DE4423543A1 - Reibungsarme Nockenwelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft im allgemeinen reibungsarme Ventil
steuerungen und insbesondere reibungsarme Nockenwellen zur
Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungs
motors.
Die Konstruktion von Ventilsteuerungen zum Öffnen und
Schließen von Ventilen in Motoren, wie Verbrennungsmotoren,
ist bekannt. Eine solche Ventilsteuerung kann eine direkt
wirkende, hydraulische Ventilstößelsteuerung für einen
Verbrennungsmotor mit obenliegender Nockenwelle sein.
Allgemein umfaßt eine Ventilsteuerung einen einen Nocken
einer Nockenwelle berührenden Stößel, der dazu verwendet
wird, die rotatorische Bewegung der Nockenwelle in eine
axiale Bewegung des Ventiles umzusetzen. Das Ventil wird
durch eine Ventilfeder geschlossen, die das Ventil in eine
geschlossene Position vorspannt.
Die Ventilsteuerung umfaßt einen hydraulischen Ventilspiel
ausgleicher, der eine Änderung der Ventillänge, verursacht
durch thermische Ausdehnung aufgrund von Temperaturänderun
gen sowie durch Abnutzung des Ventilsitzes, ausgleicht.
Diese Art Ventilsteuerung ist eine Hochdruckeinrichtung,
die durch den von der Schmiereinrichtung erzeugten hydrau
lischen Druck den Ventilheber in ständigem Kontakt mit den
Nocken hält, um die Funktion des Ventilöffnens/-schließens
auszuführen. Der ständig auf das Ventil aufgebrachte
hydraulische Druck, um den ständigen Kontakt mit den Nocken
zu erhalten, zusätzlich zu den von den Nocken verursachten
Kräften, führt zu zunehmenden Reibungsverlusten und
merklichem Verschleiß der Bauteile der Ventilsteuerung.
Es wird angenommen, daß der hydraulische Druck einen hydro
dynamischen Schmierfilm zwischen einem Lagerteil des Noc
kens und den Oberflächen der Lager der Nockenwelle, der
Stößeloberfläche und den Oberflächen des Nockens schafft.
Aufgrund der hohen Flächeneinheitslast arbeitet die
Ventilsteuerung überwiegend im Mischreibungsbereich einer
Stribeckkurve, insbesondere im Motordrehzahlbereich 750 -
2000. Dieser Drehzahlbereich repräsentiert mehr als 80% der
Fahrzyklen beim Betrieb von Fahrzeugen für Passagiere. Da
der Betrieb unter Bedingungen überwiegender Mischreibung
erfolgt, sind die in Kontakt miteinander stehenden Bauteile
Gegenstand merklichen Verschleißes, etwa 30 bis 150
Mikromillimeter des Nockens, während der Lebensdauer des
Motors.
Zusätzlich ist die Motordrehzahl durch das Auftreten von
"Ventilvibrationen" begrenzt, die durch die hin- und her
schwingenden Massen der Ventilsteuerung verursacht werden.
Eine Verringerung der Masse der Ventilsteuerung verringert
die Trägheitskräfte und ermöglicht dadurch höhere Motor
betriebsdrehzahlen, die wiederum zu einer höheren Motorlei
stungsabgabe führen. Ferner verringert eine Verminderung
der Reibung zwischen den sich bewegenden Bauteilen merklich
den Verschleiß und die Notwendigkeit für eine schwere,
komplizierte und teuere hydraulische Einrichtung entfällt
und der Motor kann, ohne Reibungsverluste und entsprechen
den Verschleiß, auf die man in Standardhydraulikeinrichtun
gen stößt, unter normalen hydraulischen Drücken arbeiten.
Die Verringerung der Reibung führt wiederum zu einer
Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die Verringerung
der Abnutzung erhöht die Lebensdauer der Bauteile und
folglich die Lebensdauer des Motors. Somit besteht im Stand
der Technik der Bedarfan einer Verringerung des Gewichts
der Ventilsteuerung und der Reibung zwischen den sich
bewegenden Bauteilen der Ventilsteuerung. Außerdem besteht
im Stand der Technik eine Notwendigkeit in Verwendung
relativ kostengünstiger und einfach ausgeformter Bauteile
der Ventilsteuerung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nockenwelle zu schaffen,
bei die Bestandteile der Ventilsteuerung geringeren mecha
nischen Belastungen, wie Reibungskräften oder Massenträg
keitskräften ausgesetzt sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine reibungsarme Nockenwelle
zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungs
motors, die ein längs verlaufendes Wellenbauteil; und min
destens einen am Wellenbauteil befestigten Nocken; auf
weist, wobei mindestens ein Nocken aus mehreren Metall
materialien unterschiedlicher Dichte besteht und eine
Außenoberfläche besitzt, die mit einem festen Gleitmittel
imprägniert ist, das oleophil ist und schnelle Bildung
eines stabilen Ölfims zur Verringerung der Reibung unter
stützt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Dementsprechend ist die Erfindung eine außergewöhnlich
leichte Ventilsteuerung mit geringer Reibung für einen
Motor, wie einen Verbrennungsmotor. Allgemeinen umfaßt die
Ventilsteuerung eine mindestens einen Nocken besitzende
Nockenwelle, deren Außenoberflachen so behandelt sind, daß
die behandelten Oberflachen offenporig sind. Ein festes
Gleitmittel imprägniert die behandelten Oberflächen. Ferner
umfaßt die Ventilsteuerung einen leichtgewichtigen Stößel
mit einer so behandelten Außenoberfläche, daß diese behan
delte Oberfläche offenporig ist. Die behandelte Oberfläche
ist mit einem Gleitmittel imprägniert. Der Stößel umfaßt
einen Einsatz, der den Nocken berührt. Der Stößeleinsatz
umfaßt eine verschleißfeste Kontaktoberfläche. Zusätzlich
kann die Ventilführung eine Innenoberfläche besitzen, die
so behandelt ist, daß offene Poren erzeugt werden, und sie
mit einem festen Gleitmittel imprägniert ist, um die Rei
bung zwischen den Flächen des Ventils und der Ventilführung
zu verringern. Das feste Gleitmittel ist oleophil und un
terstützt eine schnelle Bildung eines stabilen Ölfilmes zur
Verringerung der Reibung zwischen den Bauteilen.
Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Nockenwelle mit
geringer Reibung zur Betätigung mindestens eines Ventils
eines Verbrennungsmotors. Die Nockenwelle umfaßt ein längs
verlaufendes Wellenbauteil und mindestens einen am Wellen
bauteil befestigten Nocken. Der Nocken ist aus Metall
materialien unterschiedlicher Dichten hergestellt und
besitzt eine Außenoberfläche, die mit einem festen Gleit
mittel imprägniert ist, das oleophil ist und eine schnelle
Bildung eines stabilen Ölfilmes zur Verringerung der
Reibung unterstützt.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie eine Ventilsteuerung
mit geringer Reibung für einen Verbrennungsmotor schafft.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Berührungs
oberflächen der Ventilsteuerung mit einem festen Gleit
mittel imprägniert sind, wodurch die Flächenpressungen ver
ringert werden, so daß sich demgemäß die Reibung und der
Verschleiß verringert. Wieder ein weiterer Vorteil der Er
findung ist, daß die Ventilsteuerung ein festes Gleitmittel
enthält, um Reibungsverluste zu vermeiden, die aufgrund hy
draulischen Belastung des Stößel s gegen den Nocken auftre
ten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Bau
teile der Ventilsteuerung mit einem festen Gleitmittel im
prägniert sind, das zu einer merklichen Verringerung der
Reibungsverluste und des entsprechenden Verschleißes führt,
so daß sich die Notwendigkeit für eine schwere, komplizier
te und teuere Hydraulikeinrichtung erübrigt. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung ist, daß eine leichtgewichtige Noc
kenwelle mit geringer Reibung geschaffen wird, bei der Noc
kenerhebungen aus zwei fach-/mehrfachverdichtetem Metallpul
ver, durchsetzt mit einem festen Gleitmittel, verwendet
werden, die an einer Hohlwelle angebracht sind. Wieder ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Verbundmetall
sinternockenwelle einfach ausgeformt ist, was relativ
kostengünstig ist. Zusätzlich verringert oder beseitigt
eine solche Ventilsteuerung mit geringer Reibung den Ver
schleiß unter öl-armen Bedingungen, wie beim Kaltstart, und
erhöht somit merklich die Bauteil- und Motorlebensdauer.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbin
dung mit den begleitenden Zeichnungen leichter verstanden.
Darin zeigt:
Fig. 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Ventil
steuerung in betrieblicher Verbindung mit einem
Motor;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht einer Stößelbaugruppe
für die Ventilsteuerung in Fig. 1;
Fig. 3 eine Explosionszeichnung eines Bereiches der
Stößelbaugruppe der Fig. 2;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Teils der Stößelbau
gruppe der Fig. 3 in montierten Zustand;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Stößelbaugruppe
im Kreis 5 der Fig. 4;
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Nockens für die
Ventilsteuerung der Fig. 1;
Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines Ventils und einer
Ventilführung der Ventilsteuerung der Fig. 1;
Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht eines Ventils und eines
Ventilsitzes für die Ventilsteuerung der Fig. 1;
Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Ventil
steuerung der Fig. 1 vor dem Einfahren;
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 9, nach dem
Einfahren;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs
gemäßen Nockenwelle mit geringer Reibung für die
Ventilsteuerung der Fig. 1;
Fig. 12 eine geschnittene Ansicht entlang der Linie 12/12
in Fig. 11; und
Fig. 13 eine geschnittene Ansicht entlang der Linie 13/13
in Fig. 12.
In der Zeichnung, insbesondere Fig. 1, ist eine erfindungs
gemäße Ventilsteuerung 12 in betrieblicher Verbindung mit
einem Motor, wie einem Verbrennungsmotor, der allgemein mit
14 bezeichnet ist, dargestellt. Der Motor 14 umfaßt einen
Zylinder- oder Motorblock 15, der mindestens einen,
vorzugsweise mehrere, hohle Zylinder 16 besitzt. Außerdem
umfaßt der Motor 14 einen durch geeignete Mittel, wie
Befestigungsmittel (nicht dargestellt), am Zylinderblock 15
befestigten Zylinder- oder Motorkopf 18. Der Zylinderkopf
18 hat einen Einlaßkanal 20 und einen Auslaßkanal 22, die
mit den Zylindern 16 in Verbindung stehen.
Die Ventilsteuerung 12 umfaßt mindestens eine, vorzugsweise
mehrere, Ventilbaugruppen, allgemein mit 24 bezeichnet, zum
Öffnen und Schließen des Einlaßkanals 20 und Auslaßkanals
22. Vorzugsweise werden getrennte Ventilbaugruppen 24 für
den Einlaßkanal 20 und den Auslaßkanal 22 verwendet. Außer
dem umfaßt die Ventilsteuerung 12 mindestens eine, vorzugs
weise mehrere, Nockenwellen 26 zum Öffnen und Schließen der
Ventilbaugruppen 24. Die Nockenwelle 26 umfaßt eine inner
halb des Zylinderkopfes 18 in bekannter Weise drehbar gela
gerte Welle 27. Die Nockenwelle 26 hat mindestens eine,
vorzugsweise mehrere, Nocken 28, die mit den Ventilbaugrup
pen 24 in Berührung stehen und diese bewegen. Die Nocken 28
haben eine kreisförmige Nockenbasis 30 und eine Nockenerhe
bung 32.
Jede Ventilbaugruppe 24 umfaßt einen Ventilteller 35 und
einen verschieblich in einer Ventilführung 37 angeordneten
Ventilschaft 36. Die Ventilführung 37 ist in bekannter
Weise in einer Öffnung 38 des Zylinderkopfes 18 angeordnet.
Die Ventilbaugruppe 24 umfaßt außerdem eine Stößelbaugruppe
39, die ein Ende des Ventilschaftes 36 des Ventils 34 be
rührt und sich an einen Nocken 28 der Nockenwelle 26 an
schmiegt. Die Stößelbaugruppe 39 ist in bekannter Weise
verschieblich in einer Stößelführungsbohrung 40 im Zylin
derkopf 18 angeordnet. Ferner umfaßt die Ventilbaugruppe 24
eine um den Ventilschaft 35 des Ventils 34 angeordnete Ven
tilfeder 41, deren eines Ende den Zylinderkopf 18 berührt
und deren äußeres Ende einen um den Ventilschaft 35 ange
ordneten Ventilfederhalter 42 berührt. Die Ventilfeder 41
zwingt den Ventilteller 35 des Ventils 34, sich an einen
Ventilsitz 43 anzuschmiegen, um einen entsprechenden Ein
laß- oder Auslaßkanal 20, 22 zu schließen. Der Ventilsitz
43 ist in einer Vertiefung 44 des Zylinderkopfes 18 am Ende
des Einlaß- oder Auslaßkanals 20, 22 in der Nähe des Zylin
ders 16 angeordnet.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Stößelbaugruppe 39 dar
gestellt. Diese Stößelbaugruppe 39 umfaßt einen Stößel 46
im wesentlichen zylindrischer Form mit einem Hohlinnenraum
47 zur Aufnahme des Ventilschaftes 35 des Ventils 34. Vor
zugsweise ist der Stößel 46 aus einem metallischen Mate
rial, wie einer widerstandsfähigen Aluminium- oder einer
Magnesiumspritzgußlegierung hergestellt. Die Außenfläche
oder Oberfläche des Stößels 46 ist hart eloxiert. Das
Eloxierverfahren führt zu einer submikroskopisch porösen
Beschichtung, beispielsweise mit einer Porengröße von
ungefähr 3-10 Mikromillimetern, um Imprägnieren des Stößels
46 mit einem festen Gleitmittel 50 vor dem abschließenden
Schleifen zu ermöglichen. Dabei ist wichtig, daß die Tiefe
der eloxierten Schicht ausreicht, beispielsweise 30-40
Mikromillimeter, um die Lagerbelastungen zu tragen. Außer
dem sollte das Eloxierverfahren eine geeignete Eloxier
schicht ausreichender Tiefe und Gleichmäßigkeit erzeugen,
damit sie nicht unter der Dauerbelastung zerbröckelt. Das
feste Gleitmittel 50 muß bis zu einer Tiefe eingedrungen
sein, die um mindestens einige Mikromillimeter größer als
der erwartete Verschleiß ist; wenn beispielsweise ein
Verschleiß von ungefähr 30 Mikromillimetern erwartet wird,
ist eine Gleitmittel-Imprägnierung von etwa 35-40 Mikromil
limetern zufriedenstellend.
Das hierin verwendete feste Gleitmittel 50 ist ein festes
Gleitmittel mit einem Reibkoeffizienten von 0,02 bis 0,1
bei 315°C (600°F). Das feste Gleitmittel 50 ist vorzugs
weise ein Verbundwerkstoff mit 40 Vol.-% Graphit, 20 Vol.-%
MoS₂, wobei der Rest ein thermisch stabiles Polymer (zer
setzt sich nicht bis zu 375°C oder 700°F), wie ein Poly
arcylsulfon oder ein hochtemperaturbeständiges Epoxidharz
wie Bisphenol A und Vinyl Butoryl kombiniert mit Dicyan
dianid ist. Das feste Gleitmittel 50 des hier beschriebenen
Typs unterstützt aufgrund seiner Affinität für herkömmliche
Schmieröle, die schnelle Bildung eines stabilen Ölfilmes.
Das feste Gleitmittel 50 kann auch ein Metallmatrix-
Verbundwerkstoff mit ungefähr 40% Graphit und einem Rest
aus Aluminium oder Gußeisen sein. Solche Metallmatrix-
Verbundwerkstoffe können durch Pulver-Metallurgie oder
andere geeignete Mittel zur Schaffung eines porösen Mate
rials, das Graphit für zeitweilige oder zusätzliche
Schmierzwecke freigeben kann, gebildet werden. Bis zu 13%
des Graphits können durch Bornitrid ersetzt werden. Das
feste Schmiermittel kann auch bis zu 10% Kupfer und, als
Ersatzstoff für MoS₂, LiF, NaF oder CaF aufweisen. Selbst
verständlich können auch andere, als feste Gleitmittel ge
eignete Zusammensetzungen verwendet werden.
Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, weist die Stößelbau
gruppe 39 an deren oberen Ende auch einen Hohlraum 51 auf.
Dieser Hohlraum 51 ist im allgemeinen von zylinderischer
Form. Außerdem umfaßt die Stößelbaugruppe 39 einen ver
schleißfesten Einsatz 52 mit einer einen Nocken 28 oder
eine Nockenwelle 26 berührenden Kontaktfläche 54. Vorzugs
weise ist der Einsatz 52 aus keramischem Material her
gestellt, kann aber auch aus einem hochfesten Stahl oder
hartem Aluminiumoxid hergestellt oder aus Siliziumnitrid
gesintert sein. Der Einsatz 52 ist so bearbeitet, daß er in
den Hohlraum 51 des Stößels 46 paßt. Der Einsatz 52 und der
Hohlraum 51 sind für einen gleichmäßigen Sitz angepaßt.
Vorzugsweise umfassen der Einsatz 52 und der Hohlraum 51
entsprechende Gegenkegel 57 und 58, um den Einsatz 52 im
Hohlraum 51 festzuhalten. Der Einsatz 52 ist im Hohlraum 51
durch ein Schrumpfverfahren befestigt. Das Schrumpfverfah
ren umfaßt Erhitzen des Stößels 46 auf eine Temperatur, die
ungefähr 38°C (100°F) höher ist als die Betriebstempera
tur des Motors (ungefähr 154°C oder 310°F) und Abkühlen
des Einsatzes 52 auf eine Temperatur unterhalb einer
niedrigen Umgebungstemperatur (ungefähr -45°C oder -50°F),
nachdem der Einsatz 52 in den Hohlraum 51 eingesetzt
wird. Wenn die Stößelbaugruppe 39 auf Raumtemperatur
gebracht ist, schrumpft aufgrund der wesentlich höheren
thermischen Ausdehnung des Stößels 46 dieser relativ zum
Einsatz 52. Dieses Verfahren stellt sicher, daß der Einsatz
52 über den gesamten Betriebsbereich der Motortemperaturen
eingepreßt bleibt. Selbstverständlich kann der Einsatz 52
am Stößel 46 auch durch Verwendung eines Sicherungsringes
59 befestigt sein, der mit entsprechenden Ringnuten 59a und
59b, die im Einsatz 52 und im Stößel 46 ausgebildet sind,
im Eingriff steht.
In Fig. 6 ist ein Nocken 28 einer Nockenwelle 26 darge
stellt. Die kreisförmige Nockenbasis 30 des Nockens 28
umfaßt einen Innenabschnitt 60, hergestellt aus einem
Metallmaterial, wie einem weichen Stahl / einem Stahl mit
geringem Kohlenstoffgehalt, um Belastungen zu minimieren,
die während der Rotation der Nockenwelle 26 auftreten. Der
Innenabschnitt 60 ist mechanisch an einem geriffelten oder
aufgerauhten Bereich 62 der Welle 27 befestigt. Die Nocken
erhebung 32 und der Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis
30 des Nockens 28 sind aus einem Metallmaterial, wie einem
porigen Ni-Cr-legierten Stahl mit mittlerem bis hohem Koh
lenstoffgehalt, hergestellt. Die Außenfläche oder Ober
flächen der kreisförmigen Nockenbasis 30 und der Nockener
hebung 32 sind auf normalerweise vorgeschriebene Härtewerte
für Nockenoberflächen (normalerweise um Rc 55) unter
Verwendung eines der bekannten Verfahren, wie beispiels
weise Nitrocarburieren, gehärtet. Im allgemeinen erstreckt
sich die Porosität nur bis in eine Tiefe von weniger als
1,0 mm. Die Porosität ermöglicht die Imprägnierung der
äußeren Oberflächen des Nockens 28 mit dem festen Gleit
mittel 50. Die Tiefe der festen Gleitmittel-Imprägnierung
50 sollte mindestens mehrere Mikromillimeter größer sein
als der zuvor beschriebene erwartete Verschleiß.
In Fig. 7 ist eine Ventilführung 37 dargestellt. Die Ven
tilführung 37 besitzt eine mit dem festen Gleitmittel 50
imprägnierte Innenoberfläche 66, um die Reibung zwischen
dem Ventilschaft 36 des Ventils 34 und der Ventilführung 37
zu verringern. Vorzugsweise umfaßt die Innenoberfläche 66
der Ventilführung 37 eine durch geeignete Mittel ausge
bildete, verschleißfeste, porige Schicht, um die Imprägnie
rung mit dem oben beschriebenen festen Gleitmittel 50 zu
erleichtern.
In Fig. 8 ist ein Ventilsitz 43 dargestellt. Der Ventilsitz
43 besitzt eine gleichfalls mit dem festen Gleitmittel 50
imprägnierte Außenoberfläche 68, um die Reibung und den
entsprechenden Verschleiß, der zwischen dem Ventilteller 35
und dem Ventilsitz 43 auftritt, zu verringern. Alternativ
kann die Außenoberfläche des Ventiltellers 35 des Ventils
34 mit dem festen Gleitmittel 50 imprägniert sein und der
Ventilteller 35 hohl, mit einem verschleißfesten Einsatz an
seinem unteren Ende sein. Selbstverständlich ist der
Ventilsitz 43 so behandelt, daß er, wie oben beschrieben,
eine verschleißfeste, poröse Schicht ausbildet.
Bezugnehmend auf Fig. 9 ist ein Abschnitt des festen Gleit
mittels 50 auf einem entsprechenden Ventilsteuerungsbau
teil, wie dem Stößel 46, vor dem Einfahren dargestellt. Das
feste Gleitmittel 50 ist bis zu einer wirksamen Verschleiß
tiefe eingedrungen und weist eine Oberflächenschicht auf.
Nach dem Einfahren des Motors bildet die Schicht des festen
Gleitmittels 50 eine stabile, verschleißfeste, reibungsarme
Schicht, wie in Fig. 10 dargestellt.
In Betrieb unterstützt das feste Gleitmittel 50 die Bildung
eines stabilen Schmierfilms. Der stabile Schmierfilm ver
ringert die Reibung, die bei höheren Betriebsgeschwindig
keiten auftritt, bei denen hydrodynamische Schmierung vor
herrscht. Die schnelle Bildung eines Schmierfilms ver
ringert merklich den Nockenverschleiß durch Verringerung
der Reibung bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten.
In den Fig. 11 bis 13 ist eine erfindungsgemäße Nockenwelle
70 für die Ventilsteuerung 12 dargestellt. Die Nockenwelle
70 kann anstelle der Nockenwelle 26 für das Öffnen und
Schließen der Ventilbaugruppen 24 verwendet werden. Die
Nockenwelle 70 umfaßt ein in bekannter Weise drehbar inner
halb des Zylinderkopfes 18 gelagertes Wellenbauteil, allge
mein mit 72 bezeichnet. Das Wellenbauteil 72 besitzt ein
längs verlaufendes Wellenrohr 74, das ein stranggepreßtes,
hohles oder rohrförmiges Bauteil ist. Das Wellenbauteil 72
besitzt außerdem Wellenenden 76, die massiv sind und einen
innerhalb der Enden des Wellenrohrs 74 angeordneten Ab
schnitt 77 besitzen. Vorzugsweise besitzt das Wellenbauteil
72 eine Außenfläche oder Oberfläche 78, die für eine noch
zu beschreibende Aufgabe aufgerauht, geriffelt oder
gerendelt ist.
Vorzugsweise ist das Wellenbauteil 72 aus einem metalli
schen Material hergestellt, wie einer widerstandsfähigen
Aluminium- oder Magnesiumspritzgußlegierung. Die Außen
fläche 78 ist hart eloxiert. Das Eloxierverfahren führt zu
einer submikroskopisch porösen Beschichtung, beispielsweise
mit einer Porengröße von etwa 3-10 Mikromillimetern, um ein
Imprägnieren mit dem festen Gleitmittel 50 vor dem
abschließenden Schleifen zu ermöglichen. Es ist wichtig,
daß die Tiefe der eloxierten Schicht ausreicht, etwa 30-40
Mikromillimeter, um Lagerbelastungen zu ertragen. Außerdem
sollte das Eloxierverfahren eine geeignete eloxierte
Schicht ausreichender Tiefe und Gleichmäßigkeit herstellen,
so daß diese nicht unter Dauerbelastung zerbröckelt. Das
feste Gleitmittel 50 muß bis zu einer Tiefe eingedrungen
sein, die mindestens einige Mikromillimeter größer ist als
der erwartete Verschleiß, beispielsweise wenn ein Ver
schleiß von etwa 30 Mikromillimetern erwartet wird, sollte
das feste Gleitmittel 50 bis zu etwa 35-40 Mikromillimeter
eingedrungen sein.
Außerdem umfaßt die Nockenwelle 70 mindestens einen,
vorzugsweise mehrere Lagerteile 80, die um das Wellenbau
teil 72 längs über dessen Länge an vorbestimmten Stellen
angeordnet sind. Die Lagerteile 80 können einen Außendurch
messer haben, der größer ist, als der Außendurchmesser der
Welle 74. Die Lagerteile 80 sind einstückig mit dem Wellen
bauteil 73 ausgebildet und werden durch Schleifen der Außenfläche
78 auf ein vorbestimmtes Maß gefertigt. Die La
gerteile 80 haben mindestens eine, vorzugsweise mehrere,
transversal zum Umfang verlaufende und mit Abstand vonein
ander am Umfang derselben angeordnete Nuten oder Furchen
82. Selbstverständlich weisen die Lagerteile 80 das feste
Gleitmittel 50 auf, das deren äußeren Lagerflächen im
prägniert.
Ferner umfaßt die Nockenwelle 70 mindestens eine, vorzugs
weise mehrere Nocken, allgemein mit 84 bezeichnet, die die
Ventilbaugruppen 24 berühren und diese bewegen. Die Nocken
84 werden durch Pulvermetallurgie aus mindestens zwei,
vorzugsweise mehreren Metallpulvern unterschiedlicher
Dichte hergestellt, um ein mit festem Gleitmittel 50 durch
setztes Verbundmetall auszubilden. Die Nocken 84 besitzen
eine kreisförmige Nockenbasis 86 und eine Nockenerhebung
88. Die kreisförmige Nockenbasis 86 umfaßt einen Innen
bereich 90, hergestellt aus einem Pulvermetallmaterial, wie
einem weichen Stahl oder einem Stahl mit geringem Kohlen
stoffgehalt, mit einer ersten Dichte, um während der
Rotation der Nockenwelle 70 auftretende Belastungen zu
minimieren. Der Innenbereich 90 ist mechanisch an der
Außenfläche 78 des Wellenbauteils 72, z. B. durch in
bekannter Weise innere mechanische Verwindung oder durch
unter Druck setzen mit Hydraulikflüssigkeit, befestigt. Die
Nockenerhebung 88 und der Übergang zur kreisförmigen
Nockenbasis 86 sind aus einem Pulvermetallmaterial zweiter
Dichte hergestellt, wie einem porösen metallischen, Ni-Cr
legierten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (ungefähr 0,5 C).
Die Außenflächen oder Oberflächen der kreisförmigen Nocken
basis 86 und der Nockenerhebung 88 sind auf einen normaler
weise vorgegebenen Härtewert für Nockenoberflächen (norma
lerweise um Rc 55) durch Verwendung eines bekannten Ver
fahren, wie beispielsweise Nitrocarburieren, gehärtet. Im
allgemeinen erstreckt sich die Porosität nur bis zu einer
Tiefe von weniger als 1,0 mm. Die Porosität ermöglicht es,
die Außenoberflächen des Nockens 84 mit dem festen Gleit
mittel 50 zu imprägnieren. Die Tiefe der Imprägnierung des
Gleitmittels 50 ist, wie zuvor beschrieben, mindestens
einige Mikromillimeter größer, als der erwartete Ver
schleiß. Im Falle des Nockens 84, liegt der erwartete
Verschleiß beispielsweise bei etwa 30 Mikromillimeter, und
daher ist die Imprägnierungstiefe des festen Gleitmittels
50 etwa 35-40 Mikromillimeter. Selbstverständlich bezieht
sich "Dichte" auf die Porosität, so daß das Pulvermetall
material mit zweiter Dichte eine Porosität von 5 bis 10%
aufweist, während das Pulvermaterial erster Dichte eine
Porosität von weniger als 1% besitzt.
Alternativ können die Außenoberflächen der kreisförmigen
Nockenbasis 86 und der Nockenerhebung 88 durch Aufbringen
einer Lichtbogenplasmaspritzbeschichtung porös gemacht
werden. Die Beschichtung kann jedes geeignete harte
Material, wie in Silizium (Si) oder in Nickel (Ni) einge
bettetes Wolframcarbide sein, während die Porosität durch
Steuerung der Teilchengröße erzeugt wird. Die Beschichtung
kann auch ein Material auf Eisenbasis, wie FeCrNi oder
gewerblich erhältliches Triboloy (Ni₁₈Cr₁₆Al₄-Legierung)
sein. Die Beschichtung hat ausreichende Dicke, bei bei
spielsweise einhundertfünfzig (150) Mikromillimeter.
Selbstverständlich ist die poröse Beschichtung mit dem
festen Gleitmittel 50 imprägniert. Außerdem kann die
Beschichtung in selbstverständlich bekannter Weise durch
herkömmliche Lichtbogenplasmasprühverfahren aufgetragen
sein.
Dementsprechend verringert das feste Gleitmittel 50 auf der
Ventilsteuerung 10 Reibungsverluste; Kontaktkräfte aufgrund
der Beseitigung hydraulischer Belastung; und aufgrund merk
licher Verringerung der sich hin- und herbewegenden Masse
die Trägheitskräfte. Dadurch ermöglicht die Ventilsteuerung
10 merklich höhere Betriebsgeschwindigkeiten des Motors und
eine Verringerung der Reibung und des Verschleißes, wodurch
dementsprechend die Lebensdauer des Motors verlängert wird.
Aufgrund der merklichen Verringerung des Verschleißes
benötigt die Ventilsteuerung 10 weder eine Anpassung an die
Lebensdauer des Motors, noch einen hydraulischen Ventil
spielausgleich mit dementsprechend präziser Bearbeitung und
hydraulischen Schmierbedürfnissen. Außerdem schafft die
Nockenwelle 70 mit geringer Reibung einer Verringerung der
Reibung der Ventilsteuerung 12, durch Verwendung relativ
billiger, einfach ausgebildeter Nocken 84 aus Verbundme
tallpulver, durchsetzt mit festem Gleitmittel 50.
Die Erfindung wurde anhand von Beispielen beschrieben.
Selbstverständlich soll die verwendete Terminologie be
schreiben und nicht zu Einschränkungen führen. Viele Ab
änderungen und Variationen der Erfindung sind im Rahmen der
Offenbarung möglich. Deshalb sind auch andere Ausführungs
formen der Erfindung im Rahmen der Ansprüche möglich, die
nicht konkret beschrieben wurden.
Bezugszeichenliste
10 Ventilsteuerung
12 Ventilsteuerung
14 Motor
15 Motorblock
16 Zylinder
17 Zylinderkopf
20 Einlaßkanal
22 Auslaßkanal
24 Ventilbaugruppe
26 Nockenwelle
27 Welle
28 Nocken
30 Nockenrundung
32 Nockenerhebung
34 Ventil
35 Ventilteller
36 Ventilschaft
37 Ventilführung
38 Öffnung
39 Stößelbaugruppe
40 Stößelführungsbohrung
41 Ventilfeder
42 Ventilfederhalter
43 Ventilsitz
44 Vertiefung
46 Stößel
47 Hohlinnenraum
50 Gleitmittelüberzug
51 Hohlraum
52 verschleißfesten Einsatz
54 Kontaktfläche
57 Gegenkegel
58 Gegenkegel
59 Sicherungsring
59a Ringnut
59b Ringnut
60 Innenabschnitt
62 aufgerauhter Bereich
66 Innenoberfläche
68 Außenoberfläche
70 Nockenwelle
72 Wellenbauteil
74 Welle
76 Wellenende
77 Abschnitt
78 Außenoberfläche
80 Lagerzapfen
82 Längsnuten
84 Nocken
86 kreisförmige Nockenbasis
88 Nockenerhebung
90 Innenbereich
12 Ventilsteuerung
14 Motor
15 Motorblock
16 Zylinder
17 Zylinderkopf
20 Einlaßkanal
22 Auslaßkanal
24 Ventilbaugruppe
26 Nockenwelle
27 Welle
28 Nocken
30 Nockenrundung
32 Nockenerhebung
34 Ventil
35 Ventilteller
36 Ventilschaft
37 Ventilführung
38 Öffnung
39 Stößelbaugruppe
40 Stößelführungsbohrung
41 Ventilfeder
42 Ventilfederhalter
43 Ventilsitz
44 Vertiefung
46 Stößel
47 Hohlinnenraum
50 Gleitmittelüberzug
51 Hohlraum
52 verschleißfesten Einsatz
54 Kontaktfläche
57 Gegenkegel
58 Gegenkegel
59 Sicherungsring
59a Ringnut
59b Ringnut
60 Innenabschnitt
62 aufgerauhter Bereich
66 Innenoberfläche
68 Außenoberfläche
70 Nockenwelle
72 Wellenbauteil
74 Welle
76 Wellenende
77 Abschnitt
78 Außenoberfläche
80 Lagerzapfen
82 Längsnuten
84 Nocken
86 kreisförmige Nockenbasis
88 Nockenerhebung
90 Innenbereich
Claims (22)
1. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens eines
Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:
- ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72); und
- mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten Nocken (84);
wobei mindestens ein Nocken (84) aus mehreren Metallmateri
alien unterschiedlicher Dichte besteht und eine Außenober
fläche besitzt, die mit einem festen Gleitmittel (50)
imprägniert ist, das oleophil ist und schnelle Bildung
eines stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung unter
stützt.
2. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß mindestens eines der Metallmaterialien
unterschiedlicher Dichte ein poröser Ni-Cr-legierter Stahl
mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt ist, wobei die
offenen Poren mit dem festen Gleitmittel (50) imprägniert
sind.
3. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallmaterialien
unterschiedlicher Dichte ein weicher Stahl / ein Stahl mit
geringem Kohlenstoffgehalt ist.
4. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der
Nocken (84) eine kreisförmige Nockenbasis (86) und eine
Nockenerhebung (88) aufweist.
5. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige
Nockenbasis (86) einen Innenbereich (90) aus einem weichen
Stahl / einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt herge
stellt ist.
6. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenerhebung
(88) und der Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis (86)
aus dem porösen Ni-Cr-legierten Stahl mit mittlerem bis
hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist.
7. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil
(72) ein Hohlwellenteil (74) mit aufgerauhter, geriffelter
oder gerendelter Außenoberfläche (78) aufweist.
8. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil
(72) Wellenenden (76) aus Vollmaterial hat, die jeweils mit
einem Abschnitt (77) in der Hohlwelle (74) angeordnet sind.
9. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche
(78) der Welle mit dem festen Gleitmittel (50) imprägniert
ist.
10. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil
(72) mindestens ein Lagerteil (80) aufweist.
11. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerteil (80)
mindestens eine transversal verlaufende Vertiefung (82)
aufweist.
12. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens
eines Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet
durch:
- ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72) mit einer ersten Außenoberfläche (78); und
- mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten Nocken (84) mit einer kreisförmigen Nockenbasis (86) und einer Nockenerhebung (88);
wobei die kreisförmige Nockenbasis (86) und die Nockenerhe
bung (88) eine zweite Außenoberfläche aufweisen und wobei
die erste und zweite Außenoberfläche (78) offene Poren
besitzen, die mit einem festen Gleitmittel (50) imprägniert
sind, das oleophil ist und eine schnelle Bildung eines
stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung unterstützt.
13. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Nocken (84) aus mehreren
Metallmaterialien unterschiedlicher Dichte hergestellt ist.
14. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12
oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenbereich (90)
der kreisförmigen Nockenbasis (86) aus einem weichen Stahl
/einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt hergestellt
ist.
15. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12,
13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenerhebung
(88) und ein Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis (86)
aus einem porösen Ni-Cr-legierten Stahl mit hohem Kohlen
stoffgehalt hergestellt sind.
16. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12,
bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil (72)
mindestens ein Lagerteil (80) aufweist.
17. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lager
teil (80) mindestens eine transversal verlaufende Vertie
fung (82) aufweist.
18. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Gleitmit
tel (50) Graphit, Bornitrid, Molybdän-Disulfid in einem
hochtemperaturbeständigen Polymer-Grundwerkstoff aufweist.
19. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens
eines Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet
durch:
- ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72) mit einer ersten Außenoberfläche (78);
- mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten
Nocken (84) mit einer kreisförmigen Nockenbasis (86)
und einer Nockenerhebung (88),
wobei: - die kreisförmige Nockenbasis (86) und die Nockenerhe bung (88) eine zweite Außenoberfläche aufweisen;
- ein Innenbereich (90) der kreisförmigen Nockenbasis (86) aus einem weichen Stahl / einem Stahl mit gerin gem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist;
- die Nockenerhebung (88) und ein Übergang der kreisför
migen Nockenbasis (86) aus einem porösen Ni-Cr legier
ten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist;
und - mindestens ein Lagerteil (80) am Wellenbauteil (72), eine dritte Außenoberfläche aufweist;
wobei die erste, zweite und dritte Außenfläche (78) offene
Poren besitzen, die mit einem festen Gleitmittel (50)
imprägniert sind, das oleophil ist und eine schnelle Bil
dung eines stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung
unterstützt.
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Family
ID=22364486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4423543A Expired - Fee Related DE4423543C2 (de) | 1993-09-03 | 1994-07-05 | Reibungsarme Nockenwelle |
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