DE102009020464A1

DE102009020464A1 - Verschleißfestes Nockenwellen- und Stößelmaterial

Info

Publication number: DE102009020464A1
Application number: DE102009020464A
Authority: DE
Inventors: Shekhar G. Grand Blanc Wakade; Simon Chin-Yu Rochester Hills Tung
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: CN101586483A; DE102009020464B4; US20090283063A1; CN101586483B; US8109247B2

Abstract

Eine Materialkombination für eine Nockenwelle und einen Stößel eines Motorventiltriebes sieht eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit vor. Die Nockenwelle oder Nockenwellenerhebungen besteht/en aus einem umformbaren Gusseisen und die Nockenstößel bestehen aus einem karbonitrierten 52100 oder 4130 Stahl, um eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit vorzusehen, die diamantharten Beschichtungen bei stark reduzierten Kosten gleichkommt.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenlegung betrifft Ventiltriebe und im Spezielleren verschleißfeste Nockenwellen- und Stößelkonstruktionen.
Hintergrund
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar.
Motorkonstrukteure und -ingenieure stehen permanent der Herausforderung gegenüber, an Produkten Neuerungen vorzunehmen, um stets strengen Emissions- und Kraftstoffökonomiezielen gerecht zu werden.
In einem herkömmlichen Ventiltriebsystem rotiert eine Nockenwelle und sie drückt gegen eine flache oder Rollenstößelfläche, die sich hin- und herbewegt, um Einlass- und Auslassventile zu öffnen und zu schließen. Die Grenzfläche zwischen der Nockenwellenerhebung und dem dazupassenden Stößel ist einer starken Belastung ausgesetzt, unabhängig davon, ob es sich um einen Gleit- oder Rolltyp handelt. Wenngleich darauf geachtet wird, diese Grenzfläche gut zu schmieren, stellen Situationen wie z. B. ein Kaltstart Umstände dar, unter denen es wahrscheinlich ist, dass Öl gelegentlich knapp wird. In solchen Fällen wird sich der Nocken zu drehen beginnen, bevor der Druck ausreichend ist, um das Öl zu der Oberseite des Motors zu pumpen. Mit der Zeit verschleißen diese Komponenten während der Lebensdauer eines Motors stark und erfordern eine regelmäßige Nachstellung oder die Verwendung von selbstnachstellenden hydraulischen Elementen. Eine Grundkonfiguration eines typischen Ventiltriebes ist in 1 veranschaulicht.
Da die Kraftstoffökonomie zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ob bei einer oben hängenden Ventil(OHV von overhead valve)-Konstruktion oder einer oben liegenden Nockenwellen(OHC von overhead cam)-Konstruktion, sind Motorenhersteller auf Ventiltriebsysteme übergegangen, die einen Rollkontakt zwischen den Nockenwellenerhebungen und Stößeln nutzen, wenngleich einige noch immer Gleitstößelkonstruktionen verwenden. Herkömmliches Nockenwellenmaterial wie z. B. gehärtetes Graugusseisen (GCI von gray cast iron) arbeitet gut unter reinen Gleitbedingungen und es mangelt ihm an der notwendigen Materialfestigkeit unter hohen Rollkontaktspannungen. Dasselbe trifft für Nocken aus Hartgusseisen (CCI von chilled cast iron) zu. Kugelgraphitgusseisen(NCI von nodular cast iron)-Nockenwellenmaterial wurde vorwiegend in Ventiltrieben vom Rollenstößeltyp verwendet. In einigen Motorkonstruktionen hat sich auch die Nockenstößel-Grenzfläche von einem Gleitkontakttyp zu einem Rollenkipphebeltyp geändert, um die Ventiltriebreibung zu reduzieren. Daher wurde die Verwendung von Kugelgraphitgusseisen als ein Ersatz mit höherer Festigkeit für CCI- und GCI-Nockenwellenmaterial unter Gleitkontaktbedingungen bis dahin nicht vollständig untersucht. Es war kein Material für Nockenwellen bekannt, das alle Anforderungen gleichzeitig unter Roll- und Gleitkontaktbelastungen ohne die Verwendung einer Oberflächenbeschichtung oder -modifizierung auf der Nockenwelle oder auf der dazupassenden Stößeloberfläche erfüllt.
Nockenwinkelverstellung und variable Ventilsteuerung (VVA von variable valve actuation) sind relativ neue Technologien, die versuchen, kraftstoff ökonomische Vorteile weiter abzustimmen, indem sie das Öffnen und Schließen der Ventile verändern. Die Verwendung einer reinen Rollwirkung für sowohl Groß- als auch Kleinhubbedingungen für einen zweistufigen VVA-Mechanismus ist für OHC-Motoren zu bevorzugen, da sie die Gesamtreibung des Ventiltriebes reduziert. Traditionellerweise wurden Nockenwellen, die vorwiegend Gleitbelastungen ausgesetzt sind, aus gehärtetem GCI oder CCI hergestellt und liefen gegen legierte CCI-Stößel. In einer zweistufigen Nockenwellenkonstruktionskonfiguration wird von diesen Materialien nicht erwartet, dass sie den Rollbelastungen standhalten, die typischerweise über 1400 MPa liegen, da dies die Materialfestigkeitsgrenzen überschreitet. Wenn die Konstruktionsarchitektur die Verwendung einer reinen Rollgrenzfläche für variable Ventilsteuerungskonfigurationen zulässt, dann ist die Materialwahl relativ einfach. Stahlnocken arbeiten unter Rollbelastungen sehr gut, vorausgesetzt, es ist reichlich Platz vorhanden, damit die Konstruktion arbeitet. Auf Grund des Haftverschleißes unter Gleitbedingungen reagieren sie jedoch gegenüber traditionellen Stößelmaterialien schlecht.
Wenn Konstruktionsbeschränkungen für einen Motor mit oben liegender Nockenwelle die reine Rolloption für eine zweistufige VVA-Architektur ausschließen, dann ist eine einzigartige Ventiltriebkonstruktionsoption möglich, die aus einem Erhebungs-Dreifachpaket besteht, das Roll- und Gleitbelastungen von den Stößelelementen ausgesetzt ist. Der Nockenerhebungsabschnitt in Kontakt während des Großhub-Modus ist den Gleitbelastungen ausgesetzt, wohingegen während des Kleinhub-Modus der andere Erhebungsabschnitt die Rollbelastung erfährt.
Montierte Nockenwellen mit maßgeschneiderten Erhebungsmaterialien wie z. B. Pulvermetallerhebungen können verwendet werden, um sowohl eine Roll- als auch eine Gleitbelastung zu bewältigen, wobei dies jedoch die Systemkosten erhöht. Ventilfederbelastungen, Ventilhübe, der verfügbare Platz wie auch die erwünschte Leistung bestimmen die Verwendung der speziellen Ventiltriebarchitektur, die von einem speziellen Motorenhersteller eingesetzt wird.
Auf Grund des Fehlens von Daten in Bezug auf die Gleitverschleißfestigkeit von Kugelgraphitgusseisen ist eine diamantharte Beschichtung (DLC von diamond-like coating) auf den Stößelelementen, die einem Gleiten ausgesetzt sind, eine sichere aber kostspielige Wahl für Schaltrollenventilhebel(SRFF von switchable roller finger follower)-Mechanismen. Es ist daher wünschenswert, eine Materialkombination für Nockenerhebungs- und Stößelelemente zu finden, die den Gleitbelastungen standhält, ohne dass es notwendig ist, die Gleitelemente der Stößel mit einer diamantharten Beschichtung zu beschichten, oder dass Pulvermetallerhebungen mit maßgeschneiderten chemischen Zusammensetzungen und Mikrostrukturen verwendet werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenlegung sieht einen Motorventiltrieb vor, welcher eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen umfasst, wobei die Nockenwellenerhebungen aus einem umformbaren Gusseisen bestehen und gehärtet sind. Eine Vielzahl von Stößelauflagen besteht aus karbonitriertem Stahl und sie stehen jeweils in Eingriff mit einem entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen. Die Materialkombination sieht einen Gleitverschleiß vor, der mit diamantharten Beschichtungen vergleichbar ist und gleichzeitig weniger kostspielig ist als diamantharte Beschichtungen.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung in keiner Weise einschränken sollen.
Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung in keiner Weise einschränken.
1 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Motorventiltriebsystems, das die Materialkombination der vorliegenden Offenlegung umfassen kann; und
1 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften zweistufigen variablen Ventilsteuerungssystems, das die Materialkombination der vorliegenden Offenlegung umfassen kann.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die vorliegende Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sollte einzusehen sein, dass in den Zeichnungen durchweg entsprechende Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet die Ziffer 10 allgemein einen Verbrennungsmotor vom Viertakt-Fremdzündungstyp. Bedeutende Teile des Motors 10 besitzen einen herkömmlichen Aufbau mit einem Zylinderblock 12, der eine Vielzahl von Zylindern 13 und einen Zylinderkopf 14 definiert, welcher die Enden der Zylinder verschließt. Kolben 16 sind in den Zylindern 13 angeordnet und arbeiten mit den Zylindern 13 und dem Zylinderkopf 14 zusammen, um Brennkammern 18 an den Zylinderenden zu bilden. Einlass- und Auslasskanäle sind für jeden Zylinder vorgesehen, wobei nur ein Einlasskanal 20 gezeigt ist. Es sind Tellerventile 22 vorgesehen, eines in jedem der Kanäle, und jedes weist eine Feder 24 auf, die ihr jeweiliges Ventil in einer Kanalschließrichtung vorspannt. Eine Nockenwelle 26 ist mit der Motorkurbelwelle (nicht gezeigt) für eine Rotation in zeitabgestimmter Beziehung mit der Hin- und Herbewegung der Kolben 16 verbunden. Die Nockenwelle 26 weist eine Vielzahl von Nockenerhebungen 28 auf, von denen einer jedem der Ventile 22 zugeordnet ist, um das Ventil in dem richtigen Abschnitt jedes Motorzyklus zu betätigen. Die Ventile und jeweiligen Nockenerhebungen können Kipphebel 30, Stößelstangen 32 und hydraulische Ventilstößel 34 umfassen. Diese Elemente sollen herkömmliche Aufbauten repräsentieren, die in verschiedenen Formen in Kraftfahrzeugmotoren anzutreffen sind. Die Ventilstößel 34 definieren Stößelauflagen, die mit den Nockenerhebungen 28 in Eingriff stehen.
Als eine alternative Konfiguration könnte der Ventiltrieb ein zweistufiges variables Ventilsteuerungssystem umfassen, wie in den US-Patent-Nummern 5 361 733 , 6 848 402 , 6 752 107 und 6 923 151 offenbart, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
2 veranschaulicht einen beispielhaften zweistufigen hubvariablen Ventilmechanismus, der in einem Motor mit oben liegender Nockenwelle mit direkt wirkenden Nockenstößeln vorgesehen ist. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Motor 100 eine Block-, Kopf- und/oder Trägerkomponente 102, die eine Nockenwelle 103 und eine Vielzahl von Kipphebeln 104c trägt, von denen nur einer gezeigt ist. Die Nockenwelle 103 umfasst ein Paar beabstandeter Großhubnocken 106 und einen zentralen Kleinhubnocken 107 für jedes der Einlassventile 108 und/oder Auslassventile des Motors, die durch einen Kipphebel betätigt werden. In dem gezeigten Motor weist jeder Kipphebel 104c einen äußeren Großhubnockenstößel 110 auf, der den Großhubnocken 106 zugeordnet ist, und einen inneren Kleinhubnockenstößel 111, der den Kleinhubnocken zugeordnet ist. Eine detaillierte Erklärung der beispielhaften Kipphebel 104c ist in dem US-Patent Nr. 5 361 733 bereitgestellt, das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
Es ist eine Entdeckung der vorliegenden Offenlegung, dass eine Materialkombination zur Verwendung in Nockenwellen- und Nockenstößelanwendungen keine Verwendung von Beschichtungen entweder auf den Nockenwellenerhebungen oder auf dem Stößelauflagenmaterial erfordert. Das Nockenwellen- oder Nockenwellenerhebungsmaterial ist ein umformbares Gusseisen. Das umformbare Gusseisen kann gehärtet und getempert sein. Das Härteverfahren kann unter Verwendung einer Induktionserwärmung, Flammenerwärmung oder unter Verwendung von Laserenergie ausgeführt werden. Die gehärtete Matrix-Mikrostruktur kann getemperter Martensit und Temperkohle sein. Die Menge an Temperkohle/Graphit ist kleiner oder gleich 10%. Die Kohlenstoffpartikelanzahl (Partikel, die größer sind als 25 Quadratmikrometer) ist kleiner als 200 pro Quadratmillimeter. Niedrigere Werte der Temperkohlepartikelanzahl, bei denen die Partikelanzahl zwischen 150 und 200 pro Quadratmillimeter liegt, lieferten die besten Ergebnisse. Die Härte der Nockenwellen- oder Nockenwellenerhebungsmaterialien kann im Bereich von 50 bis 62 RC liegen.
Das Stößelmaterial umfasst einen karbonitrierten 52100 Stahl oder einen karbonitrierten 4130 Stahl. Die Wärmebehandlung für den Stößel ist ein Karbonitrieren im Gegensatz zu einem Aufkohlen oder nur Härten oder Tempern. Das Karbonitrieren kann bis zu einer Tiefe von 0,5 bis 1,5 mm und im Spezielleren etwa 1 mm erfolgen und das Stößelmaterial kann eine Härte von 55–64 RC aufweisen. Karbonitrieren ist eine modifizierte Form des Gasaufkohlens, bei dem Ammoniak in die Gasaufkohlungsatmosphäre eingeleitet wird, um dem aufgekohlten Gehäuse Stickstoff hinzuzufügen, während es hergestellt wird. Wenn der Ammoniak zerfällt und naszierenden Stickstoff an der Arbeitsoberfläche bildet, diffundiert Stickstoff gleichzeitig mit Kohlenstoff in die Stahloberfläche. Das resultierende Gehäuse, welches aus Karbiden und Nitriden besteht, ist flacher als ein typischerweise nur durch Aufkohlen hergestelltes, stellt jedoch eine überlegene Verschleißreaktion bereit.
Die Entdeckung der vorliegenden Offenlegung besteht darin, dass, wenn sowohl umformbares Gusseisen als Nockenwellenmaterial als auch karbonitrierter 52100 oder 4130 Stahl als zusammenpassende Komponenten gleichzeitig verwendet werden, diese Materialkombination den Betrag an Gesamtverschleiß deutlich reduziert. In Labortests, die an einer großen Anzahl an Proben durchgeführt wurden, lieferte die Verwendung von umformbarem Gusseisen für die Nockenwellenerhebungen gemäß den obigen Spezifikationen und von Stößeln aus karbonitriertem 52100 oder 4130 Stahl eine ausgezeichnete Gleitverschleißfestigkeit, die der von diamantharten Beschichtungen entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5361733 [0017, 0018]
- US 6848402 [0017]
- US 6752107 [0017]
- US 6923151 [0017]

Claims

Motorventiltrieb, welcher umfasst: eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen, wobei die Nockenwellenerhebungen aus einem umformbaren Gusseisen bestehen; und eine Vielzahl von Stößelauflagen, die aus karbonitriertem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einem entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen stehen.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei der karbonitrierte Stahl ein 52100 Stahl oder ein 4130 Stahl ist.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Stößelauflagen bis zu einer Tiefe zwischen 0,5 und 1,5 mm karbonitriert sind.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Nockenwellenerhebungen von 50 bis 62 RC eingehärtet sind.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Stößelauflagen eine Härte von 55 bis 64 RC besitzen.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Nockenwellenerhebungen eine gehärtete Matrix-Mikrostruktur aus getempertem Martensit und Temperkohle/Graphit umfassen.
Motorventiltrieb nach Anspruch 6, wobei die Nockenwellenerhebungen eine Menge an Temperkohle/Graphit von weniger als oder gleich 10% umfassen, und wobei die Kohlenstoffpartikelanzahl der Partikel, die größer sind als 25 Quadratmikrometer, kleiner ist als 200 pro Quadratmillimeter.
Motorventiltrieb, welcher umfasst: eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen, wobei die Nockenwellenerhebungen aus einem umformbaren Gusseisen bestehen; und eine Vielzahl von Stößelauflagen, die aus karbonitriertem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einem entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen stehen, wobei der karbonitrierte Stahl ein 52100 Stahl oder ein 4130 Stahl ist.
Motorventiltrieb nach Anspruch 8, wobei die Nockenwellenerhebungen von 50 bis 62 RC gehärtet sind.
Motorventiltrieb nach Anspruch 8, wobei die Stößelauflagen eine Härte von 55 bis 64 RC besitzen.
Motorventiltrieb, welcher umfasst: eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen, wobei die Nockenwellenerhebungen aus einem umformbaren Gusseisen bestehen, wobei die Nockenwellenerhebungen von 50 bis 62 RC gehärtet sind; und eine Vielzahl von Stößelauflagen, die aus karbonitriertem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einem entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen stehen, wobei der karbonitrierte Stahl ein 52100 Stahl oder ein 4130 Stahl ist, der bis zu einer Tiefe zwischen 0,5 und 1,5 mm karbonitriert ist, wobei die Stößelauflagen eine Härte von 55 bis 64 RC besitzen.