Anwendungsgebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft einen spanlos aus einem Stahlblech hergestellten hebelartigen
Nockenfolger für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Beaufschlagung wenigstens
eines Gaswechselventils.
Hintergrund der Erfindung
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Derartig hergestellten hebelartigen Nockenfolgern haftet der Nachteil an, dass die
entsprechende Wärmebehandlung des Einsatzwerkstoffes sehr zeitaufwendig und teuer
ist.
Zusammenfassung der Erfindung
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellkosten für einen hebelartigen
Nockenfolger aus Blech entscheident zu reduzieren.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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 % N
2, 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.
[0010] 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.
[0011] Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0012] 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
[0013] 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.
[0014] 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 % N
2, 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 %.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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
[0018]
- 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
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.