Materialanalyse Nockenwelle

[Domo]

Moin!
Auf dem letzten Workshop bei ALTTEC-CLASSICS am 5.11.11 entbrannte zu später Stunde wieder einmal die Diksussion um unsere heißgeliebte XL-Nockenwelle .
Erik hat dann aus seinem XL-Teile-Sammelsorium eine Megacycle-Nocke (Laufleistung leider unbekannt) und eine zerschossene Original-Nocke ausgegraben (hat dnke ich jeder schonmal gesehen ). Beim vergleichen der Wellen fiel uns auf, dass auf den Nocken der Megacycle-Nocke am Rand ein deutlicher fühl- und sichtbarer Absatz ist, der vermutlich daher kommt, dass die Gleitfläche der Kipphebel nicht den ganzen Nocken überdeckt. Außer diesem Absatz hat die Megacycle-Nocke aber einen noch wirklich guten Eindruck gemacht! Kein Pitting, keine Riefen, etc.! Wir haben daher erstmal die Vermutung aufgestellt, dass die Megacycle-Nockenwelle aus einem weicheren Material ist als die Original-Nockenwelle ist, da ich einen solchen Absatz auf einer Originalnocke noch nie gesehen hatte.
Unsere Vermutung über die Härte der Nockenwellen wollten wir natürlich auch irgendwie bestätigen. Daher habe ich die beiden Nockenwellen mitgenommen und bei mir in der Hochschule bei beiden Nockenwellen eine Härteprüfung durchführen lassen. Hier die Ergebnisse:

Megacycle-Nockenwelle:
Einlassnocken:
1. Messung: 46,63HRC (gemessen auf Grundradius)
2. Messung: 54,93HRC (gemessen auf Grundradius)
3. Messung: 54,72HRC (gemessen auf Grundradius)
4. Messung: 48,58HRC (gemessen auf Grundradius)
5. Messung: 52,92HRC (gemessen auf Nockenspitze)
Auslassnocken:
1. Messung: 53,64HRC (gemessen auf Grundradius)
2. Messung: 55,55HRC (gemessen auf Grundradius)
3. Messung: 45,11HRC (gemessen auf Grundradius)
4. Messung: 56,16HRC (gemessen auf Grundradius)

Original Nockenwelle:
Einlassnocken:
1. Messung: 37,52HRC (gemessen auf Grundradius)
2. Messung: 39,93HRC (gemessen auf Grundradius)
3. Messung: 35,63HRC (gemessen auf Grundradius)
4. Messung: 44,55HRC (gemessen auf Nockenspitze)
Auslassnocken:
1. Messung: 46,93HRC (gemessen auf Nockenspitze)

Bei der Original Nockenwelle haben wir leider nicht so viele Messungen geschafft, da in dem Labor leider noch ne Laborveranstalltung mit einer Studentengruppe stattfand, aber ich denke folgendes lässt sich trotzdem festhalten:
- Unsere Vermutung, die Megacyle-Nockenwelle sei härter als die Original-Nockenwelle hat sich nicht bestätigt !
- Die Original-Nockenwelle ist auf den Nocken härter als auf dem Grundradius, der Werkstoff ist also vermutlich nur Randschichtgehärtet.

Um weitere Aussagen über den Werkstoff der Original-Nockenwelle zu machen werde ich heute eine Scheibe aus einem Nocken heraussegen und diese unseren Werkstoffprüfern geben, die mir dann ein Mikroschliffbild des Nockens erstellen werden, dann können wir uns einmal genau die Randschichten anschauen !
Wer Vermutungen bzgl. Werkstoff (Grauguss oder Stahlguss bei der Original Nockenwelle??) oder Wärmebehandlungen hat, kann sie an dieser Stelle gerne äußern!

Gruß Domo

[timundstruppi]

Hallo,
so weich, entspricht das Mohshärte 6 und härter?

http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%A4rte

Ich kann mit Härte nicht so viel anfangen. Habe es im Studium vor fast 25 Jahren mal gehabt, aber als E-Ing. nicht wieder gebraucht. Praktische Anwendung fehlt also, ich bohre aber Glas auch nicht mit dem Holzbohrer.

Gruß Tönnies

[Domo]

Moin!
Wenn man die gemessene Härte in HRC nach der unteren Tabelle auf der wiki-Seite in HV "umrechnet" und dem Wert für HV dann in der oberen Tabelle schaut lande ich bei einer Mohs-Härte von ca. 5. Ob eine solche "Umrechnung" sinnvoll ist, glaube ich allerdings nicht, immerhin sind die Härteprüfung nach Mohs und nach Rockwell für unterschiedliche Anwendungsgebiete gedacht und mit dem "umrechnen" von Härtewerte ist das auch so eine Sache .
Gruß Domo

[Kristian]

HRC ist auch gemeinhin die Einheit im Maschinenbau!

Domo, danke für dei Messungen!

Erstaunlich, dass die Megacycle soviel härter abschneidet. OK, wir würden wahrscheinlich auch einen härterern Stahl als orischinol nehmen.

Nachteil: Die Notlaufeigenschaften des Kopfes verschlechtern sich wahrscheinlich. (?)

Ich hatt einen kaputten Kopf da war das kleine Lager (das freie Ende der NoWe) ca. 1-2mm im Durchmesser geweitet, die NoWe hatte jedoch an der Stelle ca. 5mm im Durchmesser eingebüßt!!! Schwer zu verstehen, aber der Stahl gab mehr nach. OK, ein extrem beschädigter Kopf. Aber wie hätte der Kopf ausgesehen, wenn der Stahl 10 HRC härter gewesen wäre?

[omagott]

Unsere Vermutung, die Megacyle-Nockenwelle sei härter als die Original-Nockenwelle hat sich nicht bestätigt eek !

Wie bitte? Die Megacycle Welle ist doch im Schnitt um 10HRC härter.

Fragen die sich noch ergeben:
Woher kommen die großen Ausreisser in den Messungen?
Ist die Messung für den Radius kompensiert?
Was für eine Nocke war das? Lässt sich das Baujahr über den Drehzahlmesserantrieb noch zuordnen?

[hiha]

Das ist ein Äpfel /Birnen-Vergleich. Du musst den wissenschaftlichen Ansatz in Richtung Tribologie verlegen...
Die Härte der Nocke ist für ihre Lebensdauer nicht ausschlaggebend, sofern sie hart genug ist, um sich unter den auftretenden Drücken nicht plastisch zu verformen. Dafür sind 54HRC meist ausreichend.
Die Originalnockenwellen sind aus Grauguss, der entweder durch Abschreckschalen in der Gussform, da wo die Nocken sitzen, als Hartguss erstarrt, oder nachträglich induktiv- oder flammgehärtet wird. Damit erreicht man üblicherweise keine 60 HRC, aber hervorragende tribologische Eigenschaften. Zusätzlich wird oft noch Manganphosphatiert.

Megacycle schleift von der Nocke etwa 1,5mm ab, und schweisst im warmen (glühenden) Zustand eine Nickel-Basislegierung auf, die Partikel von Chromboriden enthält. (der Schweißzusatzwerkstoff ist dem Verfasser bekannt, aber da er sau geheim ist, darf er ihn nicht verraten ) Laut Datenblatt wird auch der nicht viel härter als etwa 55HRC, das Nickelzeug in Verbindung mit den Chromboriden hat aber ebenfalls sehr günstige Triboeigenschaften. Wenn Megacycle keine alten Rohnockenwellen auf Lager hat, fertigen sie Stahlnockenwellen, die aber auch aufgeschweißt werden.
Wenn Du jetzt eine Stahlnockenwelle (ohne was aufzuschweißen) fertigst, und, egal wie hoch, härtest, hast Du nicht notwendigerweise lange Freude an Deinem Ventiltrieb. Mit hartverchromten Kipphebeln könnte das noch geraume Zeit gehen, aber die mit dem eingestzten Hartblock vertragen sich erfahrungsgemäß nicht mit Stahlnocken.

Stell doch mal (aussagekräftige) Fotos des "ansatzes" ein, ich versteh nicht ganz, was Du damit meinst.

Gruß
Hans

[Scooterbc]

Da ich ja beide vermessenen Nockenwellen beim Workshop gesehen habe möchte ich mal folgendes in den Saal werfen:

die Originalwelle war nicht verschlissen sondern regelrecht zerstört, die Lagersitze ca 2mm weggefressen. Dieser Nockenwelle noch Originalhärte zuzusprechen ist glaub ich Unsinn, die Härtemessungen sollten der Ehrlichkeit halber maximal als Schätzwert betrachtet werden.

die Megcycle Welle dagegen war optisch von der Oberflächengüte in 1A Zustand. Lediglich die oben näher beschriebene Ablaufkante war spürbar. Hier behaupte ich den Fehler müsste man bei dem zugehörigen Kipphebel suchen. (Mangelschmierung auf Nocken der die Lager nicht tangiert, da Nadellager ja mit deutlich geringeren Ölmengen auskommen als Gleitlager)

Was bringt uns die Diskussion um die Härte der Oberfläche? Neue Wellen wird sicher keiner von uns herstellen lassen. Wenn keine Wellen mehr da sind (und ich glaube, dass es noch für die nächsten 10 Jahre nutzbare Wellen gibt, vielleicht nicht neu aber brauchbar) Und wenn dann der Tag kommt wo keine Wellen mehr da sind bleibt der allgemeine Weg zu Megacycle und ich glaube dass die zumindest in Grundzügen wissen wie Wellen hergstellt werden.

Schade dagegen finde ich die Entwicklung, dass die Lösung zu neuen Kipphebelwellen hier totgeredet wurde, die sind glaub ich in allen Motoren defekt, zumindest stark angegriffen. Und um die Herstellung von Kipphebeln selbst sollten wir uns auch langsam kümmern. Zumindest um ein nachträgliches Einsetzen von Hartmetallplättchen und das Aufbohren der Wellenaufnahmen, dazugehöriger verbesserter Ölversorgung und dickerer Wellen.

[hiha]

Mit dem Aufbohren von Kipphebeln hab ich mich auch mal beschäftigt, aber gescheitert, da die Einsatzhärteschicht schon ziemlich knochenhart ist.
Zu den Achsen wurde doch mal was geschrieben. Was Positives, soweit ich weiß. Ich glaub, es wurde von Vorteilen des Nitrierens geschroben. Dazu fällt mir noch das Tenifer QPQ-Verfahren ein. Ein Salzbad-Nitrocarburieren mit anschließendem oxidieren und polieren. Gilt in vielen Bereichen als Problemlöser. Im Anglo-Ausland kennt man es auch als Melonite-Verfahren, es wird bei Ventilen angewandt. Dafür sollte man dann allerdings einen höher legierten Stahl verwenden, da sich eine anständige Oberflächenhärte aus dem Vorhandensein von nitridbildenden Legierungsbestandteilen ergibt.

Gruß
Hans

[cj]

die Originalwelle war nicht verschlissen sondern regelrecht zerstört, die Lagersitze ca 2mm weggefressen. Dieser Nockenwelle noch Originalhärte zuzusprechen ist glaub ich Unsinn, die Härtemessungen sollten der Ehrlichkeit halber maximal als Schätzwert betrachtet werden.

war die welle auch an den nocken verschlissen?
wenn nicht dann hat der lagersitzverschleiss keine auswirkung auf die nockenhärte.

[omagott]

Das die Orginalnocken nicht tief genug hart sind sieht man an den Pittings, hier wird das oben liegende harte Material auf der weicheren Schicht darunter hin und her geschoben bis die Schicht unter der harten Schicht ausbricht.

Was Hans da zur Tribo schreibt ist ebenfalls wahr, wenn die Reibepartner nicht stimmen zwickt das früher oder später, egal wie hart die Nockenwelle ist. Wobei Tenifern wirklich an den unmöglichsten Stellen Standzeit gibt und auch von einigen überregionalen Härtereien als Standardverfahren angeboten wird. Hartchrom übrigens auch.

Zur Härtemessung aufs (sinnlose) Nachkomma sollte man vielleicht noch einen Kipphebel und die Nocke zum Abfunken oder ins XRF geben, die können einem dann sagen was drin ist, damit wär dann die Legierung klar. Mit dem Härtewert und dem Werkstoffdatenblatt liesse sich dann auch sagen wie (ungefähr) Wärmebehandelt werden muß.

Zum aufbohren der Kipphebel: die würde ich eher ausschleifen, da stimmt dann sowohl Oberfläche und Härte danach noch. Der halbe Millimeter ist flott rausgeschleckt, der Ärger dürfte eher das ausrichten vor dem Schleifen sein. Ein ordentlicher Rundschleifer mit guter Maschine schleckt einem das Material notfalls auf 0,001mm raus (kein Kommafehler).

Zum Absatz an der Nocke: Den gibt es auch bei den normalen Nockenwellen der XL, allerdings nur bei der aus den alten Baujahren. Die sind nämlich entweder Hartguss oder sogar vielleicht nachträglich eingesetzt und von denen kann man mit den Kipphebeln auch einen Millimeter runter schlecken, beide Reibpartner laufen wie am ersten Tag, die Laufflächen sind glatt wie ein Babypopo...
Schaut man diese Nocken von der Seite an sieht man wie tief die Härteschicht geht, könnte man wahrscheinlich auch rauspräparieren und dann messen.

Gruß,
die Oma

[hiha]

Hei Oma,

Das die Orginalnocken nicht tief genug hart sind sieht man an den Pittings, hier wird das oben liegende harte Material auf der weicheren Schicht darunter hin und her geschoben bis die Schicht unter der harten Schicht ausbricht.

Das stimmt nur teilweise. Pitting gibts auch an durchgehärteten Teilen, bzw innerhalb ausreichend dicker Härteschichten. Das ist Materialermüdung/-zerrüttung, die durch einen Haufen verschiedener Faktoren ausgelöst werden kann. Dazu gehören falsche oder fehlende Öladditive, bzw. gealtertes Öl, Winkelfehler zw. Nocke und Kipphebel, und dadurch einseitig erhöhte Flächenpressung, Ermüdung durch punktuell erhöhte Reibung, zu harte Federn, oder progressive Federn lange Zeit verkehrtrum drin gewesen, nicht ausreichend für diesen Zweck ermüdungsfeste Werkstoffe, falsche Reibpaarung... usw. Ein weites Feld. Ich hab mich nach langer Literatursuche bei unserer Bibliothek der Bundeswehr-Uni angemeldet. Was soll ich sagen, DREI LAUFENDE REGALMETER BÜCHER ÜBER TRIBOLOGIE Von anno Tobak bis in die Gegenwart. Fachzeitschriften, usw... Da werd ich wohl noch ein paar Wochen rumsitzen... Eins hab ich jedoch schon rausgefunden: Der Ölkreislauf für den Kopf sollte von einem modernen synthetischen GL5-Getriebeöl profitieren ...

Der Vorteil von Tenifer QPQ gegenüber Hartchrom ist, dass man hartverchromte Schichten danach noch auf Maß schleifen lassen muss. Es gäbe zwar die Möglichkeit des maßverchromens, aber das macht kaum wer, und ist echt sauteuer.

Gruß
Hans

[omagott]

Das stimmt nur teilweise. Pitting gibts auch an durchgehärteten Teilen, bzw innerhalb ausreichend dicker Härteschichten.

Hy Hans,
das mit den XL Nocken was nicht stimmt sieht man recht schön wenn man etwas Statistik macht. Ich kann dir jetzt nicht sagen wieviel XL Köpfe ich von innen gesehen hab, 20-30 Motoren sind es aber bestimmt gewesen, die vom Bub nicht mitgezählt. Ein gutes Drittel davon hatte Pittings. Vergleiche ich das mit dem was ich an vermurksten Wellen in XTs, SRs, XSsen oder beim Bub in XL600er Motoren gesehen hab dann sind die Xl Nocken schon sehr auffällig.

Gruß,
die Oma

[Domo]

Moin!

Da ich ja beide vermessenen Nockenwellen beim Workshop gesehen habe möchte ich mal folgendes in den Saal werfen:

die Originalwelle war nicht verschlissen sondern regelrecht zerstört, die Lagersitze ca 2mm weggefressen. Dieser Nockenwelle noch Originalhärte zuzusprechen ist glaub ich Unsinn, die Härtemessungen sollten der Ehrlichkeit halber maximal als Schätzwert betrachtet werden.

...das stimmt nicht ganz, die völlig zerschossene Welle hab ich am Ende bei Erik gelassen, weil ich in seiner "Schatztruhe" noch ne verdammt gute NoWe gefunden, bei der irgendein Hornochse schonmal ein Stück rausgeflext hatte, sodass man sie nicht hätte in einen Motor einbauen können (Eine Hälfte vom Steuerkettenflansch fehlte...).
Fotos von den NoWes werde ich die Tage mal einstellen, ich hoffe das ich den "Absatz" auf der MegaCycle-Nocke einigermaßen abgelichtet und halbwegs vernünftig vermessen kriege....
@oma: Ein entsprechender Korrekturwert für den Krümmungsradius war bei der Härteprüfung eingestellt. Die Anzahl der Nachkommastellen ist wohl tatsächlich gerade in Anbetracht der erheblichen Messwertunterschiede zu hoch gegriffen. Ich hab hier genau das gepostet, was der Prüfapparat am Ende angezeigt hat, was man da nun reininterpretiert, bleibt jedem selbst überlassen. Ich würde sagen, die beiden Nachkommastellen kann man getrost gestreichen...was meinst du?
Ich habe vor ein paar Tagen aus der Originalnockenwelle eine Scheibe aus einem Nocken herausgesägt und zu unseren Werkstückprüfern gegeben, die werden mir die Probe einbetten, schleifen und ätzen, dann können wir uns genau die Härteschichten im Nocken und auf dem Grundradius anschauen . Außerdem habe ich noch ein weiteres Stück zum "Abblitzen" herausgesägt, dann kennen wir die genauen Legierungsanteile !
Ergebnisse der Messung gibts hoffentlich im Laufe der nächsten Woche.
Gruß Domo

[omagott]

Ich würde sagen, die beiden Nachkommastellen kann man getrost gestreichen...was meinst du?

Das gleiche. Gut das die Radienkorrektur drin ist, macht den Bock zwar nicht Fett weil beide Nocken den gleichen Messfehler hätten aber gehört gemacht.

Abfunken finde ich gelinde gesagt sehr genial. das ist dann mal echt Licht ins Dunkel!

Kannst Du einen Kipphebel (einen alten, ohne Hartblock) auch noch mitgeben, dann wäre auch mal geklärt woraus der ist?

Jetzt wär nur noch Interessant ob Du einen nitrierte oder eine alte Nockenwelle vermessen hast.

Gruß,
die Oma

[Domo]

Moin!

Kannst Du einen Kipphebel (einen alten, ohne Hartblock) auch noch mitgeben, dann wäre auch mal geklärt woraus der ist?

Jetzt wär nur noch Interessant ob Du einen nitrierte oder eine alte Nockenwelle vermessen hast.

..wenn wir nen Kipphebel abfunken wollen, müsste mir jemand einen (schrotten) Kipphebel zuschicken, sowas hab nämlich leider nicht rumliegen. Vorher müsste ich aber nochmal abklären, wie groß die Fläche sein muss, die die zum abfunken brauchen. Bei der NoWe hat der Typ mir auch genau gesagt, wie ich da was raussägen soll, damit die Fläche ausreicht und der Kipphebel ist ja um einiges filigraner als die NoWe....müssen wir mal schauen, ob das geht.

Kann ich denn irgndwie äußerlich unterscheiden, was ich für ne NoWe genommen habe? Oder sehen wir das erst im Schliffbild?
Gruß Domo