DE19851009C2 - Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einer Ankerplatte und einem Stößel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Bau­ gruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteue­ rung bei Brennkraftmaschinen.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung be­ steht im wesentlichen aus einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die durch ein Bauteil aus einem nicht fer­ romagnetischen Material voneinander getrennt sind, wel­ ches beispielsweise als Gehäuseteil ausgeführt ist. Der Öff­ nermagnet und der Schließermagnet sind Elektromagneten, die jeweils aus einer Spule und einem Joch bestehen. Zwi­ schen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befin­ det sich die aus einem ferromagnetischen Material beste­ hende Ankerplatte, die durch Bestromen der Spule des Öff­ nermagneten oder der Spule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Der Öffnermagnet weist eine Durchführung für einen Stößel auf, der die auf die An­ kerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswech­ selventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß an dem Stößel ein Aktorfederteller angeordnet ist, wobei zwi­ schen dem Aktorfederteller und der Außenseite des Öffner­ magneten eine Aktorfeder angeordnet ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funk­ tionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nockenwellen, 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, wer­ den der Aktorfederteller und der Ventilfederteller gegenein­ ander gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit be­ findet sich die Ankerplatte exakt in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet. Das Gaswechsel­ ventil befindet sich dabei in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Ventil ge­ schlossen ist, und der Position, in der das Ventil maximal ge­ öffnet ist.

Damit die Kräfte der Elektromagneten, die auf die Anker­ platte wirken, von der Ankerplatte auf den Stößel und schließlich auf das Gaswechselventil übertragen werden können, ist es notwendig, die Ankerplatte fest mit dem Stö­ ßel zu verbinden. Die Verbindung zwischen der Ankerplatte und dem Stößel ist beim Betrieb des Aktors einer dynami­ schen Scherbelastung ausgesetzt. Dabei muß die Verbin­ dung dafür ausgelegt sein, daß die Ankerplatte und der Stö­ ßel aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden. Während die Ankerplatte aus einem ferromagnetischen Ma­ terial besteht, wird der Stößel aus einem hochfesten aber leichten Material gefertigt. Im Fall von Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedli­ chen Materialien treten bei der betriebsbedingt starken Er­ wärmung 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 Eigenschaften sehr gut reproduzierbar sein.

Aus der nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 197 33 135 A1 ist ein Verfahren zur Herstel­ lung einer aus einem vergütbaren Stahlwerkstoff und einem ferromagnetischen Eisenwerkstoff zusammengesetzten Baugruppe bekannt, bei dem zwischen beiden Werkstoffen Lot plaziert wird, wonach die Baugruppe auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Lot schmilzt, und da­ nach die Baugruppe abkühlt. Daraufhin wird die Baugruppe auf eine Vergütungstemperatur des Stahlwerkstoffes angehoben, die für eine vorgegebene Zeitspanne gehalten wird, bis die Bau­ gruppe dann vollständig abgekühlt wird.

Der Nachteil diese Verfahrens besteht darin, daß die magnetischen Eigenschaften des Eisen­ werkstoffes durch thermische Einwirkung während dem Verfahren degradieren, und daß die ma­ gnetischen Eigenschaften in einem separaten zeitaufwendigen und damit teuren magnetischen Schlußglühen eingestellt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Anker­ platte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung bei Brennkraftmaschinen anzugeben, das energiesparend, mit einer geringen Ferti­ gungsdauer und somit kostengünstig durchgeführt werden kann, und das die genannten Nach­ teile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die Ankerplatte mit dem Stößel durch eine Lötung verbunden wird, und di­ rekt anschließend im Lötofen die magnetischen Eigenschaf­ ten 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 Anwendungsmöglichkeiten am ehesten ge­ eignet ist, den an die Verbindung gestellten Anforderungen gerecht zu werden.

Um eine hochfeste Verbindung durch eine Lötung zu ge­ währleisten, werden die Ankerplatte und der Stößel so aus­ gearbeitet, daß zwischen ihnen ein vorzugsweise radialsym­ metrischer Fügespalt entsteht, in den ein Fügepartner einge­ bracht werden kann. Als Fügepartner steht eine Vielzahl von Reinloten oder Lotlegierungen zur Verfügung, die entspre­ chend den gestellten Anforderungen verwendet werden. Eine naheliegende Anforderung ist, daß die Liquidustempe­ ratur des Fügepartners unterhalb der Solidustemperatur der Ankerplatte und des Stößels liegt. Zudem muß der Fügepart­ ner die Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten der unterschiedlichen Materialien für die Anker­ platte und den Stößel kompensieren, wobei der Fügepartner ein gutes Fließ- und Benetzungsverhalten mit diesen unter­ schiedlichen 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 aufge­ bracht ist.

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

Das Aufheizen des Lötofens erfolgt mit ca. 5-30°C/min bis auf ca. 100°C unterhalb der Solidustemperatur des Füge­ partners, bzw. der Temperatur, bei der Legierungsbestand­ teile des Fügepartners zu diffundieren beginnen.

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

Im Anschluß wird der Lötofen mit ca. 10-44°C/min bis auf 200°C über der Liquidustemperatur des Fügepartners aufgeheizt. Bei dieser Temperatur erfolgt ein weiterer Tem­ peraturhalteschritt bis zum Abschluß der Lötung.

In einem zweiten Prozeßschritt erfolgt das magnetische Schlußglühen zur Einstellung der magnetischen Eigenschaf­ ten der Ankerplatte.

Dabei wird der Lötofen auf eine Temperatur aufgeheizt/­ abgekühlt, bei der die magnetischen Eigenschaften der An­ kerplatte eingestellt werden. Diese Temperatur ist vom Ma­ terial der Ankerplatte abhängig und beträgt bei Weicheisen beispielsweise 600°C.

Anschließend folgt ein zumeist mehrstündiger Tempera­ turhalteschritt, 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 Schlußglü­ hen es erfordern, werden Prozeßschritte in einer Inertgasat­ mosphäre durchgeführt, der gegebenenfalls auch gasför­ mige Flußmittel für den verwendeten Fügepartner zugesetzt werden können.

Durch das beschriebene Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Bau­ gruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung werden die zwei energieintensiven Prozeßschritte Lö­ tung und magnetisches Schlußglühen durchgeführt, ohne daß die Baugruppe dem Lötofen entnommen werden muß. Somit werden die Herstellungsdauer und der Herstellungs­ aufwand der Baugruppe verkürzt, der Energiebedarf redu­ ziert und somit die Herstellungskosten gesenkt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer aus einer Ankerplatte und einem Stößel bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagneti­ schen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit drei Fi­ guren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

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

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

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

In der Fig. 1 ist eine Baugruppe aus Ankerplatte AP und Stößel S für einen Aktor zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung 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 hochvergüteten Ventilstahl ge­ fertigt. Die Verbindung von Ankerplatte AP und Stößel S er­ folgt durch eine Lötung in einem Lötofen. Direkt im An­ schluß an die Lötung erfolgt im Lötofen die Einstellung der magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte AP durch ein magnetisches Schlußglühen, wobei der Lötofen nicht auf Raumtemperatur abgekühlt werden muß. Die Baugruppen aus Ankerplatte AP und Stößel S werden dabei nicht ein­ zeln, sondern in Chargen von bis zu mehreren hundert Bau­ gruppen zur Durchführung beider Prozeßschritte in den Löt­ ofen eingebracht.

Die Ankerplatte AP und der Stößel S sind derart ausgear­ beitet, daß an der Verbindungsstelle 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, diffusionsähnli­ che Verbindung muß die Ankerplatte AP dauerhaft und hochfest mit dem Stößel S verbinden, da die Verbindung beim Betrieb des Aktors einer dynamischen Scherbelastung ausgesetzt ist. Die Festigkeit der Verbindung muß durch die betriebsbedingt starke Erwärmung der Aktoren zur elektro­ magnetischen Ventilsteuerung auch bei hohen Temperaturen gewährleistet sein. Durch die Differenzen in den thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten der für die Ankerplatte AP und den Stößel S verwendeten unterschiedlichen Materia­ lien ist die Verbindung einem hohen Streß bzw. hohen me­ chanischen Spannungen ausgesetzt.

Im folgenden wird in einem ersten Ausführungsbeispiel das Verfahren zur Herstellung 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 Ti­ tan-Anteil von 6% verwendet. Dieses Kupfer-Titan-Lotle­ gierung 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 Innen­ druck vor dem Aufheizen auf 1.0 × 10^-4 mbar abgesenkt.

Das Aufheizen des Lötofens erfolgt bei konstantem In­ nendruck mit 5°C/min bis auf ca. 500°C. Bei dieser Tempe­ ratur erfolgt ein Temperaturhalteschritt von 15 Minuten, 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 unter­ halb der Solidustemperatur von 850°C der Lotlegierung an­ gehoben, also auf 750°C. Dies entspricht der Temperatur, bei der Legierungsbestandteile der Lotlegierung zu diffun­ dieren beginnen. Die Temperatur von 750°C wird 10 Minu­ ten beibehalten.

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

Durch eine weiteren Temperaturhalteschritt von 20 Minu­ ten wird gewährleistet, daß sich alle Baugruppen der Charge der Temperatur von 1250°C angenähert haben und die Lot­ legierung den Fügespalt zwischen Stößel S und Ankerplatte AP vollständig ausfüllt.

Anschließend wird die Temperatur des Lötofens mit einer Abkühlrate von bis zu 40°C/min auf die Temperatur abge­ senkt, bei der die magnetischen Eigenschaften der Anker­ platte 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 Ab­ kühlen des Lötofens bzw. der Charge von Baugruppen aus Ankerplatte AP und Stößel S erfolgt mit maximal 2°C/min bis auf Raumtemperatur, um Verspannungen in der Verbin­ dung zwischen der Ankerplatte AP und dem Stößel S zu ver­ meiden.

Im folgenden wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel das Verfahren zur Herstellung 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) verwendet.

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 Liquidus­ temperatur beträgt 1000°C. Die pulverförmige Lotlegierung wird mittels eines Bindemittels in die Form einer Loch­ scheibe gebracht. Diese Lochscheibe wird um den Stößel S auf die Ankerplatte 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 Verbindungsstelle gerändelt sind, d. h. axiale Riefen aufweisen. Diese Riefen sind so ausgebildet, daß durch Verdrehen der Ankerplatte AP gegen den Stößel S beide Bauteile klemmen und fixiert sind. Dadurch kann die Lötvorrichtung für die Baugruppe aus Ankerplatte AP und Stößel S als einfache Haltevorrich­ tung 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 Auf­ heizen 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 Lotlegierung zu diffundieren beginnen.

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

Bei dieser Temperatur erfolgt die Lötung und das magne­ tische Schlußglühen der Ankerplatte AP, wobei die Tempe­ ratur 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 unterbinden.

Das nach dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführte Verfahren zur Herstellung einer aus Anker­ platte AP und Stößel S bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftma­ schinen gewährleistet 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 Anker­ platte (AP) und einem Stößel (S) bestehenden Bau­ gruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung bei Brennkraftmaschinen, wobei die Anker­ platte (AP) und der Stößel (S) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, mit den beiden direkt hintereinander in einem Lötofen durchgeführten Pro­ zeßschritten:

• A) Erster Prozeßschritt als Lötung zur Verbin­ dung von Ankerplatte (AP) und Stößel (S):
  • a) Absenkung des Innendrucks des mit der Baugruppe und einem Fügepartner belade­ nen Lötofens,
  • b) Aufheizen des Lötofens bis auf ca. 100°C unterhalb der Solidustemperatur des Füge­ partners, bzw. der Temperatur, bei der Legie­ rungsbestandteile des Fügepartners zu dif­ fundieren beginnen,
  • c) Temperaturhalteschritt zur Kompensation von Temperaturdifferenzen im Lötofen,
  • d) Aufheizen des Lötofens bis auf 200°C über der Liquidustemperatur des Fügepart­ ners,
  • e) Temperaturhalteschritt bis die Verbin­ dung zwischen der Ankerplatte (AP) und dem Stößel (S) hergestellt ist,
• B) Zweiter Prozeßschritt als magnetisches Schlußglühen zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte (AP):
  • a) Abkühlen/Aufheizen des Lötofens auf die materialabhängige Temperatur der Anker­ platte (AP), bei der die magnetischen Eigen­ schaften eingestellt werden,
  • b) Temperaturhalteschritt bis zur vollständi­ gen Entmagnetisierung der Ankerplatte (AP),
  • c) Abkühlen des Lötofens auf Raumtempe­ ratur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, 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 gekenn­ zeichnet, daß die Ankerplatte (AP) und der Stößel (S) bei der Lötung und bei dem magnetischen Schlußglü­ hen in einer Lötvorrichtung fixiert werden.

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

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

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

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Fügepartner Nickelba­ sislote verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, 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 wer­ den.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Fügepartner Edelmetal­ lote verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, 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 An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötung und das magnetische Schlußglühen im Lötofen in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Inertgasatmosphäre zur Lötung ein Flußmittel zugesetzt wird.