DE19851009A1 - Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einer Ankerplatte und einem Stößel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen, wobei die Lötung der Baugruppe und das magnetische Schlußglühen der Ankerplatte in zwei Prozeßschritten, direkt hintereinander in einem Lötofen durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung bei Brennkraftmaschinen.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die durch ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind, welches beispielsweise als Gehäuseteil ausgeführt ist. Der Öffnermagnet und der Schließermagnet sind Elektromagneten, die jeweils aus einer Spule und einem Joch bestehen. Zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befindet sich die aus einem ferroma­ gnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Spule des Öffnermagneten oder der Spule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Der Öffnermagnet weist eine Durchführung für einen Stößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß an dem Stößel ein Aktorfe­ derteller angeordnet ist, wobei zwischen dem Aktorfederteller und der Außenseite des Öffnermagneten eine Aktorfeder angeordnet ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Aktorfederteller und der Ventilfederteller gegeneinander gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte exakt in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließerma­ gnet. Das Gaswechselventil befindet sich dabei in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Ventil geschlossen ist, und der Position, in der das Ventil maximal geöffnet ist.

Damit die Kräfte der Elektromagneten, die auf die Ankerplatte wirken, von der An­ kerplatte auf den Stößel und schließlich auf das Gaswechselventil übertragen wer­ den können, ist es notwendig, die Ankerplatte fest mit dem Stößel zu verbinden. Die Verbindung zwischen der Ankerplatte und dem Stößel ist beim Betrieb des Aktors einer dynamischen Scherbelastung ausgesetzt. Dabei muß die Verbindung dafür ausgelegt sein, daß die Ankerplatte und der Stößel aus unterschiedlichen Materiali­ en gefertigt werden. Während die Ankerplatte aus einem ferromagnetischen Materi­ al besteht, wird der Stößel aus einem hochfesten aber leichten Material gefertigt. Im Fall von Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschied­ lichen Materialien treten bei der betriebsbedingt starken Erwärmung der Aktoren erhebliche mechanische Spannungen zwischen der Ankerplatte und dem Stößel auf.

Zudem sollte die Verbindung das Gewicht der Baugruppe aus Ankerplatte und Stößel nicht wesentlich erhöhen, sollte das Gefüge der verwendeten Materialien für die Ankerplatte und den Stößel nicht nachteilig verändern und muß in ihren Eigenschaf­ ten sehr gut reproduzierbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elek­ tromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anzugeben, das energie­ sparend, mit einer geringen Fertigungsdauer und somit kostengünstig durchgeführt werden kann, und das sehr hohe Standzeiten der Baugruppe beim Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die Ankerplatte mit dem Stößel durch eine Lötung verbunden wird, und direkt anschließend im Lötofen die magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte durch ein magnetisches Schlußglühen eingestellt werden. Die Ankerplatte und der Stößel bestehen dabei aus unterschiedlichen Werkstoffen.

Die Lötung ist dabei die Verbindungstechnik, die durch ihre vielfältigen Anwen­ dungsmöglichkeiten am ehesten geeignet ist, den an die Verbindung gestellten Anforderungen gerecht zu werden.

Um eine hochfeste Verbindung durch eine Lötung zu gewährleisten, werden die Ankerplatte und der Stößel so ausgearbeitet, daß zwischen ihnen ein vorzugsweise radialsymmetrischer Fügespalt entsteht, in den ein Fügepartner eingebracht werden kann. Als Fügepartner steht eine Vielzahl von Reinloten oder Lotlegierungen zur Verfügung, die entsprechend den gestellten Anforderungen verwendet werden. Eine naheliegende Anforderung ist, daß die Liquidustemperatur des Fügepartners unterhalb der Solidustemperatur der Ankerplatte und des Stößels liegt. Zudem muß der Fügepartner die Differenzen in den thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der unterschiedlichen Materialien für die Ankerplatte und den Stößel kompensieren, wobei der Fügepartner ein gutes Fließ- und Benetzungsverhalten mit diesen unterschiedlichen Materialien aufweisen muß.

In einem ersten Prozeßschritt wird die Lötung im Lötofen durchgeführt. Dazu wird die Baugruppe aus Ankerplatte und Stößel in den Lötofen eingebracht, wobei im Bereich des Fügespaltes ein Fügepartner auf der Ankerplatte aufgebracht ist.

Zunächst wird im Lötofen der Innendruck auf zumindest 1.0 × 10^-4mbar abgesenkt.

Das Aufheizen des Lötofens erfolgt mit ca. 5-30°C/min bis auf ca. 100°C unter­ halb der Solidustemperatur des Fügepartners, bzw. der Temperatur, bei der Legie­ rungsbestandteile des Fügepartners zu diffundieren beginnen.

Anschließend erfolgt ein Temperaturhalteschritt, bei dem Temperaturdifferenzen zwischen dem Lötofen und der Baugruppe aus Ankerplatte und Stößel kompensiert werden.

Im Anschluß wird der Lötofen mit ca. 10-40°C/min bis auf 200°C über der Liqui­ dustemperatur des Fügepartners aufgeheizt. Bei dieser Temperatur erfolgt ein weite­ rer Temperaturhalteschritt bis zum Abschluß der Lötung.

In einem zweiten Prozeßschritt erfolgt das magnetische Schlußglühen zur Einstel­ lung der magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte.

Dabei wird der Lötofen auf eine Temperatur aufgeheizt/abgekühlt, bei der die magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte eingestellt werden. Diese Temperatur ist vom Material der Ankerplatte abhängig und beträgt bei Weicheisen beispielswei­ se 600°C.

Anschließend folgt ein zumeist mehrstündiger Temperaturhalteschritt, bei dem die Ankerplatte entmagnetisiert wird.

Das Abkühlen des Lötofens erfolgt mit bis zu 30°C/min auf Raumtemperatur. Dies kann gegebenenfalls mittels einer aktiven Kühlvorrichtung erfolgen.

Sofern die Lötung und/oder das magnetische Schlußglühen es erfordern, werden Prozeßschritte in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt, der gegebenenfalls auch gasförmige Flußmittel für den verwendeten Fügepartner zugesetzt werden können.

Durch das beschriebene Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung werden die zwei energieintensiven Prozeßschritte Lötung und magneti­ sches Schlußglühen durchgeführt, ohne daß die Baugruppe dem Lötofen entnom­ men werden muß. Somit werden die Herstellungsdauer und der Herstellungsauf­ wand der Baugruppe verkürzt, der Energiebedarf reduziert und somit die Herstel­ lungskosten gesenkt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektroma­ gnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anhand von zwei Ausführungs­ beispielen im Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Baugruppe aus Ankerplatte und Stößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.

Fig. 2 das zeitliche Temperaturprofil zur Lötung und zum magnetischen Schlußglühen des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 3 das zeitliche Temperaturprofil zur Lötung und zum magnetischen Schlußglühen des zweiten Ausführungsbeispiels.

In der Fig. 1 ist eine Baugruppe aus Ankerplatte AP und Stößel S für einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt. Die Ankerplatte AP und der Stößel S bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Während die Ankerplatte AP aus einer Weicheisenlegierung gefertigt ist, wird der Stößel S aus einem hochvergü­ teten Ventilstahl gefertigt. Die Verbindung von Ankerplatte AP und Stößel S erfolgt durch eine Lötung in einem Lötofen. Direkt im Anschluß an die Lötung erfolgt im Lötofen die Einstellung der magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte AP durch ein magnetisches Schlußglühen, wobei der Lötofen nicht auf Raumtemperatur abge­ kühlt werden muß. Die Baugruppen aus Ankerplatte AP und Stößel S werden dabei nicht einzeln, sondern in Chargen von bis zu mehreren hundert Baugruppen zur Durchführung beider Prozeßschritte in den Lötofen eingebracht.

Die Ankerplatte AP und der Stößel S sind derart ausgearbeitet, daß an der Verbin­ dungsstelle eine Nut zur Aufnahme eines Fügepartners entsteht. Damit der Stößel S durch den Fügepartner in der exakten Position in der Ankerplatte AP befestigt wird, werden jeweils eine Ankerplatte AP und ein Stößel S in einer Lötvorrichtung fixiert.

Die durch die Lotlegierung entstehende, diffusionsähnliche Verbindung muß die Ankerplatte AP dauerhaft und hochfest mit dem Stößel S verbinden, da die Verbin­ dung beim Betrieb des Aktors einer dynamischen Scherbelastung ausgesetzt ist. Die Festigkeit der Verbindung muß durch die betriebsbedingt starke Erwärmung der Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung auch bei hohen Temperaturen gewährleistet sein. Durch die Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffizi­ enten der für die Ankerplatte AP und den Stößel S verwendeten unterschiedlichen Materialien ist die Verbindung einem hohen Streß bzw. hohen mechanischen Span­ nungen ausgesetzt.

Im folgenden wird in einem ersten Ausführungsbeispiel das Verfahren zur Herstel­ lung der aus Ankerplatte AP und Stößel S bestehenden Baugruppe beschrieben, wie es sich bei der Verwendung einer Weicheisenlegierung mit einem Kobalt-Anteil von 35% als Material für die Ankerplatte AP ergibt. Als Material für den Stößel S wird ein Ventilstahl mit einem Kohlenstoff- Anteil von 3,3% (X33) verwendet.

Als Lotlegierung wird ein Kupferbasislot mit einem Titan-Anteil von 6% verwendet. Dieses Kupfer-Titan-Lotlegierung weist eine Solidustemperatur von 850°C auf. Die Liquidustemperatur beträgt 1050°C. Die Lotlegierung wird pulverförmig mittels einer automatischen Dosiervorrichtung im Bereich um den radialsymmetrischen Fügespalt auf die Ankerplatte AP aufgebracht.

Bei der Verwendung dieser Materialien erfolgt die Lötung und das magnetische Schlußglühen bei unterschiedlichen Temperaturen.

Fig. 2 zeigt das zeitliche Temperaturprofil zur Lötung und zum magnetischen Schlußglühen.

Im ersten Prozeßschritt wird im Lötofen die Lötung durchgeführt. Dazu wird im beladenen Lötofen der Innendruck vor dem Aufheizen auf 1.0 × 10^-4 mbar abgesenkt.

Das Aufheizen des Lötofens erfolgt bei konstantem Innendruck mit 5°C/min bis auf ca. 500°C. Bei dieser Temperatur erfolgt ein Temperaturhalteschritt von 15 Minu­ ten, bei dem Temperaturdifferenzen zwischen dem Lötofen und der Charge von Baugruppen aus Ankerplatte AP und Stößel S kompensiert werden.

Anschließend wird die Temperatur auf ca. 100°C unterhalb der Solidustemperatur von 850°C der Lotlegierung angehoben, also auf 750°C. Dies entspricht der Tem­ peratur, bei der Legierungsbestandteile der Lotlegierung zu diffundieren beginnen. Die Temperatur von 750°C wird 10 Minuten beibehalten.

Anschließend wird der Lötofen mit ca. 20°C/min bis auf 200°C über der Liquidu­ stemperatur der Lotlegierung von 1050°C, also auf 1250°C aufgeheizt.

Durch eine weiteren Temperaturhalteschritt von 20 Minuten wird gewährleistet, daß sich alle Baugruppen der Charge der Temperatur von 1250°C angenähert haben und die Lotlegierung den Fügespalt zwischen Stößel S und Ankerplatte AP vollstän­ dig ausfüllt.

Anschließend wird die Temperatur des Lötofens mit einer Abkühlrate von bis zu 40°C/min auf die Temperatur abgesenkt, bei der die magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte AP durch das magnetische Schlußglühen eingestellt werden. Bei Ankerplatten AP aus der Weicheisenlegierung mit einem Kobalt-Anteil von 35% sind das 650°C. Diese Temperatur wird für 8 Stunden konstant gehalten. Das Abkühlen des Lötofens bzw. der Charge von Baugruppen aus Ankerplatte AP und Stößel S erfolgt mit maximal 2°C/min bis auf Raumtemperatur, um Verspan­ nungen in der Verbindung zwischen der Ankerplatte AP und dem Stößel S zu ver­ meiden.

Im folgenden wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel das Verfahren zur Herstel­ lung der aus Ankerplatte AP und Stößel S bestehenden Baugruppe beschrieben, wie es sich bei der Verwendung einer Weicheisenlegierung mit einem Silizium-Anteil von 2,5% als Material für die Ankerplatte AP ergibt. Als Material für den Stößel S wird ebenfalls ein Ventilstahl mit einem Kohlenstoff-Anteil von 3,3% (X33) verwen­ det.

Als Lotlegierung wird ein Nickelbasislot mit einem Chrom-Anteil von 5% und einem Silizium-Anteil von 10% verwendet. Diese Nickel-Chrom-Silizium-Lotlegierung weist eine Solidustemperatur von 850°C auf. Die Liquidustemperatur beträgt 1000°C. Die pulverförmige Lotlegierung wird mittels eines Bindemittels in die Form einer Lochscheibe gebracht. Diese Lochscheibe wird um den Stößel S auf die An­ kerplatte AP aufgelegt. Bei einer Erwärmung über 450°C verdampft das Bindemittel rückstandsfrei.

Das Fließ- und Benetzungsverhalten dieser Lotlegierung ermöglicht das Ausbilden eines Fügespaltes, bei dem der Stößel S und die Ankerplatte AP an der Verbin­ dungsstelle gerändelt sind, d. h. axiale Riefen aufweisen. Diese Riefen sind so aus­ gebildet, daß durch Verdrehen der Ankerplatte AP gegen den Stößel S beide Bau­ teile klemmen und fixiert sind. Dadurch kann die Lötvorrichtung für die Baugruppe aus Ankerplatte AP und Stößel S als einfache Haltevorrichtung ausgeführt werden. Bei der Verwendung der genannten Materialien für die Ankerplatte AP, den Stößel S und die Lotlegierung erfolgt die Lötung und das magnetische Schlußglühen bei der gleichen Temperatur.

Fig. 3 zeigt das zeitliche Temperaturprofil zur Lötung und zum magnetischen Schlußglühen.

Zunächst wird der Innendruck des Lötofens vor dem Aufheizen auf 1.0 × 10^-4 mbar abgesenkt.

Das Aufheizen des Lötofens erfolgt mit ca. 5°C/min bis auf ca. 100°C unterhalb der Solidustemperatur, also auf 750°C, wobei die Legierungsbestandteile der Lotle­ gierung zu diffundieren beginnen.

Im Anschluß wird der Lötofens mit ca. 20°C/min bis auf 200°C über der Liquidu­ stemperatur der Lotlegierung, also auf 1200°C aufgeheizt.

Bei dieser Temperatur erfolgt die Lötung und das magnetische Schlußglühen der Ankerplatte AP, wobei die Temperatur von 1200°C für 6 Stunden konstant gehalten wird.

Das Abkühlen des Lötofens auf Raumtemperatur erfolgt rasch mit bis zu 10°C/min. um Diffusionsprozesse zwischen der Lotlegierung und der Ankerplatte AP zu unter­ binden.

Das nach dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführte Verfahren zur Herstellung einer aus Ankerplatte AP und Stößel S bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen gewähr­ leistet eine hochfeste Verbindung, die auch einer dynamischen Scherbelastung standhält, wobei das Verfahren Energie, Zeit und somit Kosten einspart.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte (AP) und einem Stößel (S) bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen, wobei die Ankerplatte (AP) und der Stößel (S) aus un­ terschiedlichen Materialien gefertigt werden, mit den beiden direkt hintereinan­ der in einem Lötofen durchgeführten Prozeßschritten:

• A) Erster Prozeßschritt als Lötung zur Verbindung von Ankerplatte (AP) und Stö­ ßel (S):
  • a) Absenkung des Innendrucks des mit der Baugruppe und einem Fügepartner beladenen Lötofens,
  • b) Aufheizen des Lötofens bis auf ca. 100°C unterhalb der Solidustemperatur des Fügepartners, bzw. der Temperatur, bei der Legierungsbestandteile des Fügepartners zu diffundieren beginnen,
  • c) Temperaturhalteschritt zur Kompensation von Temperaturdifferenzen im Lötofen,
  • d) Aufheizen des Lötofens bis auf 200°C über der Liquidustemperatur des Fügepartners,
  • e) Temperaturhalteschritt bis die Verbindung zwischen der Ankerplatte (AP) und dem Stößel (S) hergestellt ist,
• B) Zweiter Prozeßschritt als magnetisches Schlußglühen zur Einstellung der ma­ gnetischen Eigenschaften der Ankerplatte (AP):
  • a) Abkühlen/Aufheizen des Lötofens auf die materialabhängige Temperatur der Ankerplatte (AP), bei der die magnetischen Eigenschaften eingestellt werden,
  • b) Temperaturhalteschritt bis zur vollständigen Entmagnetisierung der Anker­ platte (AP),
  • c) Abkühlen des Lötofens auf Raumtemperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stößel (S) und der Ankerplatte (AP) ein definierter, vorzugsweise radialsymmetrischer Spalt zur Aufnahme des Fügepartners ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (AP) und der Stößel (S) bei der Lötung und bei dem magnetischen Schlußglühen in einer Lötvorrichtung fixiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fügepartner Kupferlote oder Kupferbasislote verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferbasislote Kupfer-Zinn-Verbindungen mit einem Zinn-Anteil von 6-12% verwendet wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferbasislote Kupfer-Zinn Verbindungen mit einem Titan-Anteil von bis zu 6% verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fügepartner Nickelbasislote verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Nickelbasislote mit einem Chrom-Anteil von bis zu 18% und/oder einem Silizium-Anteil von bis zu 10% und/oder einem Bor-Anteil von bis zu 4.5% und/oder einen Eisen-Anteil von bis zu 5% verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fügepartner Edelmetallote verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Edelmetallote mit Zusätzen von Nickel und/oder Kobalt und/oder Kupfer und/oder Eisen und/oder Titan und/oder Zirkonium verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lötung und das magnetische Schlußglühen im Lötofen in einer Inert­ gasatmosphäre durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Inertgasatmo­ sphäre zur Lötung ein Flußmittel zugesetzt wird.