DE10315416A1

DE10315416A1 - Lagefixierung eines Bolzens

Info

Publication number: DE10315416A1
Application number: DE10315416A
Authority: DE
Inventors: Marion J. Ince; Eric S. Nelson; Charles M. Schwab; Joseph T. Griffin; Richart S. Carpenter
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-01-22
Also published as: US20040000280A1; EP1516107B1; PL372840A1; WO2004003349A1; CN1662729A; EP1516107A1; DE50311093D1; PL202382B1; AU2003242704A1; CN100359138C; KR20050014008A; KR100927568B1; US7377988B2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einer Aufnahmebohrung (3) eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung (1.3) verstemmbar ist, wobei der Bolzen (6) eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die größer als die Härte seiner stirnseitigen Enden (6.2) ist. DOLLAR A Der Bolzen (6) zeichnet sich dadurch aus, dass er carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so dass zunächst eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschließend der so behandelte Bolzen (6) zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93-HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist. DOLLAR A Ein derart erfindungsgemäßer Bolzen zeichnet sich durch eine hohe Langlebigkeit auch unter größten Belastungen aus.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Fixierung eines Lagerbolzens in einer Aufnahmebohrung eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung verstemmbar ist, wobei der Bolzen eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die größer als die Härte seiner stirnseitigen Enden ist.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartiger Bolzen zur Lagerung der von einem Nocken beaufschlagten Rolle eines Kipphebels ist aus der US 5,054,440 vorbekannt. Dieser Kipphebel weist einen gabelförmigen Abschnitt auf, dessen zwei Wangen je eine Aufnahmebohrung besitzen, durch die der Lagerbolzen geführt ist. Er trägt eine über Nadeln gelagerte Rolle, die von einem Nocken beaufschlagt wird. Der Bolzen ist in der Aufnahmebohrung durch Verstemmung gehalten, dass heißt, er wird an einer oder an beiden Stirnseiten mit einem entsprechenden Werkzeug beaufschlagt, so dass ein Teil seines Materials in radialer Richtung in die Aufnahmebohrung verdrängt wird.

Da dieser Lagerbolzen zum einen der Träger einer Laufbahn eines Wälzlagerkranzes ist, zum anderen aber im Kipphebel durch Verstemmung gehalten ist, muss er gleichzeitig hart und weich sein. Diese sich diametral gegenüberliegenden Eigenschaften des Bolzens hat man nach dem bisherigen Stand der Technik so realisiert, dass der Laufbahnbereich einer Härtung unterworfen wurde, während die Stirnseiten des Bolzens unbehandelt und somit weich blieben. In der US 5,054,440 erfolgt das derart, dass der Laufbahnbereich des Bolzens einem Härteprozess unterworfen ist, so dass dieser Bereich eine Härte von 640-840 HV aufweist, während seine stirnseitigen Enden unbehandelt bleiben und somit eine Härte von 200-336 HV aufweisen.

Beim Einsatz derartiger Bolzen unter hohen Lastbedingungen, wie sie beispielsweise mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung in Planetenradlagerung für Zahnräderwechselgetriebe auftreten können, hat sich gezeigt, dass diese Bolzen eine relativ geringe Lebensdauer aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Lagerbolzen zu entwickeln, der eine lange Lebensdauer auch unter hohen Lastbedingungen aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass der gesamte Bolzen carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so dass eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschließend der so behandelte Bolzen zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93-HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist.

Der Vorteil eines solch in erfindungsgemäßer Weise hergestellten Bolzens liegt darin, dass eine gesteigerte Härte und eine höhere Druckeigenspannung im Laufbahnbereich vorliegt, so dass der Bolzen in diesem Bereich eine erhöhte Verschleiß- und Dauerfestigkeit bei gleichzeitig weichen stirnseitigen Enden aufweist. Das Carbonitrieren ist dem Fachmann als ein thermochemisches Verfahren zum Behandeln eines Werkstückes im austenitischen Zustand mit dem Zweck der Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff bekannt, wobei sich beide Elemente danach im Austenit in fester Lösung befinden. Im Anschluß an diese Behandlung erfolgt unmittelbar ein Abschrecken mit dem Ziel der Erzielung einer Härtung. Wie der Fachmann in diesem Zusammenhang auch weiß, wird durch das Carbonitrieren ein bestimmter Schichtaufbau in Form einer Verbindungsschicht und einer darunter liegenden Diffusionsschicht realisiert. Während die Verbindungsschicht maßgebend für alle die Werkstückeigenschaften ist, die mit den Einwirkungen auf die unmittelbare Oberfläche im Zusammenhang stehen, also mit dem Verschleißverhalten und der Korrosionsbeständigkeit, so werden die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke, die Dauerfestigkeit und die Zugfestigkeit betreffen von der Diffusionsschicht bestimmt.

Nach dem Abschrecken, dass heißt einem Abkühlen mit sehr hoher Abkühlungsrate zum Umwandeln von Austenit in Martensit erfolgt ein Anlassen. Durch ein Erwärmen auf mäßig hohe Temperaturen und anschließender Abkühlung werden innere Spannungen abgebaut, so dass sich Härte und Festigkeit verringern, während die Zähigkeit und Verformbarkeit zunehmen.

Danach erfolgt ein Weichglühen des carbonitrierten, abgeschreckten und angelassenen Bolzens zur Einstellung der Härtewerte HV 212-305 (HRB 93-HRC 30), die die Härtewerte für die beiden Stirnseiten des Bolzens sind. Dieses Weichglühen dient insbesondere zur Verbesserung des Formänderungsvermögens des Bolzens, so dass dieser in seinen Endbereichen leicht plastisch verformbar und damit in einfacher Weise einer Aufnahmebohrung verstemmbar ist. Die Glühtemperaturen richten sich nach dem jeweilig verwendeten Werkstoff und liegen bei Stahl etwa zwischen 650 und 700°C. Der Zweck des Weichglühens liegt letztendlich darin, dem Stahl ein für die Härtung geeignetes Gefüge zu geben und in einen weichen, gut bearbeitbaren Zustand zu überführen.

Beim nachfolgenden Induktionshärten der Mantelfläche des Bolzens wird schließlich die angestrebte Endhärte HV 745-950 (HRC 62-68) in diesem Be reich erzielt. Das Induktionshärten ist das gegenwärtig am weitesten verbreitete thermische Randschichthärteverfahren. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule (Induktor) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in einem elektrisch leitenden Werkstück (Bolzen) nach dem Transformatorprinzip einen Wechselstrom induziert. Die direkte Umsetzung der elektrischen in thermische Energie über innere Wärmequellen führt somit zur Erwärmung des Bauteils, wobei die Energieübertragung kontaktlos erfolgt. Bei kurzer Einwirkdauer des Magnetfeldes und sofortige Abschreckung beschränkt sich die Erwärmung überwiegend auf die Randschicht, in der die inneren Wärmequellen wirksam sind. Mit zunehmender Dauer kommt es in Folge Wärmeleitung zur radial fortschreitenden Erwärmung des Bauteils. Daraus folgt, dass die Einhärtetiefe mit einfachen Mitteln einstellbar und immer ohne großen Aufwand an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung geht aus Anspruch 2 hervor, dass die Mantelfläche des Bolzens nach dem Induktionshärten fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5–25% aufweisen sollen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Bolzen massiv oder zumindest im Abschnitt seiner stirnseitigen Enden hohlzylindrisch ausgebildet sein soll. Der Vorteil eines hohlzylindrischen Bolzens liegt darin, dass neben einer Gewichtsreduzierung das Aufweiten beim Verstemmen an seinen Stirnseiten begünstigt ist.

Schließlich gehen aus den Ansprüchen 4 und 5 konkrete Einsatzgebiete eines erfindungsgemäßen Bolzens hervor. So ist nach dem erstgenannten vorgesehen, dass er zur Lagerung einer Rolle in einem Betätigungshebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist. Nach dem zweitgenannten Anspruch soll dieser Bolzen zur Lagerung eines Planetenrades in einem Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug eingesetzt sein.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1 und
3 eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Bolzens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in 1 gezeigte Kipphebel 1 eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine ist über seine Achse 2 schwenkbar gelagert. An seinem rechtsseitigen Endbereich steht der Kipphebel 1 in Wirkverbindung mit dem Schaft des Gaswechselventils 3, das durch die zugehörige Feder 4 in Schließstellung gehalten ist. An seinem linksseitigen Ende ist im Kipphebel 1 über den Bolzen 6 die Rolle 5 gehalten, die in Kontakt mit dem Nocken 7 steht. Bei dessen Rotation wird eine Schwenkbewegung des Kipphebels 1 um seine Achse 2 derart ausgelöst, dass sein linksseitiger Teil nach oben und sein rechtsseitiger Teil nach unten bewegt wird, wobei das Gaswechselventil 3 öffnet.
Wie aus 2 erkennbar, weist der Kipphebel 1 an seinem linksseitigen Ende einen gabelförmigen Teil mit den voneinander beabstandeten Wangen 1.1, 1.2 auf. Durch diese Wangen 1.1, 1.2 erstreckt sich die fluchtende Bohrung 1.3, in der der Bolzen 6 angeordnet ist, der die auf dem Wälzkörperkranz 8 gelagerte Rolle 5 trägt. Der Bolzen 6 bildet die Innenlaufbahn 6.1 für den Wälzkörperkranz 8 und ist an seinen beiden Stirnflächen 6.2 in der Aufnahmebohrung 1.3 der Wangen 1.1, 1.2 des Kipphebels 1 verstemmt. Durch Aufbrin gen einer axialen Kraft wird Material des Bolzens 6 in Richtung der Wangen 1.1, 1.2 gepreßt, so dass ein Formschluß zwischen Bolzen 6 und Kipphebel 1 gebildet ist. Aus der genannten Figur ist erkennbar, dass der Lagerbolzen 6 einerseits an seinen Stirnflächen 6.2 weich sein muss, um überhaupt verstemmt werden zu können und andererseits im Laufbahnbereich 6.1 eine genügende Härte aufweisen muss, um als ein belastbares Radiallager fungieren zu können.
Ein solcher Bolzen aus einem Stahl der Marke 17 MnCr5, dass heißt mit 0,17% Kohlenstoff und je ein 1,25% Mangan und Chrom, wird in einem Gasgemisch carbonitriert, anschließend in einem Ölbad abgeschreckt und angelassen. Durch das Anlassen bei mäßig hohen Temperaturen werden innere Spannungen abgebaut, dass heißt Härte und Festigkeit verringern sich, während die Zähigkeit ansteigt. Gefügemäßig wandelt sich dabei spröder tetragonaler Martensit in zäheren kubischen Martensit um. Nach der Anlassbehandlung weist der Bolzen eine Härte von HV 800 auf. Nachfolgend wird er einem Weichglühen unterworfen, wobei man ein langzeitiges Erwärmen des Stahls auf Temperaturen dicht beim A1-Punkt mit nachfolgend langsamer Abkühlung versteht. Der Zweck des Weichglühens besteht darin, einerseits dem Stahl ein für die Härtung geeignetes Gefüge zu geben und andererseits diesen in einen weichen, gut bearbeitbaren Zustand zu überführen. Nach dem Weichglühen hat der Bolzen eine Härte von HV 250, wobei diese Härte gleichzeitig die Endhärte für dessen beide Stirnflächen 6.2 ist. Danach erfolgt schließlich in bekannter Weise ein partielles Induktionshärten der Mantelfläche des Bolzens 6, so dass diese eine Endhärte von HV 800 aufweist.
Wie schließlich die 3 zeigt, weist der Bolzen 6 den Bereich 6.3 auf, der als Laufbahn 6.1 für die Wälzkörper 8 dient. Dieser Bereich 6.3 enthält das im Anspruch 2 beschriebene Gefüge nach dem Induktionshärten, dass heißt fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5–25%. Der Übergangsbereich 6.4 des Bolzens 6 trennt den gehärteten Bereich 6.3 von den weichen Stirnflächen 6.2.

1: Kipphebel
1.1: Wange
1.2: Wange
1.3: Bohrung
2: Achse
3: Gaswechselventil
4: Feder
5: Rolle
6: Bolzen
6.1: Innenlaufbahn
6.2: Stirnfläche
6.3: Bereich
6.4: Übergangsbereich
7: Nocken
8: Wälzkörper

Claims

Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einer Aufnahmebohrung (1.3) eines Gehäuses, der zum Erreichen eines Kraft- und/oder Formschlusses zumindest an einem Ende stirnseitig mit der Bohrung (1.3) verstemmbar ist, wobei der Bolzen (6) eine Mantelfläche mit einer Härte aufweist, die größer als die Härte seiner stirnseitigen Enden (6.2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Bolzen (6) carbonitriert, abgeschreckt und angelassen ist, so daß eine Härte von HV 745-950 (HRC 62-68) realisiert ist, anschließend der so behandelte Bolzen (6) zur Einstellung einer Härte von HV 212-305 (HRB 93- HRC 30) weichgeglüht wird, bevor die Mantelfläche einem Induktionshärten zur Einstellung einer Endhärte von HV 745-950 (HRC 62-68) unterworfen ist.
Bolzen (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche nach dem Induktionshärten fein verteilte kugelförmige Karbide in einer Matrix aus angelassenem Martensit mit einem Restaustenitgehalt von 5–25% aufweist.
Bolzen (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser massiv oder zumindest im Abschnitt seiner stirnseitigen Enden hohlzylindrisch ausgebildet ist.
Bolzen (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Lagerung einer Rolle (5) in einem Betätigungshebel (1) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist.
Bolzen (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Lagerung eines Planetenrades in einem Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug eingesetzt ist.