EP1609960B1 - Hebelartiger Nockenfolger - Google Patents

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EP1609960B1
EP1609960B1 EP05010811A EP05010811A EP1609960B1 EP 1609960 B1 EP1609960 B1 EP 1609960B1 EP 05010811 A EP05010811 A EP 05010811A EP 05010811 A EP05010811 A EP 05010811A EP 1609960 B1 EP1609960 B1 EP 1609960B1
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EP
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cam follower
steel
lever
hardness
hardening
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EP05010811A
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Helmut Engelhardt
Ernst Ammon
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IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
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
    • F01L1/185—Overhead end-pivot rocking arms

Definitions

  • the invention relates to a non-cutting produced from a steel plate lever-like cam follower for a valve train of an internal combustion engine for acting upon at least one gas exchange valve, which is subjected to a hardening process.
  • valve drive mechanism for driving intake valves and exhaust valves in synchronism with the engine revolution.
  • the valve drive mechanism generally includes a camshaft and a cam follower that converts the rotational motion of the camshaft into a reciprocating motion for axially driving the intake and exhaust valves.
  • the cam follower includes a rocker arm driven by cams carried by the camshaft.
  • Case hardening It consists of carburizing or carbonitriding followed by hardening either immediately afterwards or after intercooling and reheating to a suitable hardening temperature. Depending on the required performance characteristics or the requirements of subsequent processing is still tempered after curing or deep-frozen and tempered. Case hardening serves to give the surface layer of steel workpieces a much higher hardness and better mechanical properties to the workpiece. For this purpose, the surface layer before hardening with carbon (carburizing) or carbon and nitrogen (carbonitriding) enriched. The additional nitrogen enrichment causes a higher hardenability compared to the carburizing by changing the conversion behavior in the surface layer and a higher tempering resistance after hardening.
  • Such a cam follower is apparent, for example, from US 2003/0106514 A1.
  • lever-type cam followers produced in this way has the disadvantage that the corresponding heat treatment of the insert material is very time-consuming and expensive.
  • lever-type cam followers produced in accordance with the invention can be subjected to a higher load for the same cross-section or have a smaller cross-section for the same loads.
  • Another advantage of this lever-type cam follower according to the invention is that due to the different heat treatment, a further savings potential can be realized.
  • the hardening cycle time and, on the other hand, the hardening temperature can be reduced.
  • the higher dimensional and dimensional stability of the lever-like cam follower according to the invention is advantageous.
  • This cold formable hardenable steel is an isotropic fine grain steel with high purity. Its thermoformability and formability is comparable to previously used cold-rolled materials, but its hardenability is well above conventional steels. Due to its high core hardness it is more static and dynamic loadable than parts made of conventional steel. This reduces plastic deformation in places of high static load.
  • Figures 1 and 2 show an example of a cam follower 1 in the form of a finger lever, which is made of a sheet metal material and has a finger-like geometry. Between its parallel side walls 2 extends a transverse bar 3, which connects the two side walls 2 with each other, so that a cross-sectionally U-shaped profile is formed, which encloses the gap 4. At a side facing away from the gap 4 bottom 5 is located in the region of the end 6, not shown a shaft end of a gas exchange valve. This is mounted between two webs 7, which also extend on the underside 5.
  • the side walls 2 have two mutually aligned recesses 8, in which the axis 9 is inserted. On this axis 9, the roller 11 is mounted on the roller bearing 10.
  • roller 11 With the roller 11 is an unillustrated cam of a camshaft in operative connection.
  • a further end 12 of the cam follower 1 In the region of a further end 12 of the cam follower 1 is mounted on a head of a supporting element, not shown, wherein both parts by the holding element 13 with each other are connected.
  • the webs 7 extend integrally as an extension of the side walls 2 and are bent by 180 ° in the region of the end 6 to the underside 5.
  • the cam follower 1 is reduced in width in the region of the end 6.
  • a steel C45M according to the invention has a hardness profile only falling flat in the direction of the center of the strip. While the edge hardness is to be set at about 750 HV, the core hardness assumes a value of about 650 HV. Due to this optimized hardenability, which has to be matched to the component geometry and the load, this steel has a high core hardness, toughness and elasticity. Ultimately, this high core hardness of the cold formable, hardenable steel ensures that the savings described above, such as reducing the wall cross section, increasing the strength and reducing the total weight, are possible.
  • a cam follower 1 made of case hardening steel C16M is subjected to classical case hardening according to FIG. 4, the lever 1 being kept at a temperature of 880 ° C. for 120 minutes. Thereafter, the part is quenched to room temperature and then annealed for 120 minutes.
  • This is to be understood as meaning a heat treatment which is intended to give the hardened and relatively brittle material state a higher toughness. It consists in heating to temperatures in the range of 160-650 ° with sufficient holding time and cooling again to room temperature. By duration and cooling again to room temperature. By tempering the hardness is reduced, the strength decreases and the ductility and toughness increase. Case hardening therefore results in a quasi-material composite, wherein the edge is provided with the maximum achievable hardness and the core is considerably softer.
  • cam follower 1 If the same cam follower 1 is made from the tempered steel C45M, it is first hardened slightly carburizing while keeping it at 840 ° C. for 30 minutes. This is followed by quenching to room temperature and tempering, which also extends to 120 minutes. It is clear that in the first case, the actual hardening process during case hardening is 120 minutes and in the second case only 30 minutes, so that a time saving of 75% can be realized during the actual hardening process. It is also advantageous that curing at a lower by 40 ° C temperature is possible, which means a significant energy saving.
  • cam follower 1 according to the invention made of the steel of the brand C45M compared to a case hardened cam follower from the steel brand C16M this has a much lower distortion or shape change and therefore does not have to be post-machined.

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Description

    Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen spanlos aus einem Stahlblech hergestellten hebelartigen Nockenfolger für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung wenigstens eines Gaswechselventils, der einem Härtevorgang unterworfen ist.
    • Hintergrund der Erfindung
  • In einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor ist ein Ventilantriebsmechanismus zum Antrieb von Einlassventilen und Auslassventilen synchron zur Motorumdrehung vorhanden. Der Ventilantriebsmechanismus umfasst im allgemeinen eine Nockenwelle sowie einen Nockenstößel, der die Drehbewegung der Nockenwelle in eine Hin- und Herbewegung zum axialen Antrieb der Einlass- und Auslassventile umwandelt. Der Nockenstößel umfasst einen Kipphebel, der von Nocken angetrieben wird, die von der Nockenwelle getragen werden. Mit dem Fortschritt der Kraftfahrzeugtechnologie auf dem Gebiet von Motoren mit höchster Leistung steigt der Bedarf an kompakten und leichten Motoren mit langer Lebensdauer und wartungsfreier Konstruktion.
  • In diesem Zusammenhang ist es allgemein bekannt, dass derartige aus Stahlblech spanlos hergestellte hebelartige Nockenfolger in der Regel aus einem Einsatzmaterial bestehen, beispielsweise aus 16 Mn Cr 5. Das Einsatzhärten besteht aus Aufkohlen oder Carbonitrieren mit nachfolgendem Härten entweder unmittelbar anschließend daran oder nach einem Zwischenkühlen und Wiedererwärmen auf eine zweckentsprechende Härtetemperatur. Je nach den geforderten Gebrauchseigenschaften bzw. den Erfordernissen der nachfolgenden Bearbeitung wird nach dem Härten noch angelassen oder tiefgekühlt und angelassen. Das Einsatzhärten dient dazu, der Randschicht von Werkstücken aus Stahl eine wesentlich höhere Härte und dem Werkstück bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Hierzu wird die Randschicht vor dem Härten mit Kohlenstoff (Aufkohlen) oder Kohlenstoff und Stickstoff (Carbonitrieren) angereichert. Die zusätzliche Stickstoffanreicherung bewirkt gegenüber dem Aufkohlen durch Veränderung des Umwandlungsverhaltens in der Randschicht eine höhere Härtbarkeit und nach dem Härten eine höhere Anlassbeständigkeit. Ein solcher Nockenfolger geht beispielsweise aus der US 2003/0106514 A1 hervor.
  • Derartig hergestellten hebelartigen Nockenfolgern haftet der Nachteil an, dass die entsprechende Wärmebehandlung des Einsatzwerkstoffes sehr zeitaufwendig und teuer ist.
  • Aus der US 4,829,647 ist ein spanlos aus einem Stahlblech hergestellter Nockenfolger bekannt geworden, der einen mittleren Kohlenstoffgehalt aufweist und einem Härtevorgang unterworfen ist. Das Härten erfolgt jedoch lediglich partiell durch Einwirkung eines Laserstrahles wobei die Anlagefläche von einem Ventilschaft eines Gaswechselventils und die gegenüberliegende Abstützfläche eines Abstützelementes gehärtet sind. Ein derartig partielles Härten von bestimmten Teilen des Nodenfolgers ist jedoch aufwendig.
  • Festigkeitzunahme teilweise wieder abgebaut, jedoch die Zähigkeit über den ursprünglichen Wert hinaus erhöht. Derart erfindungsgemäß hergestellte hebelartige Nockenfolger können bei gleichem Querschnitt höher belastet werden oder bei gleichen Belastungen einen geringeren Querschnitt aufweisen. Ein anderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen hebelartigen Nockenfolger liegt darin, dass sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmebehandlung ein weiteres Einsparpotential realisieren lässt. Zum einen kann die Härtedurchlaufzeit und zum anderen die Härtetemperatur herabgesetzt werden. Auch ist die höhere Maß- und Formstabilität der erfindungsgemäßen hebelartigen Nockenfolger von Vorteil.
  • Nach Anspruch 2 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Kernhärte im Bereich zwischen 600 und 650 HV und Randhärte im Bereich zwischen 680 und 700 HV liegt.
  • Schließlich ist nach Anspruch 3 vorgesehen, dass für den hebelartiger Nockenfolger ein Vergütungsstahl der Marke C45M mit
    0,39 - 0,46% C, bis 0,15 % Si, 0,55 - 0,70 % Mn, bis 0,020 % P, bis 0,07 % S, 0,25 - 0,40 % Cr, 0,020 - 0,060 % Al, 0,0040 - 0,0100 % N2, 0,10 - 0,20 % Ni, 0,05 - 0,10 % Mo, bis 0,005 % Sn, bis 0,002 % Sb, Summe Cu, Ni, Mn, Cr 1,00 bis 1,45 %
    verwendet ist.
  • Dieser kaltumformbare durchhärtbare Stahl ist ein isotroper Feinkornstahl mit hoher Reinheit. Seine Tiefziehfähigkeit und Umformbarkeit ist vergleichbar mit bisher verwendeten Kaltband-Werkstoffen, in seiner Härtbarkeit liegt er jedoch deutlich über konventionellen Stählen. Aufgrund seiner hohen Kernhärte ist er höher statisch und dynamisch belastbar als Teile aus herkömmlichen Stahl. Dies vermindert plastische Verformungen an Stellen hoher statischer Belastung.
  • Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Längsschnitt durch einen Nockenfolger,
    Figur 2
    eine Draufsicht auf den Nockenfolger gemäß Figur 1,
    Figur 3
    einen Härtevergleich zwischen einem klassischen Stahl und einem erfindungsgemäßen Stahl und
    Figur 4
    eine Wärmebehandlung von klassischem Stahl und dem erfindungsgemäßen Stahl.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft einen Nockenfolger 1 in Form eines Schlepphebels, der aus einem Blechwerkstoff gefertigt ist und eine fingerartige Geometrie aufweist. Zwischen seinen parallelen Seitenwänden 2 verläuft ein Querbalken 3, der die beiden Seitenwände 2 miteinander verbindet, so dass ein im Querschnitt U-förmiges Profil gebildet ist, das den Zwischenraum 4 einschließt. An einer dem Zwischenraum 4 abgewandten Unterseite 5 liegt im Bereich des Endes 6 ein nicht dargestelltes Schaftende eines Gaswechselventils an. Dieses ist zwischen zwei Stegen 7 gelagert, die ebenfalls an der Unterseite 5 verlaufen. Die Seitenwände 2 besitzen zwei zueinander fluchtende Aussparungen 8, in die die Achse 9 gesteckt ist. Auf dieser Achse 9 ist über das Wälzlager 10 die Rolle 11 gelagert. Mit der Rolle 11 steht ein nicht dargestellter Nocken einer Nockenwelle in Wirkverbindung. Im Bereich eines weiteren Endes 12 ist der Nockenfolger 1 auf einem Kopf eines nicht dargestellten Abstützelements gelagert, wobei beide Teile durch das Halteelement 13 miteinander verbunden sind. Die Stege 7 erstrecken sich einteilig als Verlängerung der Seitenwände 2 und sind um 180° im Bereich des Endes 6 an die Unterseite 5 gebogen. Gleichzeitig ist der Nockenfolger 1 im Bereich des Endes 6 in seiner Breite verkleinert.
  • Ein derartiger Nockenfolger 1 wird spanlos aus einem 3,5 mm starkem Band des Vergütungsstahls C45M mit nachstehender chemischer Zusammensetzung hergestellt:
    • 0,42 - 0,46 % C, bis 0,15 % Si, 0,60 - 0,70 % Mn, bis 0,020 % P, bis 0,07 % S, 0,30 - 0,40 % Cr, 0,020 - 0,060 % Al, 0,0040 - 0,0100 % N2, 0,10 - 0,20 % Ni, 0,05 - 0,10 % Mo, bis 0,005 % Sn, bis 0,002 % Sb, bis 0,15 % Cu, Summe Cu, Ni, Mn, Cr 1,05 bis 1,45 %.
  • Wie aus Figur 3 ersichtlich, weist ein erfindungsgemäßer Stahl C45M nach seiner Wärmebehandlung im Gegensatz zu einem herkömmlichen Stahl der Marke DC04M einen nur flach in Richtung Bandmitte abfallenden Härteverlauf auf. Während die Randhärte mit etwa 750 HV anzusetzen ist, nimmt die Kernhärte einen Wert von etwa 650 HV an. Durch diese optimierte Härtbarkeit, die auf die Bauteilgeometrie und die Beanspruchung abzustimmen ist, weist dieser Stahl eine hohe Kernhärte, Zähigkeit und Elastizität auf. Diese hohe Kernhärte des kaltumformbaren durchhärtbaren Stahls sorgt letztendlich dafür, dass die vorstehend beschriebene Einsparpotentiale wie Verringerung des Wandquerschnitts, Erhöhung der Festigkeit sowie eine Reduzierung des Gesamtgewichtes möglich sind.
  • Ein Nockenfolger 1 aus dem Einsatzstahl C16M wird nach Figur 4 einem klassischen Einsatzhärten unterworfen, wobei der Hebel 1 120 min bei einer Temperatur von 880 °C gehalten wird. Danach wird das Teil auf Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend 120 min angelassen. Darunter ist eine Wärmebehandlung zu verstehen, die dem gehärteten und relativ spröden Werkstoffzustand eine höhere Zähigkeit verleihen soll. Sie besteht in einem Erwärmen auf Temperaturen im Bereich von 160 - 650 ° mit ausreichender Haltedauer und Abkühlen wiederum auf Raumtemperatur. Durch dauer und Abkühlen wiederum auf Raumtemperatur. Durch das Anlassen wird die Härte verringert, die Festigkeit nimmt ab und die Verformbarkeit und die Zähigkeit nehmen zu. Durch das Einsatzhärten entsteht also ein Quasi-Werkstoffverbund, wobei der Rand mit der maximal erreichbaren Härte versehen ist und der Kern wesentlich weicher ist.
  • Wird der gleiche Nockenfolger 1 aus dem Vergütungsstahl C45M hergestellt, so wird dieser zunächst leicht aufkohlend gehärtet, wobei er 30 min auf 840 °C zu halten ist. Danach folgt ebenfalls ein Abschrecken auf Raumtemperatur und ein Anlassen, das sich ebenfalls auf 120 min erstreckt. Es ist klar ersichtlich, dass im ersten Falle der eigentliche Härtevorgang beim Einsatzhärten 120 min und im zweiten Falle lediglich 30 min beträgt, so dass beim eigentlichen Härtevorgang eine Zeitersparnis von 75 % realisiert werden kann. Es ist weiter von Vorteil, dass auch ein Härten bei einer um 40 ° C niedrigeren Temperatur möglich ist, was eine wesentliche Energieeinsparung bedeutet. Schließlich ist auch von Vorteil, dass bei einem erfindungsgemäßen Nockenfolger 1 aus dem Stahl der Marke C45M im Vergleich zu einem einsatzgehärteten Nockenfolger aus dem Stahl der Marke C16M dieser eine wesentlich geringere Verzugs- bzw. Formänderung aufweist und daher nicht spanend nachbearbeitet werden muß.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Nockenfolger
    2
    Seitenwand
    3
    Querbalken
    4
    Zwischenraum
    5
    Unterseite
    6
    Ende
    7
    Steg
    8
    Aussparung
    9
    Achse
    10
    Wälzlager
    11
    Rolle
    12
    Ende
    13
    Halteelement

Claims (3)

  1. Spanlos aus einem Stahlblech hergestellter hebelartiger Nockenfolger (1) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung wenigstens eines Gaswechselventils, der einem Härtevorgang unterworfen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein kaltumformbarer durchgehärteter Vergütungsstahl verwendet ist, der
    eine Kernhärte von größer gleich 600 HV und eine Randhärte von größer gleich 680 HV aufweist.
  2. Hebelartiger Nockenfolger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhärte einen Wert von 600 - 650 HV und die Randhärte einen Wert von 680 - 750 HV aufweist.
  3. Hebelartiger Nockenfolger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungsstahl der Marke C45M
    mit 0,39 - 0,46% C, bis 0,15 % Si, 0,55-0,70 % Mn, bis 0,020 % P, bis 0,07 % S, 0,25 - 0,40 % Cr, 0,020 - 0,060 % Al, 0,0040 - 0,0100 % N2, 0,10 - 0,20 % Ni, 0,05 - 0,10 % Mo, bis 0,005 % Sn, bis 0,002 % Sb, bis 0,15 % Cu, Summe Cu, Ni, Mn, Cr 1,00 bis 1,45 %
    verwendet ist.
EP05010811A 2004-06-12 2005-05-19 Hebelartiger Nockenfolger Expired - Lifetime EP1609960B1 (de)

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