DE3738809A1

DE3738809A1 - Nocken mit haertbarer laufbahn

Info

Publication number: DE3738809A1
Application number: DE19873738809
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Frielingsdorf; K R Dr Greulich; Heribert Dipl Ing Grewe; Helmut Dipl Ing Riemscheid; Engelbert Dipl Ing Schwarz; Karl Dr Weiss
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1987-11-15
Filing date: 1987-11-15
Publication date: 1989-05-24
Also published as: GB2212595B; FR2623266B1; DE3738809C2; GB2212595A; ES2009115A6; IT8805234A0; GB8826580D0; FR2623266A1; IT1226976B

Description

Die Erfindung betrifft einen Einzelnocken mit einer Nockenerhebung und einer Nockenbohrung für eine Nocken welle, die aus einem aufweitbaren Rohr und darauf kraft schlüssig festgelegten Konstruktionselementen wie Nocken, Ritzeln und Gleitlagerhülsen aufgebaut ist.

Bei der Herstellung derartiger Nockenwellen bei denen das Aufweiten des Rohres grundsätzlich abschnittsweise im Bereich der aufgeschobenen Konstruktionselemente erfolgt, sind die folgenden Probleme besonders zu beachten. Zum einen ist es notwendig, eine derart feste Verbindung herzustellen, daß die geforderten Drehmomente ohne Ver drehung des Konstruktionselementes gegenüber dem Rohr aufgenommen werden.

Hierzu schien es zunachst vorteilhaft, insbesondere die Nocken aus Stahl zu fertigen. Es ist jedoch bereits von konventionellen einstückigen Nockenwellen her bekannt, daß bei hochbelasteten neuzeitlichen Brennkraftmaschinen insbesondere mit Vielventilzylinderkopfen bei bestimmten Betriebszuständen Schäden an den Laufbahnen der aus Stahl bestehenden Nocken auftreten.

Von bestimmten Herstellern wird daher die Verwendung von Gußnockenwellen, insbesondere aus sogenanntem Schalen hartguß vorgezogen, bei denen solche Schäden an den Nocken laufbahnen nicht zu erwarten sind. Diese Wellen haben gegenüber den eingangs genannten Wellen jedoch Gewichts nachteile.

Bei dem Versuch, Einzelnocken aus Gußwerkstoff her zustellen und kraftschlüssig auf einem hydraulisch aufgeweiteten Rohr festzulegen, war festzustellen, daß diese Nocken unzureichende elastische Eigenschaften aufweisen und bereits beim Vorgang des Aufweitens zu Bruch gingen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einzelnocken bereitzustellen, der allen Festigkeits anforderungen bei der Herstellung einer Nockenwelle durch Aufweiten des eingesteckten Rohrkörpers sowie allen Anforderungen im Betrieb hinsichtlich Standfestigkeit und übertragbarer Drehmomente erfüllt.

Die Lösung hierfür liegt in einem Nocken der eingangs genannten Art mit einer Struktur in radialer Richtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest an der Nockener hebung eine Randschicht vorgesehen ist, die auf eine Härte von mehr als 56 HRC (Härte Rockwell) aufhärtbar ist und daß im Bereich der Nockenbohrung ein Verformungswiderstand vorliegt, der höher ist als der des Materials des zur Verbindung vorgesehenen Rohres. Durch einen Nocken dieser Art ist es möglich, durch das bekannte hydraulische Fügeverfahren unmittelbar zu einem hochwertigem Erzeugnis zu gelangen, das allen Anforderungen im Betrieb genügt, wobei das Härten bereits vor dem Fugen erfolgen kann und, das anschließend noch ein Fertigschleifen möglich ist.

Die aus einem härtbaren Material, für das Stahl, Gußwerk stoff oder Sintermaterial in Frage kommt, bestehenden Nocken, können hierbei bereits vor dem Fügen mit dem Rohr in mit gleicher Orientierung zusammengespannten Paketen gemeinsam an der Nockenlaufbahn gehärtet sein, beispiels weise nach einem Induktions- oder Laserhärteverfahren.

Besonders günstige, verdrehfeste Verbindungen zwischen Nocken und Rohr sind dann zu erzielen, wenn die Zugfestig keit des Grundmaterials zumindest 20%, insbesondere bis zu 50% höher ist als die des Materials des zur Verbindung vorgesehenen Rohres. Hierdurch können die Aufweitdrücke sehr hoch gefahren werden, ohne daß es zu Schäden an der gehärteten und weniger dehnfähigen Randschicht kommt.

Von besonderem Vorteil ist es, die Dicke der Randschicht so zu gestalten, daß sie an der Spitze der Nockenerhebung doppelt so dick ist wie an den Flanken der Nockenerhebung, so daß dort, wo besonders hohe Druckkräfte an der Nocken laufbahn auftreten, keine Nachgiebigkeit im Untergrund vorliegt, die zu Schäden führen könnte. Die gehärtete Randschicht soll auf der anderen Seite in besonders gün stiger Ausgestaltung höchstens 6 mm, vorzugsweise höchstens 4 mm tief sein, um die erforderliche und notwendige elastische Nachgiebigkeit im Bereich der Nockenbohrung nicht ungünstig zu beeinflussen.

Besonders günstig ist es unter dem vorgenannten Aspekt, die gehärtete Randschicht nur im Bereich der Nockener hebung auszubilden und den Grundkreis gleichmäßiger radialer Wanddicke ungehärtet zu lassen, da dies von der Belastung an der Nockenlaufbahn gesehen her möglich ist und da andererseits hierdurch die relativ große Rißgefahr einer tiefer gehärteten Schicht bei nur geringem unge härtetem Materialanteil überwunden wird. Wird dennoch eine Härtung an diesem Grundkreis gleichbleibender radialer Randdicke vorgesehen, so soll die Randschicht höchstens 0,3 mm Dicke aus den vorgenannten Gründen aufweisen. Hierbei soll die Dicke der Randschicht nicht mehr als 50%, in günstiger Weise nicht mehr als 30% der Gesamt wanddicke betragen. Auch dies soll eine feste Verbindung mit hohen Aufweitdrücken zulassen, ohne daß der Nocken durch Laufbahnrisse in der gehärteten Schicht gefährdet ist. Die Härtung soll über den gesamten Umfang jeweils so erfolgen, daß keine Randeinflüsse an den Seiten auftreten, sondern die Randschicht über die gesamte Nockenbreite bis zu den Seiten gleichbleibende Dicke hat, um Kantenab splitterungen zu vermeiden. Hierzu ist insbesondere das Härten im zusammengespannten Zustand mehrerer Nocken mit gleicher Orientierung geeignet.

Beim Härten der Randschicht sind neben der absoluten Dicke insbesondere auch die Einhaltung bestimmter Härtegra dienten zu beachten, d.h. Hartesprünge, die zu inneren Materialspannungen führen können, sind insoweit zu ver meiden, daß nach einer bevorzugten Auslegung der Härtegra dient in radialer Richtung nicht mehr als 150 HRC/mm, bevorzugt sogar nicht mehr als 120 HRC/mm beträgt.

Neben der üblichen reinen scheibenförmigen Form der ein zelnen Nocken, kann unabhängig von der Art der Herstellung und des Materials, d.h. sowohl bei geschmiedeten als auch bei gegossenen oder gesinterten Nocken eine weitere Gewichtsreduzierung der zu erzeugenden Nockenwelle dadurch erwirkt werden, daß am einzelnen Nocken im Bereich der Nockenerhebung die Nockenseiten eingezogen sind, wobei ein insbesondere mittig angeordneter Steg entsteht. Hierbei ist vorzugsweise dafür zu sorgen, daß außerhalb des Steges die Randschicht von einer Schicht aus Grundmaterial über die volle Nockenbreite unterstützt wird, da anderenfalls die Gefahr von Kantenbrucherscheinungen eintreten könnte.

Zur Sicherstellung der erfindungsgemäßen Nockeneigenschaf ten können werkstoffabhängig einige besonders bevorzugte Werte angegeben werden, die zur Verbesserung der Ergebnisse beitragen.

Bei Nocken aus Stahl sollte das ungehärtete Grundmaterial eine maximale Korngröße aufweisen, die bei 8 ASTN liegt, d.h., daß die ASTN-Zahlenwerte größer gleich 8 sein können. Für die Randschicht dagegen, die insbesondere aus fein körnigem Martensit bestehen sollte, ist eine maximale Korngröße von 6 ASTN einzuhalten, d.h., daß der ASTN-Zah lenwert größer gleich 6 ist.

Wie bereits erwähnt, sind auch Gußwerkstoffe für Nocken mit den erfindungsgemäßen Merkmalen geeignet, insbe sondere Nocken aus härtbarem Gußwerkstoff, wie vorzugs weise schwarzem Temperguß.

Bei der Darstellung des Nockens als Sintermetallteil ist das härtbare Material, insbesondere durch die Beimischung von Kabitbildnern vorzusehen.

Ein erfindungsgemäßer Einzelnocken aus Stahl ist in der Weise herzustellen, daß eine zeitlich begrenzte Wärme zufuhr an der Laufbahnoberfläche erfolgt, nach der beim Abkühlen eine Martensitumwandlung in der Randschicht und eine Gefügeumwandlung im Grundmaterial stattfindet. Wie erwähnt kann hierzu eine induktive Erwärmung oder eine Erwärmung mittels Laser herangezogen werden. Die Ge fügeumwandlung im Grundmaterial erfolgt nach einer geeigneten Weise im wesentlichen infolge metallischer Wärmeleitung zur zuvor martensitisch abgekühlten Randschicht, d.h. der Wärmegehalt des Nockens wird zur Gefügeumwandlung genützt. Die gewünschten Ergebnisse werden mit guter Sicherheit dann erzielt, wenn die Er wärmung der Randschicht bis zu einer Tiefe von zumindest 1 mm auf eine Temperatur von ca. 850°C erfolgt.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Nockens wird anhand der nachfolgenden Zeichnung weiter verdeutlicht.

Fig. 1 zeigt in Vorderansicht (a) und im vertikalen Längsschnitt (b) einen scheibenförmigen Nocken gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in Vorderansicht (a) und im vertikalen Längsschnitt (b) einen Nocken mit einge zogenen Seiten gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Nocken mit einer zen tralen Nockenbohrung 1, einer Nockenerhebung 2 und einem Grundkreis gleichmäßiger Dicke 3 erkennbar. Durch eine gestrichelte Linie ist die Grenze zwischen einer äußeren gehärteten Randschicht 4 und dem ungehärteten Grund material 5 erkennbar. Es ist erkennbar, daß der Nocken als einfacher Scheibenkörper mit graden Seitenflächen 6 ausge bildet ist. Die gehärtete Randschicht 4 ist mit dichterer Schraffur dargestellt als das ungehärtete Grundmaterial 5. Es ist weiterhin erkennbar, daß die gehärtete Rand schicht über die gesamte Breite der Nockenlaufbahn gleiche Dicke aufweist, wobei im Bereich der Nockenerhebung 2 die Dicke insgesamt etwas größer ist als im Grundkreis 3.

In Fig. 2 ist um ein erfindungsgemäßer Nocken mit einer zentralen Nockenbohrung 1 einer Nockenerhebung 2 und einem Grundkreis gleichbleibender Dicke 3 dargestellt, der in der Nockenerhebung 2 seitliche Ausnehmungen 7 erkennen läßt. Durch eine gestrichelte Linie ist die Grenze zwischen gehärteter Randschicht 4 und ungehärtetem Grundmaterial 5 dargestellt. Die gehärtete Randschicht erstreckt sich hier nur über die Nockenerhebung, d.h. die Nockenspitze einschließlich der Nockenflanken. Im Schnitt sind die Ausnehmungen 7 und ein mittlerer Steg 8 erkennbar, daneben ist durch die dichtere Schraffur für die gehärtete Randschicht 4 ersichtlich, daß das Grund material 5 die gehärtete Schicht 4 über der gesamten Nockenbreite außerhalb der Ausnehmungen 7 unterstützt.

Bezugszeichenliste:

1 Nockenbohrung
2 Nockenerhebung
3 Grundkreis
4 Randschicht
5 Grundmaterial
6 Seitenfläche
7 Einziehung
8 Mittelsteg

Claims

1. Einzelnocken mit einer Nockenerhebung und einer Nockenbohrung für eine Nockenwelle, die aus einem aufweitbaren Rohr und darauf kraftschlüssig festgelegtem Konstruktionselementen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an der Nockenerhebung (2) eine Rand schicht (4) vorgesehen ist, die auf eine Härte von mehr als 56 HRC (Härte Rockwell) aufhärtbar ist und daß im Bereich der Nockenbohrung (1) ein radialer Verformungswiderstand vorliegt, der höher ist als der des Materials des zur Verbindung vorgesehenen Rohres.

2. Nocken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfestigkeit des Grundmaterials (5) zumindest 20%, insbesondere bis zu 50% höher ist als die des Materials des zur Verbindung vorgesehenen Rohres.

3. Nocken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht (4) an der Spitze der Nockener hebung (2) doppelt so dick ist wie an den Flanken der Nockenerhebung.

4. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht (4) höchstens 6 mm, insbesondere höchstens 4 mm tief ist.

5. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkreis (3) gleichbleibender radialer Wanddicke an der Nockenbohrung (1) aus Grundmaterial (5) ohne Ausbildung einer Randschicht (4) besteht.

6. Nocken nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkreis (3) gleichbleibender radialer Wanddicke an der Nockenbohrung (1) eine Randschicht (4) von höchstens 0,3 mm Dicke aufweist.

7. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht (4) im Bereich gleichbleibender Dicke an der Nockenbohrung (1) nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 30% der Gesamtwanddicke beträgt.

8. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht (4) über die gesamte Nockenbreite bis zu den Seiten (6) gleichbleibende Dicke aufweist.

9. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient der Härte in radialer Richtung, insbesondere im Bereich des Überganges von der Randschicht (4) zum Grundmaterial (5), nicht mehr als 150 HR/mm, insbesondere nicht mehr als 120 HR/mm beträgt.

10. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Nockenerhebung (2) die Nockenseiten (6) mit Ausnehmungen (7) versehen sind und ein - insbesondere mittig angeordneter - Steg (8) entsteht.

11. Nocken nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Steges (8) die Randschicht (4) von einer Schicht aus Grundmaterial (5) über die volle Nockenbreite unterstützt wird.

12. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial (5) eine maximale Korngröße aufweist, die bei 8 ASTN liegt (Zahlenwert n8 ASTN).

13. Nocken nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht (4) aus feinkörnigem Martensit besteht.

14. Nocken nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Korngröße der Randschicht (4) einen Wert von 6 ASTN (Zahlenwert n6 ASTN) aufweist.

15. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aus Guß, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken aus härtbarem Gußwerkstoff, insbeson dere schwarzem Temperguß besteht.

16. Nocken nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken aus einer insbesondere Karbidbildner enthaltenden härtbaren Sintermetallmischung besteht.

17. Verfahren zur Herstellung eines Nockens aus Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitlich begrenzte Wärmezufuhr an der Laufbahnoberfläche erfolgt, nach der beim Abkühlen eine Martensitumwandlung in der Randschicht und eine Gefügeumwandlung im Grundmaterial stattfindet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügeumwandlung im Grundmaterial im we sentlichen infolge metallischer Wärmeleitung zur zuvor martensitisch abgekühlten Randschicht erfolgt.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung bis zu einer Tiefe von zumindest 1 mm auf eine Temperatur von ca. 850°C erfolgt.