DE19716554C1 - Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
einer gebauten Nockenwelle, mit näherungsweise ring
förmig ausgebildeten Nockenscheiben und einem vorzugs
weise rohrförmigen Wellenkörper nach der im Oberbe
griff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein Verfahren dieser Art ist in der DE 44 20 092 C2
beschrieben. Bei dieser Lösung werden näherungsweise
ringförmig ausgebildete Nockenscheiben vor dem Fest
setzen auf den Wellenkörper an ihrem Außenumfang in
duktiv randschichtgehärtet. Durch das induktive Härten
der Randschicht entstehen Druckeigenspannungen in den
oberflächennahen Randzonen der Nockenscheiben. Diese
Druckeigenspannungen sind so hoch, daß nach dem Auf
bringen der Nockenscheiben auf den Wellenkörper die
sich überlagernden fügebedingten Zugeigenspannungen in
der Randzone die ursprünglichen Druckeigenspannungen
nur teilweise kompensieren.
Die induktive Randschichthärtung der Nockenscheiben
wird in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt.
Während der ersten Verfahrensstufe wird der gesamte
Ringkörper der Nockenscheibe auf mindestens 250°C,
aber höchstens auf eine unterhalb einer Umwand
lungstemperatur liegende Grenztemperatur vorgewärmt
und dadurch thermisch aufgeweitet. Während dem zweiten
Verfahrensschritt wird die Nockenscheibe mit einem
hochfrequenten Magnetwechselfeld beaufschlagt. Dabei
wird ausschließlich die radial außen liegende Randzone
der thermisch aufgeweiteten Nockenscheibe bis zu einer
oberhalb der Umwandlungstemperatur liegenden Tempera
tur erwärmt und das Gefüge der Randzone der Nocken
scheibe umgewandelt. Anschließend wird die Nocken
scheibe durch ein Fremdabschreckungsmittel abge
schreckt. Dadurch wird das entstandene harte Umwand
lungsgefüge in der Randzone stabilisiert und eine hohe
Randschichthärte der Nockenscheibe erzeugt.
Von Nachteil ist dabei jedoch, daß die Innenbereiche
der Nockenscheiben nach dem induktiven Randschichthär
ten eine derartige Duktilität bzw. Elastizität aufwei
sen, daß nur ein begrenzt hohes Fügemoment zwischen
den Nockenscheiben und dem rohrförmigen Wellenkörper
erreichbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optimiertes Verfah
ren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle bereit
zustellen, mittels welchem ein ausreichend hohes Füge
moment zwischen einer Nockenscheibe und einer Welle
erzielbar ist und mit dem sichergestellt ist, daß nach
dem Aufbringen der Nockenscheiben auf der Welle in
einer oberflächennahen Randzone der Nockenscheibe
Druckeigenspannungen vorliegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale
gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Erwärmung der Nockenschei
ben in einem Magnetfeld auf eine Temperatur oberhalb
einer Umwandlungstemperatur während der Vorerwärmungs
phase wird wenigstens weitgehend eine Umwandlung bzw.
Austenitisierung des Gefüges des Grundkreises, der
Flanken und der Nockenscheibenspitze der Nockenscheibe
erreicht.
Um die teilweise oder im wesentlichen vorgenommene
Umwandlung des Werkstoffgefüges homogen über den ge
samten Querschnitt der Nockenscheibe zu realisieren
wird erfindungsgemäß zwischen der Vorerwärmungsphase
und der Erwärmungsphase das Magnetfeld abgeschaltet
und der Energieeintrag in die Nockenscheibe unterbro
chen. Das veränderte Werkstoffgefüge bewirkt eine we
sentliche Erhöhung der Festigkeit der Nockenscheibe,
womit größere Fügemomente zwischen der Nockenscheibe
und der Welle realisiert werden können.
Während der sich an die Vorerwärmungsphase anschlie
ßenden Erwärmungsphase wird das Werkstoffgefüge der
Randschicht der Nockenscheibe in einem Magnetfeld
nochmals erwärmt. Dabei erfährt das Werkstoffgefüge in
der Randschicht eine vollständige Umwandlung bzw.
Austenitisierung auf ein höheres Niveau. Die Umwand
lung bzw. erneute Temperaturbehandlung der Randzone
der Nockenscheibe erzeugt in Verbindung mit dem übli
chen Abschrecken Druckeigenspannungen in der Rand
schicht der Nockenscheibe und damit einen höheren Här
tegrad einer Lauffläche der Nockenscheibe. Diese Maß
nahme gewährleistet eine einwandfreie Funktion der
Nockenwelle und vermeidet Beschädigungen, insbesondere
Risse und Einkerbungen, der Lauffläche der Nocken
scheibe.
Damit jedoch der jeweils innere Bereich der Nocken
scheibe von der auf die Vorerwärmungsphase folgenden
Erwärmungsphase nicht beeinflußt wird, ist die Erwär
mungszeit entsprechend kurz zu wählen, eventuell ver
bunden mit einem höheren Leistungseintrag, der ent
sprechend nur kurzfristig auf die Nockenscheibe ein
wirkt. Führt man die Erwärmungsphase mit einem hoch
frequentem Magnetfeld durch, so läßt sich dies auf
einfache Weise erreichen, da bekanntlich hochfrequente
Magnetfelder im Vergleich zu mittelfrequenten Magnet
feldern keine starke Eindringtiefe aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus
dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be
schriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Nockenscheibe, welche mit einer Welle
verbunden ist;
Fig. 2 die mit einer Welle verbundene Nockenscheibe
nach Fig. 1 im Schnitt gemäß der Linie II-II
in Fig. 1; und
Fig. 3 einen Spannungsverlauf in der Randzone der
Nockenscheibe gemäß Fig. 1 und Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine Nockenscheibe 1, welche mit einer
Welle 2 verbunden ist, dargestellt. Die Nockenscheibe
1 weist einen Grundkreis 3 und eine Nockenscheiben
spitze 4 auf. Bevor die Nockenscheibe 1 auf die Welle
2 aufgebracht wird, wird die Nockenscheibe 1 einem
zweistufigen Härteverfahren unterzogen. In einer er
sten Phase, der Vorerwärmungsphase, wird die Nocken
scheibe 1 in einem mittelfrequenten Magnetfeld, vor
zugsweise 10 kHz, auf eine Temperatur oberhalb einer
Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar so lange bis
der Werkstoff der Nockenscheibe 1 eine teilweise Um
wandlung bzw. Austenitisierung erfahren hat.
Bei der Umwandlung des Werkstoffgefüges ändert sich
die Kristallform des Eisens, und das Zementit zer
fällt. Die kubisch-raumzentrierten Kristalle des Fer
rits klappen um zu kubisch-flächenzentrierten Kristal
len des γ-Eisens. Im leeren Würfelraum des flächenzen
trierten Kristalles kann das γ-Eisen ein C-Atom des
zerfallenden Zementits aufnehmen.
Nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abge
schaltet, und der Energieeintrag in die Nockenscheibe
1 wird für die Dauer von einer Sekunde unterbrochen.
Aufgrund der geringen Wandstärken der Nockenscheibe
ist diese kurze Zeitspanne ausreichend, daß die Nocken
scheibe 1 über ihren gesamten Querschnitt im Zuge
einer nachlaufenden Erwärmung keine bzw. nur noch ge
ringfügige Temperaturgradienten aufweist. Dadurch er
fährt das Werkstoffgefüge über den gesamte Querschnitt
der Nockenscheibe 1 einen annähernd gleichen Umwand
lungs- bzw. Austenitisierungsgrad.
An die Unterbrechung des Energieeintrages schließt
sich eine zweite Phase bzw. Erwärmungsphase der Nocken
scheibe 1 an. Dabei wird in einen Randbereich 5 der
Nockenscheibe 1 mittels einem hochfrequenten Magnet
feld, vorzugsweise 200 kHz, nochmals Wärmeenergie ein
gebracht. Der Energieeintrag wird nur solange durchge
führt, bis die Randschicht 5 der Nockenscheibe 1 durch
die erneute Erwärmung einen höheren Umwandlungs- bzw.
Austenitisierungsgrad als der restliche Querschnitt
aufweist und damit eine weitere Verfestigung bzw. eine
weitere Härtegraderhöhung in der Randschicht 5 er
reicht ist.
Während der Erwärmungsphase erfolgt im wesentlichen
kein Energieeintrag in das unterhalb der Randschicht 5
liegende Werkstoffgefüge der Nockenscheibe 1. Damit
entsteht ausgehend von einer Lauffläche 6 der Nocken
scheibe 1 ein Temperaturgefälle hin zu dem Innendurch
messer der Nockenscheibe 1.
Da sich bei langsamer Abkühlung die alten Gefüge immer
wieder zurückbilden, wird die Nockenscheibe 1 nach der
Erwärmungsphase in bekannter Weise mittels einem Ab
schreckmittel abgeschreckt. Die Abschreckung bewirkt,
daß die Perlitbildung unterdrückt wird, und daß beim
Umklappen des Kristallgitters von der flächenzentrier
ten in die raumzentrierte Form in den C-Atomen keine
Zeit verbleibt, um mit den Eisenatomen Zementit auszu
bilden. Die C-Atome werden in den raumzentrierten Kri
stallen eingespannt, und es entsteht ein verzerrtes
Kristallgitter. Diese Verzerrung bewirkt wiederum, daß
der Stahl sehr hart und spröde wird.
Nach dem Härteverfahren wird die Nockenscheibe 1 auf
die Welle 2 aufgebracht, wobei ein mechanisches Füge
moment an dem Innendurchmesser der Nockenscheibe 1
Zugspannungen bewirkt. Das Fügemoment wird mittels
einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
realisiert.
In Fig. 2 ist die Nockenscheibe 1 im Schnitt gemäß der
Linie II-II aus Fig. 1 dargestellt. Die Welle 2 weist
in dem Bereich der Nockenscheibe 1 eine Aufweitung
auf. Diese Aufweitung wird mittels einem in die Welle
2 eingebrachten Druckmedium erzielt, womit zwischen
der Nockenscheibe 1 und der Welle 2 ein mechanischer
Verbund bzw. eine Verpressung entsteht.
Aufgrund der teilweisen Austenitisierung der Nocken
scheibe 1 während der Vorerwärmungsphase ist die Fe
stigkeit am Innendurchmesser der Nockenscheibe groß
genug, um das erforderliche Fügemoment zwischen der
Welle 2 und der Nockenscheibe 1 zu erreichen. Dieses
Fügemoment ist für eine einwandfreie Funktionsweise
einer gebauten Nockenwelle 1 notwendig.
Die durch das mechanische Fügemoment am Innendurchmes
ser der Nockenscheibe 1 induzierten Zugspannungen be
wirken über dem Querschnitt der Nockenscheibe 1 Span
nungsgradienten.
Die Erwärmungsphase in Verbindung mit der Abschreckung
erzeugt im Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 Druckei
genspannungen. Die Druckeigenspannungen sind so groß
daß nach dem Aufbringen der Nockenscheibe 1 auf die
Welle 2 die Druckeigenspannungen durch die Zugspannun
gen nur teilweise kompensiert werden, d. h. nach dem
Aufbringen der Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 liegen
nach wie vor Druckeigenspannungen in dem Randbereich 5
der Nockenscheibe 1 vor.
Die Druckeigenspannungen verhindern Rißbildungen an
der Außenseite der Nockenscheibe 1, welche eine Kerb
wirkung und damit Spannungsspitzen an der Außenseite
der Nockenscheibe 1 bewirken und damit zum Versagen
bzw. Bruch des Bauteiles führen können.
In Fig. 3 ist ein Spannungsverlauf in einem Ausschnitt
III gemäß Fig. 1 der Randzone 5 der Nockenscheibe 1
nach dem Aufbringen dieser auf die Welle 2 darge
stellt. Der Spannungsverlauf stellt die Druckspannun
gen dar, welche an der Lauffläche 6 der Nockenscheibe
1 den größten Wert besitzen und bis zur neutralen Fa
ser, an der das Spannungsniveau auf Null sinkt stetig
abnehmen. Der weitere Verlauf zeigt die durch das Fü
gemoment erzeugten Zugspannungen, welche ihren größten
Wert an dem Übergang von der Nockenscheibe 1 zu der
Welle 2 haben.
Die gehärtete Nockenscheibe 1 weist nach dem Härtever
fahren an ihrer Außenseite einen Härtegrad von 60 HRC
und an ihrer Innenseite einen Härtegrad von 50 HRC
auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens
kann vorgesehen sein, daß die Nockenscheibe 1 während
der Vorerwärmungs- und der Erwärmungsphase mit einem
mittelfrequenten Magnetfeld, vorzugsweise 10 kHz, be
aufschlagt wird.
Bei Durchführung der Erwärmungsphase mit einem mittel
frequenten Magnetfeld ist lediglich dabei darauf zu
achten, daß diese nur so kurz gewählt wird, daß ein
entsprechender Temperaturgradient in der Nockenscheibe 1
vorhanden bleibt. Das kann z. B. dadurch erfolgen,
daß die Nockenscheibe 1 in der Erwärmungsphase mit
einer höheren Leistungsdichte behandelt wird als in
der Vorerwärmungsphase.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle mit
näherungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben und ei
nem insbesondere rohrförmigen Wellenkörper mit folgenden
Schritten:
- - Vorerwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld;
- - Erwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur, bei der eine Umwandlung des Gefüges in Randbereichen der Nockenscheiben von Zementit in Austenit erfolgt;
- - Erzeugen von Druckspannung in den Randbereichen der Nocken scheiben durch gezieltes Abschrecken der Nockenscheiben nach der Erwärmungsphase;
- - Aufbringen der Nockenscheiben auf den rohrförmigen Wellen
körper, wobei ein mechanisches Fügemoment an den Innendurch
messern der Nockenscheiben Zugspannungen bewirkt, und wobei
die Zugspannungen die Druckeigenspannungen in den Randberei
chen nur teilweise kompensieren;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - - in der Vorerwärmungsphase werden die Nockenscheiben (1) auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar solange bis das Gefüge der Grundkreise (3) und der Nockenscheibenspitzen (4) der Nockenscheiben (1) wenigstens weitgehend eine Umwandlung oder Austenitisierung erfahren hat;
- - nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abgeschal tet und der Energieeintrag in die Nockenschieben (1) unter brochen;
- - anschließend an die Unterbrechung des Energieeintrages folgt die Erwärmungsphase der Randbereiche (5) der Nocken scheiben (1), wobei das Werkstoffgefüge der Randbereiche (5) der Nockenscheiben (1) eine Austenitisierung auf ein höheres Niveau erfährt, mit einer Erwärmungszeit und/oder einem Lei stungseintrag derart, daß ein Temperaturgefälle in den Nocken scheiben (1) von außen nach innen bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungs- und der
Erwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld beauf
schlagt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungsphase mit
einem mittelfrequenten Magnetfeld und während der Erwärmungs
phase mit einem hochfrequenten Magnetfeld beaufschlagt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Unterbrechung des Energieeintrages in die
Nockenscheiben (1) in einem Bereich von einer Sekunde liegt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997116554 DE19716554C1 (de) | 1997-04-19 | 1997-04-19 | Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle |
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DE (1) | DE19716554C1 (de) |
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- 1997-04-19 DE DE1997116554 patent/DE19716554C1/de not_active Expired - Fee Related
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Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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