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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenstößel mit einer Rolle, und insbesondere einen Nockenstößel mit einer Rolle, der in einem Ventilmechanismus einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs enthalten ist.
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Eine Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventiltaktmechanismus wie einem VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control System) ist allgemein bekannt.
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In einer solchen Brennkraftmaschine wird ein Ventilmechanismus so konfiguriert, dass zwei Antriebsverschlussarme und ein diese verbindenden Verbindungsverschlussarm gemeinsam arbeiten, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit betätigt werden, während die beiden Antriebsverschlussarme getrennt arbeiten, wenn sie mit niedriger Geschwindigkeit betätigt werden.
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Bei jedem der Antriebsverschlussarme und beim Verbindungsverschlussarm wird eine Nocke berührende Rolle durch ein Nadellager gelagert. Im Augenblick verwendet man als Material für die die Rolle tragende Achse SUJ2 in den Antriebsverschlussarmen, während man aufgekohlten Stahl im Verbindungsverschlussarm verwendet. Diese Materialien werden aus folgenden Gründen verwendet.
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Bei niederen Motorumdrehungen greift ein Schaltstift nicht ein, wobei eine kleine Last erzeugt wird, die auf das Nadellager ausgeübt wird, das die Rolle hält. Somit wird ein SUJ2-Material für die Antriebsverschlussarme verwendet.
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Bei hohen Motordrehungen greift der Schaltstift derart ein, dass die Achsen der Antriebsverschlussarme und des Verbindungsverschlussarms verbunden werden, wobei eine sehr hohe Last erzeugt wird, die auf das die Rolle im Verbindungsverschlussarm haltende Nadellager ausgeübt wird. Das Lager muss daher eine große Breite aufweisen, um eine lange Lebensdauer sicher zu stellen.
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Wenn die Anzahl der Umdrehungen hoch ist, greifen die Antriebsverschlussarme und der Verbindungsverschlussarm durch Betätigen des Schaltstifts zusammen, was das Problem einer Achsenbiegung verursachen kann, die von der Seite des Achseninnendurchmessers ausgeht. Dem wird durch Erhöhen der Lagerbreite und durch Verwenden eines starken aufgekohlten Materials für die Halteachse der Rolle im Verbindungsverschlussarm begegnet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das hier verwendete SUJ2-Material) derart vergütet (quench and temper) wird, dass die Härte einer Rollfläche der Nadelrolle auf HRC 60 bis 62 eingestellt wird.
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Die durch die Verschlussarme gehaltene Rolle befindet sich in direktem Kontakt mit der Nocke. In diesem Abschnitt verschwindet verglichen mit anderen Motorkomponenten die Schmierung leicht, und somit nennt man die Kontaktfläche von Nocke und Rolle einen Grenzschmierbereich. Die die Rolle tragende Nadelrolle befindet sich im Grunde rollenden Kontakt mit der Achse. Unter extremen Umständen, wie sie oben beschrieben wurden, tritt jedoch ein kleines Rutschen zwischen dem Nadelrollenlager und der Achse auf, wenn die Nockelast rasch variiert. Dies verursacht, dass das Nadelrollenlager eine schlechte Schmierung aufweist, so dass ein Abrieb oder dergleichen verursacht wird, woraus sich eine unzureichende Beständigkeit ergibt. Weiter steigt bei steigender Nockenlast auch der Druck auf die Kontaktfläche der Nadelrolle und der Achse, was die Dauerhaltbarkeit verkürzt. Aus dem Stand der Technik sind Maßnahmen zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit bekannt. Beispielsweise beschreibt die
DE 196 12 969 B4 eine Verfahren zur Herstellung eines Kipp- oder Schlepphebels eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit einem und eine Nockenwelle tragenden zumindest einseitig verstemmten Lagerbolzen, wobei der Lagerbolzen zunächst durchgehärtet und vor dem Verstemmen zumindest an einem zu verstemmenden Ende stirnseitig einem Kurzzeitglühen unterworfen wird. Auch ist es aus dem Fachbuch Reinhold, H (u. a.): Metall, 23. Auflage, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1990 (Friedrich Tabellenbücher), Seiten 116 bis 117, zur Erzielung einer entsprechenden Oberfächenhärte einer Haltachse bekannt, die Oberfäche der Halteachse zu nitrieren
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nockenstößel mit einer Rolle zur Verfügung zu stellen, der gegenüber dem Vorbekannten eine ausgezeichnete Beständigkeit und Dauerhaltbarkeit aufweist.
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Ein erfindungsgemäßer Nockenstößel mit einer Rolle enthält einen Nockenstößelkörper mit einem Rollenhalteabschnitt, der in den Nockenstößelkörper integriert ist, einer Halteachse, deren beide Enden an dem Rollenhalteabschnitt befestigt sind, und einer Rolle, die drehbar auf der Halteachse gelagert ist, wobei dazwischen eine Mehrzahl von Nadelrollen angeordnet ist, wobei wenigstens die Halteachse oder die Nadelrolle eine Oberfäche, auf der eine Nitridschicht ausgebildet ist, und eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und eine Abschreckaustenitmenge von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für den Nockenstößel ein Prozess durchgeführt, der das Nitrieren beinhaltet, um die Oberflächenhärte auf höchstens HV 650 zu erhöhen und um die Abschreckaustenitmenge auf wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% zu erhöhen. Dies kann den Abrieb reduzieren, der zwischen der Halteachse und der Nadelrolle auftritt, und kann die Ermüdungsfestigkeit erhöhen und liefert eine ausgezeichnete Beständigkeit und Rollendauerhaltbarkeit.
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Weiter wird der das Nitrieren enthaltende Prozess so durchgeführt, dass eine Nitridschicht auf der Oberfläche der Halteachse oder der Nadelrolle ausgebildet wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass keine Verbesserung in der Rollendauerhaltbarkeit des Nockenstößels gesehen werden kann, wenn die Abschreckaustenitmenge weniger als 25 Vol.-% beträgt. Wenn weiter die Abschreckaustenitmenge mehr als 50 Vol.-% beträgt, wird die Oberflächenhärte verringert, wobei die Abriebresistenz verschlechtert wird. Somit muss die Abschreckaustenitmenge wenigstens als 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.% betragen.
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Wenn zusätzlich die Oberflächenhärte kleiner als 25 Vol.-% ist, wird die Halteachse aufgrund des Abriebs verformt, der beim Rollen der Nadelrolle auftritt. Somit muss die Oberflächenhärte wenigstens HV 650 betragen.
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Vorzugsweise weist der Nockenstößel mit Rolle eine Halteachse aus aufgekohltem Stahl auf und ist einer vom Tempern gefolgten Karbonitrierung unterzogen.
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Wenn die Halteachse des Nockenstößels mit Rolle in einem Hochtemperaturbereich wie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird sie bei einer Umgebungstemperatur oder höher getempert, um ihre Abmessungen in der Umgebung zu stabilisieren.
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Beim Nockenstößel mit Rolle werden beide Enden der Halteachse vorzugsweise verstemmt und an dem Rollenhalteabschnitt befestigt.
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Die Vestemmungs- und Befestigungsarbeit kann durch einfaches Einkerben einer Stirnfläche der Halteachse durchgeführt werden, was eine Beeinflussung des Rollenhalteabschnitts verhindert. Die Nockenstößel würden daher nicht beim Zusammensetzen verformt.
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Beim Nockenstößel mit Rolle weisen beide Stirnflächen der Halteachse vorzugsweise jeweils eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 200 und höchstens HV 280 ohne Abschreckung auf.
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Somit können die Stirnflächen der Halteachse so eingekerbt werden, dass ihre Kanten ausgedehnt werden, wenn der Nockenstößel zusammengesetzt wird. Solch ein Prozess des Verstemmens und Befestigens würde keine Risse am Endabschnitt verursachen, was es der Halteachse ermöglicht, leicht und fest am Nockenstößelkörper befestigt zu werden.
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Vorzugsweise weist der Nockenstößel mit Rolle eine Halteachse aus Lagerstahl auf, die einer von einem Tempern gefolgten Karbonitrierung unzerzogen ist.
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Wenn die Halteachse des Nockenstößels mit Rolle in einem Hochtemperaturbereich wie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird sie bei einer Umgebungstemperatur oder höher getempert, um ihre Abmessungen in der Umgebung zu stabilisieren.
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Beim Nockenstößel mit Rolle ist die Halteachse durch eine Hohlachse gebildet und in den Rollenhalteabschnitt durch Pressen eingepasst.
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Da die Halteachse eine Hohlachse ist, kann ein variabler Ventilmechanismus wie ein VTEC mit einem einfachen Aufbau durch Anordnen eines Schaltstifts im hohlen Abschnitt implementiert werden.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ergeben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Vorderansicht, die den Aufbau eines Nockenstößels mit Rolle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine schematische Schnittansicht längs der Linie II-II in 1;
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3 ist eine schematische Schnittansicht längs der Linie II-II in 1, die einen Aufbau zeigt, bei dem der Nockenstößel mit Rolle in 1 in einem VTEC-Ventilmechanismus verwendet wird;
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4 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Aufbau zeigt, bei dem eine Rollenachse einen festen Körper aufweist und verstemmt und befestigt ist;
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5A und 5B zeigen eine vertikale Schnittansicht bzw. eine Härteverteilungslinie der in 4 gezeigten Rollenachse; und
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6 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau einer Testmaschine zeigt, die einen Lebensdauertest durchführt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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In den 1 und 2 wird ein Nockenstößel 1 drehbar auf einer Nockenstößelachse 5 gehalten, wobei dazwischen ein Lagermetall oder dergleichen in einem Mittelabschnitt angeordnet ist.
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Eine Einstellschraube 7 wird in ein Ende des Nockenstößelkörpers 1 eingeschraubt. Die Einstellschraube 7 ist durch eine Verriegelungsmutter 8 fixiert, und ihr unteres Ende steht im Kontakt mit einem oberen Ende eines Ventilschafts 9 eines Ansaugventils oder eines Abgasventils einer Brennkraftmaschine. Der Ventilschaft 9 wird durch die Spannkraft einer Feder 10 vorgespannt.
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Der Nockenstößelkörper 1 weist einen Rollenhalteabschnitt 14 auf, der integral in gabelartiger Weise an seinem anderen Ende ausgebildet ist. Beide Enden einer Rollenachse 2 sind an dem gabelförmigen Rollenhalteabschnitt 14 durch Presseinpassung oder einen Schnappring befestigt. Eine Rolle 4 ist auf einem Mittelabschnitt einer äußeren Umfangsfläche der Rollenachse 2 drehbar gelagert, wobei dazwischen eine Nadelrolle 3 angeordnet ist. Die äußere Umfangsfläche der Rolle 4 wird gegen eine Nockenoberfläche der Nocke 6 durch die Vorspannkraft der Feder 10 gedrückt.
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Wenigstens die Rollenachse 2 oder die Nadelrolle 3 wird einem Prozess unterzogen, der das Nitrieren einschließt, wodurch sie eine Nitridschicht auf ihrer Oberfläche erhält, und zwar mit einer Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und einer Abschreckaustenitmenge an einem Oberflächenabschnitt von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-%.
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Weiter besteht die Rollenachse 2 aus Lagerstahl und wird einer Karbonitrierung gefolgt vom Tempern unterzogen. Die Rollenachse 2 wird zum Beispiel durch eine Hohlachse gebildet und ist derart konfiguriert, dass ein Schaltstift in einem hohlen Abschnitt angeordnet werden kann.
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Durch Einsetzen einer solchen Struktur ermöglicht es die Drehung der Nocke 6, dass der Nockenstößelkörper 1 mit der Nockenstößelachse 5 als Mitte dreht, wobei die Rolle 4 dazwischen angeordnet ist, um ein Ansaugventil oder ein Abgasventil, das an einer Spitze des Ventilschafts 9 angeordnet ist, zu öffnen oder zu schließen.
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Nachfolgend wird der Aufbau des Nockenstößels mit Rolle, der in den 1 und 2 bei der Benutzung mit einem VTEC-Ventilmechanismus gezeigt ist, beschrieben.
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In 3 weist der VTEC-Ventilmechanismus im allgemeinen Antriebsverschlussarme RA1 und RA2 auf, die an beiden Seiten angeordnet sind, wobei es sich bei jedem von ihnen um einen Nockenstößel mit Rolle handelt, der sich im Kontakt mit dem Ventilschaft 9 befindet, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist. Ein weiterer Nockenstößel mit Rolle, der in den 1 und 2 von dem Venilschaft 9 getrennt ist, ist zwischen den beiden Antriebsverschlussarmen RA1 und RA2 als Verbindungsverschlussarm RA3 vorgesehen.
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Der Verbindungsverschlussarm RA3 verbindet den Antriebsverschlussarm RA1 mit dem Antriebsverschlussarm RA2 auf beiden Seiten, um sie zusammen bei hohen Motorumdrehungen zu betätigen, während er die Antriebsverschlussarme RA1 und RA2 bei niedrigen Motorumdrehungen getrennt betätigt.
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Jede der die jeweiligen Rollen 4, 4a tragenden Rollenachse 2, 2a dieser drei Verschlussarme RA1 bis RA3 weist eine hohle Form auf, wobei der hohle Abschnitt zwei Schaltstifte 11a, 11b aufweist, die darin nebeneinander angeordnet sind. Eine Stirnfläche des Schaltstifts 11a schlägt an eine Stirnfläche des Schaltstifts 11b an, während die andere Stirnfläche des Schaltstifts 11b durch eine Feder 12 zum Schaltstift 11a hin vorgespannt ist. Eine Hydraulikleitung 13 ist an der anderen Stirnfläche des Schaltstifts 11a vorgesehen, so dass sie mit dem Innern des hohlen Abschnitts der Rollen 2 verbunden werden kann.
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Bei einem solchen Aufbau bewegen sich, wenn der hydraulische Druck an der anderen Stirnfläche des Schaltstifts 11a durch die Hydraulikleitung 13 erhöht wird, die Schaltstifte 11a, 11b gegen die Vorspannkraft der Feder 12 zur rechten Seite in der Figur. Somit werden die Verschlussarme RA1 bis RA3 verbunden, um zusammen betätigt zu werden.
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Wenn andererseits der hydraulische Druck an der anderen Stirnfläche des Schaltstifts 11a durch die Hydraulikleitung 13 reduziert wird, bewegen sich die Schaltstifte 11a, 11b durch die Vorspannkraft der Feder 12 zur linken Seite in der Figur. Somit befindet sich die Anschlagfläche der Schaltstifte 11a und 11b an der Grenze der Verschlussarme RA1 und RA3, während die andere Stirnfläche des Schaltstifts 11b sich an der Grenze der Verschlussarme RA3 und RA2 befindet. Dies trennt die drei Verschlussarme RA1 bis RA3 voneinander, so dass die Verschlussarme RA1 bis RA3 getrennt betätigt werden.
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Als solche können drei Verschlussarme RA1 bis RA3 gemeinsam in einem Bereich hoher Umdrehungen betätigt werden, während sie getrennt in einem Bereich niedriger Umdrehungen betätigt werden können, was die Implementierung einer variablen Ventiltaktung ermöglicht.
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Bei dem oben beschriebenen Ventilmechanismus im VETC wird wenigstens eine Rollenachse 2, 2a und eine Nadelrolle 3, 3a in jedem der Verschlussarme RA1 bis RA3 einer Nitrierung ausgesetzt, wodurch eine Nitridschicht auf der Oberfläche gebildet wird. Wenigstens eine Rollenachse 2, 2a und eine Nadelrolle 3, 3a weist eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und eine Abschreckaustenitmenge auf der Oberfläche von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% auf.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Rollenachse 2 nicht auf eine hohle Form beschränkt ist und einen festen Aufbau haben kann, wie es in 4 gezeigt ist, bei dem ihre beiden Enden verstemmt und an dem Rollenhalteabschnitt 14 befestigt sind. Das Verstemmen und Befestigen wird durch Einpassen der Rollenachse 2 in ein Achsenloch 15, das an dem gabelförmigen Rollenhalteabschnitt 14 vorgesehen ist, und anschließendes Einkerben einer Stirnfläche 16 der Rollenachse 2 zum Bilden einer Verstemmungsrille 17 durchgeführt. Durch Bilden einer Verstemmungsrille 17 dehnt sich der Randabschnitt der Rollenachse 2 aus, um die Innenfläche des Achsenlochs 15 durch eine Spannkraft vorzuspannen, so dass die Rollenachse 2 fest in dem Achsenloch 15 befestigt ist.
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In den 5A und 5B wird ein Mittelabschnitt 2c der Rollenwelle 2 durch Hochfrequenzabschrecken gehärtet, und ein Endabschnitt 2d auf jeder Seite ist ein nicht-abgeschreckter Abschnitt, an dem keine Abschreckung vorgesehen wird. Ein Teil oder die gesamte äußere Umfangsfläche des Mittelabschnitts 2c ist ein Abschnitt, der eine rollende Kontaktfläche darstellt, auf der die Nadelrolle 3 rollt.
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In 5B weist in der Härteverteilung auf der Oberfläche der Rollenachse 2 der Mittelabschnitt 2c eine Vickershärte von wenigstens HV 650 auf, während eine aufgeweichte Schicht an jedem von beiden Endabschnitten 3d eine Vickerhärte von wenigstens HV 200 und höchstens HV 280 aufweist. Somit weist der Mittelabschnitt 2c eine ausreichende Härte als rollende Kontaktfläche für die Nadelrolle 3 auf, während der aufgeweichte Abschnitt 2d ausreichend weich ist, um verstemmt zu werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Rollenachse 2 aus aufgekohlem Stahl besteht und einer vom Tempern gefolgten Karbonitrierung unterzogen wird.
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Ein experimentelles Beispiel der vorliegenden Erfindung wird jetzt nachfolgend beschrieben.
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Ein Lebensdauertest wurde für die aufgekohlte Achse und die karbonitrierte Achse unter Verwendung einer in 6 gezeigten Testmaschine durchgeführt.
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In
6 ist eine Testmaschine so konfiguriert, dass sie eine Mehrzahl von Nadelrollen
53 aufweist, die so angeordnet sind, dass sie zwischen einer Achse
52 rollen können, und ein äußeres Rad
54 wurde verwendet, um den Lebensdauertest durch Drehen des äußeren Rades
54 mit einer vorbestimmten Rate, während ein Element
55 eine radiale Last darauf ausübt, durchzuführen. Die Testbedingung ist in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Testbedingung
| Radiale Last | 4900 N |
| Anzahl der Drehung des äußeren Rades | 7000 U/Min. |
| Schmierzustand | Motoröl 10W-30 100°C 150 ml/Min |
| Berechnete Lebensdauer | 124.8 h |
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In der oben beschriebenen Testmaschine wurde der Test für eine aus Stahl bestehende Achse
52, die einer Aufkohlung (aufgekohlter Stahl) unterzogen wurde, und für eine aus Stahl bestehende Achse
52 durchgeführt, die einer Karbonitrierung unterzogen wurde. Die Ergebnisse des Lebensdauertests sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
| Aufgekohlte Achse | 23.2 h, 35.2 h, 21.0 h, 28.9 h (alle Achsen beschädigt) |
| Karbonitrierte Achse | 250 h, 480 h (keine Achse beschädigt) |
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Wie man den Ergebnissen der Tabelle 2 entnimmt, wurde die dem Nitrierprozess unterzogene aufgekohlte Achse in etwa 20 bis 35 Stunden beschädigt, während die karbonitrierte, dem Nitrieren unterzogene Achse nach 250 Stunden oder sogar nach 480 Stunden keine Beschädigung aufwies.
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Zudem hatte die aufgekohlte Achse eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650, die Menge an Abschreckaustenit betrug 10 Vol.-%. Die karbonitrierte Achse wies eine Oberfläche mit einer darauf ausgebildeten Nitridschicht und eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und eine Menge an Abschreckaustenit von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% auf.
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Dies hat gezeigt, dass Nitrieren erforderlich war, um eine Abschreckaustenitmenge von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% zu erhalten, was die die Lebensdauer drastisch verbessern würde, obwohl ein Aufkohlen und Abschrecken genügen kann, um nur die Oberflächenhärte zu verbessern.
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Beim Lebensdauertest wurde ein Vergleich zwischen der aufgekohlten Achse und der karbonitrierten Achse beschrieben. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass eine Nitridschicht auch auf der Oberfläche gebildet wird, wenn eine Achse verwendet wird, die aus einem durch Nitrieren von SUJ2 erhaltenden Material besteht, und eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und eine Abschreckaustenitmenge von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% erhalten werden kann, wobei die Lebensdauer stark erhöht wird. Dies zeigt, dass eine aus einer Lagerachse bestehende Achse, die dem Nitrieren unterzogen wurde, auch einen Effekt hat, der dem Fall der oben beschriebenen karbonitrierten Achse ähnelt.
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Obwohl die Beschreibung mit Bezug auf die Achse 52 in 6 erfolgte, kann die Nadelrolle 53 auf ähnliche Weise aus aufgekohltem Stahl oder Lagerstahl bestehen, der dem Nitrieren unterzogen wurde, um eine Oberflächenhärte von wenigstens HV 650 und eine Abschreckaustenitmenge von wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% zu erzielen, wobei die Lebensdauer wie im obigen Fall stark erhöht wird.
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Nach dem erfindungsgemäßen Nockenstößel mit Rolle kann ein das Nitrieren beinhaltender Prozess durchgeführt werden, um die Oberflächenhärte auf wenigstens HV 650 und eine Abschreckaustenitmenge auf wenigstens 25 Vol.-% und höchstens 50 Vol.-% zu erhöhen. Dies kann den Abrieb reduzieren, der zwischen der Haltewelle und der Nadelrolle auftritt, und kann die Ermüdungswiderstandsfähigkeit verbessern, was eine ausgezeichnete Beständigkeit und Rolllebensdauer ermöglicht.
