DE19716554C1

DE19716554C1 - Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle

Info

Publication number: DE19716554C1
Application number: DE1997116554
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Ing Duell; Gustav Dipl Ing Hanisch; Reinhard Lubrig
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-04-19
Filing date: 1997-04-19
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2017-04-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle, mit näherungsweise ring förmig ausgebildeten Nockenscheiben und einem vorzugs weise rohrförmigen Wellenkörper nach der im Oberbe griff 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 Fest setzen auf den Wellenkörper an ihrem Außenumfang in duktiv randschichtgehärtet. Durch das induktive Härten der Randschicht entstehen Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randzonen der Nockenscheiben. Diese Druckeigenspannungen sind so hoch, daß nach dem Auf bringen 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 Umwand lungstemperatur 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 Tempera tur erwärmt und das Gefüge der Randzone der Nocken scheibe umgewandelt. Anschließend wird die Nocken scheibe durch ein Fremdabschreckungsmittel abge schreckt. Dadurch wird das entstandene harte Umwand lungsgefüge in der Randzone stabilisiert und eine hohe Randschichthärte der Nockenscheibe erzeugt.

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

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optimiertes Verfah ren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle bereit zustellen, mittels welchem ein ausreichend hohes Füge moment 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 kenn zeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Erwärmung der Nockenschei ben in einem Magnetfeld auf eine Temperatur oberhalb einer Umwandlungstemperatur während der Vorerwärmungs phase 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 ge samten Querschnitt der Nockenscheibe zu realisieren wird erfindungsgemäß zwischen der Vorerwärmungsphase und der Erwärmungsphase das Magnetfeld abgeschaltet und der Energieeintrag in die Nockenscheibe unterbro chen. Das veränderte Werkstoffgefüge bewirkt eine we sentliche Erhöhung der Festigkeit der Nockenscheibe, womit größere Fügemomente zwischen der Nockenscheibe und der Welle realisiert werden können.

Während der sich an die Vorerwärmungsphase anschlie ßenden 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 Umwand lung bzw. erneute Temperaturbehandlung der Randzone der Nockenscheibe erzeugt in Verbindung mit dem übli chen Abschrecken Druckeigenspannungen in der Rand schicht der Nockenscheibe und damit einen höheren Här tegrad einer Lauffläche der Nockenscheibe. Diese Maß nahme gewährleistet eine einwandfreie Funktion der Nockenwelle und vermeidet Beschädigungen, insbesondere Risse und Einkerbungen, der Lauffläche der Nocken scheibe.

Damit jedoch der jeweils innere Bereich der Nocken scheibe von der auf die Vorerwärmungsphase folgenden Erwärmungsphase nicht beeinflußt wird, ist die Erwär mungszeit entsprechend kurz zu wählen, eventuell ver bunden mit einem höheren Leistungseintrag, der ent sprechend nur kurzfristig auf die Nockenscheibe ein wirkt. Führt man die Erwärmungsphase mit einem hoch frequentem Magnetfeld durch, so läßt sich dies auf einfache Weise erreichen, da bekanntlich hochfrequente Magnetfelder im Vergleich zu mittelfrequenten Magnet feldern keine starke Eindringtiefe aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be schriebenen 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 Nockenscheiben spitze 4 auf. Bevor die Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 aufgebracht wird, wird die Nockenscheibe 1 einem zweistufigen Härteverfahren unterzogen. In einer er sten Phase, der Vorerwärmungsphase, wird die Nocken scheibe 1 in einem mittelfrequenten Magnetfeld, vor zugsweise 10 kHz, auf eine Temperatur oberhalb einer Umwandlungstemperatur erwärmt, und zwar so lange bis der Werkstoff der Nockenscheibe 1 eine teilweise Um wandlung bzw. Austenitisierung erfahren hat.

Bei der Umwandlung des Werkstoffgefüges ändert sich die Kristallform des Eisens, und das Zementit zer fällt. Die kubisch-raumzentrierten Kristalle des Fer rits klappen um zu kubisch-flächenzentrierten Kristal len des γ-Eisens. Im leeren Würfelraum des flächenzen trierten Kristalles kann das γ-Eisen ein C-Atom des zerfallenden Zementits aufnehmen.

Nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abge schaltet, 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 Nocken scheibe 1 über ihren gesamten Querschnitt im Zuge einer nachlaufenden Erwärmung keine bzw. nur noch ge ringfügige Temperaturgradienten aufweist. Dadurch er fährt das Werkstoffgefüge über den gesamte Querschnitt der Nockenscheibe 1 einen annähernd gleichen Umwand lungs- bzw. Austenitisierungsgrad.

An die Unterbrechung des Energieeintrages schließt sich eine zweite Phase bzw. Erwärmungsphase der Nocken scheibe 1 an. Dabei wird in einen Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 mittels einem hochfrequenten Magnet feld, vorzugsweise 200 kHz, nochmals Wärmeenergie ein gebracht. Der Energieeintrag wird nur solange durchge führt, 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 er reicht 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 Nocken scheibe 1 ein Temperaturgefälle hin zu dem Innendurch messer 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 Ab schreckmittel abgeschreckt. Die Abschreckung bewirkt, daß die Perlitbildung unterdrückt wird, und daß beim Umklappen des Kristallgitters von der flächenzentrier ten in die raumzentrierte Form in den C-Atomen keine Zeit verbleibt, um mit den Eisenatomen Zementit auszu bilden. Die C-Atome werden in den raumzentrierten Kri stallen 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 Füge moment an dem Innendurchmesser der Nockenscheibe 1 Zugspannungen 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 Nocken scheibe 1 während der Vorerwärmungsphase ist die Fe stigkeit 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 Innendurchmes ser der Nockenscheibe 1 induzierten Zugspannungen be wirken über dem Querschnitt der Nockenscheibe 1 Span nungsgradienten.

Die Erwärmungsphase in Verbindung mit der Abschreckung erzeugt im Randbereich 5 der Nockenscheibe 1 Druckei genspannungen. Die Druckeigenspannungen sind so groß daß nach dem Aufbringen der Nockenscheibe 1 auf die Welle 2 die Druckeigenspannungen durch die Zugspannun gen 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 Kerb wirkung 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 darge stellt. Der Spannungsverlauf stellt die Druckspannun gen dar, welche an der Lauffläche 6 der Nockenscheibe 1 den größten Wert besitzen und bis zur neutralen Fa ser, an der das Spannungsniveau auf Null sinkt stetig abnehmen. Der weitere Verlauf zeigt die durch das Fü gemoment 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 Härtever fahren 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, be aufschlagt wird.

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

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle mit näherungsweise ringförmig ausgebildeten Nockenscheiben und ei nem insbesondere rohrförmigen Wellenkörper mit folgenden Schritten:

- Vorerwärmung der Nockenscheiben in einem Magnetfeld;
- 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;
- Erzeugen von Druckspannung in den Randbereichen der Nocken scheiben durch gezieltes Abschrecken der Nockenscheiben nach der Erwärmungsphase;
- Aufbringen der Nockenscheiben auf den rohrförmigen Wellen körper, wobei ein mechanisches Fügemoment an den Innendurch messern der Nockenscheiben Zugspannungen bewirkt, und wobei die Zugspannungen die Druckeigenspannungen in den Randberei chen nur teilweise kompensieren;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 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;
- nach der Vorerwärmungsphase wird das Magnetfeld abgeschal tet und der Energieeintrag in die Nockenschieben (1) unter brochen;
- anschließend an die Unterbrechung des Energieeintrages folgt die Erwärmungsphase der Randbereiche (5) der Nocken scheiben (1), wobei das Werkstoffgefüge der Randbereiche (5) der Nockenscheiben (1) eine Austenitisierung auf ein höheres Niveau erfährt, mit einer Erwärmungszeit und/oder einem Lei stungseintrag derart, daß ein Temperaturgefälle in den Nocken scheiben (1) von außen nach innen bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungs- und der Erwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld beauf schlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (1) während der Vorerwärmungsphase mit einem mittelfrequenten Magnetfeld und während der Erwärmungs phase mit einem hochfrequenten Magnetfeld beaufschlagt werden.

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.