EP1516107B1 - Lagefixierung eines bolzens - Google Patents

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EP1516107B1
EP1516107B1 EP03761465A EP03761465A EP1516107B1 EP 1516107 B1 EP1516107 B1 EP 1516107B1 EP 03761465 A EP03761465 A EP 03761465A EP 03761465 A EP03761465 A EP 03761465A EP 1516107 B1 EP1516107 B1 EP 1516107B1
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EP
European Patent Office
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pin
hardness
bolt
hrc
peripheral surface
Prior art date
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EP03761465A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1516107A1 (de
Inventor
Joseph Griffin
Marion Ince
Charles Schwab
Eric Nelson
Richard Carpenter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
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Publication date
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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 a bearing pin in a receiving bore of a housing which can be caulked to achieve a force and / or positive connection at least at one end with the bore end, wherein the bolt has a lateral surface with a hardness greater than the hardness of its front ends is.
  • Such a bolt for supporting the acted upon by a cam roller of a rocker arm is out of US 5,054,440 or JP-A-62007908 previously known.
  • This rocker arm has a fork-shaped portion whose two cheeks each have a receiving bore through which the bearing pin is guided. He carries a roller mounted on needles, which is acted upon by a cam.
  • the bolt is held in the receiving bore by caulking, that is, it is acted upon at one or both end faces with a corresponding tool, so that a portion of its material is displaced in the radial direction in the receiving bore.
  • the object of the invention is therefore to develop a bearing pin, which has a long life even under high load conditions.
  • this object is achieved by the characterizing part of claim 1 in conjunction with the preamble thereof 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 to set a hardness of HV 212-305 (HRB 93-HRC 30) is annealed before the shell 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 accordance with the invention is that there is an increased hardness and a higher residual compressive stress in the raceway area, so that the bolt has an increased wear and fatigue strength at the same time soft front ends in this area.
  • Carbonitriding is known to those skilled in the art as a thermochemical process for treating a workpiece in the austenitic state with the purpose of enriching the surface layer with carbon and nitrogen, both of which are then in solid solution in austenite. Following this treatment, quenching takes place immediately the goal of achieving a cure.
  • carbonitriding realizes a specific layer structure in the form of a bonding layer and an underlying diffusion layer. While the bonding layer governs all the work-piece properties associated with the immediate surface impact, ie, wear behavior and corrosion resistance, the mechanical properties of the workpieces, which relate to fatigue strength and tensile strength, are determined by the diffusion layer.
  • soft annealing the carbonitrided, quenched and tempered pin for setting the hardness values HV 212-305 (HRB 93-HRC 30), which are the hardness values for the two end faces of the pin.
  • This soft annealing serves, in particular, to improve the ability to change the shape of the bolt so that it can easily be plastically deformed in its end regions and thus can be clamped in a simple manner to a receiving bore.
  • the annealing temperatures depend on the particular material used and are between 650 and 700 ° C for steel.
  • the purpose of soft annealing is ultimately to give the steel a suitable structure for curing and to convert it into a soft, easily workable state.
  • Induction hardening is currently the most widely used thermal surface hardening method.
  • a current-carrying coil inductor
  • an alternating magnetic field generated, which induces an alternating current in an electrically conductive workpiece (bolt) according to the transformer principle.
  • the direct conversion of the electrical into thermal energy via internal heat sources thus leads to heating of the component, wherein the energy transfer takes place without contact.
  • the heating is limited mainly to the surface layer in which the internal heat sources are effective.
  • heat conduction occurs as a result of radially advancing heating of the component. It follows that the hardening depth can be adjusted by simple means and always adaptable to the respective application without great effort.
  • the bolt should be solid or at least in the section of its front-side hollow cylindrical.
  • rocker arm 1 of a valve train of an internal combustion engine is pivotally mounted about its axis 2.
  • rocker arm 1 At its right end portion of the rocker arm 1 is in operative connection with the shaft of the gas exchange valve 3, which is held by the associated spring 4 in the closed position.
  • the roller 5 At its left-side end, the roller 5 is held in the rocker arm 1 via the bolt 6, which is in contact with the cam 7.
  • a pivoting movement of the rocker arm 1 about its axis 2 is triggered such that its left-hand part is moved upwards and its right-hand part is moved downwards, the gas exchange valve 3 opening.
  • the rocker arm 1 at its left-hand end a fork-shaped part with the spaced apart cheeks 1.1, 1.2.
  • these cheeks 1.1, 1.2 extends the aligned hole 1.3, in which the bolt 6 is arranged, which carries the roller 5 mounted on the WälzSystemkranz.
  • the bolt 6 forms the inner race 6.1 for the WälzSystemkranz 8 and is caulked at its two end faces 6.2 in the receiving bore 1.3 of the cheeks 1.1, 1.2 of the rocker arm 1.
  • By applying an axial force is material of the bolt 6 in the direction of the cheeks 1.1, 1.2 pressed, so that a positive connection between the bolt 6 and rocker arm 1 is formed. From the above figure it can be seen that the bearing pin 6 on the one hand must be soft on its end faces 6.2 in order to be caulked and on the other hand in the raceway area 6.1 must have sufficient hardness to act as a resilient radial bearing can.
  • Such a 17 MnCr5 steel stud that is, 0.17% carbon and 1.25% manganese and chromium each, is carbonitrided in a gas mixture, then quenched and tempered in an oil bath.
  • internal stresses are reduced, that is, hardness and strength decrease, while the toughness increases.
  • brittle tetragonal martensite changes into tougher cubic martensite.
  • the bolt After tempering, the bolt has a hardness of HV 800. Subsequently, it is subjected to soft annealing, wherein one understands a long-term heating of the steel to temperatures close to the A1 point followed by slow cooling.
  • the purpose of soft annealing is to give the steel, on the one hand, a structure suitable for hardening and, on the other hand, to convert it into a soft, readily processable state.
  • the bolt After soft annealing, the bolt has a hardness of HV 250, this hardness being the final hardness for both end faces 6.2 at the same time.
  • a partial induction hardening of the lateral surface of the bolt 6 so that it has a final hardness of HV 800.
  • This region 6.3 contains the structure described in claim 2 after induction hardening, that is, finely divided spherical carbides in a matrix of tempered martensite having a residual austenite content of 5-25%.
  • the transition region 6.4 of the bolt 6 separates the hardened region 6.3 from the soft end faces 6.2.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Lagerbolzen 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 oder JP-A-62007908 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 Wälzlagerkranzes 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 Planetenradlagerung 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 Festigkeit 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 Wechselfeld 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 Aufwand 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 vorgesehen, 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 II-II 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 Gaswechselventils 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 Aufbringen 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 verstemmt 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 MnCr5, 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 Martensit 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
    Gaswechselventil
    4
    Feder
    5
    Rolle
    6
    Bolzen
    6.1
    Innenlaufbahn
    6.2
    Stirnfläche
    6.3
    Bereich
    6.4
    Übergangsbereich
    7
    Nocken
    8
    Wälzkörper

Claims (5)

  1. Lagerbolzen (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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Application Number Priority Date Filing Date Title
US39181802P 2002-06-27 2002-06-27
US391818P 2002-06-27
PCT/EP2003/006277 WO2004003349A1 (de) 2002-06-27 2003-06-12 Lagefixierung eines bolzens

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EP1516107A1 EP1516107A1 (de) 2005-03-23
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US (1) US7377988B2 (de)
EP (1) EP1516107B1 (de)
KR (1) KR100927568B1 (de)
CN (1) CN100359138C (de)
AU (1) AU2003242704A1 (de)
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