DE102004028667A1

DE102004028667A1 - Hebelartiger Nockenfolger

Info

Publication number: DE102004028667A1
Application number: DE102004028667A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Engelhardt (FH); Ernst Dipl.-Ing. Ammon
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-12
Filing date: 2004-06-12
Publication date: 2005-12-29
Also published as: EP1609960A1; US8328959B2; US20050274437A1; EP1609960B1; DE502005000466D1; JP2006046325A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen spanlos aus einem Stahlblech hergestellten hebelartigen Nockenfolger (1) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung wenigstens eines Gaswechselventils. DOLLAR A Dieser hebelartige Nockenfolger (1) zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einem kaltumformbaren durchhärtbaren Vergütungsstahl hergestellt ist.

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.

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 Wiederennrärmen 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.

Derartig hergestellten hebelartigen Nockenfolgern haftet der Nachteil an, dass die entsprechende Wärmebehandlung des Einsatzwerkstoffes sehr zeitaufwendig und teuer ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellkosten für einen hebelartigen Nockenfolger aus Blech entscheident zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass ein kaltumformbarer durchhärtbarer Vergütungsstahl verwendet ist.

Durch das Umwandlungshärten über den gesamten Querschnitt des hebelartigen Nockenfolgers wird eine nahezu homogene gehärtete Zone erreicht, die neben einer hohen Festigkeit zugleich eine gute Zähigkeit aufweist. Durch die Umwandlungshärtung wird die Festigkeit gesteigert, zugleich aber auch das Gefüge neu gebildet und gefeint. Zwar wird beim Anlassen die zuvor erreichte 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 den Ansprüchen 2 und 3 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Kernhärte einen Wert von ≥ 600 HV und eine Randhärte ≥ 680 HV aufweist, wobei die Kernhärte im Bereich zwischen 600 und 650 HV und Randhärte im Bereich zwischen 680 und 700 HV liegt.

Schließlich ist nach Anspruch 4 vorgesehen, dass der hebelartige Nockenfolger aus einem 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:
1 einen Längsschnitt durch einen Nockenfolger,
2 eine Draufsicht auf den Nockenfolger gemäß 1,
3 einen Härtevergleich zwischen einem klassischen Stahl und einem erfindungsgemäßen Stahl und
4 eine Wärmebehandlung von klassischem Stahl und dem erfindungsgemäßen Stahl.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die 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 mitein ander 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 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 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.

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

Spanlos aus einem Stahlblech hergestellter hebelartiger Nockenfolger (1) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung wenigstens eines Gaswechselventils, dadurch gekennzeichnet, dass ein kaltumformbarer durchhärtbarer Vergütungsstahl verwendet ist.
Hebelartiger Nockenfolger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Kernhärte von größer gleich 600 HV und eine Randhärte von größer gleich 680 HV aufweist.
Hebelartiger Nockenfolger (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhärte einen Wert von 600–650 HV und die Randhärte einen Wert von 680–750 HV aufweist.
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.