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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventilkipphebelarm, der in einem Ventilantriebsmechanismus zum Antreiben eines Einlass- oder Auslassventils eines Verbrennungskraftmotors zwischen einem Nocken und einem Ventil montiert ist. Im besonderen betrifft die Erfindung einen Kipphebelarm, der in seinem an dem Nocken anliegenden Abschnitt eine Rolle hat.
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Bei diesem Typ eines Kipphebelarmes ist die Rolle drehbar an einem Ende des Kipphebelarmkörpers mittels eines Zapfens abgestützt. Zwischen einer äußeren peripheren Fläche des Zapfens und der inneren peripheren Fläche der Rolle bzw. des Rings wird ein Rollengehäuseraum geformt, um eine Vielzahl von Rollen bzw. Wälzkörpern in Volltypform unterzubringen.
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Da der Ringbereich dieses Kipphebelarmes unter erschwerten Schmierkonditionen benutzt wird, wurden Verbesserungen hauptsächlich des Rollenmaterials angestrebt, um die Dauerstandfestigkeit und Verschleißfestigkeit des Kipphebels zu verbessern, und zwar in Form von Modifikationen des Stahlmaterials und/oder durch Verwendung eines Keramikmaterials. Dies wird beschrieben in
JP H10-47334 A ,
JP H08-93418 A und
JP H08-109959 A .
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Bisher konnte jedoch noch kein zufriedenstellendes Verhältnis zwischen den Kosten und der Dauerstandfestigkeit erzielt werden.
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Aus der dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechenden
DE 4114513 C2 ist ein Kipphebel bekannt, der einen Wälzkörper aufweist, welcher über Nadelwälzkörper auf einer Achse gelagert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kipphebel der genannten Art so zu verbessern, dass dieser eine lange Lebensdauer hat.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Erfinder dieser Erfindung haben herausgefunden, dass ein Faktor mit Einfluss auf die Lebensdauer eines Kipphebelarms, in welchem eine Vielzahl von Rollen oder Wälzkörpern aufgenommen ist zwischen einem Ring und einem Zapfen in einer Volltypform, die Zwischenspalte sind, die in den Umfangs- und Radialrichtungen zwischen der äußeren peripheren Fläche des Zapfens und der inneren peripheren Fläche des Ringes vorliegen, und die eine wichtige Rolle spielen. Die Erfinder haben deshalb das Verhältnis zwischen diesen Zwischenspalten und der Lebensdauer analysiert.
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In dieser Erfindung bezieht sich der Zwischenspalt in radialer Richtung auf eine Differenz zwischen dem eingeschriebenen Kreis der Rollen oder Wälzkörper und der äußeren Peripherie des Zapfens, wobei die Rollen in Kontakt mit der inneren peripheren Fläche des Ringes stehen. Die Belastungsrate der Rollen hängt ab von der Größe des Zwischenspalts in der radialen Richtung.
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Wenn der Zwischenspalt in der radialen Richtung zunimmt, vermindert sich die Belastungsrate, so dass der Oberflächendruck pro Rolle zunimmt. Wenn, andererseits, der Zwischenspalt abnimmt, dann wird die Belastungsrate erhöht, so dass, selbst wenn der Oberflächendruck pro Rolle abnimmt, der Zwischenspalt zum Teil negativ werden kann, als Folge des Einflusses der Form der inneren peripheren Oberfläche des Ringes (Rundheit und Zylinderpräzision). Dies kann zum Fressen führen.
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Da im besonderen der Ring eine große Wandstärke hat im Vergleich mit einem Außenring wie einer Schale, und eine hohe Steifigkeit besitzt, ist es unter erschwerten Schmierbedingungen notwendig, das frühzeitige Fressen als Folge zu kleiner Zwischenspalte zu vermeiden. Bei zu kleinen Zwischenspalten ergeben sich auch Schwierigkeiten beim Zusammenbau.
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Auch in dieser Erfindung bezieht sich der Zwischenspalt in der Umfangsrichtung auf einem Zwischenspalt pro Rolle, der bestimmt wird durch Unterteilen des zwischen den ersten und letzten Rollen geformten Zwischenspaltes, sobald alle Rollen in gegenseitigen Kontakt miteinander gebracht worden sind und alle Rollen an der inneren peripheren Oberfläche des Ringes anliegen, durch die Gesamtzahl der Rollen.
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Wenn dieser Zwischenspalt in der Umfangsrichtung wächst, nimmt auch die Tendenz der Rollen zur Schrägstellung zu, so dass eine exzessive Belastung aufgrund einer Kantenpressung erzeugt wird. Diese verkürzt die Lebensdauer. Wenn hingegen der Zwischenspalt in der Umfangsrichtung abnimmt, entsteht ein Verschleißproblem als Folge eines zu intensiven Kontakts zwischen den Rollen und eines Hitzeaufbaus als Folge eines Schlupfes.
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Die Zwischenspalte in den radialen und Umfangsrichtungen wurden bisher expertmentell mit 0,009 bis 0,022 mm in der radialen Richtung und 0,003 bis 0,011 mm in der Umfangsrichtung jeweils im Hinblick auf einen einfachen Einbau der Rollen festgesetzt. Erfindungsgemäß wird hingegen der Zwischenspalt in der radialen Richtung verändert gegenüber dem konventionellen Maß von 0,009 bis 0,022 mm auf 0,005 bis 0,018 mm, um die Lebensdauer im Hinblick auf das Verhältnis zwischen dem Zwischenspalt in der Umfangsrichtung innerhalb seines Bereiches und der Lebensdauer zu verlängern. Es wurde ferner herausgefunden, dass es möglich ist, die Lebensdauer zu verlängern, durch Einstellen des Zwischenspalts in der Umfangsrichtung auf 0,012 bis 0,018 mm, d. h. größer als den konventionellen Bereich zwischen 0,003 bis 0,011 mm.
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Weitere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1 eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Kipphebelarmes;
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2 eine Querschnittsansicht des Ringbereichs des Kipphebelarms;
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3 eine Vertikalschnittansicht des Ringbereichs des Kipphebelarms;
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4 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung eines Zwischenspaltes in einer Umfangsrichtung eines Zwischenspaltes in einer radialen Richtung; und
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5 ein Diagramm zum Verhältnis zwischen dem Zwischenspalt in der Umfangsrichtung und der Arbeitslebensdauer des Kipphebelarms.
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Ein Kipphebelarm 1 gemäß der Erfindung ist in 1 an einem Motorblock durch eine Welle 2 schwenkbar abgestützt und zwischen einem Nocken 3 und einem Ventil 4 eingesetzt. Ein Ende des Kipphebelarms 1 liegt am Nocken 3 an, der in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl rotiert. Das andere Ende des Kipphebelarms 1 wirkt auf das Ventil 4 ein. Der am Nocken 3 anliegende Abschnitt des Kipphebelarms 1 umfasst einen Ring 5.
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In den 2 und 3 ist der Ring 5 in einem gabelförmigen Bereich aufgenommen, der an einem Ende eines Kipphebelarm-Körpers 6 geformt ist. Der Ring 5 wird an den gabelförmigen Bereich auf einem Zapfen 7 drehbar abgestützt. Zwischen der Außenoberfläche des Zapfens 7 und der inneren Oberfläche des Rings 5 ist ein Rollenraum 8 geformt, in welchem eine Vielzahl von Rollen 9 in einer Volltyp-Rollenform untergebracht ist.
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In dem Rollenraum 8 um die Rollen 9 sind vorbestimmte Zwischenabstände in radialen und in Umfangsrichtungen vorgesehen.
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Gemäß 4 bezieht sich der Zwischenabstand in der radialen Richtung auf eine Differenz zwischen dem eingeschriebenen Kreis A der Rollen 9 und der äußeren Peripherie des Zapfens 7, wobei die Rollen mit der inneren peripheren Oberfläche des Ringes 5 in Kontakt sind. Die Belastungsrate der Rollen 9 variiert mit dem Ausmaß des Zwischenspaltes in der radialen Richtung.
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Wenn der Zwischenspalt in der radialen Richtung zunimmt, nimmt die Belastungsrate ab, so dass der Oberflächendruck pro Rolle 9 zunimmt. Andererseits nimmt die Belastungsrate zu, wenn der Zwischenspalt abnimmt, so dass, selbst wenn der Oberflächendruck pro Rolle 9 abnimmt, als Folge des Einflusses der Form der inneren peripheren Oberfläche des Ringes 5 (Rundheit und Zylindrizität) der Zwischenspalt teilweise negativ werden kann. Dies kann Fressen hervorrufen.
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Wie weiter in 4 gezeigt ist, bezieht sich der Zwischenspalt in einer Umfangsrichtung auf einen Zwischenspalt pro Rolle, der bestimmt ist durch Unterteilen des Zwischenspaltes der zwischen den ersten und letzten Rollen geformt wird, sobald alle Rollen 9 miteinander in Kontakt gebracht sind und auch alle Rollen 9 an der inneren peripheren Oberfläche des Ringes 5 anliegen, durch die Gesamtzahl der Rollen 9.
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Wenn der Zwischenspalt in der Umfangsrichtung zunimmt, nimmt auch die Schrägstellung der Rollen 9 zu, so dass als Folge einer Kantenpressung eine exzessive Belastung entsteht. Wenn hingegen der Zwischenspalt in der Umfangsrichtung abnimmt, dann entsteht ein Verschleißproblem als Folge eines gegenseitigen Kontakts zwischen den Rollen 9 und als Folge eines Hitzeaufbaus durch Schlupf.
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Bisher wurden die Zwischenspalte auf Erfahrung basierend in der radialen Richtung auf 0,009 bis 0,022 mm und in der Umfangsrichtung auf 0,003 bis 0,011 mm festgesetzt im Hinblick auf einen bequemen Einbau der Rollen. Erfindungsgemäß ist nun der Zwischenspalt oder das Spiel in der radialen Richtung geändert gegenüber dem konventionellen Bereich von 0,009 bis 0,022 mm auf 0,005 bis 0,018 mm, um die Lebensdauer des Kipphebelarmes im Hinblick auf die Relation zwischen dem Zwischenspalt in der radialen Richtung in seinem Bereich und der Lebensdauer des Kipphebelarms zu verlängern.
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Das heißt, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass es möglich ist, die Lebensdauer zu verlängern, wenn der Zwischenspalt oder das Spiel in der radialen Richtung auf 0,005 bis 0,018 mm geändert wird und wenn der Zwischenabstand oder das Spiel in der Umfangsrichtung eingestellt wird auf 0,012 bis 0,018 mm, das größer ist als der konventionelle Bereich von 0,003 bis 0,011 mm.
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Es ist ferner auch möglich, die Lebensdauer zu verlängern, durch Einstellen des Zwischenspaltes oder Spiels in der Umfangsrichtung bei dem oberen Grenzwert für den Zwischenspalt in der Radialrichtung der in dem Rollenaufnahmeraum montierten Rollen.
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Eine Verlängerung der Lebensdauer ist ferner auch möglich durch Einstellen der Relation zwischen dem Zwischenabstand oder Spiel in der radialen Richtung und dem Durchmesser der Rollen 9, derart, dass der Wert, der erhalten wird durch Teilen des Zwischenabstandes in der Umfangsrichtung durch den Druchmesser der Rollen 9 0,005 bis 0,010 beträgt, und der Wert, der erhalten wird durch Teilen des Zwischenabstandes oder Spiels in der Radialrichtung durch den Durchmesser der Rollen 9, zwischen 0,001 bis 0,010 beträgt.
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Testresultate, gemäß denen die Relationen zwischen den Zwischenabständen in den radialen und Umfangsrichtungen zum Erzielen einer langen Lebensdauer experimentell verifiziert sind, werden in der Tabelle 1 und in 5 gezeigt. Die Spezifikationen des Ringes 5, des Zapfens 7 und der Rollen 9 und die Konditionen für die Versuche waren dabei wie folgt: Drehzahl N: 7000 r/min.; radiale Belastung Fr: 2950 N, und bewertete Lebensdauer Lh: 44,1 Std.
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Als Ring 5 wurde ein Stahlring (SUJ2) verwendet, der einer Wärmebehandlung (Härtung) unterworfen worden war. Die Oberflächenhärte des Rings 5 betrug 60 bis 64 HRC (Rockwell-Härte). Die Rauigkeit der inneren peripheren Oberfläche des Ringes 5 betrug Ra 0,25. Die äußere periphere Oberfläche des Ringes 5 wurde einer Behandlung zur Steigerung der Oberflächenrauigkeit unterworfen zum Steigern der Fähigkeit, einen Ölfilm eines Schmieröls festzuhalten.
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Bei der Oberflächen-Aufraubehandlung sind voneinander unabhängige, eigenständige und unzählige Vertiefungen vorzugsweise derart geformt, dass das Verhältnis RMS (L)/RMS (C) zwischen der Oberflächenrauigkeit in der axialen Richtung RMS (L) und der Oberflächenrauigkeit in der Umfangsrichtung RMS (C) 1,0 oder weniger beträgt, und ein Parameterwert SK der Oberflächenrauigkeit sowohl in der axialen als auch in der Umfangsrichtung negativ ist, falls die Oberflächenrauigkeit der äußeren peripheren Oberfläche des Ringes 5 im Hinblick auf Parameter RMS in den axialen und umfänglichen Richtungen angezeigt wird.
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Der Parameterwert SK indiziert die Schräge der Verteilungskurve der Oberflächenrauigkeit. Falls die Verteilung wie in einer Gauss'schen Verteilung symmetrisch ist, dann ist der Parameterwert SK Null. Durch Einstellen des Parameterwertes SK auf – 1,6 oder kleiner sowohl in der Umfangs- als auch in der Axialrichtung, kann ein Ölfilm vorteilhaft geformt werden. Eine derart raue Oberfläche kann beispielsweise erhalten werden durch ein spezielles Schleifverfahren (Barrel Grinding).
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Als Zapfen 7 wurde ein Zapfen aus Stahl (SUJ2) verwendet, dessen äußere periphere Oberfläche durch eine Hochfrequenz-Wärmebehandlung bis auf eine Vickers-Härte von 700 bis 830 Hv gehärtet worden ist. Die Tiefe der effektiv gehärteten Oberflächenschicht betrug 1,5 mm oder mehr in einem axialen Zentralabschnitt des Zapfens 7 und 1,0 bis 2,0 mm an seinen Einpress-Abschnitten. Am letzteren betrug die Oberflächenhärte des Zapfens 7 650 Hv oder mehr, und betrug die Oberflächenhärte im gebördelten Abschnitt des Zapfens 7 noch 200 bis 350 Hv. Die Oberflächenrauigkeit des Zapfens 7 betrug Ra 0,20.
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Als Rollen 9 wurden Stahlrollen (SUJ2) verwendet, die einer Wärmebehandlung unterworfen worden waren (Härtung). Die Oberflächenhärte der Rollen 9 betrug HRC 60 bis 64. Die Oberflächenrauigkeit der Rollen betrug Ra 0,05. Der sich beim Herstellen der Rollen 9 einstellende Endflächenabfall betrug 1 bis 15 μm (crowning drop amount). Die äußere Peripherie der Rollen 9 an ihren beiden Enden wurde durch Abschneiden gekrönt. Die durch das Abschneiden gebildete Krönung hat zweckmäßigerweise einen Radius von 700 mm.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die Lebensdauer des Kipphebelarmes nicht durch eine Materialverbesserung zu verlängern, sondern durch zweckmäßiges Einstellen der Relation zwischen den Zwischenabständen oder Spielen in den Umfangs- und Radialrichtungen innerhalb eines Rollenaufnahmeraums, der zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des Zapfens und der inneren peripheren Oberfläche des Rings gebildet ist. TABELLE 1
| | Spiel in Umfangsrichtung (mm) | Spiel in Radialrichtung (mm) | Laufzeit (Stunden) |
| konvention. Beispiel | 0.005 | 0.005~0.018 | 41.6 |
| 0.007 | 51.4 |
| 0.010 | 57.1 |
| 0.009 | 49 |
| 0.007 | 43.5 |
| Beispiel | 0.013 | 0.005~0.018 | 312.1 |
| 0.013 | 341.2 |
| 0.013 | 298.1 |
| 0.013 | 294.1 |
| 0.013 | 351.4 |
| Beispiel | 0.017 | 0.005~0.018 | 225.8 |
| 0.017 | 262.8 |
| 0.017 | 265.7 |
| 0.017 | 264.5 |
| 0.017 | 321 |
