EP1516107A1 - Lagefixierung eines bolzens - Google Patents

Lagefixierung eines bolzens

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EP1516107A1
EP1516107A1 EP03761465A EP03761465A EP1516107A1 EP 1516107 A1 EP1516107 A1 EP 1516107A1 EP 03761465 A EP03761465 A EP 03761465A EP 03761465 A EP03761465 A EP 03761465A EP 1516107 A1 EP1516107 A1 EP 1516107A1
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EP
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bolt
hardness
hrc
pin
induction hardening
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EP03761465A
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English (en)
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Joseph Griffin
Marion Ince
Charles Schwab
Eric Nelson
Richard Carpenter
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IHO Holding GmbH and Co KG
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INA Schaeffler KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/18—Rocking arms or levers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2305/00—Valve arrangements comprising rollers
    • F01L2305/02—Mounting of rollers

Definitions

  • the invention relates to the fixing of a bearing pin in a receiving bore of a housing which can be caulked at least at one end to the bore to achieve a positive and / or positive connection, the bolt having a lateral surface with a hardness that is greater than the hardness of its end faces is.
  • Such a bolt for mounting the roller of a rocker arm acted upon by a cam is previously known from US Pat. No. 5,054,440.
  • This rocker arm has a fork-shaped section, the two cheeks of which each have a receiving bore through which the bearing pin is guided. It carries a roller supported by needles, which is acted upon by a cam.
  • the bolt is held in the receiving bore by caulking, that is to say it is acted upon on one or both end faces with a corresponding tool, so that part of its material is displaced in the radial direction into the receiving bore.
  • the object of the invention is therefore to develop a bearing pin which has a long service life even under high load conditions.
  • this object is achieved according to the characterizing part of claim 1 in conjunction with its preamble in that the entire bolt is carbonitrided, quenched and tempered, so that a hardness of HV 745-950 (HRC 62-68) is realized, then the thus treated bolts for setting a hardness of HV 212-305 (HRB 93-HRC 30) are soft-annealed before the outer surface is subjected to induction hardening to set a final hardness of HV 745-950 (HRC 62-68).
  • the advantage of such a bolt produced in the manner according to the invention is that there is an increased hardness and a higher residual compressive stress in the raceway area, so that the bolt has increased wear and fatigue strength in this area, with soft end faces at the same time.
  • Carbonitriding is known to the person skilled in the art as a thermochemical method for treating a workpiece in the austenitic state with the purpose of enriching the surface layer with carbon and nitrogen, both elements subsequently being in solid solution in the austenite. This treatment is immediately followed by quenching with the goal of achieving hardening.
  • carbonitriding realizes a specific layer structure in the form of a connecting layer and a diffusion layer underneath. While the connection layer is decisive for all the workpiece properties that are related to the effects on the immediate surface, i.e. the wear behavior and the corrosion resistance, the mechanical properties of the workpieces, the fatigue strength and the tensile strength relate to the diffusion layer.
  • tempering takes place.
  • internal stresses are relieved, so that hardness and strength decrease, while toughness and ductility increase.
  • soft annealing of the carbonitrided, quenched and tempered stud to set the hardness values HV 212-305 (HRB 93-HRC 30), which are the hardness values for the two ends of the stud.
  • This soft annealing is used in particular to improve the deformability of the bolt, so that it can be easily plastically deformed in its end regions and thus can be caulked to a receiving bore in a simple manner.
  • the annealing temperatures depend on the material used and are between 650 and 700 ° C for steel.
  • the purpose of soft annealing is to give the steel a structure that is suitable for hardening and to convert it to a soft, easily machinable state.
  • Induction hardening is currently the most widespread thermal surface hardening process.
  • a magnetic alternating generated field that induces an alternating current in an electrically conductive workpiece (bolt) according to the transformer principle.
  • the direct conversion of the electrical energy into thermal energy via internal heat sources thus leads to the heating of the component, the energy transfer taking place without contact.
  • the heating is mainly limited to the boundary layer in which the internal heat sources are effective.
  • heat conduction leads to radially progressive heating of the component. It follows that the hardening depth can be adjusted with simple means and can always be adapted to the respective application without great effort.
  • the bolt should be solid or at least hollow in the section of its front ends.
  • the advantage of a hollow cylindrical bolt is that in addition to reducing the weight, the widening when caulking on its end faces is favored.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a valve train of an internal combustion engine
  • Figure 3 is an enlarged view of a bolt according to the invention.
  • the rocker arm 1 of a valve train of an internal combustion engine shown in FIG. 1 is pivotally mounted about its axis 2. At its right-hand end region, the rocker arm 1 is operatively connected to the shaft of the gas exchange valve 3, which is held in the closed position by the associated spring 4. At its left-hand end, the roller 5, which is in contact with the cam 7, is held in the rocker arm 1 via the pin 6. During its rotation, a pivoting movement of the rocker arm 1 about its axis 2 is triggered such that its left-hand part is moved up and its right-hand part is moved down, the gas exchange valve 3 opening.
  • the rocker arm 1 has a fork-shaped part with the cheeks 1.1, 1.2 spaced apart from one another at its left-hand end.
  • the aligned bore 1.3 extends through these cheeks 1.1, 1.2, in which the bolt 6 is arranged, which carries the roller 5 mounted on the roller ring 8.
  • the bolt 6 forms the inner raceway 6.1 for the rolling element ring 8 and is caulked on its two end faces 6.2 in the receiving bore 1.3 of the cheeks 1.1, 1.2 of the rocker arm 1.
  • the bearing pin 6 on the one hand must be soft on its end faces 6.2 in order to be able to be calked at all and on the other hand must have sufficient hardness in the raceway area 6.1 in order to be able to function as a resilient radial bearing.
  • the purpose of the soft annealing is on the one hand to give the steel a structure suitable for hardening and on the other hand to convert it to a soft, easily machinable state.
  • the stud has a hardness of HV 250, this hardness being the final hardness for its two end faces 6.2 at the same time.
  • This is finally followed by partial induction hardening of the lateral surface of the bolt 6 in a known manner, so that it has a final hardness of HV 800.
  • the pin 6 has the area 6.3, which serves as a raceway 6.1 for the rolling elements 8.
  • This area 6.3 contains the structure described in claim 2 after induction hardening, that is to say finely divided spherical carbides in a matrix of tempered martensite with a residual austenite content of 5-25%.
  • the transition area 6.4 of the bolt 6 separates the hardened area 6.3 from the soft end faces 6.2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einer Aufnahmebohrung (3) eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung (1.3) verstemmbar ist, wobei der Bolzen (6) eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die grösser als die Härte seiner stirnseitig Enden (6.2) ist. Der Bolzen (6) zeichnet sich dadurch aus, dass er carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so dass zunächst eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschliessend der so behandelte Bolzen (6) zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93- HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist. Ein derart erfindungsgemässer Bolzen zeichnet sich durch eine hohe Langlebigkeit auch unter grössten Belastungen aus.

Description

Lagefixierung eines Bolzens
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Fixierung eines Lagerbolzens in einer Aufnahmebohrung eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung verstemmbar ist, wobei der Bolzen eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die größer als die Härte seiner stirnseitigen Enden ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Bolzen zur Lagerung der von einem Nocken beaufschlagten Rolle eines Kipphebels ist aus der US 5,054,440 vorbekannt. Dieser Kipphebel weist einen gabelförmigen Abschnitt auf, dessen zwei Wangen je eine Aufnahmebohrung besitzen, durch die der Lagerbolzen geführt ist. Er trägt eine über Nadeln gelagerte Rolle, die von einem Nocken beaufschlagt wird. Der Bolzen ist in der Aufnahmebohrung durch Verstemmung gehalten, dass heißt, er wird an einer oder an beiden Stirnseiten mit einem entsprechenden Werkzeug beaufschlagt, so dass ein Teil seines Materials in radialer Richtung in die Aufnahmebohrung verdrängt wird.
Da dieser Lagerbolzen zum einen der Träger einer Laufbahn eines Wälzlager- kranzes ist, zum anderen aber im Kipphebel durch Verstemmung gehalten ist, muss er gleichzeitig hart und weich sein. Diese sich diametral gegenüberliegenden Eigenschaften des Bolzens hat man nach dem bisherigen Stand der Technik so realisiert, dass der Laufbahnbereich einer Härtung unterworfen wurde, während die Stirnseiten des Bolzens unbehandelt und somit weich blieben. In der US 5,054,440 erfolgt das derart, dass der Laufbahnbereich des Bolzens einem Härteprozess unterworfen ist, so dass dieser Bereich eine Härte von 640-840 HV aufweist, während seine stirnseitigen Enden unbehandelt bleiben und somit eine Härte von 200-336 HV aufweisen.
Beim Einsatz derartiger Bolzen unter hohen Lastbedingungen, wie sie beispielsweise mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung in Planetenradlage- rung für Zahnräderwechselgetriebe auftreten können, hat sich gezeigt, dass diese Bolzen eine relativ geringe Lebensdauer aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Lagerbolzen zu entwickeln, der eine lange Lebensdauer auch unter hohen Lastbedingungen aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass der gesamte Bolzen carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so dass eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschließend der so behandelte Bolzen zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93-HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist.
Der Vorteil eines solch in erfindungsgemäßer Weise hergestellten Bolzens liegt darin, dass eine gesteigerte Härte und eine höhere Druckeigenspannung im Laufbahnbereich vorliegt, so dass der Bolzen in diesem Bereich eine erhöhte Verschleiß- und Dauerfestigkeit bei gleichzeitig weichen stirnseitigen Enden aufweist. Das Carbonitrieren ist dem Fachmann als ein thermochemisches Verfahren zum Behandeln eines Werkstückes im austenitischen Zustand mit dem Zweck der Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff bekannt, wobei sich beide Elemente danach im Austenit in fester Lösung befinden. Im Anschluß an diese Behandlung erfolgt unmittelbar ein Abschrecken mit dem Ziel der Erzielung einer Härtung. Wie der Fachmann in diesem Zusammenhang auch weiß, wird durch das Carbonitrieren ein bestimmter Schichtaufbau in Form einer Verbindungsschicht und einer darunter liegenden Diffusionsschicht realisiert. Während die Verbindungsschicht maßgebend für alle die Werkstückeigenschaften ist, die mit den Einwirkungen auf die unmittelbare Oberfläche im Zusammenhang stehen, also mit dem Verschleißverhalten und der Korrosionsbeständigkeit, so werden die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke, die Dauerfestigkeit und die Zugfestigkeit betreffen von der Diffusionsschicht bestimmt.
Nach dem Abschrecken, dass heißt einem Abkühlen mit sehr hoher Abkühlungsrate zum Umwandeln von Austenit in Martensit erfolgt ein Anlassen. Durch ein Erwärmen auf mäßig hohe Temperaturen und anschließender Abkühlung werden innere Spannungen abgebaut, so dass sich Härte und Festig- keit verringern, während die Zähigkeit und Verformbarkeit zunehmen.
Danach erfolgt ein Weichglühen des carbonitrierten, abgeschreckten und angelassenen Bolzens zur Einstellung der Härtewerte HV 212-305 (HRB 93-HRC 30), die die Härtewerte für die beiden Stirnseiten des Bolzens sind. Dieses Weichglühen dient insbesondere zur Verbesserung des Formänderungsvermögens des Bolzens, so dass dieser in seinen Endbereichen leicht plastisch verformbar und damit in einfacher Weise einer Aufnahmebohrung verstemmbar ist. Die Glühtemperaturen richten sich nach dem jeweilig verwendeten Werkstoff und liegen bei Stahl etwa zwischen 650 und 700°C. Der Zweck des Weichglühens liegt letztendlich darin, dem Stahl ein für die Härtung geeignetes Gefüge zu geben und in einen weichen, gut bearbeitbaren Zustand zu überführen.
Beim nachfolgenden Induktionshärten der Mantelfläche des Bolzens wird schließlich die angestrebte Endhärte HV 745-950 (HRC 62-68) in diesem Bereich erzielt. Das Induktionshärten ist das gegenwärtig am weitesten verbreitete thermische Randschichthärteverfahren. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule (Induktor) ein magnetisches Wechsel- feld erzeugt, das in einem elektrisch leitenden Werkstück (Bolzen) nach dem Transformatorprinzip einen Wechselstrom induziert. Die direkte Umsetzung der elektrischen in thermische Energie über innere Wärmequellen führt somit zur Erwärmung des Bauteils, wobei die Energieübertragung kontaktlos erfolgt. Bei kurzer Einwirkdauer des Magnetfeldes und sofortige Abschreckung beschränkt sich die Erwärmung überwiegend auf die Randschicht, in der die inneren Wärmequellen wirksam sind. Mit zunehmender Dauer kommt es in Folge Wärmeleitung zur radial fortschreitenden Erwärmung des Bauteils. Daraus folgt, dass die Einhärtetiefe mit einfachen Mitteln einstellbar und immer ohne großen Auf- wand an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung geht aus Anspruch 2 hervor, dass die Mantelfläche des Bolzens nach dem Induktionshärten fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5-25% aufweisen sollen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Bolzen massiv oder zumindest im Abschnitt seiner stirnseitigen Enden hohlzylindrisch ausgebildet sein soll. Der Vorteil eines hohlzylindrischen Bolzens liegt darin, dass neben einer Gewichtsreduzierung das Aufweiten beim Verstemmen an seinen Stirnseiten begünstigt ist.
Schließlich gehen aus den Ansprüchen 4 und 5 konkrete Einsatzgebiete eines erfindungsgemäßen Bolzens hervor. So ist nach dem erstgenannten vorgese- hen, dass er zur Lagerung einer Rolle in einem Betätigungshebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist. Nach dem zweitgenannten Anspruch soll dieser Bolzen zur Lagerung eines Planetenrades in einem Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug eingesetzt sein. Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll in Figur 1 und
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Bolzens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in Figur 1 gezeigte Kipphebel 1 eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine ist über seine Achse 2 schwenkbar gelagert. An seinem rechtsseitigen Endbereich steht der Kipphebel 1 in Wirkverbindung mit dem Schaft des Gas- wechselventils 3, das durch die zugehörige Feder 4 in Schließstellung gehalten ist. An seinem linksseitigen Ende ist im Kipphebel 1 über den Bolzen 6 die Rolle 5 gehalten, die in Kontakt mit dem Nocken 7 steht. Bei dessen Rotation wird eine Schwenkbewegung des Kipphebels 1 um seine Achse 2 derart ausgelöst, dass sein linksseitiger Teil nach oben und sein rechtsseitiger Teil nach unten bewegt wird, wobei das Gaswechselventil 3 öffnet.
Wie aus Figur 2 erkennbar, weist der Kipphebel 1 an seinem linksseitigen Ende einen gabelförmigen Teil mit den voneinander beabstandeten Wangen 1.1 , 1.2 auf. Durch diese Wangen 1.1 , 1.2 erstreckt sich die fluchtende Bohrung 1.3, in der der Bolzen 6 angeordnet ist, der die auf dem Wälzkörperkranz 8 gelagerte Rolle 5 trägt. Der Bolzen 6 bildet die Innenlaufbahn 6.1 für den Wälzkörperkranz 8 und ist an seinen beiden Stirnflächen 6.2 in der Aufnahmebohrung 1.3 der Wangen 1.1 , 1.2 des Kipphebels 1 verstemmt. Durch Aufbrin- gen einer axialen Kraft wird Material des Bolzens 6 in Richtung der Wangen 1.1 , 1.2 gepreßt, so dass ein Formschluß zwischen Bolzen 6 und Kipphebel 1 gebildet ist. Aus der genannten Figur ist erkennbar, dass der Lagerbolzen 6 einerseits an seinen Stirnflächen 6.2 weich sein muss, um überhaupt ver- stemmt werden zu können und andererseits im Laufbahnbereich 6.1 eine genügende Härte aufweisen muss, um als ein belastbares Radiallager fungieren zu können.
Ein solcher Bolzen aus einem Stahl der Marke 17 MnCrδ, dass heißt mit 0,17% Kohlenstoff und je ein 1 ,25% Mangan und Chrom, wird in einem Gasgemisch carbonitriert, anschließend in einem Ölbad abgeschreckt und angelassen. Durch das Anlassen bei mäßig hohen Temperaturen werden innere Spannungen abgebaut, dass heißt Härte und Festigkeit verringern sich, während die Zähigkeit ansteigt. Gefügemäßig wandelt sich dabei spröder tetragonaler Mar- tensit in zäheren kubischen Martensit um. Nach der Anlassbehandlung weist der Bolzen eine Härte von HV 800 auf. Nachfolgend wird er einem Weichglühen unterworfen, wobei man ein langzeitiges Erwärmen des Stahls auf Temperaturen dicht beim A1 -Punkt mit nachfolgend langsamer Abkühlung versteht. Der Zweck des Weichglühens besteht darin, einerseits dem Stahl ein für die Härtung geeignetes Gefüge zu geben und andererseits diesen in einen weichen, gut bearbeitbaren Zustand zu überführen. Nach dem Weichglühen hat der Bolzen eine Härte von HV 250, wobei diese Härte gleichzeitig die Endhärte für dessen beide Stirnflächen 6.2 ist. Danach erfolgt schließlich in bekannter Weise ein partielles Induktionshärten der Mantelfläche des Bolzens 6, so dass diese eine Endhärte von HV 800 aufweist.
Wie schließlich die Figur 3 zeigt, weist der Bolzen 6 den Bereich 6.3 auf, der als Laufbahn 6.1 für die Wälzkörper 8 dient. Dieser Bereich 6.3 enthält das im Anspruch 2 beschriebene Gefüge nach dem Induktionshärten, dass heißt fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5-25%. Der Übergangsbereich 6.4 des Bolzens 6 trennt den gehärteten Bereich 6.3 von den weichen Stirnflächen 6.2. Bezugszeichen
1 Kipphebel
1.1 Wange 1.2 Wange
1.3 Bohrung
2 Achse
3 Gaswechsel ventil
4 Feder 5 Rolle
6 Bolzen
6.1 Innenlaufbahn
6.2 Stirnfläche
6.3 Bereich 6.4 Übergangsbereich
7 Nocken
8 Wälzkörper

Claims

Patentansprüche
1. Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einer Aufnahmebohrung (1.3) eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung (1.3) verstemmbar ist, wobei der Bolzen (6) eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die größer als die Härte seiner stirnseitigen Enden (6.2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Bolzen (6) carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so daß eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschließend der so behandelte Bolzen (6) zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93- HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist.
2. Bolzen (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche nach dem Induktionshärten fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5-25 % aufweist.
3. Bolzen (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß dieser massiv oder zumindest im Abschnitt seiner stirnseitigen Enden hohlzylindrisch ausgebildet ist.
4. Bolzen (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er zur Lagerung einer Rolle (5) in einem Betätigungshebel (1 ) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist.
5. Bolzen (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er zur Lagerung eines Planetenrades in einem Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug eingesetzt ist.
EP03761465A 2002-06-27 2003-06-12 Lagefixierung eines bolzens Expired - Lifetime EP1516107B1 (de)

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