DE102014212446A1

DE102014212446A1 - Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102014212446A1
Application number: DE102014212446.8A
Authority: DE
Inventors: Helen Esders; Hans JANSSEN
Original assignee: Polytec Plastics Germany GmbH and Co KG
Current assignee: Polytec Plastics Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-12-31
Also published as: CN106460723A; US20170138255A1; WO2015197410A1; EP3161277A1; US10208663B2; EP3161277B1; MX2016017254A; CN106460723B

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges aus Kunststoffmaterial mit integrierter Nockenwellenschaltung.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges aus Kunststoffmaterial mit integrierter Nockenwellenschaltung.
Eine Zylinderkopfhaube, auch Zylinderkopfdeckel oder Ventildeckel genannt, ist bekanntermaßen der oberste Abschluss eines (aufrechtstehenden) 4-Takt-Verbrennungsmotors.
Sie birgt die oberen Betätigungselemente des Ventiltriebs und verhindert das austreten der Schmieröls an die Umwelt, sowie den Zutritt von Luft in den Motor.
Falls der Ventiltrieb mit einer obenliegenden Nockenwelle ausgerüstet ist und diese mit einer Kette angetrieben wird, umfasst die Zylinderkopfhaube auch die Nockenwellen-Kettenräder.
Moderne Fahrzeuge besitzen eine Nockenwellenverstellung, auch als variable Nockenwellensteuerung oder variable Ventilsteuerung bezeichnet. Hierunter versteht man ein Verfahren zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung von 4-Taktmotoren im Betrieb.
Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten erlaubt eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten.
Bei der Nockenwellenverstellung werden die Einlass- und Auslass-Steuerzeiten in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenstellung durch Aktuatoren verändert, um in allen Drehzahlbereichen eine möglichst effiziente Zylinderfüllung zu erreichen Aktoren, oft auch mit dem englischen Begriff "actuator" als "Aktuatoren" bezeichnet, setzen bei der Nockenwellensteuerung elektrische Signale in mechanische Bewegung um und greifen damit aktiv in das Regelsystem ein.
Der hier diskutierte Aktuator verschiebt ein Nockenpaket auf der Nockenwelle so dass eine zweite Nocke auf dem Ventil zum Eingriff kommt. Aufgrund der erforderlichen Präzision sind für die Aufnahme der Aktuatoren derzeit nur Aluminiumhauben im Einsatz.
Aus KU Kunststoffe, Jahrg. 91 (2001) 6, sind Zylinderkopfhauben aus glasfaser- und mineralbefülltem Polyamid 66 bekannt, die auch bei erhöhten Temperaturen alle Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Belastung von Zylinderkopfhauben erfüllen und eine gute Kriechfestigkeit besitzen sollen.
Aus DE 198 04 607 C2 ist eine Anordnung zum elektrischen Anschluss zumindestens eines Sensors bekannt, der über elektrische Verbindungsleitungen kontaktiert wird und an einem Motorbauteil einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, das zumindest teilweise aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsleitungen (20) in Form von metallenen Schienen (21) ausgebildet und in den Kunststoff des Motorbauteils (3) eingebunden sind, wobei ein erstes Ende (24) der Schienen (21) einen Teil einer Steckeraufnahme (26) bildet und ein zweites, aus dem Kunststoff des Motorbauteils (3) ragendes Ende (25) der Schienen (21) entsprechende Anschlusskontaktstellen (18) für den Sensor (1) bereitstellt, der über eine zwischen Sensoranschlussstellen (8) des Sensors (1) und den Anschlusskontaktstellen (18) der Schienen (21) vorgesehene Kontaktplatte (14) mit Kontaktelementen (22) elektrisch mit den Schienen (21) und somit der Steckeraufnahme (26) kontaktierbar ist.
Die hier beschriebenen Motorbauteile umfassen jedoch keine Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges, insbesondere keine Zylinderkopfhaube aus Kunststoffmaterial mit integrierter Nockenwellenschaltung. Die hier beschriebenen metallenen Schienen dienen nicht der Verstärkung des sie umgebenden Motorbauteils.
Das Gewichtseinsparpotential von Kunststoff-Zylinderkopfhauben gegenüber bekannten Aluminiumzylinderkopfhauben liegt bei etwa 30 bis 50 %, wobei durch konsequente Funktionsintegration in das Bauteil ein weiterer Kostenvorteil erzielbar ist.
Aus ATZ-Automobiltechnische Zeitschrift, März 2007, Vol. 109, S. 220 bis 224 sind Hybridhauben aus Kunststoff bekannt. Hier wird eine Zylinderkopfhaube beschrieben, bei der ein steifer, aber leichter Metallrahmen die Verstärkungsfunktion der Dichtung übernimmt. Hier wird beschrieben, dass die Verbindung der beiden Materialien nur durch Elastomer erfolgen kann, um sowohl beste akustische Entkopplung zu gewährleisten als auch die verschiedene thermische Ausdehnung der Komponenten auszugleichen. Der Metallversteifungsrahmen hat jedoch keinen Kontakt zum Haubenkörper.
Die Hybridtechnik vereint bekanntermaßen die Kombination der Eigenschaften zweier Werkstoffe, die in der Summe eine höhere Leistungsfähigkeit erreicht, als die Werkstoffe einzeln für sich genommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges, die neben den Gewichtsvorteilen weitere Vorteile aufweist, wie beispielsweise den im Fall von einem zusätzlichen Montageschritt möglich, den Wegfall von zusätzlichen Dichtungen, Schrauben und Buchsen.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges aus glasfaser- und/oder mineralverstärktem Kunststoffmaterial mit integrierter Nockenwellenschaltung umfassend wenigstens ein im Wesentlichen von dem Kunststoffmaterial umschlossenes metallisches Einlegeteil, das mit diesen vollflächig in Kontakt ist.
Durch den insbesondere im Spritzgussprozess erzeugten Formschluss zwischen dem Kunststoff und dem Einlegeteil des Hybridbauteils wird die Herstellung von hochbelastbaren und kostengünstigen Bauteilen ermöglicht. Im Vergleich zum konventionellen Spritzguss lassen sich so komplexe Strukturen realisieren.
Gegenüber einem reinen Kunststoffkonzept weisen die erfindungsgemäßen Zylinderkopfhauben technische Vorteile, insbesondere in Bezug auf die Wärmeausdehnung des Blechs im Vergleich zur Wärmeausdehnung der Nockenwelle auf.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Zentrierung der Haubenmontage über das metallische Einlegeteil vorzunehmen. Durch den direkten Formschluss zwischen dem Einlegeteil und dem glasfaser- und/oder mineralverstärktem Kunststoffmaterial kann eine hohe Steifigkeit der Aktuatoraufnahme erreicht werden. Die Einflüsse durch Temperatur, Zeit, Feuchtigkeit, Schwingung und Schwindung werden reduziert.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Einlegeteil als insbesondere gestanztes, gegebenenfalls geformtes Blechteil mit den glasfaser- und/oder mineralverstärktem Kunststoffmaterial umspritzt. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Funktionstrennung herbeiführen.
Der Begriff des Bleichteiles im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst neben metallischen Einlegeteilen auch sogenannte Organobleche. Hierunter versteht man Teile, die durch Umformen faserverstärkter Halbzeuge mit einer thermoplastischen Matrix, die durch thermoplastischen Spritzguss und das Thermoformen endlosfaserverstärkter Thermoplasten kombiniert werden.
Diese Organobleche werden bevorzugt in einem vorraugehenden Umformprozess erzeugt und als formstabile Bauteile in das Werkzeug eingelegt, gehalten und umspritzt.
Prinzipiell ist es möglich, durch diese Verfahrenskombination mit Spritzgießen weitere Funktionselemente zu integrieren. Der Prozess ermöglicht damit die Herstellung großserientauglicher Bauteile mit kurzen Zykluszeiten.
Organobleche bestehen aus speziellen Geweben, die in definierten Orientierungen in eine Thermoplastmatrix eingebettet sind. Die Gewebe werden aus Glasfaser-, Kevlar- oder Kohlefasern hergestellt. Als Thermoplastmatrix eignet sich zum Beispiel Polyamid, weil es unter anderem eine gute Haftung zu den Fasern zeigt. Das Ergebnis sind Hybridbauteile, die vollständig aus Kunststoff bestehen. Im Vergleich zu ihren Pendants aus Blech sind sie leichter und zeigen eine höhere Flächensteifigkeit sowie deutlich höhere Festigkeiten. Zudem können Anbauteile wie Verstärkungen oder Clipse durch Anspritzen integriert werden. Außerdem kann auf den Korrosionsschutz verzichtet werden, der bei metallischem Blech häufig einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellt. Die Investition in ein Werkzeug zum Tiefziehen ist bei Organoblechen deutlich geringer als bei Metall. Deshalb lohnt sich die Fertigung von Hybridbauteilen mit Organoblech vor allem bei niedrigen bis mittleren Stückzahlen.
Das Material eines metallischen Einlegeteils kann ein Stahl- oder Aluminiumblech umfassen. Die gewünschte Funktion des Einlegeteils bestimmt dabei die entsprechende Materialwahl.
Die Schichtdicke des Einlegeteils kann beliebig eingestellt werden, wobei eine Schichtdicke des Einlegeteils in Form eines Blechs vorzugsweise 0,75 bis 2 mm, insbesondere 1 bis 1,5 mm betragen kann und gegebenenfalls den statischen oder funktionellen Erfordernissen entsprechend variiert und angepasst werden kann. Somit kann das Blechteil gegebenenfalls in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Dicken aufweisen, um beispielsweise an bestimmten Orten eine höhere Belastung aufnehmen zu können.
Eine weitere besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das metallische Einlegeteil einseitig vollständig von Kunststoff umschlossen ist, wodurch eine öldichte Haube entsteht. Die öldichte Haube kann auch durch überschweißen eines Gehäuses erzeugt werden welches offene Bereich abdeckt
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Einlegeteil teilweise oder vollständig Träger der Aktuatoren der Nockenwelle ist oder die Kunststoffaufnahme der Aktuatoren entsprechend versteift. Hierdurch lässt sich ein verbesserte exaktere Steuerung der Steuerzeiten der Nockenwelle erreichen.
Für das Kunststoffmaterial stehen dem Fachmann eine Reihe verschiedenster Materialien zur Verfügung. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Polyamide, die sich im Stand der Technik hervorragend bewährt haben, insbesondere Polyamid 66 oder PA 6, die auch schon Eingang in konkrete Fahrzeugprojekte gefunden haben.
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

DE 19804607 C2 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

KU Kunststoffe, Jahrg. 91 (2001) 6 [0009]
März 2007, Vol. 109, S. 220 bis 224 [0013]

Claims

Zylinderkopfhaube eines Kraftfahrzeuges aus glasfaser- und/oder mineralverstärktem Kunststoffmaterial mit integrierter Aufnahme für Nockenwellenschaltung umfassend wenigstens ein im Wesentlichen von dem Kunststoffmaterial umschlossenes Einlegeteil, das mit diesen vollflächig in Kontakt ist.
Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil ein insbesondere gestanztes, gegebenenfalls geformtes Blechteil umfasst.
Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1 oder 2 umfassend ein Organo-, Stahl- oder Aluminiumblech als Einlegeteil.
Zylinderkopfhaube nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech Glasfaser-Kevlar- und/oder Kohlenstofffasern umfasst, die in einer thermoplastischen Matrix eingebettet sind.
Zylinderkopfhaube nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, die Schichtdicke des Blechs 0,75 bis 2 mm, insbesondere 1 bis 1,5 mm beträgt und gegebenenfalls den statischen oder funktionellen Erfordernissen entsprechend variiert.
Zylinderkopfhaube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil einseitig vollständig vom Kunststoff umschlossen ist wodurch eine öldichte Haube entsteht, insbesondere mit dieser verschweißt ist.
Zylinderkopfhaube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil teilweise oder vollständig Träger der Aktuatoren der Nockenwelle ist oder die Kunststoffaufnahme der Aktuatoren entsprechend versteift.
Zylinderkopfhaube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial Polyamid, insbesondere Polyamid 66 oder PA6 bevorzugt mit Glasfasern umfasst.