DE19642742A1

DE19642742A1 - Ventil-Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19642742A1
Application number: DE19642742A
Authority: DE
Inventors: Takanori Sawada; Shoji Morita; Makoto Kano; Shinichi Takemura; Atsushi Ehira
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-17
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 1997-04-24
Also published as: JPH09112219A; US5692465A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventil-Betätigungsvorrichtung für jeweils wenig stens ein Einlaß- und Auslaßventil einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung für Ventile mit unterschiedlicher Hubcharakteristik beim Betrieb der Maschine mit nie driger Drehzahl gegenüber einem Betrieb mit hoher Drehzahl.

Das japanische Gebrauchsmuster 64-49602 offenbart beispielsweise eine her kömmliche Ventil-Betätigungsvorrichtung zur Verwendung mit einer Kraft fahrzeugmaschine. Die Vorrichtung umfaßt einen Kipphebel mit einer Nocken-Gleitfläche, die in gleitender Berührung mit einem Nocken steht. Die Nocken-Gleitfläche weist ein aufgelötetes, gesintertes Metallplättchen auf. Einer der Nachteile dieser Lösung besteht darin, daß die Nocken-Gleit fläche eine erhöhte Dicke aufweist, so daß die Vorrichtung sperrig wird. Im übrigen besitzt die Nocken-Gleitfläche eine geringe Festigkeit aufgrund von Ermüdungsbrüchen, die entlang den Nuten entstehen, die gebildet sind zur Positionierung des Plättchen, und die Nocken-Gleitfläche ist relativ weich, so daß sie eine geringe Verschleißfestigkeit besitzt, da sie beim Löten erhöhten Temperaturen ausgesetzt worden ist.

Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine kompakte Ventil-Betätigungs vorrichtung zu schaffen, die eine ausgezeichnete Festigkeit und Haltbarkeit bei großen Lasten aufweisen, die ausgeübt werden, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl arbeitet, und die eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei großen Oberflächendrücken von 600 MPa und darüber besitzt.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus den Merkmalen des Patentan spruchs 1.

Die erfindungsgemäße Ventil-Betätigungsvorrichtung ist vorgesehen für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, wenigstens einem Ein laßventil und wenigstens einem Auslaßventil. Eine Nockenwelle dreht sich synchron zur Drehung der Maschinenwelle. Die Betätigungsvorrichtung um faßt einen Nocken für hohe Drehzahlen auf der Nockenwelle, die synchron zur Maschine drehbar ist. Ein Haupt-Kipphebel wird schwenkbar zur Betäti gung des Einlaßventils oder des Auslaßventils abgestützt, und ein Kipphebel für hohe Drehzahlen mit einer Gleitfläche ist vorgesehen zur Erfassung des Nocken für hohe Drehzahlen. Der Kipphebel für hohe Drehzahlen wird abge stützt am Haupt-Kipphebel und ist entsprechend der Drehung des Nocken für hohe Drehzahlen schwenkbar. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Ein richtung zur Herstellung einer Antriebsverbindung des Kipphebels für hohe Drehzahlen mit dem Haupt-Kipphebel zum Schwenken des Haupt-Kipphebels zusammen mit dem Kipphebel für hohe Drehzahlen, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl läuft. Eine Einrichtung ist vorgesehen zur Unterbrechung der Antriebsverbindung des Kipphebels für hohe Drehzahlen mit dem Haupt- Kipphebel. Dadurch wird eine Schwenkbewegung des Haupt-Kipphebels ent sprechend der Drehung des Nocken für niedrige Drehzahlen unabhängig von der Schwenkbewegung des Kipphebels für hohe Drehzahlen ermöglicht, wenn die Maschine bei niedriger Drehzahl läuft. Die Gleitfläche des Kipphe bels für hohe Drehzahlen besteht aus einem legierten Werkzeugstahl mit ab gelagertem und verteiltem Carbid zur Schaffung einer Härte von HRC55 oder darüber auf der Gleitfläche. Ein harter Überzug wird hergestellt durch physi kalische Dampfablagerung auf der Gleitfläche des Kipphebels für hohe Dreh zahlen.

Die erfindungsgemäße Ventil-Betätigungsvorrichtung weist eine ausgezeich nete Festigkeit und dauerhafte Haltbarkeit bei großen Lasten auf, wenn die Maschine bei hoher Drehzahl läuft, und zwar auch dann, wenn der Kipphebel für hohe Drehzahlen eine Aussparung zur Aufnahme eines Totgang-Mechanis mus besitzt. Ferner weist der erfindungsgemäße Kipphebel für hohe Drehzah len eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei hohen Oberflächendrücken oberhalb von 600 MPa auf.

Vorzugsweise befindet sich ein Totgang-Mechanismus in dem Kipphebel für hohe Drehzahlen für eine Totgangbewegung des Kipphebels für hohe Dreh zahlen, wenn die Maschine mit niedriger Drehzahl läuft. Dies führt zu einer kompakten und leichten Ventil-Betätigungsvorrichtung.

Vorzugsweise ist der legierte Werkzeugstahl ein Zugstahl SKD und/oder ein Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl SKH. Dadurch wird eine dauerhafte Härte der Basis unterhalb des harten Überzuges ohne die Gefahr einer Auf weichung bei der Berührung mit hohen Temperaturen während der physika lischen Dampfablagerung erreicht. Es ist daher möglich, zu verhindern, daß das Basisteil unterhalb des harten Überzugs absinkt.

Vorzugsweise wird wenigstens eine der Legierungen CrN, Cr₂N und TiN mit Hilfe eines physikalischen Dampfablagerungsverfahrens abgelagert zur Bil dung eines harten Überzugs mit einer Dicke im Bereich von 2 µm bis 7 µm und einer Vickers-Knoop-Härte oberhalb von Hk1500. Dadurch wird er reicht, daß ein hohes Maß an Verschleißfestigkeit auf der Nocken-Gleitfläche und dem Kipphebel für hohe Drehzahlen erreicht wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des signifikanten Bereichs der Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungs form der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Ventil-Betätigungsvorrichtung gezeigt. Die Ventil-Betätigungsvorrich tung, die mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist, ist so gezeigt, wie sie bei ei ner Brennkraftmaschine des Typs verwendet wird, die zwei Einlaßventile zur Regulierung des Eintritts von Verbrennungsbestandteilen in jeden Zylinder vom Einlaßkrümmer und zwei Auslaßventile zur Regulierung des Auslasses von Verbrennungsprodukten, d. h. Abgasen aus jedem Zylinder heraus in den Auslaßkrümmer aufweist. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Erfindung gleichwohl auf andere Maschinenarten anzuwenden ist, die wenig stens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil aufweisen. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem Kipphebel zur Betätigung von Einlaßven tilen beschrieben wird, ist es natürlich naheliegend, daß die Erfindung in gleicher Weise zur Betätigung von Auslaßventilen verwendet werden kann. Jedes der Einlaßventile, von denen eines gezeigt ist und mit V bezeichnet ist, weist einen Ventilschaft V_A auf, dessen vorderes Ende durch einen Ventil körper des Einlaßventils V begrenzt wird.

Die Ventil-Betätigungsvorrichtung 1 weist einen Haupt-Kipphebel 2 auf, der in bezug auf den Maschinenzylinderkopf auf einer hohlen Haupt-Kipphebel welle 3 schwenkbar abgestützt wird. Der Haupt-Kipphebel 2 ist spanend bear beitet zur Bildung eines Zwischenraums 2a, der zwischen zwei gabelförmigen Wänden gebildet wird, die so angeordnet sind, daß sie an den hinteren En den V_U der entsprechenden Ventilschäfte V_A der Einlaßventile V anstoßen. Im dargestellten Fall ist die Haupt-Kippwelle 2 derart spanend bearbeitet, daß die Haupt-Kipphebelwelle 3 teilweise in den Zwischenraum ragt. Da durch verringert sich der Abstand zwischen der Haupt-Kipphebelwelle 3 und den Ventilschäften V_A, so daß ein kompakter Haupt-Kipphebel 2 realisiert wird. Jede der gabelförmigen Wände weist eine Wellenöffnung 2b auf, die na he den hinteren Enden der Wände ausgebildet ist. Ein Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (freier Nockenfolger) ist zwischen den gabelförmigen Wänden an geordnet. Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen ist an einer Neben-Kipphe belwelle 6 befestigt, die sich durch eine Wellenöffnung 4a erstreckt, die im Kipphebel für hohe Drehzahlen nahe dem hinteren Ende ausgebildet ist. Die gegenüberliegenden Enden der Neben-Kipphebelwelle 6 sind fest in den ent sprechenden Wellenöffnungen 2b befestigt. Der Kipphebel für hohe Drehzah len 4 weist einen konvex geformten Nockenfolger 4b auf, der mit einer auf wärts gerichteten Nocken-Gleitfläche 4 versehen ist, die in gleitender Be rührung mit einem Nocken für hohe Drehzahlen 7 auf einer Nockenwelle 21 steht. Zwei nicht bezeichnete Rollen sind auf gegenüberliegenden Seiten des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen zur Erfassung eines Nocken 5 für niedrige Drehzahlen auf der Nockenwelle 21 angeordnet. Die Rollen werden drehbar gehalten durch Nadellager auf den Lagerwellen, die in Durchgangsbohrungen befestigt sind, die in den entsprechenden Haupt-Kipphebeln 2 ausgebildet sind. Der Kipphebel für hohe Drehzahlen 4 weist an der Unterseite eine zy lindrische Ausnehmung 4c auf, die einen Totgang-Mechanismus 11 enthält. Der Totgang-Mechanismus 11 umfaßt eine kappenförmige Feder-Aufnahme 13, die in gleitender Bewegung in der zylindrischen Ausnehmung 4c ange ordnet ist, und eine Schraubenfeder 12, die in der zylindrischen Ausneh mung 4c angeordnet ist und die Feder-Aufnahme 13 in federnden Kontakt mit der Haupt-Kipphebelwelle 3 hält. Der Kipphebel für hohe Drehzahlen 4 weist an der Unterseite in einer dem Nockenfolger 4b entsprechenden Posi tion einen abgestuften Bereich 4d zur Erfassung eines Hebels 8 auf, der zur Drehung auf einem Bolzen 15 innerhalb des Zwischenraums 2a befestigt ist. Der Kipphebel für hohe Drehzahlen 4 weist einen abgeschrägten Oberflä chenbereich 4e auf, der sich an den abgestuften Bereich 4d anschließt.

Der Hebel 8 ist nahe dem oberen Ende mit einem nicht bezeichneten Vor sprung zur Erfassung der Feder-Aufnahme 13 ausgebildet, die in gleitender Bewegung in der zylindrischen Ausnehmung 4c angeordnet ist, die im Haupt- Kipphebel 2 ausgebildet ist. Die Schraubenfeder 12 ist innerhalb der zylindri schen Ausnehmung 4c angeordnet zum Halten der Feder-Aufnahme 13 in ei ner derartigen Richtung, daß der Hebel 8 in einer ersten, durch die durchge zogene Linie in Fig. 1 dargestellten Position angeordnet wird, in der der He bel 8 nicht vom Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen erfaßt wird. Der Hebel 8 steht ferner mit einem hydraulischen Antrieb 16 in Verbindung, der einen Kolben 17 aufweist, der in gleitender Bewegung in einer Sackbohrung 2d im Haupt-Kipphebel 2 angeordnet ist. Eine Ölkammer 18, die auf der Rückseite des Kolbens 17 in der Sackbohrung 2d vorgesehen ist, ist durch einen sich durch den Haupt-Kipphebel 2 erstreckenden Ölkanal 2g mit einer Öffnung 3a verbunden, die in der hohlen Haupt-Kipphebelwelle 3 ausgebildet ist. Die hohle Haupt-Kipphebelwelle 3 weist einen Ölkanal 19 auf, der durch die Öff nung 3a mit dem Ölkanal 2g verbunden ist. Der Ölkanal 19 ist durch ein nicht dargestelltes Umschaltventil mit einer nicht dargestellten Ölpumpe verbunden. Wenn das Umschaltventil in einem vorgegebenen hohen Maschi nen-Drehzahlbereich zum Einleiten eines hydraulischen Drucks in die Öl kammer 18 geöffnet ist, wird der Kolben 17 aus der Sackbohrung 2d heraus gedrückt, so daß sich der Hebel 8 entgegen der Uhrzeigerrichtung dreht, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, von einer ersten, durch die durchgezogene Li nie dargestellten Position in eine zweite, durch die strichpunktierte Linie dargestellte Position. Der Vorsprung des Hebels 8 gleitet gegen die Feder kraft der Schraubenfeder zur Erfassung des abgestuften Bereichs 4d am abge schrägten Oberflächenbereich 4e des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen ent lang.

Eine Steuereinheit betätigt das Umschaltventil, so daß zwischen den Ventil hub-Charakteristika gewechselt wird, die sich von denen unterscheiden beim Betrieb der Maschine mit niedriger Drehzahl gegenüber einem Betrieb bei hoher Drehzahl. Die Ventilhub-Charakteristika basieren auf Maschinenbe triebszuständen, die während des Maschinenbetriebs erfaßt werden, so daß sichergestellt ist, daß die Ventilhub-Charakteristika ohne plötzliche Maschi nen-Drehzahländerungen geändert werden können. Diese Maschinen-Be triebszustände beinhalten die Maschinendrehzahl, die Maschinen-Kühlwas sertemperatur, die Öltemperatur, die Drosselklappenposition etc. Der Nocken 5 für niedrige Drehzahlen weist ein Profil auf, so daß die Ventilhub- Charakteristik zur Verfügung steht, die für niedrige Maschinendrehzahlen er forderlich ist. Der Nocken für hohe Drehzahlen 7 weist ein Profil auf, so daß die Ventilhub-Charakteristik zur Verfügung steht, die für hohe Maschinen drehzahlen erforderlich ist. Das heü3t, der Nocken 7 für hohe Drehzahlen weist ein Profil auf, das so ausgebildet ist, daß ein größerer Ventilhub und/oder eine längere Ventil-Betätigungsdauer möglich ist als beim Nocken 5 für niedrige Drehzahlen. Im dargestellten Fall ist das Profil des Nocken 7 für hohe Drehzahlen so konzipiert, daß er einen größeren Ventilhub und eine längere Ventil-Betätigungsdauer aufweist als der Nocken 5 für niedrige Dreh zahlen. Wenn die Maschine mit niedriger Drehzahl arbeitet, wird der Haupt- Kipphebel 2 entsprechend dem Profil des Nocken 5 für niedrige Drehzahlen geschwenkt, so daß die Einlaß- (oder Auslaß-)Ventile V geöffnet und ge schlossen werden. In diesem Fall wird der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen gemäß dem Profil des Nocken 7 für hohe Drehzahlen geschwenkt. Da der He bel 8 unter der Federkraft der Schraubenfeder 12 in der ersten, durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 dargestellten Position gehalten wird, ist der Totgang-Mechanismus 11 in Betrieb, so daß das Schwenken des Haupt-Kipp hebeis 2 unabhängig von der Bewegung des Kipphebels 4 für hohe Drehzah len möglich ist. Daher werden die Einlaß- (Auslaß-)Ventile V gemäß dem Profil des Nocken 5 für niedrige Drehzahlen geöffnet und geschlossen.

Wenn die Maschine bei hoher Drehzahl arbeitet, wird ein Arbeitsöl durch den Ölkanal 2g in die Ölkammer 18 geleitet, so daß der Kolben 17 den Hebel 8 entgegen der Federkraft der Schraubenfeder 12 entgegen der Uhrzeigerrich tung in die zweite Position drückt, wie es durch die strichpunktierte Linie in Fig. 1 gezeigt wird. In dieser Position erfaßt der Hebel 8 den abgestuften Be reich 4d des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen. Folglich wird der Haupt- Kipphebel 2 in Übereinstimmung mit dem Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen geschwenkt. Da der Nocken 7 für hohen Drehzahlen ein derartiges Profil auf weist, daß ein größerer Ventilhub und eine längere Ventil-Betätigungsdauer gegeben sind als bei dem Nocken 5 für niedrige Drehzahlen, rutschen die für den Haupt-Kipphebel 2 vorgesehenen Rollen vom entsprechenden Nocken 5 für niedrige Drehzahlen, so daß die Bewegung der Nocken 5 für niedrige Drehzahlen keine Auswirkung hat auf die Bewegung des Haupt-Kipphebels 2. Daher werden die Einlaß- (oder Auslaß-)Ventile V entsprechend dem Profil des Nocken 7 für hohe Drehzahlen geöffnet und geschlossen.

Wenn die Maschinendrehzahl von einem Wert im hohen Drehzahlbereich auf einen Wert im niedrigen Drehzahlbereich geändert wird, betätigt die Steuer einheit das Umschaltventil, so daß der Druck des Arbeitsöls, das in die Öl kammer 18 eingeleitet wurde, verringert wird. Folglich kehrt der Kolben 17 in seine erste, durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 dargestellte Position zurück. Der Hebel 8 kehrt in seine erste, durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 dargestellte Position unter der Federkraft der Schraubenfeder 12 zu rück. In der ersten Position steht der Hebel 8 nicht mehr in Eingriff mit dem Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen, so daß der Haupt-Kipphebel 2 unabhängig von der Bewegung des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen ist.

Da das obere Ende des Hebels 8 beim Schwenken von der ersten Position in die zweite Position auf dem abgeschrägten Oberflächenbereich 4e des Kipp hebels 4 für hohe Drehzahlen gleitet, ist der für die Schwenkbewegung des Hebels 8 erforderliche Arbeitsöldruck gering. Dadurch wird die Verringerung der Geräusche erreicht, die auftreten würden, wenn der Haupt-Kipphebel 2 mit den entsprechenden Nocken 5 für niedrige Drehzahlen zusammenstößt.

Da die Auswahl zwischen den Nocken 5 und 7 für die niedrige bzw. hohe Drehzahlen getroffen wird durch das Ineingriffbringen des oberen Endes des Hebels 8 mit dem abgeschrägten Bereich 4e der Nockenwelle 4 für hohe Drehzahlen, ist es möglich, eine stabile Maschinen-Ventilbetätigung ohne ho he Herstellungstoleranzen sicherzustellen.

Da der erforderliche Toleranzgrad in Richtung der Höhe der Oberflächen der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen und der für den Haupt-Kipphebel 2 vorge sehen Rollen lediglich durch Schwenkung des Hebels 8 erreicht werden kann, ist es möglich, die Anzahl der für die Herstellung der Ventil-Betäti gungsvorrichtung erforderlichen Vorgänge zu reduzieren. Dies führt zu einer kostengünstigen Maschinen-Ventil-Betätigungsvorrichtung.

Da für die Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 im kompakten Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen die zylindrische Ausnehmung 4c ausgebildet ist, ist die Maschinen-Ventil-Betätigungsvorrichtung 1 leicht. Da die Schraubenfeder 12 eine geringe Federkraft aufweisen kann, ist keine Einrichtung zur Begren zung des Bewegungshubs der Feder-Aufnahme 13 erforderlich. Dadurch wird erreicht, daß die Reibung zwischen der Nockenoberfläche des Nocken 7 für hohe Drehzahlen und der Nocken-Gleitfläche 4f des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen vermindert wird.

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen weist ein Basisteil auf, das aus einem kaltgezogenen Stahl hergestellt wird, der SKD11, SKD12 oder SKD61 ent hält. Das Basisteil wird geformt durch herkömmliche spanende Bearbeitung oder Präzisions-Gießtechniken, die so nahe wie möglich an die Form des Kipphebels 4 für hohe Drehzahlen heranreicht. Nachdem das geformte Basis teil, falls erforderlich, angelassen wurde, wird es bearbeitet, so daß es die Wellenöffnung 4a aufweist, die für die untere Kipphebelwelle 6 ausgebildet ist, die zylindrische Ausnehmung 4c, die für den Totgang-Mechanismus 11 ausgebildet ist, den abgestuften Bereich 4d, der für die Erfassung des Hebels 8 ausgebildet ist, und die Nocken-Gleitfläche 4f, die in gleitender Berührung mit dem Nocken 7 für hohe Drehzahlen steht. Das gefertigte Basisteil wird gehärtet, so daß eine Härte von HRC60 oder darüber aufweist, und sodann grob fertiggestellt. Insbesondere wird die Rauheit (Ra), die für die Nocken- Gleitfläche 4f erforderlich ist, anschließend durch physikalische Dampfabla gerungen (PVD) hergestellt und beträgt 0,1 oder darunter. Nach Abschluß des Dampfablagerungsverfahrens PVD zur Ablagerung eines harten Überzugs aus der Legierung CrN oder dergleichen auf der Nocken-Gleitfläche 4f wird die Nocken-Gleitfläche 4f poliert, so daß sie eine Rauheit (Ra) von 0,1 oder darunter aufweist.

Eine Reihe von Tests wurden zur Überprüfung der effektiven Kombinationen der Materialien durchgeführt, die für den Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen zur Schaffung einer ausgezeichneten Dauerfestigkeit verwendet wurden. Die Verschleißfestigkeit und andere Eigenschaften eines jeden Teststücks (Kipp hebel für hohe Drehzahlen) wurden bestimmt. Zu diesem Zweck wurde das Teststück in einer Maschinen-Ventil-Betätigungsvorrichtung 1, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, zur Betätigung der Einlaß- und Auslaßventile einer Vierzylinder maschine, die eine aus niedrig legiertem Hartguß herstellte Nockenwelle auf weist. Die Ventil-Federlast war 30% höher als durch die Standardangaben angegeben. Ein externer Elektromotor wurde zum Antreiben der Maschine bei 8000 UPM für 100 Stunden verwendet. Das verwendete Maschinenöl war 7,5W-30SG und die Öltemperatur betrug 120°C.

Beispiel 1

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD11 hergestellt wurde, der eine Härte von HRC61 unterhalb des harten Überzugs aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung CrN wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 5,6 µm und eine Härte von 1.850 Hk (100 g) aufweist. Die Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das einen Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 2

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD 12 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC58 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 5,2 µm und eine Härte von 1720 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 3

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD61 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC55 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung TiN wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 6,1 µm und eine Härte von 2040 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 4

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD 11 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC62 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 2,4 µm und eine Härte von 1510 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 5

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD 11 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC59 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 6,9 µm und eine Härte von 1830 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Zum Vergleich der durch die Erfindung erreichbaren Dauerfestigkeit wurden Tests für die folgenden vergleichbaren Beispiele durchgeführt:

Beispiel 6

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD11 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC62 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 1,3 µm und eine Härte von 1440 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 7

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus kaltgezogenem Stahl SKD11 hergestellt wurde, der un terhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC57 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindri schen Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 7,8 µm und eine Härte von 1850 Hk (100 g) aufweist. Der Betrag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 8

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus einem unlegiertem Werkzeugstahl SK1 hergestellt wur de, der unterhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC48 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitflä che 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 5,1 µm und eine Härte von 1730 Hk (100 g) aufweist. Der Be trag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Beispiel 9

Der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen (Teststück), der ein Basis teil aufweist, das aus niedrig legierten Werkzeugstahl SKS1 hergestellt wur de, der unterhalb des harten Überzugs eine Härte von HRC53 aufweist, war so geformt, daß ein minimaler Abstand von 5 mm zwischen der Nocken-Gleitflä che 4f und der zur Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten Ausnehmung 4c vorhanden war. Die Legierung Cr₂N wurde durch PVD auf der Nocken-Gleitfläche 4f abgelagert zur Bildung eines harten Überzugs, der eine Dicke von 5,0 µm und eine Härte von 1750 Hk (100 g) aufweist. Der Be trag des abgelagerten Chromcarbid, das eine Partikelgröße im Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweist, lag im Bereich von 5 bis 10%.

Zum Vergleich der durch die Erfindung erreichbaren Dauerfestigkeit wurden weitere Tests für die folgenden Fälle gemäß dem Stand der Technik durch geführt:

Beispiel 10

Ein Wand-Plättchen, das aus einer gesinterten Ferrolegierung hergestellt wurde, die zu 16% aus Eisen, 4% aus Chrom und 2% aus Koh lenstoff besteht, wurde vorbereitet. Das Wand-Plättchen wurde auf einem auf dem Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen ausgebildeten Körper Rahmen befe stigt, der aus mit Kohlenstoff angereichertem Stahl SCM415 hergestellt wur de, und anschließend mit einem aus einer Nickellegierung bestehenden Lot mittel bei 1050°C in einem Vakuumofen verlötet. Normalerweise verwenden direkt betätigte Ventil-Betätigungssysteme Ventilhub-Unterlegteile, die aus mit Kohlenstoff angereichertem Stahl SCM415 hergestellt sind. Nach dem Lötvorgang wurde der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen gehärtet, so daß er eine Härte von HRC60 aufweist, da der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen durch den Lötvorgang weich wurde. Das Wand-Plättchen wies eine Dicke zwi schen 1,5 mm und 3 mm und eine Härte von HRC62 auf. Verbesserungen wa ren in dem gelötetem Bereich und dem Basisteil vorhanden. Der minimale Abstand zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der zur Aufnahme des Tot gang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindrischen Ausnehmung 4c betrug 3 mm.

Beispiel 11

Ein Basisteil, das aus mit Kohlenstoff angereichertem Stahl SCM415 hergestellt wurde, wurde so nah wie möglich an die Form des Kipp hebels 4 für hohe Drehzahlen angepaßt. Daraus ergibt sich, daß das Basisteil so hergestellt wurde, daß es die Wellenöffnung 4a aufweist, die für untere Kipphebelwelle 6 ausgebildet ist, die zylindrische Ausnehmung 4c, die für den Totgang-Mechanismus 11 ausgebildet ist, den abgestuften Bereich 4d, der zur Erfassung des Hebels 8 ausgebildet ist, und die Nocken-Gleitfläche 4f, die in gleitender Bewegung mit dem Nocken 7 für hohe Drehzahlen steht. Der minimale Abstand zwischen der Nocken-Gleitfläche 4f und der für die Aufnahme des Totgang-Mechanismus 11 ausgebildeten zylindrischen Ausneh mung 4c betrug 5 mm. Das hergestellte Basisteil ist gehärtet, so daß es eine Härte von HRC61 aufweist. Das Basisteil wurde abschließend grob fertigge stellt. Die Nocken-Gleitfläche 4f, die ein Bereich des aus SCM415 hergestell ten Basisteils ist, wies eine Härte von HRC60 auf. Es ist im wesentlichen kein Kohlenstoff vorhanden, das eine Partikelgröße größer als 1 µm aufweist.

Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Dauerfestigkeits-Testergebnisse

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, wurden sowohl der abgestufte Be reich 4d als auch die Nocken-Gleitfläche 4f für die entsprechend der Erfin dung vorbereiteten Beispiele 1 bis 5 einer Abnutzung (maximale Abnutzungs tiefe) von weniger als 5 µm unterworfen. Auf der Oberfläche des abgestuften Bereichs 4d zur Erfassung des oberen Endes des Hebels 8 und der Nocken- Gleitfläche 4f zur gleitenden Berührung des Nocken 7 für hohe Drehzahlen wurde keine Abnutzung feststellt. Der auf der Nocken-Gleitfläche 4f vorgese hene harte Überzug wurde keiner Zerstörung oder Abtrennung unterworfen. Der Nocken 7 für hohe Drehzahlen, der in gleitender Berührung mit der Nocken-Gleitfläche 4f steht, wurde einer Abnutzung (maximale Abnutzungs tiefe) von weniger als 5 µm unterworfen, abgesehen von Beispiel 3. Es wurde keine Abnutzung auf der Berührungsfläche des Nocken 7 für hohe Drehzahlen festgestellt.

Für das erste vergleichbare Beispiel, Beispiel 6, betrug die Dicke des harten Überzugs weniger als 2 µm. Aus diesem Grund wurde der harte Überzug in ei nem derartigen Ausmaß abgenutzt, daß das Basisteil an abgenutzten Stellen sichtbar wurde, die auf der Nocken-Gleitfläche 4f gefunden wurden. Der Nocken 7 für hohe Drehzahlen wurde einem hohen Abnutzungsgrad unter worfen. Aufgrund des hohen Abnutzungsgrades konnte die Ventil-Betäti gungsvorrichtung nicht weiter verwendet werden.

Für das zweite vergleichbare Beispiel, Beispiel 7, wies der harte Überzug eine Dicke von mehr als 7 µm auf. Aus diesem Grund ist das Haftvermögen zwi schen dem Basisteil und dem harten Überzug gering. Nach dem Dauerfestig keits-Test wurde festgestellt, daß der harte Überzug entlang der Berührungs fläche zwischen dem harten Überzug und dem Basisteil abgetrennt war. Der Nocken 7 für hohe Drehzahlen wurde einem hohen Abnutzungsgrad unter worfen. Aufgrund des hohen Abnutzungsgrades konnte die Ventil-Betäti gungsvorrichtung nicht weiter verwendet werden.

Für das dritte vergleichbare Beispiel, Beispiel 8, wurde das Basisteil, das aus dem Kohlenstoff-Werkzeugstahl SK1 hergestellt wurde, in einem großen Aus maß erweicht (wesentlich kleiner als HRC55) in einem Bereich unterhalb des harten Überzugs aufgrund der großen Temperaturzunahme während des PVD. Das Basisteil wurde in einem derartig großen Ausmaß verbeult, daß die Ven til-Betätigungsvorrichtung nicht weiter verwendet werden konnte.

Für das vierte vergleichbare Beispiel, Beispiel 9, wurde das Basisteil, das aus einem niedrig legierten Werkzeugstahl SKS1 hergestellt wurde, in einem großen Ausmaß (wesentlich weniger als HRC55) in einem Bereich unterhalb des harten Überzugs während des PVD erweicht. Das Basisteil wurde in ei nem derartig großen Ausmaß verbeult (weniger als in Beispiel 8 festgestellt wurde), daß die Ventil-Betätigungsvorrichtung nicht weiter verwendet wer den konnte.

Es ist aus den Testergebnissen zu ersehen, daß der harte Überzug eine Dicke aufweisen sollte, die zwischen 2 µm und 7 µm liegt, und das Basisteil sollte eine Härte aufweisen, die größer ist als HRC55, aber geringfügig unterhalb der Härte des harten Überzugs liegt. Das Basisteil kann aus einem Hochge schwindigkeits-Werkzeugstahl SKH hergestellt sein, der einen wesentlich größeren Erweichungswiderstand zeigt als Zugstahl SKD und eine große Menge von Carbid ablagert.

Für den ersten Fall gemäß dem Stand der Technik, Beispiel 10, wurde das Wand-Plättchen, das aus einer gesinterten Ferrolegierung hergestellt wurde, an einem Rahmen auf dem Basisteil befestigt und an das Basisteil angelötet. Das Basisteil wurde für das Lötmittel zur Verminderung der minimalen Dicke zwischen der Ausnehmung 4c und der Nocken-Gleitfläche 4f spanend bear beitet und ferner mit einem Unterschneidung ausgebildet, die zur Herstel lung des Körpers erforderlich ist. Die Ventil-Betätigungsvorrichtung konnte aufgrund von Ermüdungsbrüchen, die an Positionen aufgetreten sind, an de nen die Dicke des Basisteils verringert wurde, nicht weiter verwendet wer den.

Für den zweiten Fall gemäß dem Stand der Technik, Beispiel 11, wurde kein Kohlenstoff, das eine Partikelgröße von 1 µm oder mehr aufweist, abgelagert. Aus diesem Grund zeigt der Kipphebel 4 für hohe Drehzahlen eine geringe Verschleißfestigkeit. Die Nocken-Gleitfläche 4f, die in Eingriff gehalten wird mit dem Nocken 7 für hohe Drehzahlen, und der abgestufte Bereich 4d zur Erfassung des oberen Endes des Hebels 8 wurden einem derart hohen Ver schleißgrad unterworfen, daß die Ventil-Betätigungsvorrichtung nicht weiter verwendet werden konnte.

Claims

1. Ventil-Betätigungsvorrichtung (1) zur Verwendung bei eine Brennkraft maschine mit wenigstens einem Zylinder, der wenigstens ein Einlaßventil, wenigstens ein Auslaßventil und eine Nockenwelle (21) aufweist, die syn chron zur Drehung der Maschinenwelle drehbar ist, mit:

- einem Nocken (7) für hohe Drehzahlen, der für die Drehung zusammen mit der Nockenwelle (21) auf der Nockenwelle vorgesehen ist;
- einem Nocken (5) für niedrige Drehzahlen, der für die Drehung zusam men mit der Nockenwelle (21) auf der Nockenwelle vorgesehen ist;
- einem Haupt-Kipphebel (2), der schwenkbar zur Betätigung eines der Einlaß- und Auslaßventile abgestützt ist;
- einem Kipphebel (4) für hohe Drehzahlen, der mit einer Gleitfläche (41) versehen ist zur Erfassung des Nocken (7) für hohe Drehzahlen, wobei der Kipphebel (4) für hohe Drehzahlen am Haupt-Kipphebel (2) abge stützt ist und entsprechend der Drehung des Nocken (7) für hohe Dreh zahlen schwenkbar ist;
- einer Einrichtung zur Herstellung einer Antriebsverbindung des Kipphe bels (4) für hohe Drehzahlen mit dem Haupt-Kipphebel (2) zum Schwen ken des Haupt-Kipphebels (2) zusammen mit dem Kipphebel (4) für hohe Drehzahlen, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl läuft;
- einer Einrichtung zur Unterbrechung der Antriebsverbindung des Kipp hebels (4) für hohe Drehzahlen mit dem Haupt-Kipphebel (2) zur Ermög lichung einer Schwenkbewegung des Haupt-Kipphebels (2) entsprechend der Drehung des Nocken (5) für niedrige Drehzahlen unabhängig von der Schwenkbewegung des Kipphebels (4) für hohe Drehzahlen, wenn die Maschine bei niedriger Drehzahl läuft;

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (41) des Kipphebels (4) für hohe Drehzahlen aus einem legierten Werkzeugstahl mit abgelagertem und verteil tem Carbid besteht zur Schaffung einer Härte von HRC55 und darüber auf der Gleitfläche (41), und daß der harte Überzug durch physikalische Dampfablage rung auf der Gleitfläche (41) des Kipphebels (4) für hohe Drehzahlen herge stellt ist.

2. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zur Unterbrechung der Antriebseinrichtung des Kipphebels (4) für hohe Drehzahlen mit dem Haupt-Kipphebel (2) einen Tot gang-Mechanismus (11) aufweist, der für den Totgang des Kipphebels (4) für hohe Drehzahlen im Kipphebel (4) für hohe Drehzahlen angeordnet ist, wenn die Maschine bei niedriger Drehzahl läuft.

3. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens eine der Legierungen CrN, Cr₂N und TiN mit Hilfe eines physikalischen Dampfablagerungsverfahrens abgelagert ist zur Bildung eines harten Überzugs mit einer Dicke im Bereich von 2 µm bis 7 µm und einer Vickers-Knoop-Härte oberhalb von Hk1500.

4. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der legierte Werkzeugstahl ein Zugstahl SKD und/oder ein Hochge schwindigkeits-Werkzeugstahl SKH ist.

5. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens eine der Legierungen CrN, Cr₂N und TIN mit Hilfe eines physikalischen Dampfablagerungsverfahrens abgelagert ist zur Bildung eines harten Überzugs mit einer Dicke im Bereich vom 2 µm bis 7 µm und einer Vickers-Knoop-Härte oberhalb von HK1500.

6. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der legierte Werkzeugstahl ein Zugstahl SKD und/oder ein Hochge schwindigkeits-Werkzeugstahl SKH ist.

7. Ventil-Betätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens eine der Legierungen CrN, Cr₂N und TiN mit Hilfe eines physikalischen Dampfablagerungsverfahrens abgelagert ist zur Bildung eines harten Überzugs mit einer Dicke im Bereich von 2 µm bis 7 µm und einer Vickers-Knoop-Härte oberhalb von HK1500.