DE4311507C2 - Roll-/Gleitteil und Nockenstößelvorrichtung für Motoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Roll-/Gleitteil zur Verwendung bei zumindest entweder Roll- und/oder Gleitberührung mit anderen Teilen sowie eine Nockenstößelvorrichtung, mit einer Welle und einem äußeren Ring im Ventilantrieb eines Motors.

Es gibt zahlreiche Arten von Kraftfahrzeugmotoren einschließlich Motoren mit hin- und hergehenden Kolben, die sämtlich - mit Ausnahme einiger Zweitaktmotoren - Luft­ einlaßventile und Auslaßventile aufweisen, die sich in Phase mit der Drehung der Kurbelwelle oder synchron hierzu öffnen und schließen.

Ein Ventilantriebsmechanismus wird zur Übertragung der Bewegung des an der Nockenwelle angebrachten Nockens auf die Ventile verwendet, wenn sich die Nockenwelle zusammen mit der Kurbelwelle des Motors dreht.

Es gibt zahlreiche Arten von Ventilantriebsmechanismen zum Antrieb der Einlaßventile und Auslaßventile. Beispielsweise im Ventilantriebsmechanismus eines SOHC-Motors (SOHC: Single Overhead Cam Shaft = eine oben liegende Nockenwelle), wie in Fig. 3 gezeigt, dreht sich die einzige Nockenwelle mit der Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle (für einen Vierzylindermotor), um das Einlaßventil 17 und das Auslaßventil 18 über die Kipphebel 16 anzutreiben. Im einzelnen sind die Nocken 19 an der Nockenwelle 15 angebracht, welche sich in Phase mit der Kurbelwelle 14 dreht, so daß sie in Berührung mit den Enden der Kipphebel 16 gelangen und so das Einlaßventil 17 und das Auslaßventil 18 antreiben.

In den letzten Jahren wurde häufig der Ventilantriebsmechanismus mit einem Nockenstößel ausgerüstet, so daß im Betrieb des Ventilantriebsmechanismus die auftretende Reibung von einer Gleitreibung in eine Rollreibung umgewandelt wird, wodurch Reibungsverluste auf einem Minimum gehalten werden.

Um die Reibungskraft zu verringern, die zwischen der Kante des Nockens 19 und dem dazugehörigen Teil auftritt, beispielsweise dem Kipphebel 16, wenn der Motor läuft, und zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs bei laufendem Motor, wird inzwischen üblicherweise eine Nockenstößelvorrichtung, die sich zusammen mit der Drehung der Nocken 19 dreht, am Berührungspunkt angeordnet.

Diese Art einer Nockenstößelvorrichtung ist mit einem äußeren Ring versehen, welcher in eine Roll- und/oder Gleitberührung mit den anderen Teilen gebracht wird.

Wie in Fig. 4 bis Fig. 6 gezeigt ist, sind ein Paar Stützwandabschnitte 20 mit einem Zwischenraum dazwischen am Ende des Kipphebelarms 16 gegenüber liegend dem Nocken 19 angeordnet, und beide Enden einer Welle 21 sind an den Stützwandabschnitten 20 gehaltert. Ein kurzer, zylinderförmiger äußerer Ring 23 ist um diese Welle 21 herum angeordnet und gelangt in Berührung mit der Welle 21 über Rollen 22, oder gelangt direkt in Berührung mit der Welle 21. Die Außenumfangsoberfläche dieses äußeren Ringes 23 gerät in Berührung mit der Außenumfangsfläche des Nockens 19, so daß sich bei Drehung des Nockens 19 der äußere Ring 23 um die Welle 21 dreht.

Durch Verwendung dieser Art eines äußeren Ringes 23 wird die Reibung zwischen dem Nocken 19 und den Teilen, die mit ihm in Berührung kommen, von einer Gleitreibung zu einer Rollreibung umgewandelt, wodurch der Brennstoffverbrauch gesenkt wird.

Wenn diese Art einer Nockenstößelvorrichtung im Ventilantriebsmechanismus eines Motors angebracht wird, treten allerdings leicht Beschädigungen, wie beispielsweise Pitting, auf der Außenumfangsfläche des Nockens 19 auf, hervorgerufen durch die schwankende Belastung, die auf die Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 durch die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 ausgeübt wird.

Wenn das Roll-/Gleitteil unter Bedingungen mit schlechter Schmierung verwendet wird, gelangen nur die Enden sehr kleiner Vorsprünge, die auf der Oberfläche des Teils vorhanden sind, in direkte Berührung (metallische Berührung) mit der Oberfläche der entsprechenden anderen Teile, ohne daß dazwischen ein Ölfilm vorhanden ist. In diesem Fall wird der Hauptteil der auf das Roll-/Gleitteil ausgeübten Belastung durch die Last mit mehreren kleinen Vorsprüngen getragen, die in Berührung mit den gegenüberliegenden Teilen gelangen, so daß hohe Spannungskonzentrationen zusammen mit Tangentialkräften auf jeden kleinen Vorsprung ausgeübt werden.

Infolge der Spannungskonzentrationen und der Tangentialkräfte treten kleine Risse auf der Oberfläche des Roll-/Gleitteils auf, und mit fortschreitender Rißausbildung tritt ein Abblättern auf.

Um die Reibung zu verringern, könnte die Oberfläche des Roll-/Gleitteils härter ausgebildet werden, jedoch werden bei Erhöhung der Härte in einem derartigen Ausmaß Risse noch leichter durch die hohen Spannungskonzentrationen hervorgerufen, was zum Abblättern führt.

Um die Lebensdauer der Oberfläche des Roll- und/oder Gleitteils zu erhöhen, sind in der Vergangenheit zahlreiche Erfindungen in bezug auf die Verbesserung der Oberflächenbedingungen vorgeschlagen worden.

Aus der GB 2 244 103 A ist ein Wälzlager mit einer Oberflächenhärte HV bekannt, die durch den prozentualen Anteil restlichen Austenits festgelegt wird, der größer als 20 Vol-% sein soll, und vorzugsweise zwischen 25 Vol-% und 45 Vol-% liegen sollte. Das dort vorgeschlagene Wälzlager besteht aus einer Stahllegierung mit darin enthaltenen karbidbildenden Elementen, die aufgekohlt oder carbonitriert und gehärtet wird. Wird mit γ_R der Anteil an restlichem Austenit bezeichnet, so wird eine Härte HV in dem sich aus folgender Formel ergebenden Bereich erzielt:

-4,7 _* (γ_R Vol-%) + 920 HV -4,7 _* (γ_R Vol-%) + 1020

also mit γ_R = 20 Vol-% bis 45 Vol-% eine Oberflächenhärte zwischen HV 709 und HV 809 (für γ_R = 45 Vol-%) bzw. zwischen HV 826 und Hv 926 (für γ_R = 20 Vol-%). In diesem Zusammenhang wird angegeben, daß bei einer Oberflächenhärte unterhalb des unteren Grenzwerts die Dauerfestigkeit und damit die Lebensdauer abnimmt, dagegen eine Erhöhung der Oberflächenhärte auf mehr als den oberen Grenzwert schwierig ist.

Wie auf Seite 39 der Sonderausgabe "Roller Rocker Arm and the Reduction of Friction" in der Zeitschrift "Automotive Engineering", (Japan), Ausgabe vom Juli 1989, vorgeschlagen wurde, besteht die Nockenwelle 15 einschließlich des Nockens 19 aus einem sehr festen und harten Metallmaterial, beispielsweise gehärtetem Gußeisen, abgeschrecktem Gußeisen, gehärtetem Stahl, oder einer gesinterten Legierung, die dem Pitting standhalten können.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. H1-30008 beschreibt eine Erfindung, die sich auf eine Lagerrolle bezieht, die mit einer Rolloberflache versehen ist, deren Oberflächenrauhigkeit Rmax zwischen 0,3 und 1,5 µm liegt, und die mit Kratzern in statistisch angeordneten Richtungen versehen ist, und deren Oberflächenschicht eine Restspannung von 50 kg/mm² oder mehr aufweist.

Die japanischen ersten Patentveröffentlichungen Nr. H3-117723 bis Nr. H3-117725 beschreiben eine Erfindung, die sich auf die Ausbildung mehrerer Vertiefungen in statistischer Weise auf der Rolloberfläche unter Verwendung einer Trommelbearbeitung bezieht, wobei zusätzlich die Härte der Oberflächenschicht größer ausgebildet ist als die Innen- oder Gesamtkörperhärte, so daß eine verbleibende Kompressionsspannung in der Oberflächenschicht auftritt.

Weiterhin beschreibt die japanische erste Patentveröffentlichung Nr. H3-199716 ein Lager, bei welchem die Oberfläche, die andere Teile berührt, unter Verwendung eines Oberflächenhärtungsprozesses gehärtet ist, und bei welchem die Tiefe des Spitzenwertes der restlichen Kompressionsspannung gleich der Tiefe des Spitzenwertes der Scherspannungsverteilung ist.

Weiterhin beschreibt die japanische erste Patentveröffentlichung Nr. H4-54312 eine sich auf Lagerteile beziehende Erfindung, wobei die restliche Kompressionsspannung, die unter Einsatz eines Kugelstrahlverfahrens gebildet wird, 100 kg/mm² oder mehr auf der Oberfläche beträgt, wobei die Spannung 40 kg/mm² oder mehr in einer Entfernung von 200 µm unterhalb der Oberfläche beträgt.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. H2-17607 beschreibt ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei welchem Schrotkugeln im Bereich von 40 bis 200 µm Größe und mit einer Härte gleich oder größer der Härte des Produkts vorgesehen sind, und die Schrotkugeln auf die Oberfläche des Produkts mit einer Geschwindigkeit von 100 m/sek oder gestrahlt werden, um so die Temperatur um die Oberfläche herum auf oberhalb des As-Transformationspunkts zu erhöhen.

Bei diesen voranstellend genannten Erfindungen ist abhängig von den Betriebsbedingungen eine hervorragende Lebensdauer erzielbar. Werden diese Erfindungen jedoch bei den Roll- und/oder Gleitteilen eingesetzt, die unter Bedingungen mit schlechter Schmierung in einem Roll- und/oder Gleitkontakt mit anderen Teilen verwendet werden, so ist es unmöglich, eine ausreichende Lebensdauer zu erzielen.

Wenn beispielsweise diese Erfindungen bei einer Nockenstößelvorrichtung eingesetzt werden, die einem äußeren Ring in einer Roll- und/oder Gleitberührung mit der Außenumfangsoberfläche des Nockens beim Lauf des Motors hat, so kann ein Abblättern auftreten, was die Lebensdauer des Stößels verringert.

Falls die Nockenwelle 15 einschließlich des Nockens 15 aus einem sehr festen und harten Metallmaterial besteht, beispielsweise aus dem abschreckgehärteten Gußeisen wie in "Automotive Engineering", (Japan), wie voranstehend beschrieben, so wird ein Abblättern auf der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 in Berührung mit dem Nocken 19 auftreten.

Insbesondere ist es schwierig, eine End- oder Feinbearbeitung der Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 durchzuführen, der aus einem harten Metallmaterial besteht, beispielsweise aus abschreckgehärtetem Gußeisen, und zahlreiche kleine Vorsprünge werden auf der Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 ausgebildet, wie in Fig. 8 dargestellt, welche mit dem normalen industriellen Oberflächenendbearbeitungsverfahren behandelt wurde. Die Oberflächenrauhigkeit der Außenumfangsoberfläche ist verhältnismäßig hoch, also etwa 0,4 µm Ra bis 0,8 µm Ra.

Andererseits besteht der äußere Ring 23 aus Lagerstahl, der härter ist als der Nocken 19, und wird gewöhnlich auf seiner Oberfläche einer Superfinish-Bearbeitung unterzogen, da der äußere Ring 19 eine einfachere Form aufweist und einfacher zu behandeln ist als die Nockenwelle 15 mit den Nocken 19.

Daher weist die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 einen glatten Endzustand auf, der in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt ist, mit einer Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,05 µm Ra, so daß die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 mit einer begrenzten Schmiermittelmenge 24 versehen ist, was zum Auftreten des Abblätterns führen kann, wenn der äußere Ring 23 in einer Nockenstößelvorrichtung angebracht ist und eine Roll-/Gleitberührung mit der Außenumfangsoberfläche des Nockens während des Laufes des Motors erfährt.

In OHC- und DOHC-Motoren ist dann, wenn der Ventilantriebsmechanismus oben im Motor vorgesehen ist, die Schmierölversorgung für den Ventilantriebsmechanismus unzureichend, so daß beim Lauf des Motors der Schmierungszustand sehr schwierig wird. Wenn bei einem derartigen Zustand eine Roll- und/oder Gleitberührbeziehung zwischen der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes zu der Außenumfangsoberfläche des Nockens vorliegt, tritt gewöhnlich ein Abblättern mit einer Tiefe von 5 bis 10 µm auf der Außenumfangsoberfläche auf, so daß die Lebensdauer des äußeren Ringes verkürzt wird.

Bei der voranstehend erwähnten Technologie ist festzustellen, daß bei der in der japanischen ersten Patentveröffentlichung Nr. H4-54312 geschilderten Erfindung bei schlechten Schmierungsbedingungen, unabhängig von dem Reibungszustand, ein Abblättern nicht ausreichend verhindert werden kann.

Weiterhin besteht bei der Erfindung, die in der japanischen ersten Patentveröffentlichung Nr. H3-199716 beschrieben ist, in der Hinsicht kein ernsthaftes Problem, wenn die Reibung nur Rollreibung ist, jedoch kann bei einer Gleitreibung ein Abblättern nicht ausreichend verhindert werden.

Wenn bei den Erfindungen, die in den japanischen Patentveröffentlichungen H1-30008 und H3-117723 bis H3-117725 beschrieben sind, ein schlechter Schmierungszustand vorliegt, und wenn schwierige Betriebsbedingungen vorliegen, beispielsweise eine hohe Kontaktbelastung, so kann wiederum ein Abblättern nicht ausreichend verhindert werden.

Das Lagerteil gemäß der Patentveröffentlichung Nr. H2-17607 kann keine ausreichenden Anti-Abblätterungseigenschaften zur Verfügung stellen, falls kein zusätzliches Verfahren eingesetzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roll-/Gleitteil bzw. eine Nockenstößelvorrichtung der eingangs genannten Art vorzusehen, bei welchen die voranstehend erwähnten Bedingungen berücksichtigt sind, und bei welchen ein Abblättern ausreichend verhindert werden kann, selbst bei schlechter Schmierung.

Die Aufgabe wird durch ein Roll-/Gleitteil gemäß Patentanspruch 1 bzw. eine Nockenstößelvorrichtung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Kugelstrahlvorrichtung, die zur Bewertung bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Belastbarkeitsprüfvorrichtung, die zur Bewertung bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Beispiels für den Ventilantriebsmechanismus eines Motors;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Nockenstößelvorrichtung, die in dem in Fig. 3 gezeigten Ventilantriebsmechanismus angebracht ist;

Fig. 5 eine Ansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 im Falle eines Rollenlagers;

Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 im Falle eines Gleitlagers;

Fig. 7 eine Aufsicht auf Kratzer, die auf der Außenumfangsoberfläche eines konventionellen äußeren Ringes verbleiben; und

Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts von Fig. 7 einschließlich der zusammengehörigen Oberflächen des äußeren Ringes und des Nockens.

Es ist möglich, ein Auftreten eines Abblätterns von 5 bis 10 µm bei dem Roll-/Gleitteil gemäß der vorliegenden Erfindung zu verhindern, und die Lebensdauer des Teils zu erhöhen.

Da bei dieser Erfindung die Härte der Oberflächenschicht zwischen HV 830 und HV 960 eingestellt ist, ist es möglich, eine Rißbildung zu verhindern, welche die Ursache für das Abblättern ist, wobei eine Reibung im wesentlichen verhindert wird. Ist die Härte geringer als HV 830, so treten keine Risse auf, jedoch wird die Reibung höher, und wenn umgekehrt die Härte HV 960 übersteigt, so wird die Reibung stark unterdrückt, jedoch tritt leichter eine Rißbildung auf, und so wird in jedem der genannten beiden Fälle die Lebensdauer des Roll-/Gleitteils verringert.

Wenn die maximale verbleibende Kompressionsspannung erhöht wird, kann sogar verhindert werden, daß entstehende Risse sich weiter ausbreiten, was in der Hinsicht sehr wichtig ist, daß ein Abblättern infolge einer Rißbildung nicht auftritt.

Wenn allerdings das Roll-/Gleitteil so bearbeitet wird, daß die maximale verbleibende Kompressionsspannung auf seiner Oberfläche 110 kg/mm² überschreitet, dann steigt die Oberflächenhärte auf über HV 960 an. Daher ist die maximale verleibende Kompressionsspannung auf bis zu 110 kg/mm² begrenzt.

Wenn andererseits die maximale verbleibende Kompressionsspannung niedriger ist als 50 kg/mm², so wird die fortschreitende Ausbildung von Rissen nicht wirksam verhindert. Daher muß die maximale verbleibende Kompressionsspannung zumindest 50 kg/mm betragen.

Die Oberflächenrauhigkeit beeinflußt die Fähigkeit zur Ausbildung eines Ölfilms zwischen der Oberfläche des Roll-/Gleitteils und der Oberfläche der gegenüberliegenden Teile. Je kleiner die Oberflachenteilung (Wellenlänge) ist, desto einfacher ist es, einen Ölfilm auszubilden. Der Erfinder hat experimentell herausgefunden, daß bei einer Wellenlänge von 25 µm oder weniger die Fähigkeit zum Ausbildung eines Ölfilms wesentlich verbessert wird. Daher wird die durchschnittliche Rauhigkeitswellenlänge so eingestellt, daß sie 25 µm oder weniger beträgt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die mittlere Wellenlänge λ der Oberflächenrauhigkeit, gegeben durch

λ = 2π · R/Θ.

Hierbei ist R die durchschnittliche Rauhigkeit auf der Oberfläche, und Θ ist der Durchschnitt des Absolutwertes des Neigungswinkels der kleinen Vorsprünge auf der Oberfläche. Die mittlere Wellenlänge λ ist erläutert in "Exploring Surface Texture" von H. Dagnall, Rank Taylor Hobson, Leicester, England (1980), S. 54-67 (S. 62).

Durch Verkürzung der mittlere Wellenlänge λ der Oberflächenrauhigkeit wird die Fähigkeit erhöht, Schmieröl in den Räumen zwischen den zahlreichen kleinen Vorsprüngen auf der Oberfläche zu halten, und daher die Fähigkeit, den Ölfilm zwischen dem Roll-/Gleitteil und den dazugehörigen Teilen auszubilden, so daß ein Auftreten einer Rißbildung, welche zum Abblättern führt, schwieriger wird.

Wenn eine große Menge ductilen Austenits in der Mikrostruktur des Roll-/Gleitteils verbleibt, so kann erwartet werden, daß eine Rißbildung verhindert wird. Wenn jedoch die Menge restlichen Austenits in der Mikrostruktur weniger als 7 Vol-% beträgt, so kann nicht erwartet werden, daß dies zur Verhinderung einer Spaltbildung wirksam ist. Auch um die maximale restliche Kompressionsspannung und die Härte innerhalb der voranstehend angegebenen Bereiche zu halten, ist es erforderlich, daß der Prozentsatz an restlichem Austenit 7 Vol-% überschreitet.

Mit anderen Worten können die Werte der maximalen restlichen Kompressionsspannung und der Härte der Oberflächenschicht nicht die Obergrenzen überschreiten, im einzelnen 110 kg/mm² bzw. HV 960, wenn die Dekompositionsrate von Austenit in diesem Prozeß (der Prozentsatz, zu welchem Austenit während des Prozesses reduziert wird) auf 30% oder weniger gehalten wird.

Bevor die Oberfläche behandelt wird, beträgt der Prozentsatz an Austenit in der Mikrostruktur in dem Lagerstahl (SUJ2 und so weiter) etwa 11 Vol-%. Damit die maximale restliche Kompressionsspannung und die Härte nicht ihre Obergrenzen überschreiten, ist es daher erforderlich, daß der Prozentsatz an Austenit nach der Behandlung 7 Vol-% übersteigt. Wenn der Kugelstrahlvorgang zu schwach ist, so liegen die maximale restliche Kompressionsspannung und die Härte unter ihren Untergrenzen, nämlich unter 50 kg/mm 2 bzw. unter HV 830.

Der äußere Ring gelangt in Berührung entlang seiner Außenumfangsoberfläche mit dem Nocken 19, und entlang seiner Innenumfangsoberfläche mit der Welle 21 oder der Rolle 22, und wenn die Gesamtoberflächen des äußeren Ringes so behandelt werden, daß sie die voranstehend erwähnten Eigenschaften zeigen, so wird das Auftreten eines Abblätterns auf der Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 und der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes verhindert, jedoch ist die Rolloberfläche der Rolle 22, welche infolge einer Super-Finish-Bearbeitung eine glatte Oberfläche aufweist, sehr stark empfindlich in bezug auf ein Abblättern, und auf der Außenumfangsoberfläche der Welle tritt leicht ein Abrieb auf. Dies wird durch eine Super-Finish-Bearbeitung auf der Innenoberfläche des äußeren Ringes erzielt.

Wenn der Ölfilmparameter Λ durch h/6 gegeben ist, wobei "h" die Dicke des Ölfilms ist, und "6" die Rauhigkeit, so ist der Ölfilmparameter zwischen der Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes und der Außenumfangsoberfläche der Rolle oder Welle ausreichend groß, die beide einer Super-Finish-Behandlung unterzogen wurden. Daher erfolgt eine ausreichende Schmierung zwischen der Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes und der Außenumfangsoberfläche der Rolle oder Welle, um so ein Abblättern auf der Rolloberfläche der Rolle und einen Abrieb auf der Außenumfangsoberfläche der Welle zu verhindern. Daher wird die Lebensdauer der gesamten Nockenstößelvorrichtung mit dein dort angebrachten äußeren Ring vergrößert.

Zur Bestätigung für die vorliegende Erfindung wird eine Ausführungsform des Verfahrens zum Behandeln der Oberfläche des Roll-/Gleitteils, insbesondere des äußeren Ringes, gemäß der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben, mit Versuchsergebnissen.

Bei der Durchführung von Versuchen wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt, vier Arten von Versuchsproben gemäß der Erfindung hergestellt, und acht Proben für Vergleichszwecke, so daß insgesamt zwölf Versuchsproben erhalten wurden. Sämtliche Versuchsproben bestanden aus Lagerstahl (SUJ2).

Vor der gewünschten Oberflächenbehandlung wurden sie sämtlich normal abgeschreckt, insbesondere in Öl abgeschreckt, nach Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 800 und 850°C, und wurden bei einer Temperatur zwischen 150 und 200°C getempert. Die Versuchsstücke wiesen einen Außendurchmesser von 20 mm auf, einen Innendurchmesser von 13 min, und eine Dicke von 8 in, in Form eines kurzen Zylinders.

Das Versuchsstück Nr. 1 fuhr Vergleichszwecke wurde einfach dadurch poliert, daß ein Poliertuch eingesetzt wurde, und die Oberfläche wurde keiner Kugelstrahlbehandlung zum Härten unterzogen. Sämtliche anderen elf Versuchsstücke, Nr. 2 bis Nr. 12, erfuhren dieselbe Kugelstrahlbehandlung, wie in der japanischen ersten Patentveröffentlichung Nr. H4-54312 beschrieben, unter Verwendung einer Kugelstrahlvorrichtung gemäß Fig. 1, um die Oberfläche zu härten und eine hohe restliche Kompressionsspannung in der Oberflächenschicht zu erzeugen.

Nunmehr wird der Aufbau und der Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Kugelstrahlvorrichtung kurz beschrieben. Zuerst werden die sehr kleinen Schrotkügelchen 3 von der Schütte 1 in den Drucktank 2 eingegeben, und werden dann in den Mischer 5 durch die Druckluft gedrückt, die in den Drucktank 2 von dem Luftzufuhrrohr 4 aus hineinfließt. Dann werden sie zur Düse 7 durch die Druckluft gedrückt, die in den Mischer 5 von dem Verzweigungsrohr 6 hineinfließt, und dann werden sie unter Druck aus der Düse 7 auf die Oberfläche ausgestoßen, die behandelt werden soll. Dies führt dazu, daß die bearbeitete Oberfläche gehärtet wird, so daß eine verbleibende Kompressionsspannung auf der behandelten Oberfläche erzeugt wird, mit sehr kleinen Vertiefungen, die auf der Oberfläche gebildet werden.

Der Schrot 3, der für alle Versuchsstücke Nr. 2 bis Nr. 12 verwendet wurde, bestand aus Stahlkugeln mit einem Durchschnittsdurchmesser von 0,03 bis 0,7 mm, und einer mittleren Härte von H_RC 61. Die Projektionsgeschwindigkeit für den Schrot 3 (die Anfangsgeschwindigkeit des aus der Düse 7 herausgeblasenen Schrots 3) betrug 32 bis 120 m/sek (durchschnittliche Projektionsgeschwindigkeit: 80 m/sek). Die Projektionsgeschwindigkeit wurde durch Schließen oder Öffnen des Einstellventils 8 eingestellt, welches in der Mitte des Verzweigungsrohrs 6 angeordnet war. Die verbleibende Kompressionsspannung, die auf der Oberfläche jedes der Versuchskörper Nr. 2 bis Nr. 12 gebildet wurde, wurde durch Einstellung dieser Projektionsgeschwindigkeit eingestellt.

Für die Versuchsstücke Nr. 9 bis Nr. 12, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, erfolgte nach der Kugelstrahlbehandlung mit dem Stahlkugelschrot eine zweite Kugelstrahlbehandlung unter Verwendung eines Schrots, beispielsweise Glaskugeln oder Keramikkugeln, der leichter als der Stahlkugelschrot war. Die bei diesem zweiten Kugelstrahlvorgang verwendeten Schrotkugeln wiesen einen mittleren Durchmesser von 0,05 mm auf.

Der zweite Kugelstrahlvorgang unter Verwendung leichteren Schrots wurde zu dem Zwecke durchgeführt, um die Rauhigkeit der Oberfläche zu ändern (um die Oberfläche aufzurauhen und die mittlere Wellenlänge zu verkürzen), und zwar ohne Änderung der Härte und der restlichen Kompressionsspannung der Oberflächenschicht.

Die Kugelstrahlbehandlung wurde bei acht Proben zum selben Zeitpunkt durchgeführt, so daß die im wesentlichen gleichen acht Proben zur Messung der Härte der Oberflächenschicht vorbereitet wurden, der restlichen Spannung in der Oberflächenschicht, der Menge an Austenit, die in der Oberflächenschicht verbleibt, bzw. der mittleren Wellenlänge der Oberflächenrauhigkeit.

Dann wurde ein Belastbarkeitsversuch bei den insgesamt 96 Versuchsproben durchgeführt, und zwar acht für die Versuchsstücke Nr. 1 bis Nr. 12, unter der Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Versuchsausrüstung.

Ein Paar gegenüberliegender Ringe 10 wurde mit einem Zwischenraum dazwischen an zwei Orten auf der Drehwelle 9 angebracht, die von dem Motor angetrieben wird. Ein Paar von Halteteilen 12, die auf einer Seite der Druckplatte 11 vorgesehen waren, wurde getrennt, so daß sie zu den Ringen 10 ausgerichtet waren. Ein Versuchskörper 13 wurde drehbar durch jedes dieser Halteteile gehaltert, so daß die Außenumfangsoberfläche der Versuchskörper in Berührung mit der Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10 gelangte. Als Ergebnis dieser Konstruktion drehten sich die Versuchsstücke 13, wenn sich die Drehwelle 9 drehte. Der Belastbarkeitsversuch wurde dann gleichzeitig bei zwei Versuchskörpern 13 durchgeführt, unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Versuchsausrüstung.

Die Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 9 wurde so eingestellt, daß die Drehzahl der Versuchskörper 13 5100 U/min betrug. Eine Druckkraft von 356 kg wurde auf die Druckplatte 11 in der Richtung der Drehwelle 9 ausgeübt. Daher wurde eine Ringiallast von 178 kg an jeden der Versuchskörper 13 angelegt, und zwar an dem Punkt, an welchem die Außenumfangsoberfläche der Versuchskörper die Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10 berührte. Vor Durchführung des Versuches wies die Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10 eine mittlere Oberflächen-Härte von H_RC 60 bis 61 auf, und die mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra betrug 0,38 bis 0,45. Weiterhin wurde eine Schmierung des Berührungspunktes durch Besprühen mit Mineralöl (10 W-30) durchgeführt.

Der Versuch wurde vierhundert Stunden lang durchgeführt, und wurde während des Versuches mehrere Male angehalten (am Anfang bei 20 Stunden, 50 Stunden und 100 Stunden nach dem Stark, und daraufhin alle 50 Stunden später), um die Oberfläche jedes Versuchskörpers 13 zu betrachten und auf Abblättern zu überprüfen. Wurde das Auftreten eine Abblätterung festgestellt, so wurde der Versuch in diesem Moment unterbrochen, so daß für diese Versuchskörper 13 der Belastbarkeitsversuch beendet war. Die Versuchsergebnisse sind in der Abblätterungsbewertungsspalte von Tabelle 1 angegeben. Die Bewertung fand folgendermaßen statt: Wurden alle acht Versuchskörper 400 Stunden lang geprüft, ohne daß eine Abblätterung auftrat, so wurde das Symbol des Doppelkreises verwendet, falls eine Abblätterung in ein bis drei von acht Versuchskörpern auftrat, so wurde das Kreissymbol aufgezeichnet, wenn eine Abblätterung bei vier bis sieben der acht Proben auftrat, dann wurde das Dreiecksymbol aufgezeichnet, und wenn sämtliche acht Proben eine Abblätterung zeigten, so wurde das Symbol × aufgezeichnet.

Wie deutlich aus der Tabelle 1 hervorgeht, welche die Ergebnisse des Belastbarkeitsversuchs zeigt, wurde bei den Roll-/Gleitteilen gemäß der Erfindung eine Abblätterung ausreichend verhindert, selbst bei schlechten Schmierbedingungen.

Bezüglich Tabelle 1 wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Proben Nr. 9 bis Nr. 12 die numerischen Werte innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen zeigen, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Härte, der Restspannung, des restlichen Austenits und der durchschnittlichen Wellenlänge, daß jedoch die Vergleichsproben zumindest einen numerischen Wert außerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen aufweisen. Bezüglich der maximalen verbleibenden Oberflächenspannung zeigen die mit plus-markierten Werte eine restliche Zugspannung an, und die negativ markierten Werte eine restliche Kompressionsspannung.

Die Innenumfangsoberfläche der Proben Nr. 1 und Nr. 9 bis Nr. 12 wurde einer Super-Finish-Behandlung nach dem Kugelstrahlen unterzogen, wogegen die Innenumfangsoberfläche der Proben Nr. 2 bis Nr. 8 nur durch Kugelstrahlen behandelt wurde.

Andererseits erfolgte die Bewertung der Rolloberfläche der Rolle wie nachstehend angegeben:
Falls ein Abblättern in zumindest einer Probe auftrat, so wurde das Symbol x aufgezeichnet, und falls keine Abschälung in sämtlichen Proben nach Ablauf von 400 Stunden aufgetreten war, so wurde das Doppelkreissymbol aufgezeichnet.

Zusätzlich weist die Rolle in Berührung mit der Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes ausreichend gute Anti-Abblätterungseigenschaften auf ihrer Rolloberfläche auf, verbunden mit Anti-Abriebeigenschaften auf der Außenumfangsoberfläche der Welle.

Das Roll-/Gleitteil gemäß der vorliegenden Erfindung widerstand einer Abblätterung, selbst unter schlechten Schmierbedingungen, und hierdurch wird es möglich, diese Teile zur Verbesserung der Lebensdauer der mechanischen Anordnungen einzusetzen, in welchen sie verwendet werden. Daher lassen sie sich in der Industrie wirksam einsetzen. Unter Verwendung dieser Teile kann beispielsweise der Zeitraum zwischen Wartungsinspektionen von Geräten vergrößert werden, was zu geringeren Wartungsanforderungen für diese Geräte führt.

Bei dem äußeren Ring für einen Nockenstößel eines Ventilantriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher auf die voranstehend beschriebene Weise hergestellt wird, ist die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes verfestigt, und die Oberflächenrauhigkeit ist so ausgebildet, daß auf ihr einfach ein Ölfilm ausgebildet werden kann, wodurch das Auftreten eines Abblätterns auf der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes verhindert wird. Da die Innenumfangsoberfläche eine Super-Finish-Bearbeitung erfahren hat, ist die Rauhigkeit sehr gering, und der Ölfilmparameter zwischen der Innenumfangsoberfläche und der Rolloberfläche der mit Super-Finish behandelten Rollen oder der Außenumfangsoberfläche der Welle ist sehr groß, und daher läßt sich eine längere Lebensdauer der Welle und der Rollen erwarten. Weiterhin wird die Lebensdauer der gesamten Nockenstößelvorrichtung erhöht, die mit einem äußeren Ring versehen ist.

Claims (2)

1. Roll-/Gleitteil zur Verwendung bei zumindest entweder Roll- und/oder Gleitberührung mit anderen Teilen, mit einer Oberfläche, die eine mittlere Wellenlänge λ der Oberflächenrauhigkeit von X kleiner gleich 25 µm aufweist, mit einer durch Kugelstrahlen verfestigten Oberflächenschicht, die in der Tiefe von 0 bis 50 µm unterhalb der Oberfläche eine verbleibende Kompressionsspannung von 50 bis 110 kg/mm² aufweist, eine Härte von HV 830 bis HV 960, und eine Mikrostruktur mit restlichem Austenit von mehr als 7 Vol-%.

2. Nockenstößelvorrichtung für Motoren, mit einer Welle (21) und einem äußeren Ring (22), welcher drehbar auf der Welle (21) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (22) eine Oberfläche mit einer mittleren Wellenlänge λ der Oberflächenrauhigkeit von λ kleiner gleich 25 um aufweist, mit einer durch Kugelstrahlen verfestigten Oberflächenschicht, die in der Tiefe von 0 bis 50 µm unter der Oberfläche eine verbleibende Kompressionsspannung von 50 bis 110 kg/mm² aufweist, eine Härte von HV 830 bis HV 960, und eine Mikrostruktur mit restlichem Austenit von mehr als 7 Vol-%; und daß die Oberfläche des äußeren Ringes (22) einen Superfinish-(feinziehgeschliffenen) Abschnitt auf einer Seite, der Welle (21) gegenüberliegend, aufweist.