DE102004041318A1

DE102004041318A1 - Als Kipp- oder Schwinghebel ausgebildeter Nockenfolger für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004041318A1
Application number: DE102004041318A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dipl.-Ing. Heidner; Reinhard Dipl.-Ing. Ammon; Franz Huschka
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-04-27
Also published as: WO2006021274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen als Kipp- oder Schwinghebel ausgebildeten Nockenfolger (2) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Der Nockenfolger (2) ist zur Betätigung eines Gaswechselventils zwischen einem Nocken einer Nockenwelle und dem Gaswechselventil angeordnet und in Betätigungsrichtung des Gaswechselventils drehbar auf einer Hebelachse gelagert. Der Nockenfolger (2) weist Mittel zur Einstellung eines Ventilspiels des Ventieltriebs auf. Dabei entspricht eine Kontur eines durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellten Grundkörpers (1) des Nockenfolgers (2) im Wesentlichen seiner Endkontur.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen als Kipp- oder Schwinghebel ausgebildeten Nockenfolger für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Der Nockenfolger ist zur Betätigung eines Gaswechselventils zwischen einem Nocken einer Nockenwelle und dem Gaswechselventil angeordnet und in Betätigungsrichtung des Gaswechselventils drehbar auf einer Hebelachse gelagert und weist Mittel zur Einstellung eines Ventilspiels des Ventiltriebs auf.
Hintergrund der Erfindung

Derartige Nockenfolger sind dem Fachmann auf dem Gebiet von Brennkraftmaschinen als auf Achsen drehbar gelagerte Ventiltriebselemente bekannt, die den Hub eines Nockens auf ein oder mehrere Gaswechselventile übertragen. Dabei weisen Kipp- oder Schwinghebel moderner Ventiltriebe meist eine oder mehrere auf einem Bolzen drehbar gelagerte Rollen auf, die die im Nocken-Hebel Kontakt auftretende Ventiltriebsreibung insbesondere bei wälzgelagerten Rollen erheblich reduzieren. Neben der dadurch erzielten Minderung des Kraftstoffverbrauchs existieren weitere Anforderungen an die Brennkraftmaschine, welche selbstverständlich auch seitens des Ventiltriebs erfüllt werden müssen. Diese Anforderungen betreffen beispielsweise das Ventilspiel, das von Gaswechselventil zu Gaswechselventil schwanken und so insbesondere die zunehmend limitierten Abgasemissionen der Brennkraftmaschine ungünstig beeinflussen kann. Es wird daher häufig durch ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement automatisch justiert. Ferner sind die bewegten Massen des Ventiltriebs so gering wie möglich zu halten, um die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine im Hinblick auf eine Erhöhung der spezifischen Leistung weiter steigern zu können. Als wirtschaftlich sehr bedeutender Aspekt sind schließlich die Herstellkosten der Brennkraftmaschine und somit auch die Fertigungskosten der Nockenfolger zu nennen.

Einen guten Überblick über moderne Ventiltriebe, die die vorgenannten Anforderungen nach dem heutigen Stand der Technik bestmöglich erfüllen, kann sich der Fachmann beispielsweise mit dem „Handbuch Verbrennungsmotor", das als 1. Auflage im April 2002 im Vieweg Verlag erschien, verschaffen. Dort sind im Kap. 7.10.1, Seite 158 ff. die gängigen Ventiltriebsbauformen beschrieben. Als Beispiel für einen achsgelagerten Kipphebel sei dabei auf das Bild 7-115 und als Beispiel für einen Schwinghebel auf das Bild 7-117 verwiesen. Letzterer hat dort die Besonderheit, dass er als „Dreifach-Schwinghebel" drei Gaswechselventile gleichzeitig betätigt. Sowohl der dort dargestellte Kipphebel als auch der Schwinghebel besitzen eine bzw. mehrere Rollen als reibungsarme Nockenkontaktflächen sowie ein bzw. mehrere so genannte Einsteckelemente als hydraulische Ventilspielausgleichselemente.

Die Grundkörper derartiger Kipp- oder Schwinghebel sind nun gegenüber einem modernen und preiswerten, aus einem einzigen Blechabschnitt umgeformten Schlepphebel, wie er in der vorgenannten Literaturstelle in Bild 7-112 dargestellt ist, üblicherweise Gussteile aus Aluminium oder Stahl. Hauptsächlicher Grund für die Verwendung dieses relativ aufwändigen Fertigungsverfahrens ist die gegenüber dem einfach ausgebildeten Schlepphebel geometrisch komplexe Form des Kipp- oder Schwinghebels, da dessen Grundkörper zusätzliche Funktions- oder Körpermerkmale besitzen muss, die in einem Blechumformverfahren nicht oder nicht ohne weiteres darstellbar wären. Dies betrifft in erster Linie die Lagerstelle für die Lagerachse, den inneren Hydraulikmittelpfad zur Versorgung des oder der hydraulischen Ventilspielausgleichselemente sowie die Durchtrittsöffnung für den oder die Bolzen zur Rollenlagerung. Es handelt sich bei diesen Merkmalen also generell um Durchtrittsöffnungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder auch andere Körperkonturen, die einer gießtechnischen Herstellung nicht problemlos zugänglich sind. So kann die Verwendung von Schiebern oder Kernen im Gusswerkzeug zur Erzeugung dieser Körperkonturen das Auftreten lokal vorzeitiger Erstarrungsprozesse des heißflüssigen Werkstoffs fördern. Dadurch wäre das bei Gießverfahren ohnehin vorhandene Risiko von ungewollten Lufteinschlüssen im Werkstoffgefüge als Folge dieser Erstarrungsprozesse noch erhöht. Die üblicherweise als Lunker bezeichneten Lufteinschlüsse führen zu entsprechendem Festigkeitsabfall bis hin zur Bruchgefahr des Werkstücks, das dann mittels aufwändiger Qualitätsprüfverfahren als teurer Ausschuss deklariert werden muss. Zur Vermeidung dieses zusätzlichen Risikos ist es daher üblich, die vorgenannten Hohlräume nicht im Gussrohling fertig herzustellen oder endkonturnah vorzubereiten, sondern massiv zu belassen. In einer mechanischen Endbearbeitung wird nachfolgend das überschüssige Material entfernt. Eine spanabhebende Herstellung von Hohlräumen mit großem Querschnitt, wie die Lagerstelle für die Lagerachse, oder aber auch von Hohlräumen mit kleinem Querschnitt bei großer Längserstreckung, wie der innere Hydraulikmittelpfad, ist jedoch mit erheblichen Nachteilen in der Herstellung hinsichtlich Zeitaufwand, Materialabfall, Werkzeugverschleiß und somit hohen Herstellkosten verbunden.

Als weiterer Nachteil ist auch der für den Gießprozess unvermeidliche, für die Funktion des Nockenfolgers jedoch nicht erforderliche Angussblock am Gussrohling zu nennen. Dieser Anguss ist insofern störend, als er eine überflüssige Erhöhung der bewegten Ventiltriebsmasse und, wie oben beschrieben, eine Einschränkung der erreichbaren Höchstdrehzahl der Brennkraftmaschine bedeutet. Ein mechanisches Abtrennen des Anguss ist natürlich möglich, aber verständlicherweise mit zusätzlichem Bearbeitungsaufwand und somit zusätzlichen Herstellkosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Körperkonturen derartiger Grundkörper entweder nacharbeitsfrei oder endkonturnah und somit kostengünstig bei geringster möglicher Masse herzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Kontur eines durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellten Grundkörpers des Nockenfolgers im Wesentlichen seiner Endkontur entspricht.

Das pulvermetallurgische Spritzgießverfahren, auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet, ist an sich bereits bekannt. Dabei werden die Freiheiten des Kunststoffspritzgießens bei der Bauteilgestaltung mit den Vorteilen der Pulvermetallurgie, nämlich einer breiten verfügbaren Werkstoffpalette bei sehr engen Toleranzen, kombiniert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass feine Metallpulver im Bereich von 20 μm mit organischen Bindern zu einer homogenen Masse vermischt werden. Der Volumenanteil des Metallpulvers beträgt dabei in der Regel mehr als 50%. Es wird so eine Masse erhalten, die analog zur Kunststoffverarbeitung auf Spritzgießmaschinen verarbeitbar ist. Im Spritzgießprozess werden Formkörper gefertigt, die schon alle typischen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteiles aufweisen, aber ein um den Bindergehalt vergrößertes Volumen besitzen. Die Formung von Hinterschnitten oder Hohlräumen erfolgt dabei mittels Schieber- und/oder Kernzugtechnologie, wobei die nicht mit Werkstoff auszufüllenden Räume im Werkstück mit einem oder mehreren Formkörpern während des Spritzgießvorgangs ausgefüllt werden. Während diese Formkörper Elemente des Spritzgießwerkzeugs sind und nach Beenden des Spritzgießvorgangs wieder verwendbar aus dem Werkstück entfernt werden, ist grundsätzlich auch der Einsatz von verlorenen Kernen denkbar. Diese könnten aus Kunststoff sein und wie die organischen Binder in einem nachfolgenden Entbinderungsprozess entfernt werden, wobei dies in Abhängigkeit vom eingesetzten Bindersystem entweder durch thermische Zersetzung und Verdampfung oder auch durch eine Lösungsmittelextraktion erfolgt. Die zurückbleibenden porösen Formkörper werden durch Sintern unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum zu Bauteilen mit endgültigen geometrischen Eigenschaften verdichtet. Die dabei auftretende lineare Schwindung führt zu Enddichten größer 96 %.

Der mittels des pulvermetallurgischen Spritzgießverfahrens hergestellte Grundkörper des Nockenfolgers weist demnach endkonturnah ausgebildete Durchtrittsöffnungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder dergleichen auf, die keiner mechanischen Nacharbeit mehr bedürfen. Dies gilt nach Anspruch 2 auch für den sich innerhalb des Grundkörpers befindlichen Hydraulikmittelpfad, der die Lagerstelle des Nockenfolgers auf der Hydraulikmittel führenden Lagerachse mit der dem Gaswechselventil zugewandten Ausnehmung für das hydraulische Ventilspielausgleichselement zwecks dessen Versorgung verbindet. Der beim Spritzgießprozess gleichzeitig miterzeugte Hydraulikmittelpfad bietet erhebliche Taktzeitverkürzungen und Kosteneinsparungen in der Herstellung des Nockenfolgers, da der oder die den Hydraulikmittelpfad bildenden Kanäle durch ein hohes Längen-Durchmesser-Verhältnis gekennzeichnet sind und deren spanabhebende Herstellung durch beispielsweise eine Bohr- oder Fräsbearbeitung zeitaufwändig ist und/oder den Werkzeugverschleiß fördert.

Nach Anspruch 4 der Erfindung ist es ebenfalls zweckmäßig, dass eine als Lagerstelle dienende Durchtrittsöffnung bereits im Grundkörper des Nockenfolgers durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist. Auch dieses Merkmal bietet erhebliche Zeit- und Kostenvorteile in der Herstellung des Nockenfolgers, da der enorme Zerspanungsaufwand zur Herstellung einer aus dem vollen Material herausgearbeiteten Lagerstelle entfällt. Dies gilt gemäß Anspruch 5 nahezu gleichermaßen für Durchtrittsöffnungen, in denen ein Bol zen radial und axial gelagert ist, wobei der Bolzen seinerseits eine den Nocken abgreifende Rolle drehbar lagert.

Aus Anspruch 6 geht hervor, dass der Grundkörper mechanisch nachbearbeitet wird. Dies betrifft besonders Kontaktflächen zu benachbarten oder im Nockenfolger integrierte Bauteile, wobei diese Kontaktflächen eine Maß- Form- und Lagegenauigkeit oder eine Oberflächenbeschaffenheit erfordern, die mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar ist. Zu diesen Kontaktflächen zählen vorrangig die Lagerstelle des Nockenfolgers auf der Lagerachse sowie die Ausnehmung für das hydraulische Ventilspielausgleichselement.

Im Zusammenhang mit der mechanischen Nachbearbeitung sieht eine zweckmäßige Ausbildung des Grundkörpers gemäß Anspruch 3 vor, dass die Lagerstelle des Nockenfolgers sichelförmige Ausnehmungen aufweist, die ebenfalls mittels des pulvermetallurgischen Spritzgießverfahrens hergestellt sind. Dabei münden in eine erste Ausnehmung ein Kanal des Hydraulikmittelpfads und in eine zweite Ausnehmung ein Durchgang zur spritzgießtechnischen Erzeugung des Kanals. Durch diese Ausbildung wird eine unerwünschte Gratbildung, die bei einer unmittelbaren Verschneidung von Kanal und Durchgang mit der Lagerstelle beim mechanischen Nacharbeiten der Lagerstelle entstehen würde, vermieden. Der Entfall eines sonst erforderlichen Entgratens bedeutet ebenfalls erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen in der Herstellung des Nockenfolgers.

Nach einem zusätzlichen weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist der Grundkörper des Nockenfolgers aus einem Stahl, der durch Härten und Anlassen vergütbar ist, hergestellt. Dieser Wärmebehandlungsschritt erzeugt einen aufgrund seiner guten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften dynamisch hoch belastbaren Nockenfolger.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Zeichnungen, in der ein Schwinghebel als Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Nockenfolger dargestellt ist, näher erläutert. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Merkmale analog für einen Kipphebel gelten. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers für den Schwinghebel und
2 einen Längsschnitt durch den Grundkörper
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In den 1 und 2 ist der im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellte Grundkörper 1 für einen als Schwinghebel ausgebildeten Nockenfolger 2 dargestellt. Der für den Einbau in die Brennkraftmaschine komplettierte Nockenfolger 2 verfügt dann über weitere, dem Fachmann geläufige Komponenten, die nachfolgend genannt, aber in den Figuren nicht dargestellt sind.
Der Nockenfolger 2 weist eine von einer zylindrischen Innenmantelfläche 3 umgebene Durchtrittsöffnung 4 auf. Die Innenmantelfläche 3 dient als Lagerstelle 5 zur drehbeweglichen Lagerung des Nockenfolgers 2 auf einer Lagerachse der Brennkraftmaschine. In einer Querrichtung zur Durchtrittsöffnung 4 der Lagerstelle 5 gehen Hebelwangen 6, 7 aus, die in einen topfförmigen Abschnitt 8 münden. Der Abschnitt 8 weist eine hohlzylindrische Ausnehmung 9 auf, die zur Aufnahme eines hydraulischen Ventilspielausgleichselements dient, welches bei in der Brennkraftmaschine montiertem Nockenfolger 2 mit einem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht. Die Hebelwangen 6, 7 umfassen in Verbindung mit der Lagerstelle 5 und dem Abschnitt 8 einen Zwischenraum 10, in dem bei komplettiertem Nockenfolger 2 eine drehbar gelagerte Rolle als Anlauffläche für einen Nocken angeordnet ist. Die Rolle wird dabei von einem Bolzen gelagert, der seinerseits axial und radial in Durchtrittsöffnungen 11, 12 der Hebelwangen 6, 7 gelagert ist.
In 2 ist der Grundkörper 1 im Längsschnitt durch die Hebelwange 7 dargestellt. Der Längsschnitt verläuft dabei durch tunnelförmige Kanäle 13, 14, die ausgehend von einer sichelförmigen Ausnehmung 15 in der Innenmantelfläche 3 einen über einen Übertritt 16 in die Ausnehmung 9 mündenden Hydraulikmittelpfad 17 zur Versorgung des hydraulischen Ventilspielausgleichselements mit Hydraulikmittel bilden. Ein Eintrittsbereich 18 des Kanals 14 in die Hebelwange 7 ist bei komplettiertem Nockenfolger 2 mit geeigneten Mitteln, wie beispielsweise einer in den Eintrittsbereich 18 eingepressten Kugel, verschlossen. Ein zum Kanal 13 fluchtender Durchgang 19 mündet in eine weitere sichelförmige Ausnehmung 20 der Innenmantelfläche 3. Dabei sind die sichelförmigen Ausnehmungen 15, 20 durch einen zylindersegmentförmigen Abschnitt 21 der Innenmantelfläche 3 voneinander beabstandet. Der Abschnitt 21 bildet dann in Verbindung mit der Lagerachse für den in die Brennkraftmaschine montierten Nockenfolger 2 einen Dichtspalt, so dass der Durchgang 19 bei komplettiertem Nockenfolger 2 unverschlossen bleibt und hier lediglich eine geringfügige Leckage von Hydraulikmittel bei Betrieb der Brennkraftmaschine auftritt.
Erfindungsgemäß entspricht die Kontur des Grundkörpers 1 im Wesentlichen seiner Endkontur bei komplettiertem Nockenfolger 2. Dabei weisen insbesondere der von den Kanälen 13, 14 gebildete Hydraulikmittelpfad 17, die sichelförmigen Ausnehmungen 15, 20 und der Zwischenraum 10 eine von mechanischer Nacharbeit freie Endkontur auf.

1: Grundkörper
2: Nockenfolger
3: Innenmantelfläche
4: Durchtrittsöffnung
5: Lagerstelle
6: Hebelwange
7: Hebelwange
8: Abschnitt
9: Ausnehmung
10: Zwischenraum
11: Durchtrittsöffnung
12: Durchtrittsöffnung
13: Kanal
14: Kanal
15: sichelförmige Ausnehmung
16: Übertritt
17: Hydraulikmittelpfad
18: Eintrittsbereich
19: Durchgang
20: sichelförmige Ausnehmung
21: Abschnitt

Claims

Als Kipp- oder Schwinghebel ausgebildeter Nockenfolger (2) für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, welcher Nockenfolger (2) zur Betätigung wenigstens eines Gaswechselventils zwischen wenigstens einem Nocken einer Nockenwelle und dem Gaswechselventil angeordnet und in Betätigungsrichtung des Gaswechselventils drehbar auf einer Hebelachse gelagert ist und Mittel zur Einstellung eines Ventilspiels des Ventiltriebs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur eines durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellten Grundkörpers (1) des Nockenfolgers (2) im Wesentlichen seiner Endkontur entspricht.
Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenfolger (2) zur Einstellung des Ventilspiels über wenigstens ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement verfügt, das in wenigstens einer dem wenigsten einen Gaswechselventil zugewandten Ausnehmung (9) des Grundkörpers (1) angeordnet und zur Versorgung mit Hydraulikmittel über wenigstens einen innerhalb des Grundkörpers (1) verlaufenden Hydraulikmittelpfad (17) an eine Hydraulikmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, wobei der Hydraulikmittelpfad (17) einenends in die Ausnehmung (9) zur Aufnahme des hydraulisches Ventilspielausgleichselements und anderenends in eine Durchtrittsöffnung (4) innerhalb einer Innenmantelfläche (3), die als Lagerstelle (5) zur Lagerung des Nockenfolgers (2) auf der Hydraulikmittel führenden Hebelachse dient, mündet, wobei der Hydraulikmittelpfad (17) im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellt ist.
Nockenfolger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innenmantelfläche (3) sichelförmige Ausnehmungen (15, 20) aufweist, die im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellt sind.
Nockenfolger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (4) im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellt ist.
Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenfolger (2) den wenigstens einen Nocken über wenigstens eine auf einem Bolzen drehbar gelagerte Rolle abgreift, welcher Bolzen in Durchtrittsöffnungen (11, 12) des Grundkörpers radial und axial gelagert ist, wobei die Durchtrittsöffnungen (11, 12) im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellt sind.
Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) einer mechanischen Nachbearbeitung unterworfen wird.
Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem durch Härten und Anlassen vergütbaren Stahl hergestellt ist.