DE4420092A1 - Gebaute Nockenwelle mit induktionsgehärteten Nocken und Verfahren zum Induktionshärten der Nocken - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer gebaute Nockenwelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie von einem Verfahren zum induk­ tiven Randschichthärten des Außenumfanges von vorgefertigten Nockenscheiben nach dem Oberbegriff von Anspruch 5 für eine ge­ baute Nockenwelle.

Im Zuge der Weiterentwicklung der Brennkraftmaschinen zu weniger Verbrauch und geringerer Emission gehen die Motorentwickler zu immer "schärferen", d. h. steiler ansteigenden Nocken und zu Nockenfolgern mit Rollen über, was beides zu einer stärkeren Belastung der Nocken insbesondere im Flankenbereich führt. Die höhere Nockenbelastung setzt bessere Werkstoffe zumindest für die Nocken voraus. Hochwertiger Nockenwerkstoff zum einen und normaler Maschinenbau-Stahl für den Wellenkörper zum anderen führen zu einer Verbundkonstruktion der Nockenwelle, der sog. "gebauten" Nockenwelle, die außer dem Preisvorteil gegenüber ei­ ner geschmiedeten oder gegossenen Nockenwelle, die vollständig aus dem hochwertigen Werkstoff besteht, auch noch Gewichtsvor­ teile bietet.

Aus der DE 37 17 190 C2 geht eine gebaute Nockenwelle als be­ kannt hervor, bei der gesinterte Nockenscheiben auf einen rohr­ förmigen Wellenkörper axial aufgepreßt und in Drehrichtung zu­ sätzlich formschlüssig gesichert sind, wobei dieser Formschluß durch das Aufpressen selbsttätig herbeigeführt wird. Und zwar wird zum Festsetzen einer Nockenscheibe auf dem Wellrohr in de­ ren Umfang an der betreffenden Axialposition und auf einer der Breite der Nockenscheibe entsprechenden Länge eine Umfangsril­ lierung eingerollt, die den wirksamen Außendurchmesser des Wel­ lenrohres örtlich gezielt vergrößert. Auf diesen durchmesser­ vergrößerten Nockensitz wird dann anschließend die Nockenscheibe in der gewünschten Umfangsstellung axial aufgepreßt. Da die Nocken­ scheiben als Sinterkörper ausgebildet sind, enthalten sie prozeßbedingt viele kleine Poren und Werkstoffunterbrechungen, die bei einer wechselnden Belastung durch eine hohe Hertz′sche Pressung die Lebensdauer der Nocken ungünstig beeinflussen. Ab­ gesehen davon sind Sinterformkörper im Vergleich zu Werkstücken aus Massivwerkstoff prozeßbedingt teuer; eine Herstellung der Formkörper im Sinterverfahren lohnt sich nur, wenn vergleichs­ weise komplizierte Formen hergestellt werden müssen, was jedoch bei den Nockenscheiben nicht gegeben ist.

Deswegen geht man zu Stahlnockenscheiben über, die am gesamten Außenumfang aus Belastungs- und aus Verschleißgründen induktiv randschicht-gehärtet sind. Damit die gelochten Nockenscheiben völlig spielfrei auch nach einer längeren Gebrauchsdauer auf dem Rohr des Wellenkörpers festhaften, sollten die Nockenscheiben nämlich nicht bis zu den Innenflächen des auf das Rohr aufge­ brachten Durchbruches durchgehärtet werden, vielmehr sollte zu­ sätzlich zu dem duktilen Wellenkörper auch die Innenfläche der Nockenscheibe eine gewisse Plastizität behalten. Dieses Rand­ schicht-Härten der Nockenscheiben darf jedoch nicht nach dem Aufbringen der Nockenscheiben auf den Wellenkörper erfolgen, weil sonst der fest haftende Haftverbund durch die Wärmebe­ handlung in unzulässiger Weise gelockert werden würde. Durch Aufpressen oder sonstige kraftschlüssige, u. U. formschlüssig ge­ sicherte Festsetzen der am Außenumfang randschicht-gehärteten Nockenscheiben treten in der ringförmigen Nockenscheibe Zugspan­ nungen auf, die bei konventionell induktionsgehärteten Nocken­ scheiben durch das Hinzutreten der ebenfalls Zugspannungen her­ vorrufenden Betriebsbelastung insgesamt zu Zugspannungen führt, die nahe an der Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffes liegt und demgemäß sehr bald zu Oberflächenrissen oder im Extremfall zum Durchreißen des Nockenscheiben-Ringes führt. Deshalb konnten sich gebaute Nockenwellen der gattungsgemäßen Art mit am Außen­ umfang induktiv randschicht-gehärteten Nockenscheiben nach Wis­ sen der Anmelderin bisher in der Serienanwendung für Brennkraft­ maschinen, zumindest in der für Personenkraftwagen erforderli­ chen Leichtbauweise und zumindest bei Einsatzbedingungen mit ho­ hen Flächenpressungen, z. B. Rollenstößel, nicht durchsetzen.

Die DE 37 17 534 C2 zeigt ebenfalls eine gebaute Nockenwelle, bei der das Wellenrohr durch örtlich geziehlt angewandten hy­ draulischen Innendruck aufgeweitet und innenseitig unter Vor­ spannung an die Innenseite der Nockenscheibe angedrückt wird; die Nockenscheibe soll sich dabei nach Möglichkeit nur elastisch verformen. Nach hydraulischer Entlastung des Wellenrohres federt die Nockenscheibe radial zurück und haftet fest auf dem pla­ stisch aufgeweiteten Wellenrohr. Die Nockenscheibe ist bereits vor dem Festsetzen auf dem Wellenrohr weitgehend fertig bearbei­ tet; allenfalls eine Schleifbearbeitung kann noch nach den Fügen vorgenommen werden. Insbesondere ist die Nockenscheibe vor dem Fügen am Außenumfang schon gehärtet. Diese Schrift erwähnt nun unter Bezugnahme auf eine ältere Veröffentlichung, daß die ge­ härtete Oberfläche der Nocken bei der elastischen Verformung zur Rißbildung neigt. Zur Abwendung dieser Rißbildungsgefahr wird deshalb vorgeschlagen, den Sitzbereich des Nockens auf dem Wellenrohr zum einen und den eigentlichen Nockenkörper zum an­ deren axial auseinanderzuziehen und den Sitzbereich radial nach­ giebig und den eigentlichen Nockenbereich radial steif zu gestal­ ten. Diese Gestaltung einer gebauten Nockenwelle versagt sich jedoch dann, wenn - wie meist - die Nocken bei einem sehr gerin­ gen gegenseitigen Axialabstand auf dem Wellenrohr untergebracht werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Nockenwelle dahingehend zu verbessern, daß eine praktisch brauchbare Lebensdauer der Nockenwelle bzw. der Nockenscheibe erwartet werden kann. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren zum induktiven Rand­ schichthärten in der gleichen Richtung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der gattungsgemäßen Nocken­ welle erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Härtever­ fahrens durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 5 ge­ löst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Nockenwelle liegen darin, daß nach Kenntnis der Anmelderin nur mit verblei­ benden Druckeigenspannungen in der gehärteten Randzone der auf­ gebrachten Nockenscheiben die entsprechenden Nockenwellen eine vertretbare Lebensdauer besitzen. Durch das Härteverfahren kön­ nen die lebensdauerbegründenden, hohen Druckeigenspannungen beim Härten dargestellt werden. Die überraschende Lösung der Festig­ keitsprobleme liegt in der Erzwingung randnaher Druckeigenspan­ nung auch nach dem Aufpressen. Diese können dadurch erzielt wer­ den, daß das Induktionshärten vor dem Aufpressen auf extrem hohe Druckeigenspannung bei geringer Einhärtetiefe gefahren wird; die fügebedingten Zugspannungen müssen also gewissermaßen durch "Vorhalten" einer entsprechend hohen Druckeigenspannung beim Härten überkompensiert werden. Die besonders hohen Druckeigen­ spannungen beim Härten einer dünnen Randschicht werden durch die zweistufige Werkstückerwärmung beim Induktionshärten mit Voll­ querschnitt-Vorwärmen des Nockenringes und dem darauf aufbauen­ den eigentlichen Induktions-Randschichthärten erreicht. Die Höhe der Druckeigenspannungen ist in einer dünnen Randschicht bis zu etwa 5 µm Tiefe zerstörungsfrei röntgenographisch ermittelbar. Dieses Verfahren und seine Handhabung sind zwar nicht ganz ein­ fach, aber es ist seit längerer Zeit allgemein bekannt. An dies­ bezüglicher Literatur kann auf folgende Veröffentlichungen ver­ wiesen werden:

• - E. Macherauch, P. Müller: Das sin²ψ-Verfahren der röntgenogra­ phischen Spannungsmessung. Zeitschrift für angewandte Physik 13 (1961), Seiten 305 bis 312,
• - Buch: Eigenspannungen und Lastspannungen. Herausgeber: V. Hauk, E. Macherauch, Carl Hanser Verlag, München, Wien (1982),
• - B. Scholtes: Röntgenographische Spannungsermittlung, ihre Grundlagen und Anwendungen. In der Buch-Veröffentlichung: Röntgen- und Elektronenbeugung, 65-85, Herausgeber S. Steeb, Reihe Kontakt und Studium, Band 144, expert Verlag, Sindelfingen (19xx),
• - A Useful Guide for X-Ray Stress Evaluation. In: Advances in X-Ray Analysis 27 (1984) Seiten 81 bis 99, Plenum Publishing Corp.,
• - Residual Stresses in Science and Technology. Herausgeber: E. Macherauch, V. Hauk, DGM-Informationsgesellschaft, Oberursel (1987).

Soll auch der Verlauf der Eigenspannungen in der Tiefe ermittelt werden, so muß zumindest örtlich an der Meßstelle die Oberfläche mechanisch rückwirkungsfrei, z. B. durch einen elektrochemischen Ätzvorgang schichtweise abgetragen und für jede Schicht zwi­ schendurch die an der freigelegten Oberfläche herrschende Eigen­ spannung auf röntgenographische Weise ermittelt werden. Der Tie­ fenverlauf der Eigenspannungen kann also nur zerstörend ermit­ telt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine gebaute Nockenwelle entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch die Nockenwelle nach Fig. 1 entlang der dortigen Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine vergrößerte Einzeldarstellung der Einzelheit III aus Fig. 1, die Härtetiefe und den Verlauf der tangentialen Eigenspannungen in der Tiefe in einem oberflächennahen Bereich veranschaulichend,

Fig. 4 eine montagebereit gehärtete, aber noch einzelne Nocken­ scheibe,

Fig. 5 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit V aus Fig. 4, die Härtetiefe und den Verlauf der tangentialen Eigen­ spannungen in der Tiefe in einem oberflächennahen Bereich veranschaulichend,

Fig. 6 eine auf einen rohrförmigen Wellkörper aufgeschrumpfte, ungehärtete Nockenscheibe,

Fig. 7 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit VII aus Fig. 6, den Verlauf der tangentialen Zugspannungen in der Tie­ fe in einem oberflächennahen Bereich veranschaulichend und

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit VIII aus Fig. 4, den beim Induktionshärten in der Nockenscheibe herrschenden Temperaturverlauf entlang eines Radiusstrah­ les veranschaulichend.

In den Fig. 1 und 2 ist eine gebaute Nockenwelle 1 partiell dargestellt. Sie besteht aus einem rohrförmigen Wellenkörper 2, auf dem mehrere im wesentlichen ringförmige Nockenscheiben 3 so­ wie nicht dargestellte Lagerscheiben festgelegt sind. Selbstver­ ständlich müssen die Nockenscheiben in definierter Umfangsstel­ lung und auch in definierter Axialposition auf dem Wellenkörper fixiert werden. Dies erfolgt durch entsprechende Hilfseinrich­ tungen. Die Art der Festsetzung ist letzten Endes für die vor­ liegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Entscheidend ist, daß die Nockenscheiben unter dauerhafter mechanischer Vor­ spannung auf dem Wellenkörper fixiert sind, wobei die Fixierung durch Formschlußflächen auf der Innenseite des Durchbruches der Nockenscheibe unterstützt sein kann. Bei der in den Fig. 1 und 2 angedeuteten Verbindungstechnik ist eine Innenhochdruck­ aufweitung des rohrförmigen Wellenkörpers vorgesehen, bei der bin zunächst zylindrisches Rohr auf einem axial beschränkten Ab­ schnitt durch Innenhochdruck aufgeweitet und innenseitig an die Leibung 15 eines Durchbruches 14 innerhalb der Nockenscheibe un­ ter bleibender mechanischen Spannung angepreßt wird. Selbstver­ ständlich sind auch andere Verbindungstechniken einsetzbar, z. B. die in der weiter oben bereits gewürdigten DE 37 10 190 C2 be­ handelte Methode mit vorheriger örtlich gezielter Aufweitung ei­ nes Wellenkörpers durch eine Umfangsrillierung und anschließen­ dem axialem Aufpressen des Nockens. Sofern an der Leibung 15 des Durchbruches axial verlaufende Nuten oder Vorsprünge angebracht sind, würde sich die aufgeweitete Rohrwandung auch in diese Nuten oder Zwischenräume hineinlegen und zusätzlich einen Formschluß zwischen Wellenkörper und Nockenscheibe herbeiführen. Die bleibende mechanische Vorspannung zwischen rohrförmigem Wellenkörper 2 einerseits und der im wesentlichen ringförmigen Nockenscheibe 3 andererseits führt eine tangential gerichtete Zugspannung in dem ringförmigen Körper herbei, die über die ge­ samte Lebensdauer der Nockenwelle aufrechterhalten bleibt. Sollte sich die mechanische Vorspannung - aus welchen Gründen auch immer - verringern, so besteht die Gefahr, daß die aufge­ brachten Nocken unter der wechselnden Beanspruchung der Nocken in Umfangsrichtung sich auf dem rohrförmigen Wellenkörper lockern und es zu einem Spiel zwischen Nockenscheibe und Wellenkörper kommt. Dies wäre sehr gefährlich, weil eine exakte phasenmäßige Zuordnung der Ventilbetätigung zum Kolbenhub dann nicht mehr gegeben ist. Es besteht in einem solchen Fall die sehr große Gefahr und Wahrscheinlichkeit, daß der Hubkolben mit einem geöffneten Gaswechselventil kollidiert, was sehr schnell einen Totalschaden des Motors auslöst. Eine dauerhafte Fixierung der Nockenscheiben auf dem Wellenkörper mit ausreichend hoher Haftkraft ist daher von entscheidender Bedeutung. Dies bedingt eine dauerhafte, tangential gerichtete Zugspannung innerhalb des ringförmigen Nockenscheibenkörpers und eine entsprechend dauerhafte Druckspannung innerhalb des rohrförmigen Wellenkörpers.

Andererseits setzt die Betriebsbeanspruchung der Nocken durch Wälz- und Gleitbeanspruchung und hohe Hertz′sche Pressungen nicht nur eine hohe Härte am Außenumfang der Nocken, sondern aufgrund von Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung auch Druckeigenspannungen voraus. Nur wenn sowohl eine ausreichende Härte als auch ausreichend hohe Druckeigenspannungen am Außenumfang der Nocken vorliegen, kann mit einer befriedigenden Lebensdauer der gebauten Nockenwelle gerechnet werden. Darüberhinaus ist es wichtig, daß die hohe Härte nur auf die Außenzone der Nockenscheiben bzw. der Lagerscheiben beschränkt ist, daß hingegen der radial innere Bereich in der Nähe der Leibung 15 des zentrischen Durchbruches 14 in der Nockenscheibe 3 gefügemäßig unbeeinflußt bleibt, d. h. die ursprünglich gege­ bene relativ geringe Härte des Stahles beibehält. Die radiale Tiefe T dieser Randschicht 16 sollte mindestens etwa 0,5 mm be­ tragen. Bei dem erfindungsgemäßen Härteverfahren wird jedoch die Tiefe dieser "weichen" inneren Randschicht meist wesentlich grö­ ßer sein als der angegebene Wert. Der Grund für die Weichheit auf der Innenseite der Nockenscheibe liegt darin, daß bei einer Duktilität sowohl des Wellenkörpers als auch der Nockenscheibe an der gegenseitigen Kontaktfläche die Vorspannung auch bei Wechselbeanspruchung besser und dauerhaft erhalten bleibt im Vergleich zu einem Zustand, wo die Nockenscheibe an der Innenseite hart ist und keine Duktilität mehr aufweist.

Als Werkstoffe für die Nockenscheiben und die Lagerscheiben kom­ men härtbare Stähle hoher Verschleißfestigkeit, beispielsweise Wälzlagerstähle in Betracht. Insbesondere ist hier an einen Stahl mit der Werkstoffbezeichnung 100Cr6 zu denken, worunter ein Edelstahl mit etwa 1% Kohlenstoff und ca. 1,5% Chrom ver­ standen wird. Ein anderer hier ebenfalls geeigneter Stahl trägt die Werkstoffbezeichnung Cf53, welches ein induktiv härtbarer Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von durchschnittlich etwa 0,53% ist.

Um aus solchen Stählen Nockenscheiben herstellen zu können, kann beispielsweise von einem gewalzten Stab ausgegangen werden, des­ sen Querschnitt etwa dem Umriß der Nockenscheiben entspricht. Von einem solchen profilierten Vollmaterial werden mit einer Profilschere mit gut geschärften Scherkanten schmale Scheiben abgeschert und aus den solcherart hergestellten Rohlingen der zentrische Durchbruch 14 durch einen Lochvorgang freigelegt. In der Wandstärke können die abgescherten Scheiben durch einen pla­ stischen Kalibriervorgang in einer Kalibrierpresse zwischen pla­ nen und glatten Druckflächen auf Sollmaß, Oberflächengüte und Ebenheit gebracht werden. Die exakte Kontur der Leibung 15 kann durch einen spanabhebenden Räumvorgang mit einer Räumnadel her­ gestellt werden. Auch eine Rohbearbeitung des Außenumfanges ist mittels eines Räumvorganges denkbar. Um die Eigenspannungen sol­ cher Rohlinge zu beseitigen und um ferner ein für das Fügen op­ timales Gefüge und eine ausreichende Werkstoffestigkeit - min­ destens 650 N/mm² - zu erzielen, werden diese geglüht und lang­ sam wieder abgekühlt. Anschließend werden die Nockenscheiben nach einem erfindungsgemäßen Induktionshärteverfahren mit einer zweistufigen Erwärmung am Außenumfang randschichtgehärtet, wobei in der gehärteten Zone hohe Druckeigenspannungen zurückbleiben. Die solcherart gehärteten Nockenscheiben werden mit dem rohrför­ migen Wellenkörper gefügt und die danach zusammengesetzte, rohe Nockenwelle durch Schleifen der Nockenflächen und der Lagerflä­ chen fertigbearbeitet. Hierbei kommt insbesondere ein Schleifen unter Einsatz von Schleifkörpern mit kubisch kristallisiertem Bornitrid in Frage - sog. CBN-Schleifen, bei dem während des Schleifens durch intensive Kühlung geringe Temperaturen bei ver­ gleichsweise hohen Abtragsraten aufrechterhalten werden können. Ziel der Parametereinstellung ist, daß die beim Induktionshärten der Nockenscheiben erzeugten hohen Druckeigenspannungen keines­ falls durch das Schleifen beeinträchtigt werden sollen. Die Mi­ krotemperaturen in der unmittelbaren Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück und in der oberflächennahen Rand­ zone des Werkstückes dürfen während des Schleifens eine be­ stimmte Temperatur nicht überschreiten, damit die hohen Druck­ eigenspannungen erhalten bleiben. Dies muß durch Verfahrensopti­ mierung für das Schleifen empirisch ermittelt werden. Es ist so­ gar möglich, durch geeignete Wahl der Parameter beim Schleifen die Druckeigenspannungen in einer sehr dünnen Randzone zu erhö­ hen.

Bevor auf die eigentliche Nockenwelle und das Härteverfahren eingegangen wird, sei zunächst im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 auf das Phänomen der Zugspannungen bei aufgebrachten Nocken­ scheiben eingegangen. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel einer Nockenwelle ist bewußt eine ungehärtete Nocken­ scheibe 17 auf einem rohrförmigen Wellenkörper 2 aufgebracht worden. Durch die Aufschrumpfung bildet sich im gesamten, gefü­ gemäßig einheitlichen Querschnitt der Nockenscheibe eine in Ra­ dialrichtung in erster Näherung konstante Zugspannung 13 aus. Die Höhe dieser Zugspannung ist hervorgerufen durch die gegen­ seitige radiale Pressung zwischen der Leibung des zentrischen Durchbruches an der Nockenscheibe auf der einen Seite und der Außenwandung des rohrförmigen Wellenkörpers auf der anderen Seite. Umgekehrt herrschen in dem Wellenkörper Druckspannungen, die ebenfalls durch diesen Verbund hervorgerufen sind. Die Druckspannungen im Wellenkörper einerseits und die Zugspannung 13 in der Nockenscheibe 17 andererseits halten sich unter Be­ rücksichtigung der jeweils zugehörigen Querschnittsflächen der Werkstückanteile gerade gegenseitig die Waage. Die Höhe der Zug­ spannung 13 beträgt im Bereich des Grundkreises 7 der ungehär­ teten Nockenscheibe etwa 200 N/mm² im Bereich der Nockenflanke liegt diese Zugspannung selbstverständlich niedriger, weil dort der tragende Querschnitt größer ist, im Mittel kann im Bereich der Nocke selbst eine Zugspannung von etwa 100 N/mm² angenommen werden. Diese Zugspannung wird den durch das erfindungsgemäße Härten der Nockenscheiben am Außenumfang herrschenden Druckei­ genspannungen überlagert, so daß die dort herrschenden Druck­ eigenspannungen um einen entsprechenden Betrag reduziert werden. Aufgrund dessen müssen, damit auch in eingebautem Zustand der Nockenscheiben nach wie vor Druckeigenspannungen in einer äuße­ ren Randzone 8 verbleiben, entsprechend hohe Druckeigenspannun­ gen im ungefügten Zustand der Nockenscheiben vorgehalten werden.

Das Härten der einzelnen Nockenscheiben sei nachfolgend im Zu­ sammenhang mit den Fig. 4 und 5 beschrieben. Die Nocken­ scheibe 3 mit einem Durchbruch 14 weist eine Nockenspitze 6 auf, deren ansteigende Nockenflanke 4 durch die Betriebsdrehrichtung 5 bestimmt ist; die andere Nockenflanke ist die abfallende Nockenflanke 4′. Der Nockenspitze 6 gegenüberliegend ist ein so­ genannter Grundkreis 7 angeordnet, in welchem die Nockenscheibe einen konstanten Querschnitt in einem Meridianschnitt aufweist. Entlang des gesamten Außenumfanges der Nockenspitze und des Grundkreises soll eine gehärtete Randschicht 8 angebracht wer­ den, deren Tiefe t mindestens etwa 0,5 mm, besser jedoch minde­ stens etwa 1 mm beträgt. Wie bereits erwähnt, darf die Nocken­ scheibe nicht durchgehärtet werden, vielmehr muß im Bereich der Leibung 15 des Durchbruches 14 eine innere Randschicht 16 mit einer Tiefe T von mindestens 2 mm übrig bleiben, die gefügemä­ ßig unbeeinflußt ist und welche die ursprüngliche, geringe Härte das Stahles und eine entsprechende Duktilität beibehält. Die äu­ ßere Randschicht 8 soll nicht nur hart sein, sondern sie soll vor allen Dingen eine hohe Druckeigenspannung aufweisen. Und zwar muß die Druckeigenspannung 11 in der Randzone 8 der noch nicht aufgeschrumpften Nockenscheibe so hoch sein, daß nach Überlagerung der aufpressbedingten Zugspannung 13 die verblei­ bende Druckeigenspannung 9 nach dem Aufbringen immer noch einen bestimmten Mindestwert hat. Und zwar sind diese verbleibenden Mindestwerte der Druckeigenspannung (9) -50 N/mm² für einen Stahl der Werkstoffbezeichnung 100Cr6 und -150 N/mm² für einen Stahl der Werkstoffbezeichnung Cf53. Durch das vorgesetzte Minuszeichen soll zum Ausdruck gebracht werden, daß es sich um Druck bei den angegebenen Eigenspannungswerten handelt. Damit sich in der Randzone 8 Druckeigenspannungen 11 in entsprechender Höhe ausbilden können, müssen sich in einer radial innerhalb dieser Randzone liegenden Schicht entsprechend hohe Zugeigen­ spannungen 12 ausbilden. Das Integral über dem Bereich der Druckeigenspannungen und über dem der Zugeigenspannungen muß insgesamt bei dem noch ungefügten Nocken gemäß Fig. 4 zu Null werden, weil keine äußeren Kräfte auf diese Nockenscheibe ein­ wirken.

Zum induktiven Randschichthärten des Außenumfanges der Nocken­ scheiben oder auch der Lagerscheiben wird von dem grundsätzlich bekannten und verbreiteten Induktionshärteverfahren ausgegangen. Dabei werden die Nockenscheiben in einem rotationssymmetrisch aufgebauten Magnetwechselfeld gedreht, welches von einem wech­ selstrom-beaufschlagbaren Ringinduktor erzeugt wird. Aufgrund von werkstückinduzierten, wechselnden Wirbelströmen wird die Nockenscheibe in der zu härtenden Randzone erwärmt und auf Umwandlungstemperatur gebracht. Durch anschließendes Abschrecken unter Verwendung eines wäßrigen Fremdabschreckungsmittels wird das thermisch umgewandelte Gefügte "eingefroren" und dadurch die Randschichthärte erzeugt.

Um ausgehend von einem solchen grundsätzlich vorbekannten Härte­ verfahren ausreichend hohe Druckeigenspannungen in der Randzone 8 der Nockenscheibe zu erzeugen, wird erfindungsgemäß das Erwär­ men zweistufig durchgeführt. Und zwar wird in einer ersten Stufe die Nockenscheibe mit einem mittelfrequenten Magnetwechselfeld im Bereich von etwa 10 KHz beaufschlagt, wobei sich der gesamte Ringkörper der Nockenscheibe auf mindestens 250°C aber höchstens auf eine unterhalb der Umwandlungstemperatur 19 liegende Grenz­ temperatur erwärmt. In Fig. 8 ist das radiale Temperaturprofil der Vorwärmstufe in der Nockenscheibe entlang eines Radiusstrah­ les gemäß der Einzelheit VIII in Fig. 4 durch die strichlierte Linie 18 angedeutet. Die Temperatur fällt von außen nach innen ab. Die höchsten Temperaturen am Außenumfang dürfen in dieser ersten Erwärmungsstufe, der Vorwärmstufe, höchstens bis an die Umwandlungstemperatur 19 heranreichen oder sie dort nur ganz ge­ ringfügig überschreiten. Andererseits soll sichergestellt wer­ den, daß auch im radial innen liegenden Bereich in der Nähe der Leibung 15 des Durchbruches mindestens 250°C erreicht werden. Durch diese Vorwärmung des gesamten Querschnittes wird die Nockenscheibe thermisch aufgeweitet. Durch Verwendung des mit­ telfrequenten Magnetwechselfeldes wird eine gewisse Tiefenwirkung der Wirbelströme erreicht, die auch weiter innen liegende Querschnittspartien erreichen. Im unmittelbaren Anschluß daran wird in einer zweiten Stufe die Nockenscheibe mit einem hochfrequenten Magnetwechselfeld im Bereich von etwa 200 KHz beaufschlagt. Dieses hochfrequente Magnetwechselfeld hat nur eine sehr geringe Tiefenwirkung, so daß die dadurch hervorgeru­ fene weitere Erwärmung auf oberflächennahe Randpartien be­ schränkt bleibt. Die auf dem Temperaturprofil 18 der Vorwärmstufe aufbauende Temperaturkurve 20 der zweiten Erwärmungsstufe ist in einer punktierten Linie in Fig. 8 einge­ zeichnet. Durch die zweite Erwärmungsstufe wird die Umwandlungstemperatur 19 in der Randzone 8 in der erwünschten Tiefe t überschritten. Prinzipiell ist es während der zweiten Erwärmungsstufe auch möglich, mit einem mittelfrequenten Magnetwechselfeld zur Erwärmen, was insbesondere bei einer vom Betrag her größeren zu härtenden Tiefe zweckmäßig ist. In beiden Fällen wird durch das sich daran anschließende Abschrecken nur diese Zone hart, wogegen die inneren Bereiche weich bleiben. Zwar ist der Übergang von hartem Gefüge zu thermisch unbeein­ flußten Gefüge fließend, jedoch kann durch Definition eine Grenze zwischen hart und weich festgelegt werden. Häufig wird festgelegt, daß alles das noch "hart" ist, was mindestens 80% der Härte an der Außenoberfläche besitzt. Die Tiefe t der gehär­ teten Randzone 8 soll - wie gesagt - vorzugsweise mindestens 1 mm betragen. Außer der Tiefe dieser Randzone ist vor allen Din­ gen wichtig, daß in dieser Randzone hohe Druckeigenspannungen vorliegen. Diese Druckeigenspannungen stellen sich nach der zweistufigen Erwärmung dadurch ein, daß in der ersten Erwär­ mungsstufe die Nockenscheibe thermisch aufgeweitet wurde. Diese Aufweitung bildet sich nach dem Abschrecken zurück, so daß durch das abschreck-bedingte Schrumpfen der Nockenscheibe in der Au­ ßenzone die gewünschten hohen Druckeigenspannungen aufgebaut werden. Beispielsweise liegen nach dem Härten, jedoch vor dem Aufschrumpfen der Nockenscheibe die tangentialen Druckeigen­ spannungen 11 bei einer Nockenscheibe aus dem Werkstoff 100Cr6 im Bereich von etwa -450 bis -460 N/mm². Radial innerhalb der Randzone 8 würden sich dann entsprechend hohe Zugeigenspannungen 12 ausbilden. Bei einem Stahl der Werkstoffbezeichnung Cf53 müß­ ten noch wesentlich höhere Druckeigenspannungen 11 im Bereich der Randzone erzeugt werden. Hier müßten die Druckeigenspannungen vor dem Aufschrumpfen der Nockenscheiben höher liegen, nämlich -550 bis -850 N/mm² betragen.

Durch das Aufbringen der erfindungsgemäß gehärteten Nocken­ scheiben 3 bzw. Lagerscheiben mit hohen Druckeigenspannungen in der Randzone 8 werden die fügebedingten Zugspannungen 13 den Druckeigenspannungen 11 überlagert. Jedoch sind in jedem Fall die Druckeigenspannungen 11 so hoch, daß selbst nach dem Aufbringen nach wie vor Druckeigenspannungen 9 in der Randzone 8 verbleiben. Selbstverständlich verbleiben unterhalb der Randzone 8 auch nach dem Aufschrumpfen nach wie vor noch Zugspannungen 10, die fügebedingt sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Nocken und das erfin­ dungsgemäße Induktionshärteverfahren können gebaute Nockenwellen mit hoher Lebensdauer und geringem Gewicht sowie geringen Ferti­ gungs- und Materialkosten hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

1 Nockenwelle
2 rohrförmigen Wellenkörper
3 Nockenscheibe, gehärtet
4 ansteigende Nockenflanke
4′ abfallende Nockenflanke
5 Betriebsdrehrichtung
6 Nockenspitze
7 Grundkreis
8 Randschicht, gehärtet, außen
t Tiefe der Randzone (mit Druckeigenspannungen im eingebauten Zustand)
9 Druckeigenspannungen (in der gehärteten, oberflächennahen Randzone, montiert)
10 Zugspannungen (unterhalb der Randzone, montiert)
11 Druckeigenspannungen (vor dem Aufpressen, gehärtet)
12 Zugspannungen (vor dem Aufpressen, gehärtet)
13 Zugspannungen bei 17 (ungehärtet, nach dem Aufpressen)
14 Durchbruch (zentrisch, in der Nockenscheibe)
15 Leibung davon
16 innere Randschicht, unbeeinflußt
T Tiefe (radial, gefügemäßig unbeeinflußte Randschicht)
17 Nockenscheibe, ungehärtet
18 Verlauf der Vorwärmtemperatur, 1. Erwärmungsstufe
19 Umwandlungstemperatur
20 Verlauf der Erwärmtemperatur, 2. Erwärmungsstufe

Claims (10)

1. Gebaute Nockenwelle mit auf einem vorzugsweise rohrförmigen Wellenkörper unter mechanischer Vorspannung festgesetzten, nähe­ rungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben, die vor dem Festsetzen der Nockenscheiben auf dem Wellenkörper gehärtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (3) derart an ihrem Außenumfang induktiv randschicht-gehärtet sind, daß die härtungsbedingten Druckeigen­ spannungen (11) in der gehärteten, oberflächennahen Randzone (8) so hoch sind, daß nach dem Aufbringen der Nockenscheiben (3) auf den Wellenkörper (2) die sich überlagernden, fügebedingten Zug­ eigenspannungen (13) in der Randzone (8) die ursprünglichen Druckeigenspannungen (11) nur teilweise kompensieren, d. h. daß in der oberflächennahen Randzone (8) auch nach dem Aufbringen nach wie vor nur Druckeigenspannungen (9) vorliegen.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der Randzone (8) mit Druckeigenspannungen (9) im eingebauten Zustand der Nockenscheiben (3) mindestens etwa 0,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm und mehr beträgt.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeigenspannungen (9) in der Randzone (8) in einge­ bautem Zustand der Nockenscheiben (3) folgende Werte aufweist, wobei bei der Werte-Angabe das Minus-Zeichen für "Druck" steht:

• - mindestens etwa -50 Newton je mm² für einen Stahl der Werk­ stoffbezeichnung 100Cr6 oder
• - mindestens etwa -150 N/mm² für einen Stahl der Werkstoffbe­ zeichnung Cf53.

4. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Leibung (15) des zentrischen Durchbruches (14) in der Nockenscheibe (3) die radiale Tiefe (T) der gefüge­ mäßig unbeeinflußten Randschicht (16) mindestens etwa 2 mm be­ trägt.

5. Verfahren zum induktiven Randschichthärten des Außenumfanges von näherungsweise ringförmig ausgebildeten, nach dem Härten auf einen vorzugsweise rohrförmigen Wellenkörper unter mechanischer Vorspannung festsetzbaren Nockenscheiben für eine gebaute Nocken­ welle, bei dem die Nockenscheibe in der zu härtenden Randzone durch Drehen in einem zur Rotationsachse konzentrischen Magnet­ wechselfeld, welches von einem wechselstrom-beaufschlagbaren Ringinduktor erzeugt wird, und aufgrund von entsprechenden im Werkstück induzierten, wechselnden Wirbelströmen auf Umwandlungs­ temperatur erwärmt und anschließend durch ein Fremdabschreckungs­ mittel abgeschreckt wird, zum Randschichthärten von Nocken­ scheiben für eine gebaute Nockenwelle insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen ausreichend hoher Druckeigenspannung (9) in der Randzone (8) der Nockenscheibe (3) das Erwärmen zweistufig er­ folgt,

• - wobei in einer ersten Stufe durch Beaufschlagung der Nocken­ scheibe (3) mit einem mittelfrequenten Magnetwechselfeld der gesamten Ringkörper der Nockenscheibe (3) auf mindestens 250°C aber höchstens auf eine unterhalb der Umwandlungstempera­ tur (19) liegende Grenztemperatur (Temperaturverlauf 18) vor­ gewärmt wird und
• - wobei in einer anschließenden, zweiten Stufe durch Beaufschla­ gung der Nockenscheibe (3) mit einem hinsichtlich seiner In­ tensität und/oder seiner Frequenz gegenüber dem Magnetwech­ selfeld der ersten Stufe geänderten zweiten Magnetwechselfeld ausschließlich die radial außen liegende Randzone (8) der vorgewärmten Nockenscheibe (3) bis zu einer bei oder oberhalb der Umwandlungstemperatur (19) liegende Temperatur (Tempera­ turverlauf 20) erwärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Magnetwechselfeld ein hochfrequentes Magnetwechselfeld verwandt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittelfrequenz des Magnetwechselfeldes eine Frequenz im Bereich von etwa 10 kHz und als Hochfrequenz des Magnetwechsel­ feldes eine Frequenz im Bereich von etwa 200 kHz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Magnetwechselfeld ein mittelfrequentes Magnetwechselfeld verwandt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Einhärtetiefe (t) von mindestens etwa 0,5 mm, vor­ zugsweise von etwa 1 mm und mehr eingehärtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensparameter des Härteverfahrens dahingehend op­ timiert sind, daß die Druckeigenspannung (11) in der Randzone (8) der noch einzeln vorliegenden Nockenscheiben (3) folgende Werte aufweist, wobei bei der Werte-Angabe das Minus-Zeichen für "Druck" steht:

• - mindestens etwa -450 Newton je mm² für einen Stahl der Werk­ stoffbezeichnung 100Cr6 und
• - mindestens etwa -550 N/mm² für einen Stahl der Werkstoffbe­ zeichnung Cf53.