DE3907886C2

DE3907886C2 - Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE3907886C2
Application number: DE3907886A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Hiraoka; Shunsuke Takeguchi; Satoshi Kawai
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2009-03-11
Also published as: US4969262A; GB8903166D0; JPH0610286B2; JPH01240605A; GB2216901B; GB2216901A; DE3907886A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle für eine Ventilmechanik einer Verbrennungs kraftmaschine und insbesondere ein Verfahren zum Ausbilden einer Nockenwelle der Art, die ein Nockenteil aufweist, das aus inneren und äußeren Lagen zusammengesetzt ist.

Es ist bekannt, eine Nockenwelle mit einem Paßteil herzu stellen, das aus wenigstens zwei Schichten besteht, deren jede aus individuellen Sintermaterialien hergestellt ist.

In der JP A 58-41211 ist ein aus drei Schichten zusammen gesetzter Nockenbuckel bekannt, wobei die innere Schicht aus einer Stahlhülse gebildet und mit der Welle ver schweißt ist. Die Zwischen- und Außenschichten sind ent sprechend aus Sintermaterialien hergestellt, die schrumpfen und beim Sintern eine flüssige Phase geben. In der JP U 58-191458 ist ein Nockenteil erläutert, das aus drei Schichten besteht, wobei die äußere Schicht und die innere Schicht aus unterschiedlichen mit flüssiger Phase sinternden Materialien hergestellt sind, wobei die Zwischenschicht aus einem mit fester Phase sinternden Material besteht.

Das Nockenteil wird mit einer Stahlwelle durch Sintern ver bunden, wobei die innere Schicht eine flüssige Phase ergibt. In der JP U 58-192942 ist ein Zapfen beschrieben, der aus zwei Schichten besteht, wobei die innere Schicht aus einem mit flüssiger Phase sinterndem Material hergestellt ist, während die äußere Schicht aus einem mit fester Phase sin terndem Material hergestellt ist. In der JP A 59-219402 ist ein Nockenteil beschrieben, das aus zwei Schichten zusammen gesetzt ist, wobei die innere Schicht aus einem mit flüssi ger Phase sinterndem Material hergestellt ist, während die äußere Schicht aus einem sintermaterial auf Eisenbasis be steht. In der JP A 60-39105 ist ein Nockenteil beschrieben, das aus zwei Schichten besteht. Die innere Schicht ist aus einem Sintermaterial auf Kupferbasis hergestellt, während die äußere Schicht aus einem Sintermaterial auf Eisenbasis besteht. In der JP A 60-43405 ist ein aus zwei Schichten be stehender Nockenbuckel beschrieben. Die innere Schicht weist ein Schrumpfmaß von weniger als 2% auf, während das der äußeren Schicht größer als 2% ist. In der JP A 59-155660 ist ein Nockenteil beschrieben, das aus zwei Schichten be steht, wobei die äußere Schicht aus einem Sintermaterial einer verschleißbeständigen Legierung besteht. Die innere Schicht ist aus einem hochzähen Sintermaterial oder einer Schweißlegierung hergestellt und mit der Welle durch Stauchen verbunden.

Es ist auf verschiedene Nachteile dieser bekannten Anordnungen hinzuweisen: Der Nockenbuckel nach der JP A 58-41211 erfordert ein Verfahren zum Verschweißen der inneren Schicht der Stahl hülse mit der Welle, so daß die Produktionskosten erhöht werden. Das Nockenteil nach der JP A 58-41211 oder JP U 58-191 458 erfordert komplizierte und teure Preßformen, weil es aus drei aus sinterfähigen Materialien hergestellten Schich ten zusammengesetzt ist. Das Nockenteil nach der JP U 58-191458 ist beim Binden zwischen der äußeren Schicht und der Zwischen schicht nicht zuverlässig, da die Bindung zwischen den in flüssiger Phase und fester Phase gesinterten Materialien an ihrer gemeinsamen Grenzfläche nicht zuverlässig ist. D.h., daß der Zapfen nach der JP U 58-192942 weniger zu verlässig hinsichtlich des Bindens an der gemeinsamen Grenz fläche zwischen den mit fester und flüssiger Phase gesinter ten Materialien ist. Das Nockenteil nach der JP A 59-219402 ist wegen der Bindung an der Grenzfläche zwischen der äußeren und inneren Schicht nicht zuverlässig, da die Bindung zwischen dem Material auf Eisenbasis und den mit flüssiger Phase sin ternden Materialien an ihrer gemeinsamen Grenzfläche wenig sicher ist. Das in der JP A 60-39105 erläuterte Verfahren kann jenseits einer Toleranzgrenze versagen. Der Grund hierzu be steht darin, daß die äußere Schicht aufgrund einer frühen Durchdringung von Kupfer aus der inneren Schicht in die äußere Schicht beim Sintern sich blähen kann. Die innere Schicht des Nockenbuckels nach der JP A 60-43405 hat ein Schrumpfmaß von weniger als 2%, welches zu gering ist, um eine zuverlässige Bindung zwischen dem Nockenbuckel und der Welle zu schaffen. Die in der JP A 59-155660 gezeigte Nockenwelle ist in ihrer Form nachteilig begrenzt, weil das Nockenteil mit der Welle durch Stauchen verbunden wird.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen ein Nockenwelle der Art, die ein Nockenteil aufweist, das aus er inneren und äußeren Schichten zusammengesetzt ist, wobei die beiden Schichten zuverlässig miteinander an ihrer gemein samen Grenze verbunden werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Nocken welle besteht darin, daß ein Nockenteilgrünling geformt wird, der aus inneren und äußeren Schichten aus Materialien zusammengesetzt ist, die schrumpfen und beim Sintern eine flüssige Phase ergeben, daß dieses Nockenteil auf eine Stahl welle aufgepaßt wird, um eine Roh-Nockenwellenanordnung herzustellen, daß diese Nockenwellenanordnung gesintert wird, um eine Nockenwelle zu schaffen, die ein Nockenteil aufweist, das durch Diffusion mit dem Außenumfang der Welle verbunden ist, und dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß das die äußere Schicht bildende Material so zube reitet ist, daß es axial um 4-10% schrumpft und mehr als das die innere Schicht bildende Material schrumpft, welches ein axiales Schrumpfmaß von 2,5 bis 6% aufweist.

Pulver aus zwei verschiedenen, mit flüssiger Phase sinterbaren Materialien werden zu einem Nockenrohpreßling geformt, der äußere und innere Schichten aufweist. Die äußere Schicht ist aus einem der Materialien, während die innere Schicht aus dem anderen Material geformt wird. Die beiden Materialien werden miteinander an ihrer gemeinsamen Grenzfläche mit dem Ergeb nis verbunden, daß die beiden Schichten sicher miteinander nach dem Sintern verbunden sind. Das die äußere Schicht bildende Material schrumpft beim Sintern mehr als das andere Material, welches die innere Schicht bildet. Hierdurch wird die Verbindung zwischen den beiden Schichten verbessert und gestattet, daß das die innere Schicht bildende Material ein relativ geringes Schrumpfmaß aufweist. Wenn die innere Schicht weniger schrumpfbar ist, wird ein axiales Versetzen eines jeden Nockenteiles in Bezug auf die Lage an der Nocken welle so reduziert, daß es ausführbar ist, den Abstand zwi schen benachbarten Nockenteilen ohne Probleme zu verengen oder in der Nähe des Nockenteiles einen Zapfen an der Welle anzuordnen.

Wenn die äußere Schicht aus einem sinterfähigen Material mit einer Schrumpfung von weniger als 4% hergestellt würde, könnte sie die aus einem wenig schrumpfenden Material hergestellte innere Schicht nicht überlagern und würde demzufolge die Zu verlässigkeit der Verbindung des Nockenteiles mit der Welle reduzieren. Wenn ein Schrumpfunterschied zwischen den die äußeren und inneren Schichten bildenden Materialien geringer als ein vorbestimmter effektiver Wert wäre, würde die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen den äußeren und inneren Schichten herabgesetzt werden. Wenn indessen das die äußere Schicht bildende Material eine Schrumpfung von mehr als 10% aufweisen würde, würde sie eine übermäßige Flüssigkeitsmenge schaffen und gegebenenfalls verursachen, daß beim Sintern das Nockenteil über die Toleranz hinaus deformiert würde. Somit ist das die äußere Schicht bildende Material so zubereitet, daß es ein Schrumpfen von 4 bis 10% aufweist. Wenn das die innere Schicht bildende Material ein Schrumpfen von weniger als 2% aufweisen würde, würde die Bindung der inneren Schicht an der Welle unzureichend und weniger zuverlässig sein. Wenn indessen das die innere Schicht bildende Material ein Schrumpfen von mehr als 6% hätte, müßte das die äußere Schicht bildende Material ein unzweckmäßiges Schrumpfen von mehr als 10% aufweisen, um zwischen der inneren und äußere Schicht den effektiven Schrum pfungsunterschied zu schaffen. Daher ist das die innere Schicht bildende Material so zubereitet, daß es ein Schrumpfen von 2,5 bis 6% aufweist.

Vorzugsweise besteht die äußere Schicht aus einem mit flüssi ger Phase sinterfähigen Material des Fe-C-P-Ni-Cr-Mo-Systems. Die innere Schicht besteht aus einem mit flüssiger Phase sin ternden Material des Fe-C-P- oder Fe-C-P-Mo-Systems. Pulver der beiden Materialien werden zu einem Roh-Nockenteil ge formt, dessen äußere und innere Schichten aus den entspre chenden Materialien geformt sind. Das die äußere Schicht bil dende Material ist immer so zubereitet, daß es ein Schrumpfen von 4 bis 10% aufweist und mehr schrumpft als das die innere Schicht bildende Material, das ein Schrumpfen von 2,5 bis 6% aufweist und direkt aufgrund von Diffusionsvorgängen mit der Stahlwelle verbunden ist.

Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile bestehen im we sentlichen darin, daß die Zuverlässigkeit der Bindung zwi schen den äußeren und inneren Schichten des Nockenteiles weitgehend verbessert wird im Vergleich zu einem herkömmli chen Nockenteil, dessen äußere und innere Schichten ent sprechend aus in flüssiger Phase und in fester Phase sin ternden Materialien oder aus zwei mit flüssiger Phase sin ternden Materialien hergestellt sind, die sich in ihrem Schrumpfverhalten wenig voneinander unterscheiden. Falls bei dem Nockenteil die innere Schicht axial kürzer als die äußere Schicht ist, bestehen die Vorteile darin, daß die axiale Abmessungstoleranz nach dem Sintern verbessert wird, wobei Materialkosten eingespart werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Nocken-Rohpreßlings,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des auf einer Stahlwelle angeordneten Nockenteiles,

Fig. 4 und 5 Ansichten einer weiteren Ausführungsform ähn lich Fig. 1 und 2,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungs form ähnlich Fig. 3.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind zwei unterschiedliche mit flüssiger Phase sinterbare Materialien A und B zu einem Nockenteil geformt, das aus einer äußeren und einer inneren Schicht besteht, die entsprechend aus den Materialien A und B ausgebildet sind. Das die äußere Schicht bildende Material A besteht aus einer Legierung nach dem Fe-C-Ni-Cr-Mo-System und ist so zubereitet, daß es ein Schrumpfmaß in Bezug auf die Axialrichtung einer Nockenwelle von 8% aufweist. Das die innere Schicht bildende Material B besteht aus einer Legierung nach dem Fe-C-P- oder Fe-C-P-Mo-System und ist so zubereitet, daß es in Bezug auf die Axialrichtung ein Schrumpfmaß von 4% aufweist.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Nockenteilgrünling an der Stahlwelle 10 angeordnet. Danach wird die Anordnung bei einer vorbestimmten Temperatur gesintert, in welcher sich eine flüssige Phase ergibt, um ein auf die Welle gesintertes Nockenteil 20 auszubilden. Nach dem Sintern wird eine rela tiv hohe Karbidmenge aus dem Fe-C-Ni-Cr-Mo-System des die äußere Schicht bildenden Materials A gebildet, so daß die äußere Schicht gute Verschleißeigenschaften aufweist und als Oberflächenteil eines Nockenteils geeignet ist. Nach dem Sintern ist die Verbindung zwischen der äußeren und der inne ren Schicht fest und zuverlässig. Die Gründe hierfür be stehen darin, daß die Materialien A und B an ihrer gemeinsa men Grenzfläche miteinander verwachsen sind, wenn sie zu dem Rohpreßling geformt werden, wobei das die äußere Schicht bildende Material A um 4% mehr als das die innere Schicht bildende Material B schrumpft. Weiterhin gewährleistet ein 4%iges Schrumpfen des die innere Schicht bildenden Materials B, daß das Nockenteil 20 durch Diffusion fest mit dem Außen umfang der Welle 10 verbunden ist.

Das Roh-Nockenteil nach Fig. 4 und 5 besteht ebenfalls aus einer inneren und einer äußeren Schicht, die aus den gleichen sinterfähigen Materialien A und B wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel mit Ausnahme ihres Schrumpfverhaltens gebildet sind. Das die äußere Schicht bildende Material A ist so zubereitet, daß es ein Schrumpfmaß von 6% aufweist, und das die innere Schicht bildende Material B ist so zube reitet, daß es ein Schrumpfmaß von 3% aufweist. Die Axial länge der inneren Schicht ist halb so groß wie die Axial länge der äußeren Schicht, so daß im Vergleich mit dem vor hergehenden Ausführungsbeispiel das die innere Schicht bil dende Material B um die Hälfte eingespart wird. Die Herab setzung der Axiallänge der inneren Schicht ergibt vorteil haft eine Herabsetzung der axialen Abmessungstoleranz der Nockenwelle nach dem Sintern. Im allgemeinen ist das Material B flüssiger bzw. fließfähiger als das Material A und kann leicht zur Rohdichte komprimiert werden. Wenn beide Mate rialien A und B mit gleicher Höhe in die Form gefüllt werden, besteht eine Tendenz, daß das Material B eine höhere Dichte als das Material A aufweist. Wenn demzufolge das Material B auf die Hälfte der axialen Höhe des Materials A eingefüllt wird, ist das Material B wesentlich dichter als das Material A. Je höher die Dichte ist, umso geringer ist das Schrumpfen. D.h., daß die Materialien A und B leicht so zubereitet wer den, daß sie das entsprechende gewünschte Schrumpfmaß auf weisen, wobei diese Schrumpfmaße sich um einen vorgewählten Wert voneinander unterscheiden.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist der Nockenteilgrünling nach Fig. 4 und 5 auf einer Stahlwelle 10 angeordnet. Danach wird die Anordnung gesintert. Das Nockenteil 20 weist eine geringe Abmessungstoleranz in Axialrichtung der Nockenwelle auf. Die Bindung zwischen dem Nockenteil 20 und der Stahl welle 10 und zwischen der inneren und äußeren Schicht ist fest und wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel hoch zuverlässig. Aufgrund des Schrumpfmaßes von 3% des die in nere Schicht bildenden Materiales wird die axiale Verschie bung eines jeden Nockenteiles bezüglich der Lage auf der Nockenwelle so verbessert, daß es ausführbar ist, den Abstand zwischen benachbarten Nockenteilen ohne Schwierig keiten zu verengen oder einen Zapfen neben dem Nockenteil auf der Nockenwelle anzuordnen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, wobei ein Nockenrohpreßling geformt wird, der aus äußeren und inneren Schichten zusammengesetzt ist, die entsprechend aus verschiedenen Materialien geformt werden, welche die äußeren bzw. inneren Schichten bilden, die beim Sintern je weiter schrumpfen und eine flüs sige Phase ergeben, wobei dieser Nockenrohpreßling auf eine Stahlwelle aufgepaßt wird, um eine Roh-Nockenwellenanordnung zu schaffen, und wobei die Nockenwellenanordnung gesintert wird, um eine Nockenwelle zu erzeugen, die ein Nockenteil auf weist, das mittels Diffusion mit dem Außenumfang der Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die äußere Schicht bildende Material (A) so zubereitet wird, daß es ein Axialschrumpfmaß von 4-10% aufweist und stärker als das die innere Schicht bildende Material (B) schrumpft, das so zubereitet wird, daß es ein Axialschrumpfmaß von 2,5-6% aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht in ihrer Axiallänge geringer als die äußere Schicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die äußere Schicht bildende Material (A) eine Fe-C-Ni-Cr-Mo-Legierung und das die innere Schicht bildende Material (B) eine Fe-C-P-Legierung umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die äußere Schicht bildende Material (A) eine Fe-C-Ni-Cr-Mo-Legierung und das die innere Schicht bildende Material (B) eine Fe-C-P-Mo-Legierung umfaßt.