DE102016209976A1

DE102016209976A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils

Info

Publication number: DE102016209976A1
Application number: DE102016209976.0A
Authority: DE
Inventors: René Günther; Christian Bösel; Uwe Stollberger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils (1), insbesondere eines Rotors (5) eines Nockenwellenverstellers, wobei das Sinterbauteil (1) in einem mindestens zweistufigen Fertigungsverfahren hergestellt wird, wobei in dem ersten Fertigungsschritt eine trägerförmige Grundstruktur (2) des Sinterbauteils (1) hergestellt wird, und in einem zweiten Fertigungsschritt die restliche Bauteilgeometrie (3) ausgebildet wird, wobei die trägerförmige Grundstruktur (2) das im zweiten Fertigungsschritt zu verdrängende Materialvolumen verkleinert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils sowie einen Nockenwellenversteller, bei dem der Rotor nach einem solchen Verfahren hergestellt ist.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungsformen von Nockenwellenverstellern bekannt. Ein Beispiel hierfür sind hydraulische Nockenwellenversteller. Hydraulische Nockenwellenversteller können beispielsweise als Nockenwellenversteller ausgestaltet sein, die nach dem Flügelzellenprinzip arbeiten. Bei solchen nach dem Flügelzellenprinzip arbeitenden Nockenwellenverstellern sind beispielsweise Ausgestaltungen bekannt, in welchen zwei relativ zueinander bewegliche Bauteile als Stator und als Rotor ausgebildet sind, wobei der Stator eine Anzahl von Flügeln aufweist, welche sich von der Drehachse des Stators wegweisend erstrecken. Stator und Rotor sind in solchen Nockenwellenverstellern typischerweise koaxial zueinander positioniert, wobei beispielsweise ein in einem durch den Stator gebildeten Hohlraum befindlicher Rotor gemeinsam mit dem Stator wenigstens zwei Hydraulikkammern ausbildet. Dabei bewirkt in einer solchen Ausgestaltung ein Füllen von einer der Hydraulikkammern mit einem geeigneten Fluid durch den auf den Flügel des Rotors wirkenden Druck eine Verstellung der Nockenwelle und damit eine Veränderung der Öffnungszeiten der Einlass- und/oder Auslassventile des Verbrennungsmotors.
Aus der DE 100 84 408 B4 ist ein Nockenwellenversteller in Flügelzellenbauweise bekannt, dessen Antriebselement in Form eines Antriebszahnrades über ein Antriebsmittel wie eine Kette oder einen Zahnriemen von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben wird. Ein Stator des Nockenwellenverstellers ist drehfest mit dem Antriebsrad verbunden, wobei in dem Stator ein Rotor drehbar gelagert ist. Der Rotor ist drehfest mit einer Nockenwelle verbunden. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors kann der Rotor verdreht werden und somit eine relative Winkellage zwischen der Nockenwelle und dem Antriebsrad und damit der Kurbelwelle verändert werden, was mit einer Veränderung der Steuerzeiten der Ventile einhergeht. Für eine Ausbildung als Flügelzellen-Versteller weist der Rotor Flügel auf, welche sich radial nach außen aus einem Körper des Rotors erheben. Auf der der Nockenwelle abgewandten Seite ist der Stator mit einer Scheibe ausgebildet, die die Steuerkammern in axialer Richtung begrenzt. Die Kraftverhältnisse zwischen dem Rotor und dem Stator werden zusätzlich zu den Hydraulikverhältnissen im Bereich der Flügel beeinflusst durch eine Torsionsfeder.
Der Rotor weist eine relativ komplexe Geometrie auf, sodass eine spanende Herstellung des Rotors vergleichsweise zeitaufwendig und teuer ist. Alternativ ist die Herstellung eines Rotors in einem Sinterverfahren bekannt. Aus der DE 10 2013 107 431 A1 ist ein gesinterter Rotor für einen Nockenwellenversteller bekannt. Die in einem Sinterprozess herstellbaren Toleranzen sind jedoch relativ groß, sodass in der Regel eine zusätzliche spanende Bearbeitung des Rotors nach dem Sintern notwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller vorzuschlagen, welcher sich als Sinterbauteil herstellen lässt und bei dem keine aufwendige spanende Bearbeitung notwendig ist.
Die Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils gelöst, wobei das Sinterbauteil in einem mindestens zweistufigen Fertigungsverfahren hergestellt wird, wobei in dem ersten Fertigungsschritt eine trägerförmige Grundstruktur des Sinterbauteils hergestellt wird, wobei in einem zweiten Fertigungsschritt die restliche Bauteilgeometrie ausgebildet wird, und wobei die trägerförmige Grundstruktur das im zweiten Fertigungsschritt zu verdrängende Materialvolumen verkleinert.
Durch die gezielte Verkleinerung der äußeren axialen Oberfläche von Sinterbauteilen kann die Höhentoleranz bei der Herstellung durch Kompaktieren und Kalibrieren verkleinert werden. Diese Verkleinerung der Oberfläche wird durch die Ausbildung von Strukturen auf den axialen Flächen des Grundkörpers und der Flügel des Rotors erreicht, welche die Funktion der Lagerung und Abdichtung gegen benachbarte Bauteile und Hydraulikkammern übernehmen. Dabei können die benachbarten Bauteile sowohl eine Relativbewegung zum Rotor aufweisen als auch drehfest mit dem Rotor verbunden sein. Dadurch ist eine genauere Fertigung des Sinterbauteils möglich, sodass nachfolgende Fertigungsprozesse wie eine schleifende Bearbeitung der Oberfläche entfallen können. Zudem können durch den zweistufigen Fertigungsprozess zusätzliche Druckräume in das Axiallager eingebracht werden, wodurch eine gezielte hydrodynamische und hydrostatische Entlastung des Axiallagers möglich ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Sinterbauteils möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem ersten Fertigungsschritt alle radialen Geometrien des Sinterbauteils hergestellt werden und in dem zweiten Fertigungsschritt zusätzliche axiale Geometrien des Sinterbauteils hergestellt werden. Dabei werden in einem ersten Kalibrierprozess des Sinterverfahrens alle radialen Geometrien gefertigt. In einer zweiten Stufe des Herstellungsprozesses, insbesondere in einem zweiten, getrennten Kalibrierprozess wird die axiale Endgeometrie erzeugt. Dabei wird ein Einfluss auf die Verschlechterung der radialen Geometrien minimiert, da sich Materialverschiebungen durch den Kalibrierprozess im Wesentlichen im Bereich der Strukturen abspielen. Zudem kann ein mehrstufiger Kalibrierprozess mit geringeren Presskräften realisiert werden, wodurch die Fertigungskosten niedrig gehalten werden können.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die radialen Geometrien als Stege ausgebildet sind. Durch die Stege kann eine Verkleinerung der Oberfläche bei gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeit erreicht werden. Dadurch kann der Verschleiß im Axiallager reduziert werden. Zudem kommt es beim zweiten Fertigungsschritt nur zu einer Materialverschiebung im Bereich der Stege, wodurch weitere, spanende Arbeitsgänge wie ein Schleifen der Flügel und/oder der Außenkontur entfallen können.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Rotor eines Nockenwellenverstellers als Beispiel für ein Bauteil, welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils hergestellt ist;
2 eine weitere Ansicht eines Rotors, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist;
3 eine Stegstruktur in einer Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Rotors.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rotors 5 für einen hydraulischen Nockenwellenversteller, welcher nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils 1 hergestellt ist. Der Rotor 5 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 6 auf, aus dem sich in radialer Richtung die Flügel 7 des Rotors 5 erheben. Der Außendurchmesser des Grundkörpers 6 sowie die Flügel 7 weisen Stege 4 auf, welche zusammen mit einer Grundstruktur 2 des Sinterbauteils 1 in einem ersten Fertigungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Die restliche Bauteilgeometrie 3 wird in einem zweiten Fertigungsschritt, insbesondere in einem zweiten Kalibrierprozess des Sinterverfahrens, hergestellt.
Der in 1 dargestellte Rotor 5 ist der Rotor 5 eines als Flügelzellen-Versteller ausgebildeten hydraulischen Nockenwellenverstellers. Der Rotor 5 weist Bohrungen 10 auf, welche zur Versorgung der Druckkammern oder zur Verriegelung des Rotors 5 in einer definierten Position dienen können. In 1 ist der Rotor 5 in einer Frontansicht, einer Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene A-A sowie in einer Rückansicht dargestellt. Die Stege 4 in den Flügeln 7 weisen eine Gabelform auf, um den Flügeln 7 eine höhere Stabilität zu geben. Die Stege 4 sowie die im ersten Fertigungsschritt hergestellte Außenkontur 9 des Grundkörpers 6 des Rotors 5 weisen im Vergleich zum kompletten Sinterbauteil 1 nur ein vergleichsweise geringes Volumen auf, sodass die Schrumpfung des Sinterbauteils 1 nach dem ersten Fertigungsschritt nur vergleichsweise gering ausfällt. Zudem dienen die Stege und der umlaufende Ring 8 an der Außenkontur 9 des Grundkörpers 6 als Stützelemente in dem zweiten Fertigungsschritt, sodass die Form im Wesentlichen beibehalten wird und auf eine weitere spanende Bearbeitung verzichtet werden kann. Somit kann ein ansonsten nachgeschalteter Schleifprozess entfallen, wodurch die Herstellung des Sinterbauteils 1 kostengünstiger wird.
In 2 ist der Rotor 5 in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Dabei sind die Stege 4 sowie der umlaufende Ring 8 der Außenkontur 9 des Grundkörpers 6 hervorgehoben, da diese Abschnitte im Vergleich zur restlichen Bauteilgeometrie 3 des Rotors 5 eine höhere Festigkeit aufweisen. In 3 sind weitere Darstellungen des Rotors 5 gezeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vornehmlich für den Rotor 5 des Nockenwellenverstellers vorgesehen. Alternativ kann aber auch ein Stator des Nockenwellenverstellers nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Sinterbauteil
2: Grundstruktur
3: restliche Bauteilgeometrie
4: Stege
5: Rotor
6: Grundkörper
7: Flügel
8: umlaufender Ring
9: Außenkontur
10: Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10084408 B4 [0003]
DE 102013107431 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils (1), wobei das Sinterbauteil (1) in einem mindestens zweistufigen Fertigungsverfahren hergestellt wird, wobei in dem ersten Fertigungsschritt eine trägerförmige Grundstruktur (2) des Sinterbauteils (1) hergestellt wird, und in einem zweiten Fertigungsschritt die restliche Bauteilgeometrie (3) ausgebildet wird, wobei die trägerförmige Grundstruktur (2) das im zweiten Fertigungsschritt zu verdrängende Materialvolumen verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Fertigungsschritt alle radialen Geometrien des Sinterbauteils (1) hergestellt werden und in dem zweiten Fertigungsschritt zusätzliche axiale Geometrien des Sinterbauteils (1) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Geometrien durch Stege (4) ausgebildet oder gestützt werden.
Nockenwellenversteller mit einem gesinterten Bauteil (1), insbesondere mit einem gesinterten Rotor (5), wobei das gesinterte Bauteil einen Grundkörper (6) und radial aus dem Grundkörper (6) vortretende Flügel (7) aufweist, wobei in den Flügeln (7) Stege (4) ausgebildet sind, wobei die Stege (4) einen vorzugsweise umlaufenden Ring (8) ausbilden, welcher die Außenkontur (9) des Grundkörpers (6) ausbildet, wobei das Bauteil (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.