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Dokumentenidentifikation DE19716554C1 30.04.1998
Titel Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle
Anmelder Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Düll, Christoph, Dr.-Ing., 70825 Korntal-Münchingen, DE;
Hanisch, Gustav, Dipl.-Ing., 73269 Hochdorf, DE;
Lubrig, Reinhard, 73728 Esslingen, DE
DE-Anmeldedatum 19.04.1997
DE-Aktenzeichen 19716554
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse C21D 9/30
IPC-Nebenklasse B23P 13/00   
Zusammenfassung Ein Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle, mit näherungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben und einem vorzugsweise rohrförmigen Wellenkörper. In einer Vorerwärmungsphase werden die Nockenscheiben auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar solange, bis das Werkstoffgefüge der Grundkreise und der Nockenscheibenspitzen der Nockenscheiben wenigstens weitgehend eine Umwandlung bzw. Austenitisierung erfahren hat. Nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abgeschaltet und der Energieeintrag in die Nockenscheibe unterbrochen. Nach der Unterbrechung des Energieeintrages folgt die Erwärmungsphase der Randbereiche der Nockenscheiben, wobei das Werkstoffgefüge der Randbereiche der Nockenscheiben eine Austenitisierung auf ein höheres Niveau erfährt, mit einer Erwärmungszeit und/oder einem Leistungseintrag, derart, daß ein Temperaturgefälle in den Nockenscheiben von außen nach innen bewirkt wird. Danach werden Druckspannungen im Randbereich der Nockenscheiben durch gezieltes Abschrecken der Nockenscheiben nach der Erwärmung erzeugt. Nach dem Härten werden die Nockenscheiben auf den rohrförmigen Wellenkörper aufgebracht, wobei ein mechanisches Fügemoment an den Innendurchmessern der Nockenscheiben Zugspannungen bewirkt, und wobei die Zugspannungen die Druckeigenspannungen in den Randbereichen nur teilweise kompensieren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle, mit näherungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben und einem vorzugsweise rohrförmigen Wellenkörper nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Ein Verfahren dieser Art ist in der DE 44 20 092 C2 beschrieben. Bei dieser Lösung werden näherungsweise ringförmig ausgebildete Nockenscheiben vor dem Festsetzen auf den Wellenkörper an ihrem Außenumfang induktiv randschichtgehärtet. Durch das induktive Härten der Randschicht entstehen Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randzonen der Nockenscheiben. Diese Druckeigenspannungen sind so hoch, daß nach dem Aufbringen der Nockenscheiben auf den Wellenkörper die sich überlagernden fügebedingten Zugeigenspannungen in der Randzone die ursprünglichen Druckeigenspannungen nur teilweise kompensieren.

Die induktive Randschichthärtung der Nockenscheiben wird in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt.

Während der ersten Verfahrensstufe wird der gesamte Ringkörper der Nockenscheibe auf mindestens 250°C, aber höchstens auf eine unterhalb einer Umwandlungstemperatur liegende Grenztemperatur vorgewärmt und dadurch thermisch aufgeweitet. Während dem zweiten Verfahrensschritt wird die Nockenscheibe mit einem hochfrequenten Magnetwechselfeld beaufschlagt. Dabei wird ausschließlich die radial außen liegende Randzone der thermisch aufgeweiteten Nockenscheibe bis zu einer oberhalb der Umwandlungstemperatur liegenden Temperatur erwärmt und das Gefüge der Randzone der Nockenscheibe umgewandelt. Anschließend wird die Nockenscheibe durch ein Fremdabschreckungsmittel abgeschreckt. Dadurch wird das entstandene harte Umwandlungsgefüge in der Randzone stabilisiert und eine hohe Randschichthärte der Nockenscheibe erzeugt.

Von Nachteil ist dabei jedoch, daß die Innenbereiche der Nockenscheiben nach dem induktiven Randschichthärten eine derartige Duktilität bzw. Elastizität aufweisen, daß nur ein begrenzt hohes Fügemoment zwischen den Nockenscheiben und dem rohrförmigen Wellenkörper erreichbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle bereitzustellen, mittels welchem ein ausreichend hohes Fügemoment zwischen einer Nockenscheibe und einer Welle erzielbar ist und mit dem sichergestellt ist, daß nach dem Aufbringen der Nockenscheiben auf der Welle in einer oberflächennahen Randzone der Nockenscheibe Druckeigenspannungen vorliegen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Erwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld auf eine Temperatur oberhalb einer Umwandlungstemperatur während der Vorerwärmungsphase wird wenigstens weitgehend eine Umwandlung bzw. Austenitisierung des Gefüges des Grundkreises, der Flanken und der Nockenscheibenspitze der Nockenscheibe erreicht.

Um die teilweise oder im wesentlichen vorgenommene Umwandlung des Werkstoffgefüges homogen über den gesamten Querschnitt der Nockenscheibe zu realisieren wird erfindungsgemäß zwischen der Vorerwärmungsphase und der Erwärmungsphase das Magnetfeld abgeschaltet und der Energieeintrag in die Nockenscheibe unterbrochen. Das veränderte Werkstoffgefüge bewirkt eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit der Nockenscheibe, womit größere Fügemomente zwischen der Nockenscheibe und der Welle realisiert werden können.

Während der sich an die Vorerwärmungsphase anschließenden Erwärmungsphase wird das Werkstoffgefüge der Randschicht der Nockenscheibe in einem Magnetfeld nochmals erwärmt. Dabei erfährt das Werkstoffgefüge in der Randschicht eine vollständige Umwandlung bzw. Austenitisierung auf ein höheres Niveau. Die Umwandlung bzw. erneute Temperaturbehandlung der Randzone der Nockenscheibe erzeugt in Verbindung mit dem üblichen Abschrecken Druckeigenspannungen in der Randschicht der Nockenscheibe und damit einen höheren Härtegrad einer Lauffläche der Nockenscheibe. Diese Maßnahme gewährleistet eine einwandfreie Funktion der Nockenwelle und vermeidet Beschädigungen, insbesondere Risse und Einkerbungen, der Lauffläche der Nockenscheibe.

Damit jedoch der jeweils innere Bereich der Nockenscheibe von der auf die Vorerwärmungsphase folgenden Erwärmungsphase nicht beeinflußt wird, ist die Erwärmungszeit entsprechend kurz zu wählen, eventuell verbunden mit einem höheren Leistungseintrag, der entsprechend nur kurzfristig auf die Nockenscheibe einwirkt. Führt man die Erwärmungsphase mit einem hochfrequentem Magnetfeld durch, so läßt sich dies auf einfache Weise erreichen, da bekanntlich hochfrequente Magnetfelder im Vergleich zu mittelfrequenten Magnetfeldern keine starke Eindringtiefe aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Nockenscheibe, welche mit einer Welle verbunden ist;

Fig. 2 die mit einer Welle verbundene Nockenscheibe nach Fig. 1 im Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; und

Fig. 3 einen Spannungsverlauf in der Randzone der Nockenscheibe gemäß Fig. 1 und Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Nockenscheibe 1, welche mit einer Welle 2 verbunden ist, dargestellt. Die Nockenscheibe 1 weist einen Grundkreis 3 und eine Nockenscheibenspitze 4 auf. Bevor die Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 aufgebracht wird, wird die Nockenscheibe 1 einem zweistufigen Härteverfahren unterzogen. In einer ersten Phase, der Vorerwärmungsphase, wird die Nockenscheibe 1 in einem mittelfrequenten Magnetfeld, vorzugsweise 10 kHz, auf eine Temperatur oberhalb einer Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar so lange bis der Werkstoff der Nockenscheibe 1 eine teilweise Umwandlung bzw. Austenitisierung erfahren hat.

Bei der Umwandlung des Werkstoffgefüges ändert sich die Kristallform des Eisens, und das Zementit zerfällt. Die kubisch-raumzentrierten Kristalle des Ferrits klappen um zu kubisch-flächenzentrierten Kristallen des γ-Eisens. Im leeren Würfelraum des flächenzentrierten Kristalles kann das γ-Eisen ein C-Atom des zerfallenden Zementits aufnehmen.

Nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abgeschaltet, und der Energieeintrag in die Nockenscheibe 1 wird für die Dauer von einer Sekunde unterbrochen. Aufgrund der geringen Wandstärken der Nockenscheibe ist diese kurze Zeitspanne ausreichend, daß die Nockenscheibe 1 über ihren gesamten Querschnitt im Zuge einer nachlaufenden Erwärmung keine bzw. nur noch geringfügige Temperaturgradienten aufweist. Dadurch erfährt das Werkstoffgefüge über den gesamte Querschnitt der Nockenscheibe 1 einen annähernd gleichen Umwandlungs- bzw. Austenitisierungsgrad.

An die Unterbrechung des Energieeintrages schließt sich eine zweite Phase bzw. Erwärmungsphase der Nockenscheibe 1 an. Dabei wird in einen Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 mittels einem hochfrequenten Magnetfeld, vorzugsweise 200 kHz, nochmals Wärmeenergie eingebracht. Der Energieeintrag wird nur solange durchgeführt, bis die Randschicht 5 der Nockenscheibe 1 durch die erneute Erwärmung einen höheren Umwandlungs- bzw. Austenitisierungsgrad als der restliche Querschnitt aufweist und damit eine weitere Verfestigung bzw. eine weitere Härtegraderhöhung in der Randschicht 5 erreicht ist.

Während der Erwärmungsphase erfolgt im wesentlichen kein Energieeintrag in das unterhalb der Randschicht 5 liegende Werkstoffgefüge der Nockenscheibe 1. Damit entsteht ausgehend von einer Lauffläche 6 der Nockenscheibe 1 ein Temperaturgefälle hin zu dem Innendurchmesser der Nockenscheibe 1.

Da sich bei langsamer Abkühlung die alten Gefüge immer wieder zurückbilden, wird die Nockenscheibe 1 nach der Erwärmungsphase in bekannter Weise mittels einem Abschreckmittel abgeschreckt. Die Abschreckung bewirkt, daß die Perlitbildung unterdrückt wird, und daß beim Umklappen des Kristallgitters von der flächenzentrierten in die raumzentrierte Form in den C-Atomen keine Zeit verbleibt, um mit den Eisenatomen Zementit auszubilden. Die C-Atome werden in den raumzentrierten Kristallen eingespannt, und es entsteht ein verzerrtes Kristallgitter. Diese Verzerrung bewirkt wiederum, daß der Stahl sehr hart und spröde wird.

Nach dem Härteverfahren wird die Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 aufgebracht, wobei ein mechanisches Fügemoment an dem Innendurchmesser der Nockenscheibe 1Zugspannungen bewirkt. Das Fügemoment wird mittels einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren realisiert.

In Fig. 2 ist die Nockenscheibe 1 im Schnitt gemäß der Linie II-II aus Fig. 1 dargestellt. Die Welle 2 weist in dem Bereich der Nockenscheibe 1 eine Aufweitung auf. Diese Aufweitung wird mittels einem in die Welle 2 eingebrachten Druckmedium erzielt, womit zwischen der Nockenscheibe 1 und der Welle 2 ein mechanischer Verbund bzw. eine Verpressung entsteht.

Aufgrund der teilweisen Austenitisierung der Nockenscheibe 1 während der Vorerwärmungsphase ist die Festigkeit am Innendurchmesser der Nockenscheibe groß genug, um das erforderliche Fügemoment zwischen der Welle 2 und der Nockenscheibe 1 zu erreichen. Dieses Fügemoment ist für eine einwandfreie Funktionsweise einer gebauten Nockenwelle 1 notwendig.

Die durch das mechanische Fügemoment am Innendurchmesser der Nockenscheibe 1 induzierten Zugspannungen bewirken über dem Querschnitt der Nockenscheibe 1 Spannungsgradienten.

Die Erwärmungsphase in Verbindung mit der Abschreckung erzeugt im Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 Druckeigenspannungen. Die Druckeigenspannungen sind so groß daß nach dem Aufbringen der Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 die Druckeigenspannungen durch die Zugspannungen nur teilweise kompensiert werden, d. h. nach dem Aufbringen der Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 liegen nach wie vor Druckeigenspannungen in dem Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 vor.

Die Druckeigenspannungen verhindern Rißbildungen an der Außenseite der Nockenscheibe 1, welche eine Kerbwirkung und damit Spannungsspitzen an der Außenseite der Nockenscheibe 1 bewirken und damit zum Versagen bzw. Bruch des Bauteiles führen können.

In Fig. 3 ist ein Spannungsverlauf in einem Ausschnitt III gemäß Fig. 1 der Randzone 5 der Nockenscheibe 1 nach dem Aufbringen dieser auf die Welle 2 dargestellt. Der Spannungsverlauf stellt die Druckspannungen dar, welche an der Lauffläche 6 der Nockenscheibe 1 den größten Wert besitzen und bis zur neutralen Faser, an der das Spannungsniveau auf Null sinkt stetig abnehmen. Der weitere Verlauf zeigt die durch das Fügemoment erzeugten Zugspannungen, welche ihren größten Wert an dem Übergang von der Nockenscheibe 1 zu der Welle 2 haben.

Die gehärtete Nockenscheibe 1 weist nach dem Härteverfahren an ihrer Außenseite einen Härtegrad von 60 HRC und an ihrer Innenseite einen Härtegrad von 50 HRC auf.

In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß die Nockenscheibe 1 während der Vorerwärmungs- und der Erwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld, vorzugsweise 10 kHz, beaufschlagt wird.

Bei Durchführung der Erwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld ist lediglich dabei darauf zu achten, daß diese nur so kurz gewählt wird, daß ein entsprechender Temperaturgradient in der Nockenscheibe 1vorhanden bleibt. Das kann z. B. dadurch erfolgen, daß die Nockenscheibe 1 in der Erwärmungsphase mit einer höheren Leistungsdichte behandelt wird als in der Vorerwärmungsphase.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle mit näherungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben und einem insbesondere rohrförmigen Wellenkörper mit folgenden Schritten:
    1. - Vorerwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld;
    2. - Erwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur, bei der eine Umwandlung des Gefüges in Randbereichen der Nockenscheiben von Zementit in Austenit erfolgt;
    3. - Erzeugen von Druckspannung in den Randbereichen der Nockenscheiben durch gezieltes Abschrecken der Nockenscheiben nach der Erwärmungsphase;
    4. - Aufbringen der Nockenscheiben auf den rohrförmigen Wellenkörper, wobei ein mechanisches Fügemoment an den Innendurchmessern der Nockenscheiben Zugspannungen bewirkt, und wobei die Zugspannungen die Druckeigenspannungen in den Randbereichen nur teilweise kompensieren;

      gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    5. - in der Vorerwärmungsphase werden die Nockenscheiben (1) auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar solange bis das Gefüge der Grundkreise (3) und der Nockenscheibenspitzen (4) der Nockenscheiben (1) wenigstens weitgehend eine Umwandlung oder Austenitisierung erfahren hat;
    6. - nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abgeschaltet und der Energieeintrag in die Nockenschieben (1) unterbrochen;
    7. - anschließend an die Unterbrechung des Energieeintrages folgt die Erwärmungsphase der Randbereiche (5) der Nockenscheiben (1), wobei das Werkstoffgefüge der Randbereiche (5) der Nockenscheiben (1) eine Austenitisierung auf ein höheres Niveau erfährt, mit einer Erwärmungszeit und/oder einem Leistungseintrag derart, daß ein Temperaturgefälle in den Nockenscheiben (1) von außen nach innen bewirkt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungs- und der Erwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld beaufschlagt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld und während der Erwärmungsphase mit einem hochfrequenten Magnetfeld beaufschlagt werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Unterbrechung des Energieeintrages in die Nockenscheiben (1) in einem Bereich von einer Sekunde liegt.






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