DE19521824C2

DE19521824C2 - Nockenwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19521824C2
Application number: DE1995121824
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Krehl
Original assignee: Krehl & Partner Unternehmensbe
Current assignee: KREHL & PARTNER UNTERNEHMENSBERATUNG FUER PRODUKT
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2015-06-17
Also published as: DE19521824A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem in eine Gießform eine Leichtmetallegierung im Druckgußverfahren eingebracht wird, wobei die Nockenwelle insbesondere für die Ven tilsteuerung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden soll und aus einem Wellenkörper mit Nocken und Lagerstellen besteht.

Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer der artigen Nockenwelle ist bekannt aus der DE-OS 40 04 505. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden einen Durchbruch aufweisende Nocken in ein Gießwerkzeug eingelegt, in welchem dann der jeden Durchbruch durch dringende Wellenkörper durch ein Druckgußverfahren her gestellt wird.

Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß die Nocken an ihren Ansatzstellen jeweils den Durchmesser des Wel lenkörpers schwächen, so daß hier jeweils potentielle Bruchstellen am Wellenkörper vorliegen. Insbesondere werden bei diesem Druckgußverfahren auch kleine Luftbe standteile etc. als Gasbläschen in das Leichtmetall eingeschlossen, wodurch der Werkstoff des Wellenkörpers relativ spröde ist. Beides zusammen bewirkt, daß der Wellenkörper mit relativ großem Durchmesser gefertigt werden muß, um den Belastungen standhalten zu können. Damit geht aber der Gewichtsvorteil des Leichtmetalls aufgrund der größeren benötigten Masse wieder verloren.

Aus den DE-43 23 168 A1 und DE 41 32 802 A1 sind zwar bereits einstückig gegossene Nockenwellen bekannt, die se bestehen aber nicht aus Leichtmetall sondern aus Gußeisen und deren Laufflächen sind über thermische Be arbeitung gehärtet.

Im übrigen ist aus der DE 33 40 615 A1 ein Kipphebel bekannt, bei dem eine belastete Fläche als Keramikteil ausgebildet wird, an die ein Aluminiumkörper angegossen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß die durch Verwendung von Leichtmetall beabsichtigten Gewichtsersparnisse voll zum Tragen kommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Indem die Gießform vor dem Einbringen der Leichtmetal legierung evakuiert wird, erzielt man den Vorteil, daß in dem Material der gegossenen Nockenwelle keine Gas einschlüsse vorhanden sind und es deswegen weniger po rös und daher weniger spröde ist. Außerdem kann sich das in die Gießform eingebrachte Metall schneller an die Wandungen der Gießform anlegen, wodurch sich eine schnellere Auskühlung und damit ein vorteilhafteres, da festeres Gefüge ergibt.

So kann der Wellenkörper dünner ausgeführt werden, was direkt zur Materialeinsparung und damit weniger Masse führt. Diese verringerte Masse ermöglicht, die Nocken welle schneller zu beschleunigen oder schneller abzu bremsen, ein mit ihr versehener Motor kann dadurch schneller in einen anderen Drehzahlbereich gebracht werden.

In bezug auf das Gefüge des Nockenwellenmaterials ist noch zu erwähnen, daß beim Gießvorgang das Material mittels eines Saugrohres unterhalb der Metalloberfläche aus einem Bad flüssigen Metalls entnommen und in die Füllkammer gesaugt wird. Dadurch wird verhindert, daß die Qualität mindernde Oxydhäute in das Material der Nockenwelle gelangen. Zur weiteren Gefügeverbesserung werden die gegossenen Nockenwellen im Zuge der Weiter verarbeitung noch wärmebehandelt, was umfaßt, daß sie bei Temperaturen etwa zwischen 150 und 200°C mehrere Stunden ausgelagert werden.

Bei den hier angesprochenen Nockenwellen liegt wie oben angesprochen ein wesentlicher Vorteil bereits im gerin gen Gewicht des Wellenkörpers. Um die Gewichtsvorteile des Leichtmetalles weiter ausnutzen zu können, werden die Nocken und Lagerstellen der Nockenwelle beim Gießen direkt einstückig mit angeformt. Zum einen erreicht man so, daß auch die Nocken aus dem Leichtmetall herge stellt sind und somit zur angestrebten Gewichtserleich terung beitragen, zum anderen wird durch das einstücki ge Anformen aber auch ein gutes Überleiten von Torsi onskräften vom Nocken auf den Wellenkörper erreicht. Beides war bei dem bisher bekannten Verfahren nicht möglich.

Da das Leichtmetall des Nockens den hohen Pressungen, die durch den über die Nockenwelle angetriebenen Ven tiltrieb auf die Lauffläche ausgeübt werden, nur be dingt standhalten kann, wird der Nocken mit einer dün nen Laufschicht aus einem festeren Material versehen. Diese Laufschicht wird bereits beim Herstellungsprozeß angeformt, indem sie schon vor dem Evakuieren im Be reich der Nocken in die Gießform eingelegt wird, so daß sich das Leichtmetall beim Gießen dann mit der Lauf schicht verbinden kann.

Es ist natürlich auch möglich, die Laufschichten durch eine entsprechende nachträgliche Beschichtung der Lauf flächen der Nocken zu erzielen oder durch Aufschrumpfen oder Aufkleben etc.

Somit erhält man mit diesem Verfahren eine Nockenwelle bestehend aus einem Wellenkörper mit Nocken und Lager stellen, wobei der Wellenkörper mit den Nocken und den Lagerstellen aus einer Leichtmetallegierung gegossen ist und die Nocken und Lagerstellen einstückig mit dem Wellenkörper ausgebildet sind und die Nocken mit dün nen, ihre Laufflächen bildenden Laufschichten aus einem festeren Material versehen sind. Insbesondere unter dem Aspekt des Verschleißschutzes sind auch die Lagerstel len mit entsprechenden dünnen Laufschichten aus feste rem Material versehen.

Damit sich diese Laufschicht nicht beim Betrieb der Nockenwelle von den Nocken löst, können die Laufschich ten formschlüssig mit den Nocken bzw. mit den Lager stellen verbunden sein.

Dieser Formschluß kann einerseits durch von der Lauf schicht ausgehende, zur Wellenachse gerichtete Vor sprünge der Laufschicht gebildet sein, die von den ge gossenen Nocken umfangen werden, so daß der gewünschte Formschluß erreicht wird.

Insbesondere bei einem nicht kreisförmig sondern ovalen bzw. eiförmigen Nocken genügt es aber auch, wenn am Nocken radiale Vorsprünge vorhanden sind, die ein Ver rutschen der Laufschicht in Axialrichtung des Wellen körpers verhindern.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Nockenwelle;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Nockenwelle gemäß Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen für die form schlüssige Verbindung von Laufschichten mit einem Nocken bzw. einer Lagerstelle.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Nockenwelle im Längsschnitt dargestellt. Man erkennt, daß der eigent liche Wellenkörper 1 mit mehreren Nocken 2 versehen ist, die in ihrer Exzentrität unterschiedlich einge stellt sind. Außerdem ist die Nockenwelle noch mit einer Lagerstelle 3 versehen, über die die Nockenwelle im eingebauten Zustand abzustützen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Nockenwelle sind die Nocken 2 einstückig an den aus einer Leichtmetallegierung beste henden Wellenkörper 1 angeformt. Lediglich die Laufflä chen 4 der Nocken werden durch Laufschichten 5 gebil det, die aus einem härteren und verschleißfesterem Ma terial bestehen als das Grundmaterial von Welle und an gegossenem Nocken.

Auch die Lagerstelle 3 kann mit einer entsprechenden verschleißfesteren Laufschicht 6 versehen sein, die dann in ihren Eigenschaften an die speziellen Bedingun gen der Lagerstelle angepaßt sein kann.

In der Fig. 2, die einen Schnitt entlang der Linie II-II in der Fig. 1 darstellt, erkennt man, daß der Nocken eine eiförmige Kontur aufweist, so daß die auf ihn aufgebrachte Laufschicht aufgrund dieser Kontur verdrehfest auf dem Nocken gehalten wird. Bei dieser Laufschicht handelt es sich beispielsweise um einen Stahlring.

In der Fig. 3 sind verschiedene Varianten dargestellt, wie eine derartige Laufschicht 5 an einem seitlichen Wandern in bezug auf den Nocken gehindert werden kann:

In der Fig. 3a ist die Laufschicht 5 an ihrer den Nocken zugewandten Seite hierzu mit einer Feinprofilie rung 7 versehen, in die das Material des Nockens 2 beim Gießvorgang einläuft, und sich dabei mit der Lauf schicht 5 verhakt.

Eine andere Profilierung erkennt man in der Fig. 3b, wo die Laufschicht 5 mit schräg zum Wellenkörper hin gerichteten Vorsprüngen 8 eine innige Verbindung mit dem Material des Nockens 2 erreicht.

Auch in der Fig. 3c weist die Laufschicht 5 zur Wellenachse gerichtete Vorsprünge 9 auf, über die ein formschlüssiger Verbund mit dem Material der Nocken 2 erreicht wird. Außerdem weist der in Fig. 3c darge stellte Nocken aber auch die Laufschicht 5 seitlich ab stützende Abschnitte 10 auf, mit denen ein axiales Ver rutschen der Laufschicht 5 auf den Nockenkörper verhin dert wird.

In der Fig. 3d wird die Verbindung der Laufschicht 5 mit dem Material des Nockens 2 über einen Zapfen 11 ge bildet, der zur Achse der Welle gerichtet ist, und so vom Material des Nockens umfangen werden kann, um die Laufschicht in Axialrichtung auf dem Nocken zu fixie ren.

Üblicherweise werden derartige Laufschichten als eine Art Ringe in die Gießform für die Nockenwelle eingelegt und dann wird im Vakuum-Druckgußverfahren das Material der Nockenwelle eingebracht, wobei sich die einstückig an den Wellenkörper angeformten Nocken an ihren Lauf flächen formschlüssig mit den Laufschichten verbinden. Es ist aber auch möglich, diese Laufschichten nachträg lich aufzuschrumpfen.

Die besonderen Vorteile dieser Nockenwelle liegen in ihrer geringen Masse bei gleichzeitig hoher Stabilität und Festigkeit. Zur Verringerung der Masse kann dabei die Welle insbesondere abschnittweise auch mit innen liegenden Hohlräumen 12 ausgebildet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle insbesondere für die Ventil steuerung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, bei dem in eine Gießform im Druckgußverfahren eine Leichtmetallegierung eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nockenwelle im Vakuumdruckguß hergestellt wird, wobei die Gieß form vor dem Einbringen der Leichtmetallegierung evakuiert wird,
daß beim Gießen ein Wellenkörper (1) mit daran angeformten Nocken (2) und Lagerstellen (3) einstückig ausgebildet wird und
daß die Welle im Bereich von Nocken (2) und/oder Lagerstellen (3) mit ver schleißfesteren Laufschichten (5, 8) versehen wird, die vor dem Evakuieren in die Gießform eingelegt werden und
daß die mit verschleißfesten Schichten versehene Nockenwelle wärmebehan delt wird, wobei diese Wärmebehandlung eine Auslagerung über mehrere Stunden bei einer Temperatur zwischen 150 und 250°C umfaßt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gießvorgang das Material mittels eines Saugrohres unterhalb der Metalloberfläche aus einem Bad flüssigen Metalls entnommen wird und in die Füllkammer gesaugt wird.

3. Nockenwelle, insbesondere für die Ventilsteuerung von Verbrennungsmoto ren in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Wellenkörper mit Nocken und Lagerstellen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wellenkörper (1), die Nocken (2) und die Lagerstellen (3) aus einer Leichtmetallegierung gegossen sind,
wobei die Nocken (2) und Lagerstellen (3) einstückig mit dem Wellenkörper (1) gegossen sind und
wobei die Nocken (2) und Lagerstellen (3) mit dünnen, ihre Lauffläche (4) bil denden Laufschichten (5, 6) aus einem festeren Material versehen sind.

4. Nockenwelle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschichten (5, 6) formschlüssig mit den Nocken (2) bzw. Lagerstel len (3) verbunden sind.

5. Nockenwelle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschichten (5, 6) aus Stahl sind.