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Nockenwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
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Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für Verbrennungsmotoren. Derartige
Nockenwellen sind aus Metall und werden in der Regel aus gegossenem oder geschmiedetem
Material fertig bearbeitet. Die. Oberflächen der Nocken und teilweise der Lagerstellen
sind gehärtet. Für -die Fertigbearbeitung, die durch Schleifen erfolgt, sind recht
teuere und komplizierte Maschinen erforderlich. Außerdem sind die Nockenwellen bei
Herstellung nach dem bekannten Verfahren relativ schwer.
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Bei Motorenteilen ist es aus der EP 0040174 z.B. bei Kolbenbolzen
bekannt, diese als Verbundkonstruktion mit einem Kern aus füllstoffverstärktem Kunststoff
und einer metallischen Umhüllung auszubilden. Als Füllsto£fekönnen z.B. verwendet
werden Quarzsand oder Fasern.
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Von diesem Stand-der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einerseits das Herstellungsverfahren zu vereinfachen und mit zu verbilligen
und andererseits die Nockenwelle:durch Ausbildung einer-Verbundkonstruktion aus
Metall und Kunststoff gewichtsmäßig leichter zu gestalten.
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Grundlage für die Lösung dieser Aufgabe ist ein Aufbau der Nockenwelle
nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Zweckmäßige AusgestaLtungen des Aufbaus der Nockenwelle sowie Verfahren
zu ihrer Herstellung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Nockenwelle
durch Aufsetzen fertig bearbeiteter Nocken auf eine ebenfalls fertig bearbeitete
Welle herzustellen. Die Bearbeitungsvereinfachung kommt dabei in erster Linie dadurch
zustande, daß die Nocken von einem üblichen etwa bis zu 25 mm dicken Bandmaterial
ausschließlich durch den Bearbeitungsvorgang Feinstanzen abschließend fertig - d.h.
pressefallend - bearbeitet werden können.Für die aus Bandmaterial gestanzten Nocken
ist noch eine Wärmebehandlung erforderlich, um sie zu vergüten oder zu härten. Die
Herstellung durch Feinstanzen ist äußerst exakt und bedingt durch Einsatz der Stanzwerkzeuge
geometrisch formkonstant. Die Wirtschaftlichkeit dieses Herstellungsverfahrens ist
besonders durch die erreichbare hohe Stückzahl pro Zeiteinheit gegeben.
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Durch die Verwendung eines metallischen Rohresmit Kunststofffüllung
kann das Gewicht der Nockenwelle erheblich gegenüber einer ganz aus Metall bestehenden
Nockenwelle verringert werden.
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Die Welle, auf die die fertig bearbeiteten Nocken aufgeschrumpft
werden, ist als Verbundkonstruktion mit einem Kern aus füllstoffverstärktem Kunststoff
und einer metallischen
Umhüllung nach der Lehre der europäischen
Patentanmeldung EP-A2-0040174 ausgebildet. Das Aufschrumpfen der Nocken erfolgt
durch unterschiedliche Temperierung von metallischem mit Kunststoff gefüllten Rohr
und der aufzuziehenden Nocken. Das Aufziehen der Nocken geschieht in einer Positioniereinrichtung
derart, daß die Nocken nach dem, auf schrumpfen einederartige Lage einnehmen, daß
eine Nachbearbeitung der Nockenwelle nicht mehr.erforderlich ist. Soll die Nockenwelle
Lagerbereiche aufwei.sen, die einen größeren Durchmesser besitzen als des die Welle
bildende metallische Rohr aufweist, so sind zusätzlich zu den Nocken noch Lagerringe
auf die Welle in gleicher Weise wie die Nocken aufzuschrumpfen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der-Zeichnung d.argestellt.
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Das Rohr 1 ist aus Stahl und weist eine Wanddicke von 3 mm und einen
Außendurchmesser von etwa 25 mm auf. Díe;Oberfläche des Rohres 1 ist in den Lagerbereichen
2 und den Aufnahmebereichen für die Nocken 3 fertig bearbeitet. Die Endbearbeitung
des gemeinsamen Rohres 1 Außendurchmessers für die Lagerbereiche 2 und die Bereiche
für die -Aufnahme- der Nocken 3 erfolgt durch Schleifen. Das Schleifen erfolgt dabei
als sogenanntes Centerless-Schleifen, d.h. ein Schleifen, bei dem das Werkstück
nicht zcntrisch in der Bearbeitungsmaschine in einer Aufnahmevorrichtung fixiert
ist. Die Nocken 3 werden aus einem vergüteten Bandmaterial aus einem legierten Kohlenstoffstahl
durch Feinstanzen erzeugt. Die, Dicke der Nocken beträgt 16 mm. 'Zur Gewichtsreduzierung
wird bei dem Stanzen außer der Aufnahmebohrung für das Rohr 1 noch eine Ausnehmung
4 mit eingestanzt. Anstelle dieser- einen, Ausnehmung können auch mehrere kleinere
Ausnehmungen eingestanzt werden in den nichttragenden Bereichen der Nocken.
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Das Aufsetzen der Nocken 3 und gegebenenfalls der Lagerringe 5 erfolgt
in der Weise, daß die Nocken und die Lagerringe erwärmt werden und mit einer gegenüber
dem Rohr 1 höheren Temperatur auf das Rohr aufgezogen und dort mit Hilfe einer Positioniereinrichtung
in die richtige Lage gebracht werden.
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Nach Temperaturangleichung zwischen den Nocken und den Lagerringen
einerseits und dem metallischen Rohr andererseits ist eine formschlüssige Schrumpfverbindung
vorhanden.
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Das Wellenstück der Nockenwelle ist als. Verbundkonstruktion ausgebildet
und besteht aus einem füllstoffhaltigen Kunststoffkern K und einem metallischen
Rohr 1. Der Kern K kann - wie durch den gestrichelten Kreis 6 angedeutet -statt
voll- auch hohlzylindrisch ausgebildet sein.
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Der Kern K besteht aus einem temperatur- und ölfesten Kunststoffmatrixsystem,
in welchem körnige Füllstoffe oder sogenannte Hochmodulfasern F eingebettet sind.
Als körnige Füllstoffe geeignet sind Quarzsand, Quarzgut. (Kieselglas), 1 Quarzmehl,
Korund, Glasperlen oder -splitter und Metallkörner oder -splitter. Als Hochmodulfasern
kommen solche mit einem Elastizitätsmodul von mindestens etwa 200'000 bis 400'000
N/mm2, vorzugsweise mindestens etwa 350'000 N/mm2, in Frage. Besonders geeignete
Fasern sind Kohlefasern, insbesondere Kurz fasern beispielsweise sogenannte Pitch-Fibers,
beispielsweise etwa der Typ P-65S der Firma Union Carbide (USA).
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Die Faserlänge beträgt im wesentlichen etwa 15 bis 50 % des Rohrdurchmessers
D. Mit dieser speziellen Fserstruktur bilden die Fasern gewissermassen ein
System
von Verstrebungen für das Rohr 1, welches dem gesamten Wellenstück eine sehr hohe
Steifigkeit in radialer Richtung verleiht.
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Der Anteil von körnigen Füllstoffen oder Verstärkungsfasern am Kernvolumen
sollte im Hinblick auf einen hohen E-Modul des Kerns möglichst hoch sein. Er beträgt
in der Praxis mindestens etwa 55 Vol.-X, vorzugsweise mindestens 65 bis 70 Vol.-%
oder auch mehr. Im Falle von körnigen Füllstoffen kann es notwendig sein, zur Erreichung
dieses hohen Füllstoffgebalts Füllstoffe verschiedener Körnungen zu verwendet. Anderseits
muss der Füllstoffgehalt aber auch so gewählt werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Kerns möglichst an, denjenigen des metallischen Rohres 1.angepaßt ist. Zweckmäßigerweise
ist der Ausdehnungskoeffizient des Kerns etwas größer als der des Rohres.
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Als Matrixkunststoff für den-Kern kommen nur Systeme in Frage, deren
Glasumwandlungstemperatur, bzw. Erweichungstemperatur um einen bestimmten, systemabhängigen
Sicherheitsabstand höher als die höchste zu erwartende Betriebstemperatur des Rohres
liegt. Für Anwendungen der Nockenwelle in Verbrennungsmotoren liegt letztere etwa
bei 150°-180° Zumdem muss der Matrixkunststoff, da er in der Regel auch mit dem
Motorenöl in Kontakt kommt, auch gegen dieses bei den oben erwähnten hohen-Temperaturen-beständig
sein, d.h. dass er insbesondere sein E-Niveau behält. Geeignete Matrixsysteme -
sind beispielsweise in der Klasse der polyfunktionellen Epoxidharzsysteme, Polyimidsysteme,
Phenol- und Kresolfcrmaldehydharze und acetylenisch ungesdttigten aromatischen Kohlenwasserstoff-
oder Imidharzsysteme mit Glasumwandlungstemperaturen über 200°C, vorzugsweise über
250°C zu finden.
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Als konkretes Beispiel aus der Klasse der Epoxidharzsysteme sei die
Kombination Triglycidylisocyanurat mit Methyl-nadicsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid
oder Methyl-hexahydrophthalsäureanhydrid und eventuell einem Beschleuniger, wie
z.B. N,N-Dirnethyl-benzylamin oder l-Methylimidazol genannt. Ferner ist auch geeignet
Triglydidyl
-p-hydroxyanilin mit Diaminodiphenylsulfon. Weitere
Beispiele sind weiter unten aufgeführt.
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Als Beispiel aus der Klasse der Polyimide, das für die vorliegende
Anwendung in Frage kommen könnte, sei eine Pressmasse auf Basis Bismaleinimid und
Diaminodiphenylmethan zitiert.
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Weitere Beispiele sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
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Niederviskose Imidformulierungen, die Allylverbindungen wie z.B.
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Diallyl-bisphenol-A enthalten, werden bevorzugt mit einem C1-C1-labilen
Initiator, der beim Erhitzen in Radikale zerfällt, gehärtet. Bevorzugt werden Di-
oder Tetraphenyläthanverbindungen der allgemeinen Formel
worin R = -OH, -CN, -OCH3 R' = -Phenyl, -COOR", R" = Niederalkylrest, -Pheny-l,
- Benzoyl sind.
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In die Klasse der acetylenisch ungesättigten Imidharze gehört z.B.
das von der Gulf Oil Chemical Co. erhältliche TermidQMC-600 mit angeblich folgender
Struktur:
Bei der Suche nach geeigneten Epoxidharzsystemen stellte sich überraschenderweise
heraus, dass. entgegen der allgemeinen Meinung, Epoxidharze seien gegen Oel beständig,
die wenigsten der hochtemperaturbeständigen und hochvernetzten Epoxidsysteme Motorenöl
bei z.B. 1800 widerstehen.
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Die wichtigsten Eigenschaften einiger ausgewählter Epoxidharzsysteme
geht aus der folgenden Tabelle 1 hervor.
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Hierin-sind die Epoxidharze, Härter und Beschleuniger wie folgt abgekürzt:
TGIC : Triglycidylisocyanurat
TGMDA : N,N,N',N'-Tetraglycidyl-methylendianilin " TPGA : 1,1,2,2-Tetrakis[4-(Glycidylloxy)phenol]äthan
" BGDA : Bisphenol A-diglycidylächer = Standardepoxidharz DDM : Diaminodiphenylmethan
MNA : Methylnadicsäureanhydrid MI : l-Methylimidazol
BMI :
DABA : 0,0'-Diallyl-bisphenol A DAPA : 2,6-Diallylphenol ANOL : Allylnovolak (Viskosität
um 1500mPa.s) DETDA : Diäthyltoluylendiamin SR 351: Trimethylolpropantrimethacrylat
J 403: CrC-labiler Initiator auf Basis Tetraphenyläthan der Fa. Akzo Chemie, Nederland
BV.
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BT3103: Imidharzsystem auf Basis BMI + Aryl-bis-cyanate der Fa. Mitsubishi
Gas Chemical Co., Inc. Japan TGpRA : Triglycidyl-p-hydroxyanilin
Tabelle
1 Eigenschaften einiger unverstärkter Epoxidharzsysteme
Beispial Nr. 0 1 2 3 4 |
" " |
Harze (Gew.T1) TGMDA(BO)+BGDA(20) TGIC(100) CYCLO(100) TPGA(50)+CYCLO(50)
TGIC (65) |
TGpHA(35) |
Härter (Gew. T1) MNA(92) MNA(169 MNA(115) MNA(104) |
DDM(46) |
Beschleuniger (Gew.T1) MI(0.5) MI(0.5) MI(1) MI(1) - |
Eigenschaft nach Härtung |
B h 220°C |
Glasumwandlungstemp. |
TG(DTA), °C 249° 270° 251° 265° 272° |
Biegemodul EB bei 200°C,N/mm2 1955#19.5 2200#80 591#64 729#48
798 |
BiegefestigkeitoB bei |
20°C,N/mm2 61.5#3 61#18 37,6#8.6 22,4#6.8 25,7 |
Oeleinlagerung bei 180°C * |
30 Tage, EB 200°C:N/mm2 2033#95 3636#117 2275#151 2301#74 1790#45 |
#B 200°C:N/mm2 44.3#53 68.3#9.4 86.3#5.6 62.5#11 73.8#1 |
Gewichtsänderung,% -0.86 -0.8 -0.62 -0.8 - |
Aussehen unverändert unverändert unverändert unverändert unverändert |
Tabelle 1 Eigenschaften einiger unverstärker Epoxidharzsysteme
(Fortsetzung)
Beispiel Nr. 0 1 2 3 4 |
60 Tage, EB 200°C:N/mm2 zu weich 3460#100 2070#64 2299#54 1675
# 118 |
#B200°C:N/mm2 76.4#11 74#4.4 71.6#7.8 61.6 # 13.6 |
Gewichtsänderung.% -13.1 -1.0 -1.4 -1.5 +3.5 |
Aussehen deformiert, unverändert unverändert unverändert unverändert |
Blasen |
Bewertung: unbeständig ausgezeichnet brauchbar gut beständig
beschränkt |
beständig beständig |
* Je 5 Probekörper der Dimensionen (in mm) 80 x 10 x 4 in Mehrbereichsmotorenoel
Valvoline SAE 10-50
Tabelle 2 Eigenschaften einiger oelbeständiger,
unverstärkter Imidformulierungen
Beispiel Nr. 5 6 7 8 9 |
Imid (Gew. Teil) BMI (50 BMI (60) BMI (60) BMI (70) BMI (22.5) |
Allylverbindung (Gew. Teil) DABA (50) DAPA (40) DAPA (35) ANOL
(30) BT 3103(7.5) |
Andere Cocomponenten (Gew.Teil) - - SR 351 (5) DETDA (10) Quarz
(70) |
Initiator J 403 (0.5) J 403 (0.5) J 403 (0.5) J 403 (0.5) |
Glasumwandlungstemperatur TG °C nicht defi- 241° nicht defi-
266° nicht defi- |
niert niert niert |
Biegefestigkeit #B bei 200°C |
N/mm2 58#7.4 63.6#5.1 90.8#3 86#15.5 69 # 4 |
Biegemodul EB bei 200°C,N/mm2 2560#87. 1780#49 2460#56 2407#99
9000#139 |
Oeleinlagerung bei 180°C |
30 Tage, #B bei 200°C,N/mm2 93.2+9.6 52.6#8.6 63.4#11.6 81.2#15.7
61.4#5.1 |
EB bei 200°C,N/mm2 3206+59 3102#37 3084#110 2994#40 9486 #
537 |
Gewichtsänderung, % -0,41 -0,65 -0.6 bis 0,65 -0,57 bis 0,63
-0,19 |
Tabelle 2 (Fortsetzung) Eigenschaften einiger oelbeständiger,
unverstärkter Imidformulierungen
Beispiel Nr. 5 6 7 8 9 |
60 Tage. #B bei 200°C,N/mm2 89 # 11 54 # 5.5 71 # 17 89 # 18 |
EB bei 200°C,N/mm2 3440 # 68 3336 # 94 3333 # 92 3254 # 39 |
Gewichtsänderung % - 0,34 - 0,63 - 0,63 - 0,65 |
Aussehen fleckig dunkel- fleckig rotbraun, trübe,braun, |
braun, i.o. braun, i.o. braun, i.o. i.o. o.k. |
Bewertung ausgezeich- beständig beständig ausgezeichnet beständig |
net |
Das gefüllte Rohr 1 steht vor der Verbindung mit den Nocken 3
vorzugsweise unter einer definierten Zugvorspannung in Umfangsrichtung. Diese Vorspannung
ist vorzugsweise so bemessen, dass sie auch bei der höchsten zu erwartenden Betriebstemperatur
nicht ganz verschwindet. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß Kern und Hülse unter
allen Umständen stets fest miteinander verbunden sind. Die Vorspannung läßt sich
auf verschiedene, Weise erreichen, z.'-B. auch dadurch, daß das Rohr -auf den entsprechend
vorbereiteten Kern aufgeschrumpft wird.
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Die Herstellung des Kerns - sei -es unabhängig von der Hülse oder
direkt in der Hülse - kann ebenfalls. nach verschiedenen Methoden erfolgen. Als
Beispiele seien Pressverfahren, Spritzgießverfahren, Vakuuminjektionsverfahren und
Schleudergussverfahren genannt.
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Beispiel eines Kerns K Epoxidhar:Aiärtermischung A 100 g TGMDA 110
g MNA 0,25 g MI Füllstoffmischung B ELMIN Quarzgut (amorpher Quarz der Fa. Sihelco
AG, Birsfetden) Menge , g Korngrössenbereich , 38 0,355-2 12- 0,25-0,71 12 0,125-0,355
13 EL 180 (95 % durch Sieb 180um)
Eine Mischung C bestehend aus
20 Gew.-% A und 80 Gew.-7. B wurde bei ca. 60-90°C gemäss vorstehend beschriebenem
Verfahren in ein Rohr eingefüllt und festgestampft, und dann in einer Presse mit
einem passenden Stempel komprimiert. Das Ganze wurde dann in einem Ofen 8 h bei
1900C ausgehärtet.
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Die vorstehende Beschreibung des Aufbaus.des Wellenstücks der Nockenwelle
sowie die Angaben zur Herstellung des so aufgebauten Wellenstückes sind der EP-A2-0040174
entnommen.
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