Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Nockenwelle, vorzugsweise für Mo- toren von Kraftfahrzeugen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ähnli- che Elemente oder Baugruppen, welche eine Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung umsetzen, indem beispielsweise Hubele- mente auf rotierenden (Kurven-) Scheiben mit unterschiedlicher Krümmung laufen und entgegen der Drehrichtung bewegt werden. Hierbei sind vorzugsweise auch Kurvenge- triebe anzuführen.

Der gegenwärtige Stand der Herstellungsprozesse zur Nockenwellenfertigung, insbe- sondere in der Grosserienfertigung ist überwiegend geprägt von Schalenhartgußwellen, welche teilweise nachträglich ausgebohrt werden oder auch hohl gegossen sind. Für höhere Festigkeitsanforderungen gibt es geschmiedete Varianten.

Die am Markt eingeführten Verfahren der als massiv bezeichneten Nockenwellen domi- nieren wegen des Preises, in Anbetracht des immer abzuwägenden technischen Kom- promisses zwischen Herstellungskosten und technischen Leistungsparametern (wie Fes- tigkeit und Verschleiß), sowie der vorliegenden langjährigen Erfahrungen bei der Mas- senfertigung derselben.

Vorzugsweise im Bereich der Rollenschlepphebelsysteme eingesetzt, beginnen sich je- doch auch gebaute Nockenwellen durchzusetzen. Bei diesen erfolgt die Fixierung der Nocken auf der Welle beispielsweise durch Aufpressen oder/und durch partielles Aufwei- ten des Wellenkörpers direkt unter dem Nocken. Dabei werden die Nocken einzeln und nacheinander mit der Welle verbunden.

Den gebauten Nockenwellen sind allerdings Grenzen in der konstruktiven Gestaltungs- freiheit gesetzt. Außerdem besteht lediglich eine kraft-oder formschlüssige Verbindung der Nocken mit der Welle. Außerdem sind die gebauten Nockenwellen in ihrer Herstel- lung vergleichsweise teuer, so sind die Kosten verglichen mit einer konventionellen Gusswelle um ca. 30 Prozent höher.

Daher kommen die gebauten Nockenwellen meist nur dann zum Einsatz, wenn der Werkstoff Guss seine technischen Grenzen erreicht. Insbesondere werden gebaute No- ckenwellen zur Gewichtsreduktion eingesetzt. Die realisierbare Gewichtseinsparung ge- genüber massiv gegossenen Nockenwellen liegt bei 20-40%.

Aus der Druckschrift DE 199 07 258 C 1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nocken- welle und eine mit diesem hergestellte Nockenwelle bekannt, wobei die Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformen hergestellt und danach im Bereich der Laufflächen eine Schicht aus verschleißfestem Material durch Einwirkung eines Ladungsträgerstrahls aufgebracht wird. Hierbei wird ein bandförmiges bzw. drahtförmiges verschleißfestes Material im Vakuum in das Energiefeld des Elektronenstrahls mit definierter Geschwin- digkeit eingebracht, aufgeschmolzen und auf die Lauffläche eines Nocken der Nocken- welle übertragen. Anschließend erfolgt eine Bearbeitung der Laufflächen auf ein ge- wünschtes Endmaß.

Beim Aufschmelzen und Übertragen des verschleißfesten Materials entsteht jedoch eine hohe thermische Belastung. Diese führt dazu, daß (auch) Werkstoff der Nocken zumin- dest partiell aufgeschmolzen wird, wodurch es zu Verzugserscheinung der Hohlwelle kommt. Eine notwendige nachträgliche Korrektur des entstehenden Verzuges bedingt umfangreiche Nacharbeiten. Weiterhin wird durch die hohe thermische Belastung die durch den Prozess des Innenhochdruck-Umformens (IHU-Verfahren) erzeugte wün- schenswerte Kaltverfestigung zumindest teilweise wieder aufgehoben.

Die Verwendung von Fülldrähten und Blechen schränkt zudem die verfügbare Werk- stoffpalette für die Beschichtung stark ein. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zu einem Auftragen von nicht-leitenden Werkstoffen, wie Keramiken, ungeeignet. Eben- so ist das Verfahren zur Herstellung von definierten Strukturen (welche sich bei Schich- ten aus Kompositwerkstoffen wie Metallkeramiken (Hartmetallen) ergeben können) bei Verwendung der Fülldrähte ungeeignet.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung ei- ner Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung und eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Einrichtung anzugeben, mit denen eine ver- schleißfeste Schicht auftragbar ist, ohne daß ein wesentlicher thermischer Verzug ent- steht.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Sicht erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, wobei zumindest abschnittsweise, zumindest eine Funktions- schicht aus einem keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoff unter mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einrichtung aufgetragen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Aufbringen einer verschleißfesten Schicht auf die Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung, ohne daß ein thermischer Verzug der Einrichtung entsteht. Außerdem er- möglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine weitere Gewichts-und Reibungsreduzie- rung gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch den Einsatz verschleißfester keramischer, metallkeramischer und metallischer Schichten.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Keramiken bzw. Kompositwerkstoffe zum Einsatz kommen können, ergibt sich ein zusätzliches Verbesserungspotential hinsichtlich einer weiteren Gewichtsreduzierung, einer Verringerung der Reibungsverluste, eines Verschleißes und der Fertigungskosten. Die Gewichtsreduzierung und die Verringerung der Reibungsverluste bedingt zudem eine Abnahme des Kraftstoffverbrauches der ent- sprechenden Motoren.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird (zunächst) eine zumindest ein Hubelement aufweisende Hohlwelle in einem Innenhochdruck- Umformverfahren ("IHU-Verfahren") hergestellt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die zu- mindest eine Funktionsschicht im Bereich einer Lauffläche des zumindest einen Hub- elementes und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle aufgetragen wird. Wei- terhin ist es vorteilhaft, wenn die im Bereich der Lauffläche des zumindest einen Hub- elementes und/oder im Bereich von Lagerflächen der Hohlwelle aufgetragenen Funkti- onsschichten aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen und jeweils in einer oder mehreren Lagen ausgebildet werden Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren aus der Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens, insbesondere Plasmaspritzen oder Hoch- geschwindigkeitsflammspritzen, zur Herstellung der zumindest einen Funktionsschicht aus einem keramischen, metallkeramischer oder metallischen Werkstoff unter Verklam- merung mit der Oberfläche der Hohlwelle genutzt.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, wenn das zumindest eine Hubelement und/oder die Lagerflächen mit einer umlaufenden Vertiefung ausgebildet werden, die eine Auf- nahme für die aufzubringende Funktionsschicht bilden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Funktionsschicht als Verschleißschutzschicht und/oder als Reibungsbeeinflussungsschicht ausgebildet wird.

Bevorzugterweise werden die Oberflächen der Einrichtung, insbesondere einer Nocken- welle, zumindest im Bereich der aufzubringenden Funktionsschicht (vor Aufbringung derselben) aufgeraut, insbesondere sandgestrahlt.

Die vorgenannte Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Sicht erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewe- gung hergestellt nach dem vorstehenden Verfahren.

Gemäß einem besonders zu bevorzugenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä- ßen Einrichtung ist die Einrichtung als hohle, mittels Innenhochdruck-Umformen (IHU- Verfahren) hergestellte Nockenwelle mit zumindest einem Nocken ausgebildet, wobei eine Lauffläche des zumindest einen Nocken und/oder Lagerflächen der Nockenwelle verschleißfeste keramische, metallkeramische oder metallische Funktionsschichten auf- weisen, die unter mechanischer Verklammerung mit diesen verbunden sind.

Vorteilhafterweise sind durch thermisches Spritzen keramische Schichten oder metalle- ramische Schichten oder metallkeramische Hartmetallschichten oder metallische Schich- ten aufgetragen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Nocken und/oder die Lagerflächen eine umlau- fende Mulde besitzen, die als Bett für die aufzubringende Funktionsschicht dienen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Teilschnittdarstellung entlang einer Längsachse einer Nockenwelle im Bereich eines Nockens.

Bei der in Figur 1 in einer Längsschnittdarstellung exemplarisch gezeigten Nockenwelle 1 mit einem Nocken 2 handelt es sich um eine durch Innenhochdruck-Umformen (IHU- Verfahren) hergestellte Einlaßnockenwelle 1 aus dem Werkstoff St 52 für einen Dreizy- linder-Vierventil-Motor. Die komplette Nockenwelle hat also 6 Nocken.

Von den einzelnen Nocken 2 der Einlaßnockenwelle 1 ist aus Vereinfachungsgründen lediglich eine in der Schnittdarstellung dargestellt, wobei sämtliche der Nocken 2 der Ein- lassnockenwelle 1 oder einige der Nocken oder einer der Nocken 2 mit einer Funktions- schicht 3 versehen und in der in Figur 1 gezeigten bzw. der nachstehend beschriebenen Art ausgebildet sein können.

Weiterhin können auch weitere in Fig. 1 nicht gezeigte Bereiche der Nockenwelle 1 mit einer Funktionsschicht 3 versehen werden. Insbesondere können Lagerflächen der No- ckenwelle 1 mit einer solchen Funktionsschicht 3 versehen werden.

Die einzelnen Funktionsflächen 3 (an den Nocken 2 oder an anderen Stellen der No- ckenwelle 1, insbesondere die Lagerflächen) können aus gleichen bzw. gleichartigen bzw. gleichwirkenden Werkstoffen oder auch aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden. Die Werkstoffauswahl ist insbesondere durch den einzelnen technischen Ver- wendungszweck (z. B. Verschleißschutz oder Reibungsverbesserung) und auch durch die technischen Randbedingungen bedingt.

Die Nocken 2 weisen in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine umlau- fende Mulde auf, wobei die Mulde eine im wesentlichen ebene Vertiefung und zwei er- höhte, mit Radien versehene Randbereiche aufweist. Die vorliegende Erfindung ist je- doch nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Form der Mulde beschränkt. Vielmehr ist diese ab- hängig vom Verwendungszweck, der herzustellenden Form der Funktionsfläche, dem jeweiligen Beschichtungsverfahren sowie dem jeweiligen Werkstoff der Funktionsfläche abhängig. Beispielsweise können auch mehrere im wesentlichen ebene Vertiefungen mit jeweils diese begrenzenden erhöhten und mit Radien versehenen Randbereichen vorge- sehen werden.

Diese umlaufende Mulde dient als Aufnahmebett für die aufzubringende Funktions- schicht 3. Wie in Fig. 1 gezeigt, füllt hierbei der Werkstoff der Funktionsschicht 3 die Mulde vollständig aus, wobei die Funktionsschicht eben mit den erhöhten Randberei- chen der Mulde ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich eine ebene Nockenlauffläche.

In dem in Fig. 1 gezeigten Anwendungsfall hat sich eine Tiefe der Mulde von 1 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Außerdem hat es sich als ausreichend herausgestellt, wenn eine Breite der Mulde einer Breite eines zugeordneten Rollenschlepphebels des Motors entspricht, wobei die vorliegende Erfindung allerdings nicht hierauf beschränkt ist.

Eine Beschichtung der Einlaßnockenwelle 1 mit der Funktionsschicht 3 erfolgt über die Einlagerung eines verschleißfesten keramischen, metallkeramischen oder metallischen Werkstoffes unter mechanischer Verklammerung mit einer Oberfläche der Einlassno- ckenwelle 1 im Bereich der Mulde und durch die Ausfüllung der Mulde mit diesem Werk- stoff. Diese mechanische Verklammerung kann vorzugsweise dadurch unterstützt wer- den, daß die Nockenwelle einer vorbereitenden, aufrauenden Oberflächenbehandlung, z. B. durch Sandstrahlen, ggf. auch nur im Bereich der Mulden, unterzogen wird. Hier- durch wird die Mikrooberfläche der Nockenwelle und dadurch die Haftfläche zwischen Nockenwellenoberfläche und der aufgebrachten, harten Verschleißoberschicht vergrö- ßert und die Verbindungsfestigkeit zwischen aufgespritzter Schicht und der Nockenober- fläche erhöht.

Im konkreten Anwendungsfall wurde die Einlaßnockenwelle 1 mittels atmosphärischem Plasmaspritzen mit einer Anlage MF-P-1000 der Firma GTV mbH/Luckenbach beschich- tet. Als Beschichtungspulver wurde eine Metallkeramik (Hartmetall) (Ti, Mo) (C, N)-37% Ni, Co verwendet. Zum Spritzen wurde ein Ar/H2-Plasma (50 I/min Ar, 11 I/min H2) bei einer Stromstärke von 630 A verwendet. Der Spritzabstand betrug 110 mm.

Neben dem beschriebenen atmosphärischen Plasmaspritzen mit den genannten exem- plarischen Versuchsparametern sind weitere solche Beschichtungsverfahren nutzbar, bei denen die Schichtabscheidung zumindest im wesentlichen auf einer mechanischen Ver- klammerung der Schicht auf der Unterlage beruht und die nur einen geringen thermi- schen Energieeintrag bewirken. Solche Beschichtungsverfahren finden sich vorzugswei- se in der Prozessgruppe des thermischen Spritzens, also insbesondere neben Plas- maspritzen auch das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF).

Anschließend an den Beschichtungsvorgang werden die Nocken auf Endmaß geschlif- fen, wodurch sich die Lauffläche der Nocken 2 ergibt.

Hieran anschließend wurde ein Test der so erzeugten Nockenwelle 1 durchgeführt. Die- ser Test erfolgte auf einem speziellen Prüfstand mit einer Flächenpressung von 1400 N/mm2, einer Drehzahl von 3500 U/min, einer Öltemperatur von 100 °C und Motorenöl Esso Ultron SAE 5W40.

Dabei ergab sich auch nach einer Laufzeit von 500 Std. (übliche Testzeit) kein Schicht- ausfall (sog."Pittingbildung").

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt zunächst eine Herstel- lung einer (noch unbeschichteten) Nockenwelle mittels des IHU-Verfahrens. Daran an- schließend erfolgt die Schichtabscheidung durch solche Verfahren, die im wesentlichen auf einer mechanischen Verklammerung der Schicht auf der Unterlage beruhen und die nur einen geringen thermischen Energieeintrag bewirken, vorzugsweise aus der Pro- zessgruppe des thermischen Spritzens (z. B. Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits- flammspritzen (HVOF), u. a.).

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele weisen eine hohe Flexibilität durch den Einsatz verschiedenster Werkstoffe auf, wobei diese an die Anforderungen an die Nockenwelle in den unterschiedlichen Motoren angepasst werden können. Insbesondere können auch auf einfache Art und Weise und ohne größeren technischen Aufwand bis zu 1,5 mm di- cke Verschleißschutzschichten mit neuen metallischen, keramischen oder metallkerami- schen Werkstoffen erzeugt werden.

Beispiele derartiger Werkstoffe sind : 'toto und Mo-selbstfließende Legierung als metallische Schichten, WC-Co, WC-CoCr, (Ti, Mo) (C, N)-NiCo als metalikeramische (Hartmetall-) Schich- ten, oder Al203-TiO2, Cr203, Tin 2Cr202n, als keramische Schichten.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen kommt es nicht zu einem Verziehen der Nockenwelle, d. h. ein nachträgliches Richten der Welle ist nicht erforderlich. Außerdem werden durch den Einsatz neuer Werkstoffe (metallische, keramische oder metallkera- mische bis 1,5 mm dicke Verschleißschutzschichten) die Verschleißfestigkeit und gleich- zeitig auch die Reibungsverhältnisse auf dem Nocken verbessert. Der Einsatz kerami- scher Schichten bewirkt zusätzlich eine Gewichtreduzierung. Verminderung der Ferti- gungs-und Materialkosten im Vergleich zum Einsatz von Tragringen, z. B. aus 100 Cr6.