WO2004029421A1 - Verfahren zur herstellung einer einrichtung zur umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische bewegung und damit hergestellte einrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer einrichtung zur umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische bewegung und damit hergestellte einrichtung Download PDF

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WO2004029421A1
WO2004029421A1 PCT/EP2003/010581 EP0310581W WO2004029421A1 WO 2004029421 A1 WO2004029421 A1 WO 2004029421A1 EP 0310581 W EP0310581 W EP 0310581W WO 2004029421 A1 WO2004029421 A1 WO 2004029421A1
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WO
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ceramic
layers
functional layer
metal
camshaft
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PCT/EP2003/010581
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Ralf Lang
Michael Seifert
Roman Zieris
Lutz-Michael Berger
Steffen Nowotny
Erwin Trageser
Reinhard Wolf
Reimund Neugebauer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Htm Härtetechnik & Metallbearbeitung Gmbh
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a device for converting a rotary movement into a translatory movement and a device produced according to this method.
  • the present invention relates to a camshaft, preferably for engines of motor vehicles. Furthermore, the present invention also relates to similar elements or assemblies which convert a rotational movement into a translational movement, in particular a lifting movement, for example by lifting elements running on rotating (cam) disks with different curvatures and being moved counter to the direction of rotation.
  • Cam gears should preferably also be mentioned here.
  • camshafts are also beginning to establish themselves.
  • the cams are fixed on the shaft, for example by pressing on and / or by partially widening the shaft body directly under the cam.
  • the cams are connected individually and one after the other to the shaft.
  • the built camshafts are, however, limited in the constructive design freedom set. In addition, there is only a non-positive or positive connection of the cams to the shaft. In addition, the built camshafts are comparatively expensive to manufacture, so the costs are approx. 30 percent higher compared to a conventional cast shaft.
  • the built camshafts are mostly only used when the cast material reaches its technical limits.
  • built camshafts are used to reduce weight.
  • the realizable weight saving compared to solid cast camshafts is 20-40%.
  • a method for producing a camshaft and a camshaft produced therewith is known, the camshaft being produced by internal high pressure forming and then a layer of wear-resistant material being applied in the area of the treads by the action of a charge carrier jet.
  • a band-shaped or wire-shaped, wear-resistant material is introduced in a vacuum into the energy field of the electron beam at a defined speed, melted and transferred to the running surface of a cam of the camshaft.
  • the treads are then machined to a desired final dimension.
  • cored wire and sheet metal also severely limits the range of materials available for the coating.
  • the method described is unsuitable for applying non-conductive materials, such as ceramics.
  • the process for the production of defined structures (which can result from layers of composite materials such as metal ceramics (hard metals)) is unsuitable when using the cored wires. It is therefore an object of the present invention to provide a method for producing a device for converting a rotary movement into a translatory movement and a device produced according to this method, with which a wear-resistant layer can be applied without substantial thermal distortion occurring.
  • this object is achieved according to the invention by a method for producing a device for converting a rotary movement into a translatory movement, at least in sections, at least in sections, at least one functional layer made of a ceramic, metal-ceramic or metallic material being applied mechanically to a surface of the device.
  • the method according to the invention enables a wear-resistant layer to be applied to the device for converting a rotary movement into a translatory movement without the device being thermally distorted.
  • the method according to the invention enables a further reduction in weight and friction compared to the known prior art through the use of wear-resistant ceramic, metal-ceramic and metallic layers.
  • a hollow shaft having at least one lifting element is (initially) produced in an internal high-pressure forming process (“IHU process”). It is advantageous here if the at least one functional layer in the region of a running surface of the at least one lifting element and / It is also advantageous if the functional layers applied in the area of the running surface of the at least one lifting element and / or in the area of bearing areas of the hollow shaft are made of the same or different materials and each in one or several layers are formed.
  • IHU process internal high-pressure forming process
  • a method from the thermal spraying method group in particular plasma spraying or high-speed flame spraying, is used to produce the at least one functional layer from a ceramic, metal-ceramic or metallic material with clinging to the surface of the hollow shaft.
  • the at least one lifting element and / or the bearing surfaces are formed with a circumferential depression, which form a receptacle for the functional layer to be applied.
  • the functional layer is designed as a wear protection layer and / or as a friction influencing layer.
  • the surfaces of the device are preferably roughened, in particular sandblasted, at least in the region of the functional layer to be applied (before application of the same).
  • the above-mentioned object is achieved according to the invention by a device for converting a rotary into a translatory movement produced by the above method.
  • the device is designed as a hollow camshaft produced by means of internal high-pressure forming (IHU process) with at least one cam, a running surface of the at least one cam and / or bearing surfaces of the camshaft being wear-resistant ceramic, metal-ceramic or have metallic functional layers which are connected to them with mechanical clamping.
  • IHU process internal high-pressure forming
  • Ceramic layers or metal-ceramic layers or metal-ceramic hard metal layers or metallic layers are advantageously applied by thermal spraying.
  • cams and / or the bearing surfaces encircle have a trough that serves as a bed for the functional layer to be applied.
  • Figure 1 shows a partial sectional view along a longitudinal axis of a camshaft in the region of a cam.
  • the camshaft 1 with a cam 2 shown by way of example in a longitudinal sectional illustration in FIG. 1 is an intake camshaft 1 made of material St 52 for a three-cylinder four-valve engine and produced by internal high-pressure forming (IHU process).
  • the complete camshaft has 6 cams.
  • camshaft 1 can also be provided with a functional layer 3.
  • bearing surfaces of the camshaft 1 can be provided with such a functional layer 3.
  • the individual functional surfaces 3 (on the cams 2 or at other locations on the camshaft 1, in particular the bearing surfaces) can be produced from the same or similar or equivalent materials or from different materials.
  • the choice of material is particularly dependent on the individual technical purpose (e.g. wear protection or friction improvement) and also on the technical boundary conditions.
  • the cams 2 each have a circumferential depression, the depression having an essentially flat depression and two raised edge regions provided with radii.
  • the present invention is not limited to the shape of the trough shown in FIG. 1. Rather, it depends on the intended use, the shape of the functional surface to be produced, the depending on the respective coating process and the respective material of the functional surface. For example, it is also possible to provide a plurality of substantially planar depressions, each with raised edge regions which limit these and are provided with radii.
  • This circumferential trough serves as a receiving bed for the functional layer 3 to be applied.
  • the material of the functional layer 3 completely fills the trough, the functional layer being formed with the raised edge regions of the trough. This results in a flat cam running surface.
  • a depth of the trough of 1 mm has proven to be particularly advantageous.
  • a width of the trough corresponds to a width of an associated roller rocker arm of the motor, although the present invention is not restricted to this.
  • a coating of the intake camshaft 1 with the functional layer 3 takes place via the incorporation of a wear-resistant ceramic, metal-ceramic or metallic material with mechanical clamping with a surface of the intake camshaft 1 in the region of the depression and by filling the depression with this material.
  • This mechanical clamping can preferably be supported by the camshaft being subjected to a preparatory, roughening surface treatment, e.g. by sandblasting, if necessary only in the area of the hollows.
  • a preparatory, roughening surface treatment e.g. by sandblasting
  • the intake camshaft 1 was coated with an MF-P-1000 system from GTV mbH / Luckenbach by means of atmospheric plasma spraying.
  • a metal ceramic (hard metal) (Ti, Mo) (C, N) - 37% Ni, Co was used as the coating powder.
  • An Ar / H 2 plasma (50 l / min Ar, 11 l / min H 2 ) at a current of 630 A was used for spraying. The spray distance was 110 mm.
  • cams are ground to their final dimensions, which results in the running surface of the cams 2.
  • a test of the camshaft 1 generated in this way was then carried out. This test was carried out on a special test bench with a surface pressure of 1400 N / mm 2 , a speed of 3500 rpm, an oil temperature of 100 ° C and motor oil Esso Ultron SAE 5W40.
  • a (still uncoated) camshaft is first produced using the IHU method.
  • This is followed by the layer deposition by methods which are essentially based on mechanical clinging of the layer to the base and which only result in a low thermal energy input, preferably from the process group of thermal spraying (e.g. plasma spraying, high-speed flame spraying (HVOF ), among others).
  • thermal spraying e.g. plasma spraying, high-speed flame spraying (HVOF ), among others.
  • wear protection layers of up to 1.5 mm thick can also be produced in a simple manner and with no great technical outlay using new metallic, ceramic or metal-ceramic materials.
  • Mo and Mo self-flowing alloy as metallic layers, • WC-Co, WC-CoCr, (Ti, Mo) (C, N) -NiCo as metal-ceramic (hard metal) layers, or
  • the camshaft does not warp, i.e. subsequent adjustment of the shaft is not necessary.
  • the use of new materials improves wear resistance and, at the same time, the friction on the cam.
  • the use of ceramic layers also reduces weight. Reduction of manufacturing and material costs compared to the use of support rings, e.g. from 100 Cr6.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, wobei zumindest abschnittsweise, zumindest eine Funktionsschicht (3) aus einem keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoff unter überwiegend mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einrichtung aufgetragen wird, sowie die entsprechende Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung und damit hergestellte Einrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung und eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Einrichtung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Nockenwelle, vorzugsweise für Motoren von Kraftfahrzeugen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ähnliche Elemente oder Baugruppen, welche eine Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung umsetzen, indem beispielsweise Hubelemente auf rotierenden (Kurven-)Scheiben mit unterschiedlicher Krümmung laufen und entgegen der Drehrichtung bewegt werden. Hierbei sind vorzugsweise auch Kurvengetriebe anzuführen.
Der gegenwärtige Stand der Herstellungsprozesse zur Nockenwellenfertigung, insbesondere in der Grosserienfertigung ist überwiegend geprägt von Schalenhartgußwellen, welche teilweise nachträglich ausgebohrt werden oder auch hohl gegossen sind. Für höhere Festigkeitsanforderungen gibt es geschmiedete Varianten.
Die am Markt eingeführten Verfahren der als massiv bezeichneten Nockenwellen dominieren wegen des Preises, in Anbetracht des immer abzuwägenden technischen Kompromisses zwischen Herstellungskosten und technischen Leistungsparametern (wie Festigkeit und Verschleiß), sowie der vorliegenden langjährigen Erfahrungen bei der Massenfertigung derselben.
Vorzugsweise im Bereich der Rollenschlepphebelsysteme eingesetzt, beginnen sich jedoch auch gebaute Nockenwellen durchzusetzen. Bei diesen erfolgt die Fixierung der Nocken auf der Welle beispielsweise durch Aufpressen oder/und durch partielles Aufweiten des Wellenkörpers direkt unter dem Nocken. Dabei werden die Nocken einzeln und nacheinander mit der Welle verbunden.
Den gebauten Nockenwellen sind allerdings Grenzen in der konstruktiven Gestaltungs- freiheit gesetzt. Außerdem besteht lediglich eine kraft- oder formschlüssige Verbindung der Nocken mit der Welle. Außerdem sind die gebauten Nockenwellen in ihrer Herstellung vergleichsweise teuer, so sind die Kosten verglichen mit einer konventionellen Gusswelle um ca. 30 Prozent höher.
Daher kommen die gebauten Nockenwellen meist nur dann zum Einsatz, wenn der Werkstoff Guss seine technischen Grenzen erreicht. Insbesondere werden gebaute Nockenwellen zur Gewichtsreduktion eingesetzt. Die realisierbare Gewichtseinsparung gegenüber massiv gegossenen Nockenwellen liegt bei 20-40%.
Aus der Druckschrift DE 199 07 258 C 1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und eine mit diesem hergestellte Nockenwelle bekannt, wobei die Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformen hergestellt und danach im Bereich der Laufflächen eine Schicht aus verschleißfestem Material durch Einwirkung eines Ladungsträgerstrahls aufgebracht wird. Hierbei wird ein bandförmiges bzw. drahtförmiges verschleißfestes Material im Vakuum in das Energiefeld des Elektronenstrahls mit definierter Geschwindigkeit eingebracht, aufgeschmolzen und auf die Lauffläche eines Nocken der Nockenwelle übertragen. Anschließend erfolgt eine Bearbeitung der Laufflächen auf ein gewünschtes Endmaß.
Beim Aufschmelzen und Übertragen des verschleißfesten Materials entsteht jedoch eine hohe thermische Belastung. Diese führt dazu, daß (auch) Werkstoff der Nocken zumindest partiell aufgeschmolzen wird, wodurch es zu Verzugserscheinung der Hohlwelle kommt. Eine notwendige nachträgliche Korrektur des entstehenden Verzuges bedingt umfangreiche Nacharbeiten. Weiterhin wird durch die hohe thermische Belastung die durch den Prozess des Innenhochdruck-Umformens (IHU-Verfahren) erzeugte wünschenswerte Kaltverfestigung zumindest teilweise wieder aufgehoben.
Die Verwendung von Fülldrähten und Blechen schränkt zudem die verfügbare Werk- stoffpalette für die Beschichtung stark ein. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zu einem Auftragen von nicht-leitenden Werkstoffen, wie Keramiken, ungeeignet. Ebenso ist das Verfahren zur Herstellung von definierten Strukturen (welche sich bei Schichten aus Kompositwerkstoffen wie Metallkeramiken (Hartmetallen) ergeben können) bei Verwendung der Fülldrähte ungeeignet. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung und eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Einrichtung anzugeben, mit denen eine verschleißfeste Schicht auftragbar ist, ohne daß ein wesentlicher thermischer Verzug entsteht.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Sicht erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, wobei zumindest abschnittsweise, zumindest eine Funktionsschicht aus einem keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoff unter mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einrichtung aufgetragen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Aufbringen einer verschleißfesten Schicht auf die Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, ohne daß ein thermischer Verzug der Einrichtung entsteht. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine weitere Gewichts- und Reibungsreduzierung gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch den Einsatz verschleißfester keramischer, metallkeramischer und metallischer Schichten.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Keramiken bzw. Kompositwerkstoffe zum Einsatz kommen können, ergibt sich ein zusätzliches Verbesserungspotential hinsichtlich einer weiteren Gewichtsreduzierung, einer Verringerung der Reibungsverluste, eines Verschleißes und der Fertigungskosten. Die Gewichtsreduzierung und die Verringerung der Reibungsverluste bedingt zudem eine Abnahme des Kraftstoffverbrauches der entsprechenden Motoren.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird (zunächst) eine zumindest ein Hubelement aufweisende Hohlwelle in einem Innenhochdruck- Umformverfahren („IHU-Verfahren") hergestellt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Funktionsschicht im Bereich einer Lauffläche des zumindest einen Hubelementes und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle aufgetragen wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die im Bereich der Lauffläche des zumindest einen Hubelementes und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle aufgetragenen Funktionsschichten aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen und jeweils in einer oder mehreren Lagen ausgebildet werden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren aus der Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens, insbesondere Plasmaspritzen oder Hoch- geschwindigkeitsflammspritzen, zur Herstellung der zumindest einen Funktionsschicht aus einem keramischen, metallkeramischer oder metallischen Werkstoff unter Verklammerung mit der Oberfläche der Hohlwelle genutzt.
Außerdem ist es besonders vorteilhaft, wenn das zumindest eine Hubelement und/oder die Lagerflächen mit einer umlaufenden Vertiefung ausgebildet werden, die eine Aufnahme für die aufzubringende Funktionsschicht bilden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Funktionsschicht als Verschleißschutzschicht und/oder als Reibungsbeeinflussungsschicht ausgebildet wird.
Bevorzugterweise werden die Oberflächen der Einrichtung, insbesondere einer Nockenwelle, zumindest im Bereich der aufzubringenden Funktionsschicht (vor Aufbringung derselben) aufgeraut, insbesondere sandgestrahlt.
Die vorgenannte Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Sicht erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung hergestellt nach dem vorstehenden Verfahren.
Gemäß einem besonders zu bevorzugenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Einrichtung als hohle, mittels Innenhochdruck-Umformen (IHU- Verfahren) hergestellte Nockenwelle mit zumindest einem Nocken ausgebildet, wobei eine Lauffläche des zumindest einen Nocken und/oder Lagerflächen der Nockenwelle verschleißfeste keramische, metallkeramische oder metallische Funktionsschichten aufweisen, die unter mechanischer Verklammerung mit diesen verbunden sind.
Vorteilhafterweise sind durch thermisches Spritzen keramische Schichten oder metallkeramische Schichten oder metallkeramische Hartmetallschichten oder metallische Schichten aufgetragen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Nocken und/ oder die Lagerflächen eine umlau- fende Mulde besitzen, die als Bett für die aufzubringende Funktionsschicht dienen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Teilschnittdarstellung entlang einer Längsachse einer Nockenwelle im Bereich eines Nockens.
Bei der in Figur 1 in einer Längsschnittdarstellung exemplarisch gezeigten Nockenwelle 1 mit einem Nocken 2 handelt es sich um eine durch Innenhochdruck-Umformen (IHU- Verfahren) hergestellte Einlaßnockenwelle 1 aus dem Werkstoff St 52 für einen Dreizylinder-Vierventil-Motor. Die komplette Nockenwelle hat also 6 Nocken.
Von den einzelnen Nocken 2 der Einlaßnockenwelle 1 ist aus Vereinfachungsgründen lediglich eine in der Schnittdarstellung dargestellt, wobei sämtliche der Nocken 2 der Einlassnockenwelle 1 oder einige der Nocken oder einer der Nocken 2 mit einer Funktionsschicht 3 versehen und in der in Figur 1 gezeigten bzw. der nachstehend beschriebenen Art ausgebildet sein können.
Weiterhin können auch weitere in Fig. 1 nicht gezeigte Bereiche der Nockenwelle 1 mit einer Funktionsschicht 3 versehen werden. Insbesondere können Lagerflächen der Nockenwelle 1 mit einer solchen Funktionsschicht 3 versehen werden.
Die einzelnen Funktionsflächen 3 (an den Nocken 2 oder an anderen Stellen der Nockenwelle 1, insbesondere die Lagerflächen) können aus gleichen bzw. gleichartigen bzw. gleichwirkenden Werkstoffen oder auch aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden. Die Werkstoffauswahl ist insbesondere durch den einzelnen technischen Verwendungszweck (z.B. Verschleißschutz oder Reibungsverbesserung) und auch durch die technischen Randbedingungen bedingt.
Die Nocken 2 weisen in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine umlaufende Mulde auf, wobei die Mulde eine im wesentlichen ebene Vertiefung und zwei erhöhte, mit Radien versehene Randbereiche aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Form der Mulde beschränkt. Vielmehr ist diese abhängig vom Verwendungszweck, der herzustellenden Form der Funktionsfläche, dem jeweiligen Beschichtungsverfahren sowie dem jeweiligen Werkstoff der Funktionsfläche abhängig. Beispielsweise können auch mehrere im wesentlichen ebene Vertiefungen mit jeweils diese begrenzenden erhöhten und mit Radien versehenen Randbereichen vorgesehen werden.
Diese umlaufende Mulde dient als Aufnahmebett für die aufzubringende Funktionsschicht 3. Wie in Fig. 1 gezeigt, füllt hierbei der Werkstoff der Funktionsschicht 3 die Mulde vollständig aus, wobei die Funktionsschicht eben mit den erhöhten Randbereichen der Mulde ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich eine ebene Nockenlauffläche.
In dem in Fig. 1 gezeigten Anwendungsfall hat sich eine Tiefe der Mulde von 1 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Außerdem hat es sich als ausreichend herausgestellt, wenn eine Breite der Mulde einer Breite eines zugeordneten Rollenschlepphebels des Motors entspricht, wobei die vorliegende Erfindung allerdings nicht hierauf beschränkt ist.
Eine Beschichtung der Einlaßnockenwelle 1 mit der Funktionsschicht 3 erfolgt über die Einlagerung eines verschleißfesten keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoffes unter mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einlassnockenwelle 1 im Bereich der Mulde und durch die Ausfüllung der Mulde mit diesem Werkstoff. Diese mechanische Verklammerung kann vorzugsweise dadurch unterstützt werden, daß die Nockenwelle einer vorbereitenden, aufrauenden Oberflächenbehandlung, z.B. durch Sandstrahlen, ggf. auch nur im Bereich der Mulden, unterzogen wird. Hierdurch wird die Mikrooberfläche der Nockenwelle und dadurch die Haftfläche zwischen Nockenwellenoberfläche und der aufgebrachten, harten Verschleißoberschicht vergrößert und die Verbindungsfestigkeit zwischen aufgespritzter Schicht und der Nockenoberfläche erhöht.
Im konkreten Anwendungsfall wurde die Einlaßnockenwelle 1 mittels atmosphärischem Plasmaspritzen mit einer Anlage MF-P-1000 der Firma GTV mbH/ Luckenbach beschichtet. Als Beschichtungspulver wurde eine Metallkeramik (Hartmetall) (Ti, Mo)(C, N) - 37% Ni, Co verwendet. Zum Spritzen wurde ein Ar/H2- Plasma (50 l/min Ar, 11 l/min H2) bei einer Stromstärke von 630 A verwendet. Der Spritzabstand betrug 110 mm.
Neben dem beschriebenen atmosphärischen Plasmaspritzen mit den genannten exem- planschen Versuchsparametern sind weitere solche Beschichtungsverfahren nutzbar, bei denen die Schichtabscheidung zumindest im wesentlichen auf einer mechanischen Verklammerung der Schicht auf der Unterlage beruht und die nur einen geringen thermischen Energieeintrag bewirken. Solche Beschichtungsverfahren finden sich vorzugsweise in der Prozessgruppe des thermischen Spritzens, also insbesondere neben Plasmaspritzen auch das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF).
Anschließend an den Beschichtungsvorgang werden die Nocken auf Endmaß geschliffen, wodurch sich die Lauffläche der Nocken 2 ergibt.
Hieran anschließend wurde ein Test der so erzeugten Nockenwelle 1 durchgeführt. Dieser Test erfolgte auf einem speziellen Prüfstand mit einer Flächenpressung von 1400 N/mm2, einer Drehzahl von 3500 U/min, einer Öltemperatur von 100 °C und Motorenöl Esso Ultron SAE 5W40.
Dabei ergab sich auch nach einer Laufzeit von 500 Std. (übliche Testzeit) kein Schichtausfall (sog. „Pittingbildung").
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt zunächst eine Herstellung einer (noch unbeschichteten) Nockenwelle mittels des IHU-Verfahrens. Daran anschließend erfolgt die Schichtabscheidung durch solche Verfahren, die im wesentlichen auf einer mechanischen Verklammerung der Schicht auf der Unterlage beruhen und die nur einen geringen thermischen Energieeintrag bewirken, vorzugsweise aus der Prozessgruppe des thermischen Spritzens (z. B. Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits- flammspritzen (HVOF), u.a.).
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele weisen eine hohe Flexibilität durch den Einsatz verschiedenster Werkstoffe auf, wobei diese an die Anforderungen an die Nockenwelle in den unterschiedlichen Motoren angepasst werden können. Insbesondere können auch auf einfache Art und Weise und ohne größeren technischen Aufwand bis zu 1 ,5 mm dicke Verschleißschutzschichten mit neuen metallischen, keramischen oder metallkeramischen Werkstoffen erzeugt werden.
Beispiele derartiger Werkstoffe sind:
• Mo und Mo-selbstfließende Legierung als metallische Schichten, • WC-Co, WC-CoCr, (Ti,Mo)(C,N)-NiCo als metallkeramische (Hartmetall-) Schichten, oder
• Al203-Ti02, Cr2O3, Tin.2Cr2O2n-ι als keramische Schichten.
Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen kommt es nicht zu einem Verziehen der Nockenwelle, d.h. ein nachträgliches Richten der Welle ist nicht erforderlich. Außerdem werden durch den Einsatz neuer Werkstoffe (metallische, keramische oder metallkeramische bis 1 ,5 mm dicke Verschleißschutzschichten) die Verschleißfestigkeit und gleichzeitig auch die Reibungsverhältnisse auf dem Nocken verbessert. Der Einsatz keramischer Schichten bewirkt zusätzlich eine Gewichtreduzierung. Verminderung der Ferti- gungs- und Materialkosten im Vergleich zum Einsatz von Tragringen, z.B. aus 100 Cr6.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, wobei zumindest abschnittsweise, zumindest eine Funktionsschicht (3) aus einem keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoff unter mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einrichtung aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zumindest ein Hubelement (2) aufweisende Hohlwelle (3) in einem Innenhochdruck- Umformverfahren (IHU) hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Funktionsschicht (3) im Bereich einer Lauffläche des zumindest einen Hubelementes (2) und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle (1) aufgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Lauffläche des zumindest einen Hubelementes (2) und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle (1) aufgetragenen Funktionsschichten (3) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen und jeweils in einer oder mehreren Lagen ausgebildet werden.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfahren aus der Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens, insbesondere Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, zur Herstellung der zumindest einen Funktionsschicht (3) aus einem keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoff unter Verklammerung mit der Oberfläche der Einrichtung (1) verwendet wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Hubelement (2) und/oder die Lagerflächen mit einer umlaufenden Vertiefung ausgebildet werden, die eine Aufnahme für die aufzubringende Funktionsschicht (3) bilden.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (3) als Verschleißschutzschicht und/oder als Rei- bungsbeeinflussungsschicht ausgebildet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Einrichtung, insbesondere Nockenwelle, zumindest im Bereich der Funktionsschicht aufgeraut, insbesondere sandgestrahlt, werden.
9. Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung hergestellt nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung als hohle, mittels Innenhochdruck-Umformen (IHU) hergestellte Nockenwelle (1) mit zumindest einem Nocken (2) ausgebildet ist, wobei eine Lauffläche des zumindest einen Nocken (2) und/oder Lagerflächen der Nockenwelle (1) verschleißfeste keramische, metallkeramische oder metallische Funktionsschichten (3) aufweisen, die unter mechanischer Verklammerung mit diesen verbunden sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch thermisches Spritzen keramische Schichten oder metallkeramische Schichten oder metallkeramische Hartmetallschichten oder metallische Schichten aufgetragen sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß mittels Hoch- geschwindigkeitsflammspritzen Hartmetallschichten aufgebracht sind.
3. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Nocken und/ oder die Lagerflächen eine umlaufende Mulde besitzen, die als Bett für die aufzubringende Funktionsschicht dienen.
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