Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage bzw. -lagen ebenfalls mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgetragen, wobei die zweite und weitere Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage bzw. -lagen ebenfalls, wie die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage eine Dicke von etwa 5 bis 50 µm aufweisen kann.
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Durch die eingetragene Wärme auf die vorher aufgetragene und schnell erstarrte erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage wird diese wieder aufgeschmolzen, was zu einem besonders guten Verbund der einzelnen Schichten, also der einzelnen Lagen zueinander aber auch der ersten Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage zur Haftgrundbeschichtung führt.
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Durch das Auftreffen der schmelzflüssigen Kunststoff-, also PEEK-Pulverpartikel auf die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage erfolgt eine homogene Sinterung, was im Sinne der Erfindung gefördert werden kann, wenn die Lagerstellenoberfläche während der HVOF-Kunststoff-Beschichtung, also HVOF-PEEK-Beschichtung weiter aufgeheizt wird. Beispielsweise kann ein Vorwärmen auf einen Betrag von etwa 180°C vorgesehen werden.
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Die zu beschichtende Lagerstelle bedarf vor der Beschichtung grundsätzlich keinerlei Erwärmungsmaßnahmen. Es liegt aber natürlich im Sinne der Erfindung, wenn die zu beschichtende Lagerstelle vor dem Auftragen der Beschichtung (Haftgrund/Kunststoff(PEEK)-Beschichtung), aber auch während des Auftragens der HVOF-Kunststoff(PEEK)-Beschichtung mittels Wärmeeinrichtungen, z.B. mittels einer Induktionsspule aufgewärmt wird. Der oben genannte Vorwärmbetrag kann dazu herangezogen werden.
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Zur Endbearbeitung ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn die Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung der Lagerstelle mittels einer geeigneten Vorrichtung auf den ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser abgetragen wird, wobei eine Diamantschleifmaschine beispielhaft eingesetzt werden kann. Dabei kann zwischen Spitzen geschliffen werden.
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Mit der Erfindung wird so ein Steuerelement bereitgestellt, welches an seinen Lagerstellen mit einer kostengünstigen, reibungsreduzierenden Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung versehen ist. Durch die hohe Energie der HVOF-Flamme, und dadurch, dass die zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage mit ihren schmelzflüssigen Tröpfchen auf die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage auftrifft, wird ein Sintern bewirkt, wobei die zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage eingeschmolzen wird, ohne dass der Grundwerkstoff, also das gesamte Bauteil oder auch nur die Lagerstelle lokal auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs, also des PEEK (etwa 450°C) erwärmt werden muss. Insofern werden u.a. die Eigenschaften des Grundwerkstoffs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht negativ beeinflusst, da der Schmelzprozess der Kunststoffpartikel (PEEK) nicht wie zuvor durch Aufheizen des Grundwerkstoffs auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs (PEEK), sondern in der HVOF-Spritzvorrichtung und -flamme stattfindet. So ist auch ein Verzug des Steuerelementes vermeidbar.
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Die Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung, also das aufzuschmelzende PEEK-Pulver kann Reibwertmodifiziermittel wie z.B. MoS2, WS2 oder PTFE aufweisen, um nur einige mögliche Beimischungen beispielhaft zu nennen. Die Reibwertmodifiziermittel sind in Pulverform dem PEEK-Pulver zugemischt und werden zusammen mit dem PEEK-Pulver in der HVOF-Spritzvorrichtung und -flamme aufgeschmolzen.
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Die Erfindung ist auch auf ein Steuerelement gerichtet, dass beispielhaft als Nockenwelle oder Kurbelwelle ausgeführt ist, und welches Lagerstellen aufweist, die eine Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung aufweisen. Die PEEK-Beschichtung wurde gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Auf die genannten Vorteile wird Bezug genommen. Die Lagerstelle des Steuerelementes weist eine auf das Grundmaterial aufgebrachte Haftgrundschicht auf, die bevorzugt aus einem NiCr-Werkstoff besteht. Auf die Haftgrundschicht wurde eine erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage aufgebracht, auf welche eine zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage aufgebracht wurde.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Steuerelementes in der beispielhaften Ausgestaltung als Nockenwelle oder Kurbelwelle beschrieben ist, ist es natürlich möglich auch Lagerstellen anderer Bauelemente mit der erfindungsgemäßen Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung zu versehen, um die Reibung zu reduzieren, wobei eine längere Lebensdauer des Bauteils bezogen auf konventionelle Reibungsreduzierungsmaßnahmen erreichbar ist. Beispielsweise ist eine Reduzierung der Reibung bei einer Drehzahl von 1500 U/mm mit der erfindungsgemäßen PEEK-Beschichtung der Lagerstellen von etwa 24 % bezogen auf konventionelle Lagerstellen möglich. Natürlich können auch andere Kunststoffe oder Kunststoffgemische als der genannten PEEK oder dessen Mischungen mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgespritzt werden, wobei die Auswahl den Einsatzbedingungen gerecht werden sollte.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von einem, in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerelementes mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung an einer Lagerstelle.
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1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerelementes 1 zu entnehmen. Das Steuerelement 1 ist beispielhaft als gebaute oder gegossene Nockenwelle ausgeführt, welche auf einem Grundkörper angeordnete Lagerstellen 3 aufweist. Ein Nocken 4 ist zum Steuern eines Ventils eines Verbrennungsmotors an dem Steuerelement 1 wie beispielhaft dargestellt zwischen den Lagerstellen 3 angeordnet. Das Steuerelement 1 kann aus Grauguss gebildet sein.
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Die Lagerstellenoberfläche 5 ist mittels Korundstrahlen mit Edelkorund aufgeraut, und weißt eine Rauigkeit von etwa Rz 30 auf. Auf die aufgeraute Lagerstellenoberfläche 5 ist eine Haftgrundbeschichtung 6 aufgetragen. Die Haftgrundbeschichtung 6 ist mittels einem thermischen Spritzverfahren, z.B. mit dem HVOF-Pulverflammspritzen aufgebracht, und weist z.B. eine Dicke von 20 bis 50 µm auf.
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Eine erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage ist auf die Haftgrundbeschichtung 6 aufgetragen. Die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage weist eine Dicke von etwa 5 bis 10 µm auf. Auf die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage ist eine zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage aufgetragen. Auch diese weist eine Dicke von etwa 5 bis 10 µm auf. Beide Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslagen sind mittels des HVOF-Pulverflammspritzens aufgetragen. Durch die hohe Energie der HVOF-Flamme, und dadurch, dass die zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage mit ihren schmelzflüssigen Tröpfchen auf die erste Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage auftrifft, wird ein Sintern bewirkt, wobei die zweite Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslage eingeschmolzen wird, ohne dass der Grundwerkstoff, also das gesamte Bauteil oder auch nur die Lagerstelle lokal auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs, also des PEEK (etwa 450°C) erwärmt werden muss. Auch deswegen sind die beiden einzelnen Kunststoff-, also PEEK-Beschichtungslagen in der einzigen 1 nicht erkennbar, sondern nur die aufgetragene gesamt Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung 7.
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In der 1 ist die Oberfläche 8 der Kunststoff-, oder PEEK-Beschichtung 7 innerhalb der Darstellung des Schichtaufbaus leicht gewellt dargestellt, wobei die Oberfläche 8 natürlich wie bei Lageroberflächen üblich eben sein soll. Die Oberfläche 8 der Kunststoff-, oder PEEK-Beschichtung 7 ist beispielhaft zwischen Spitzen geschliffen, wozu eine Diamantschleifmaschine Verwendung finden kann, um so den ursprünglich vorgesehenen Außendurchmesser der Lagerstelle 3 herzustellen. Im Vorfeld wurde der ursprünglich vorgesehene Außendurchmesser um etwas weniger als den Betrag der aufzubringenden Schichten reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerelement
- 2
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- 3
- Lagerstelle
- 4
- Nocken
- 5
- Lagerstellenoberfläche
- 6
- Haftgrundschicht
- 7
- Kunststoff-, also PEEK-Beschichtung
- 8
- Oberfläche der Kunststoff-Beschichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5724860 A [0002, 0003]
- DE 102005009552 A1 [0006]
- WO 2012/116902 A1 [0007]
