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Verweis auf verwandte Anmeldung
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Rechtsvorteil der am 7. November 2008 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 61/198,726 und dem Titel „Powder Metal Rocker Arm”, die hiermit durch Verweisung in Gänze mit aufgenommen ist.
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein Kipp- oder Schlepphebel und Verfahren zum Herstellen von Kipphebeln. Die Erfindung betrifft insbesondere Pulvermetallkipphebel und die Herstellung von Kipphebeln aus Kraftmetallen bzw. Pulvermetallen.
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Hintergrund
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Brennkraftmaschinen für Diesel und Benzin beinhalten üblicherweise einen oder mehrere Kolben, die in Zylindern gelegen sind. Motoren erzeugen durch Zünden eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft in einem Zylinder eine Bewegung, die einen Kolben veranlasst, sich innerhalb des Zylinders zu bewegen. Kraftstoff und Luft treten in den Zylinder durch ein Einlassventil ein, das in dem Körper des Zylinders befindlich ist. Abgas, das durch die Zündung des Gemisches aus Kraftstoff und Luft erzeugt wird, tritt aus dem Zylinder durch ein Auslassventil aus, das in dem Gehäuse des Zylinders befindlich ist. Eine Motor öffnet und schließt derartige Ventile zeitabhängig, um die Zündung des Gemisches aus Kraftstoff und Luft und die Austreibung des durch die Zündung erzeugten Abgases zu erleichtern.
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Ein Kipphebel kann in dem Motor gelegen sein, um das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile zu vereinfachen. Ein Ende des Kipphebels ist im Allgemeinen direkt oder indirekt mit einer Nockenwelle des Motors gekoppelt, während das andere Ende des Kipphebels im Allgemeinen direkt oder indirekt in Kontakt mit einem Ventil ist. Der Kipphebel kann derart angeordnet sein, dass er eine Walzenwelle oder einen Kugelzapfen derart schwenkt, dass dann, wenn die Nockenwelle ein Ende des Kipphebels bewegt, das andere Ende des Kipphebels ein Ventil öffnet oder schließt.
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Kipphebel für Pkw- und Lkw-Motoren werden üblicherweise durch Gießen oder Schmieden eines hochlegierten Stahles hergestellt. Kipphebel beinhalten oftmals Öffnungen, die durch den Körper des Hebels hindurchgehen, sowie Merkmale und Konturen an der Oberfläche des Hebels. Derartige Öffnungen und Oberflächenmerkmale können durch sekundäre, nach dem Gießen erfolgende Operationen gebildet werden. So werden beispielsweise Öffnungen in dem Kipphebel mittels Bohren durch den Hebel aus hochlegiertem Stahl gebildet, und es werden Oberflächenmerkmale durch Abfräsen von Material an der Oberfläche des Hebels gebildet. Die Oberflächen der gegossenen oder geschmiedeten Kipphebel müssen üblicherweise mittels sekundärer Operationen behandelt werden, um die Oberflächeneigenschaften des Kipphebels, so beispielsweise die Verschleißbeständigkeit, zu verbessern.
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Sekundäre, nach dem Gießen erfolgende Operationen sind oftmals kompliziert, schwierig und zeitintensiv, was zu einer Zunahme von Kosten, Ausschussrate und Produktionszeit führt. Es besteht im Stand der Technik Bedarf an Kipphebeln und Verfahren zum Herstellen von Kipphebeln, die die Zeit und Kosten der Herstellung von Hebeln verringern und die genauere und konsistente Kipphebel herstellen.
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Zusammenfassung
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Bereitgestellt wird ein Pulvermetallkipphebel. Der Kipphebel beinhaltet eine Schwenköffnung, die darin ausgebildet ist, um dem Kipphebel zu ermöglichen, in Bezug auf eine Struktur zu schwenken. Der Kipphebel kann mit einem Zylinderkopf eines Motors verbunden sein, um das Übertragen einer Bewegung zwischen Motorkomponenten zu unterstützen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Kipphebel aus einem Metalllegierungspulver gebildet. Das Metalllegierungspulver wird verdichtet, um ein zwischenstufiges Glied zu bilden. Sekundäre Merkmale, so beispielsweise Öffnungen und andere gewichtsverringernde Merkmale, können in dem zwischenstufigen Glied gebildet werden. Das zwischenstufige Glied wird sodann gesintert, um den Kipphebel zu bilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Aufgaben und Vorteile wie auch der Betrieb der Erfindung erschließen sich besser unter Bezugnahme auf die nachfolgende Detailbeschreibung, die in Verbindung mit der nachfolgenden Zeichnung zu betrachten ist, die sich wie folgt zusammensetzt.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Paares von Kipphebeln entsprechend der vorliegenden Erfindung im zusammengebauten Zustand mit einem Zylinderkopf.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kipphebels von 2.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Paares von Kipphebeln von 1, die mit einem durch einen Schwenkstift gestützten Kipphebel gekoppelt sind.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Kipphebels entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kipphebels von 4.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung eines Kipphebels.
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Detailbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt neuartige Kipphebel sowie neuartige Verfahren zur Herstellung von Kipphebeln aus Pulvermetallen bereit. Der Kipphebel kann aus einem Pulvermetall derart hergestellt werden, dass Zeit und Kosten, die für sekundäre Operationen zur Herstellung des Kipphebels von Nöten sind, wesentlich verringert oder ganz beseitigt werden.
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Bereitgestellt wird ein Kipphebel 10. Der Kipphebel 10 kann in einen Motor, wie in 1 darstellt ist, eingebaut sein. Es sollte jedoch einsichtig sein, dass der Kipphebel 10 auch in Verbindung mit einer beliebigen anderen Vorrichtung eingebaut oder verwendet werden kann. Des Weiteren kann der Motor oder die Vorrichtung einen einzelnen Kipphebel 10 oder eine Mehrzahl von Kipphebeln 10 beinhalten. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Paar von Kipphebeln 10 mit einem Zylinderkopf 12 eines Motors gekoppelt.
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Die Kipphebel 10 können derart angeordnet werden, dass sie in Bezug auf einen Abschnitt des Zylinderkopfes 12 schwenken. So können die Kipphebel 10 beispielsweise mit einer Kipphebelstütze 14 verbunden sein. Die Kipphebelstütze 14 kann an dem Zylinderkopf 12 montiert sein. Die Kipphebelstütze 14 kann einen Schwenkstift 16 beinhalten, der den Kipphebeln 10 ermöglicht, in Bezug auf den Zylinderkopf 12 zu schwenken. Der Schwenkstift 16 kann integral mit der Kipphebelstütze 14 oder auf alternative Weise damit verbunden sein. Wie in 1 gezeigt ist, kann sich der Schwenkstift 16 durch die Kipphebelstütze erstrecken. Jeder Kipphebel 10 ist mit einem Ende des Schwenkstiftes 16 gekoppelt. Der Kipphebel 10 ist in Bezug auf den Schwenkstift 16 drehbar, um den Kipphebeln 10 zu ermöglichen, in Bezug auf den Zylinderkopf 12 zu schwenken.
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Die Kipphebel 10 können mit Komponenten des Zylinderblockes 12 zur Übertragung einer Bewegung von einer Komponente zu einer anderen Komponente verbunden sein. So kann beispielsweise ein erstes Ende 18 jedes Kipphebels 10 an einer Stange 20 angebracht sein. Die Stange 20 kann mit einer Nockenwelle (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Die Stange 20 kann daher derart an dem Kipphebel angebracht sein, dass der Kipphebel 10 in Reaktion auf eine vertikale Bewegung der Stange 20 schwenkt. Eine oder mehrere Öffnungen können in dem ersten Ende 18 des Kipphebels 10 ausgebildet sein, um einen Abschnitt der Stange 20 aufzunehmen. Die Öffnungen können mit einem Gewinde versehen sein, um einen Gewindeabschnitt der Stange 20 aufzunehmen. Alternativ kann die Stange 20 mit dem Kipphebel 10 durch ein beliebiges anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Mittel verbunden sein.
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Ein zweites Ende 22 jedes Kipphebels 20 kann eine zweite Komponente des Zylinderkopfes 12, so beispielsweise einen Ventilschaft 24, kontaktieren. Das zweite Ende 22 des Kipphebels 10 kann eine Berührfläche 25 beinhalten. Die Berührfläche 25 kann den Ventilschaft 24 kontaktieren, um die Schwenkbewegung auf den Ventilschaft 24 zu übertragen. Die nach unten gerichtete Schwenkbewegung des zweiten Endes 22 kann den Schaft 24 nach unten bewegen, um das Ventil zu öffnen. Der Zylinderkopf kann des Weiteren eine Feder 26 beinhalten, um das Ventil zu einer gegebenen Position hin vorzuspannen. So kann beispielsweise dann, wenn sich das zweite Ende 22 des Kipphebels 10 nach oben bewegt, die Feder 26 das Ventil in die geschlossene Position vorspannen.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung erschließt sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet unmittelbar, dass dann, wenn sich die Nockenwelle der Stange 20 nach oben bewegt, sich das erste Ende 18 des Kipphebels 10 nach oben bewegt und dass sich dann, wenn sich die Stange nach unten bewegt, das erste Ende 18 des Kipphebels 10 nach unten bewegt. Diese Anordnung bewirkt, dass der Kipphebel 10 um den Schwenkstift 16 und das zweite Ende 22 des Hebels 10 für eine Bewegung in einer entgegengesetzten Richtung des ersten Endes 18 des Hebels 10 schwenkt. Eine derartige Bewegung öffnet und schließt das Einlassventil 27 und das Auslassventil 28.
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Die Anordnung des Kipphebels 10 gemäß vorstehender Beschreibung macht es für den Kipphebel 10 notwendig, eine Mehrzahl von Öffnungen zu beinhalten. Wie beispielsweise in 2 und 3 zu sehen ist, nimmt eine Schwenkstiftöffnung 30 die Platzierung eines Schwenkstiftes 16 durch den Körper des Kipphebels 10 auf. Die Schwenkstiftöffnung 30 kann sich durch den Körper des Kipphebels 10 erstrecken und annähernd mittig an dem Körper des Kipphebels 10 positioniert sein. Wie vorstehend ausgeführt worden ist, kann eine Stangenöffnung 32 bezüglich des ersten Endes 18 des Hebels 10 zur Unterbringung einer Anbringung der Stange 20 an dem Kipphebel 10 befindlich sein. Darüber hinaus kann ein Gewindeloch 34 in dem ersten Ende 18 des Hebels 10 beinhaltet sein, um eine Stellschraube 36 unterzubringen, um die Stange 20 weiter an dem Hebel 10 zu sichern. Das Gewindeloch 34 kann gewinkelt sein, um der Stellschraube 36 zu ermöglichen, die Stange 20 in Eingriff zu nehmen und die Stange 20 festzuhalten. Wie vorstehend ausgeführt worden ist, beinhaltet das zweite Ende 22 des Kipphebels 10 eine Berührfläche 25 zum Kontaktieren und Bewegen des Ventilschaftes 24.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann, wie am besten in 4 und 5 zu sehen ist, eine Ventilschaftöffnung 52 in dem zweiten Ende 54 des Hebels 50 gekoppelt sein, um einen Schaft 24 direkt mit dem Kipphebel 50 zu koppeln. Zusätzlich zu den Öffnungen, die dafür ausgestaltet sind, eine Anbringung des Kipphebels 50 an den Komponenten des Zylinderkopfes 12 zu erleichtern, kann der Kipphebel 20 gewichtsverringernde Oberflächenmerkmale beinhalten. Ein verringertes Gewicht von Maschinenkomponenten ist stets wünschenswert, und dies insbesondere bei Motoren, die für bewegliche Fahrzeuge ausgelegt sind, da Verringerungen des Gewichtes die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeuges vergrößern und die Notwendigkeit einer Versetzung oder eines Ausgleichens des Impulses sich bewegender Teile innerhalb eines Motors senken. Wie am besten in 4 und 5 zu sehen ist, kann der Kipphebel 50 Ausnehmungen 56 in dem Körper des Kipphebels 50 beinhalten, um das Gewicht des Kipphebels 50 zu verringern. Derartige Ausnehmungen 56 sind dafür ausgestaltet, das Gewicht des Hebels 50 ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität oder Festigkeit zu verringern.
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Üblicherweise bilden bekannte Verfahren zur Herstellung von Kipphebeln Öffnungen und gewichtsverringernde Merkmale durch sekundäre Operationen nach dem Gießen oder Schmieden eines rohen Kipphebels. Derart können beispielsweise Öffnungen in den Körper des Kipphebels 50 gebohrt werden, gewichtsverringernde Merkmale können in die Oberfläche des Kipphebels 50 gefräst werden, und der Körper des Kipphebels 50 kann geschliffen werden, um die Berührfläche zu bilden oder endzubearbeiten. Derartige sekundäre Operationen vergrößern Zeit und Kosten bei der Herstellung eines Kipphebels. Die vorliegende Erfindung verringert oder beseitigt Zeit und Kosten, die für derartige sekundäre Operationen benötigt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kipphebel 10 oder 50 aus einem Pulvermetall, vorzugsweise aus einem hochlegierten Pulvereisen gefertigt. Das Pulvermetall wird durch einen pulvermetallurgischen Prozess in einen Kipphebel umgewandelt. Wie in 6 gezeigt ist, beinhaltet dieser Prozess 60 die Schritte eines Mischens von Legierungspulvern 62, eines Verdichtens des Legierungspulvers in einer Pressform zur Bildung eines verdichteten zwischenstufigen Kipphebels 64 und eines Sinterns des zwischenstufigen Kipphebels 68 zur weiteren Bindung des verdichteten Pulvers und zur Bildung eines fertigen Kipphebels. Ein zwischenstufige Komponente, so beispielsweise der zwischenstufige Kipphebel, wird im Stand der Technik auch als „grüne” Komponente bezeichnet.
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Der pulvermetallurgische Prozess bietet gegenüber bekannten gegossenen oder geschmiedeten Kipphebeln bestimmte Vorteile. So weist der grüne Kipphebel dann – das heißt nach dem Verdichten und vor dem Sintern – eine ausreichende strukturelle Festigkeit auf, um eine Modifikation durch sekundäre Operationen zu durchlaufen. Daher kann der Prozess des Bildens eines Kipphebels 50 den Schritt des Bildes von Merkmalen in der zwischenstufigen Komponente 66 beinhalten. Merkmale, so beispielsweise die Schwenkstiftöffnung 30, die Stangenöffnung 32, die Gewindeöffnung 36 und die Ventilschaftöffnung 52 können beispielsweise durch den grünen Kipphebel gebohrt werden. Obwohl der grüne Kipphebel eine ausreichende strukturelle Integrität aufweist, um einen Bohrvorgang zu durchlaufen, ist es wesentlich einfacher, durch einen grünen Kipphebel zu bohren, als durch einen, der durch Gießen oder Schmieden von hochlegierten Metallen hergestellt worden ist. Bei zusätzlichen Beispielen kann die Berührfläche 25 durch Schleifen des grünen Kipphebels endbearbeitet werden, und es können die gewichtsverringernden Merkmale 56 durch Fräsen des grünen Kipphebels endbearbeitet werden. Schleifen und Fräsen eines grünen Kipphebels sind wesentlich einfacher als Schleifen oder Fräsen eines gegossenen oder geschmiedeten Kipphebels. Die Durchführung sekundärer Operationen an dem Kipphebel 10 oder 50 vor dem Sintern verringert Kosten und Zeit, die zur Herstellung eines Kipphebels 10 und 50 benötigt werden, im Vergleich zu den bekannten gegossenen oder geschmiedeten Kipphebeln.
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Das Wesen pulvermetallurgischer Prozesse zusammen mit der Durchführung sekundärer Operationen vor dem Sintern erzeugt gesinterte Kipphebel, die entweder die gewünschte Form aufweisen oder eine Rohform aufweisen, die wesentlich näher an der gewünschten Endform ist, als die Rohform gegossener oder geschmiedeter Kipphebel. Ist ein gesinterter Kipphebel von der gewünschten Form, so werden keine zusätzlichen sekundären Operationen benötigt, was mit Zeit- und Kostenersparnissen gegenüber bekannten Kipphebeln einhergeht. Bedarf die Rohform eines gesinterten Kipphebels zusätzlicher sekundärer Operationen, um eine gewünschte Endform zu erreichen, so sind derartige Operationen weniger aufwändig im Vergleich zu Operationen, die für die Endbearbeitung gegossener oder geschmiedeter Kipphebel benötigt werden, was Zeit- wie auch Kostenersparnisse mit sich bringt. Darüber hinaus können Rohformen, die näher an der gewünschten Form sind, Fehler bei der sekundären Verarbeitung sowie auch Ausschussraten verringern.
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Zusätzliche Vorteile beinhalten eine Verringerung der Rohmaterialkosten sowie eine Beseitigung oder Verringerung der Oberflächenbehandlung nach dem Gießen oder Schmieden. Niedriglegiertes Pulver ist im Allgemeinen weniger kostenintensiv als hochlegierter Guss- oder Schmiedestahl. Zusätzlich benötigen gegossene oder geschmiedete Kipphebel üblicherweise zusätzliche Oberflächenbehandlungen, um die Oberflächeneigenschaften, so beispielsweise die Verschleißbeständigkeit, zu verbessern. Oberflächen, die durch Verdichten und Sintern hergestellt worden sind, weisen üblicherweise ausreichende Oberflächeneigenschaften für einen Kipphebel auf.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in der begleitenden Zeichnung beschrieben und in der vorherigen Detailbeschreibung erläutert worden sind, sollte einsichtig sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das gerade offenbarte bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass die hier beschriebene Erfindung zahlreicher Umordnungen, Abwandlungen und Ersetzungen fähig ist, ohne vom Umfang der nachstehenden Ansprüche abzuweichen.
