DE19852265A1

DE19852265A1 - Rollenstiftmaterialien für verbesserte Nockenhaltbarkeit

Info

Publication number: DE19852265A1
Application number: DE19852265A
Authority: DE
Inventors: Malcolm G Naylor; John T Morgan; Suzanne P Raebel; Brian J Lance; Carl F Musolff; Joe W Dalton
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 1999-05-27
Also published as: GB2332490B; US6210503B1; JPH11223109A; JP3393596B2; GB9823807D0; GB2332490A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Materialien für nockenwellenbetätigte Nockenstößelkomponenten für Verbrennungsmotoren und insbesondere einen Rol lenstift, der aus einem Material hergestellt ist, das die Haltbarkeit verbessert und die Lebensdauer der Nocke verlängert, mit welcher die Rolle in Kontakt gelangt.

In Hochleistungsdieselmotoren wird für gewöhnlich ein nockenwellenbetätigter Ven til- oder Injektortrieb verwendet, um die Drehbewegung der Nockenwelle in die syn chronisierte Hin- und Herbewegung umzuwandeln, die zur Betätigung der Zylinder kopfventile und Kraftstoffinjektoren erforderlich ist, so daß sich die Ventile und In jektoren in optimalen Intervallen öffnen und schließen. Insbesondere das Kraftstoff einspritzintervall muß sehr genau zeitlich gesteuert sein, so daß der hohe Druck, der zum Erreichen der größtmöglichen Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffes erfor derlich ist, erzeugt wird. Dies wird für gewöhnlich durch Befestigen bzw. Vorsehen einer Injektornocke an der Nockenwelle erreicht, die sich in einem unveränderlichen Verhältnis mit der Nockenwelle dreht. Eine rollende Nockenstößelanordnung, die ei ne durch einen Stift gehaltene bzw. befestigte Rolle enthält, läuft auf der Nocke und überträgt die Drehbewegung der Nockenwelle auf eine Stößel- bzw. Stoßstange oder ein Stößel- bzw. Stoßrohr des Injektortriebs und durch den Injektortrieb zu einem Kraftstoffinjektor. Die Ventiltriebe für die Ventile arbeiten auf ähnliche Weise zur Erzeugung der Hin- und Herbewegung, die für den Betrieb dieser Konstruktionen er forderlich ist. Die US-Patente 4,090,197, 4,962,743, und 5,011,079 zeigen diese Art von Kraftstoffinjektor- und Ventiltrieb.

Während des Motorbetriebs gelangt das Rollenelement des Rollnockenstößels des Antriebsgetriebesatzes ständig mit einer drehenden Nocke in Kontakt, die an der Nockenwelle befestigt ist. Dadurch dreht sich die Rolle ständig, wenn der Motor in Betrieb ist. Die meisten Nockenstößelrollen sind drehbar in einer Nockenstößelanord nung an einem Stift befestigt. Die Rolle besteht für gewöhnlich aus Stahl, der Stütz hebel der Nockenstößelanordnung ist aus Gußeisen, und der Stift, der die Rolle an dem Hebel hält, ist aus Bronze. Die Spannungen, die an den Elementen der Nocken stößelanordnung erzeugt werden, insbesondere jene an der Grenzfläche zwischen der Nockenstößelrolle und dem Stift, können unter anderem zu einem unerwünschten Verschleiß des Stifts führen und die Drehstabilität der Rolle nachteilig beeinflussen. Optimale Bedingungen an der Grenzfläche zwischen der Nocke der Nockenwelle und der Rolle können nicht aufrechterhalten werden, wenn sich die Rolle nicht frei drehen kann. Ohne diese Drehfreiheit können Grenzflächenbedingungen, wie die Aufrechterhaltung eines Schmierfilms, die Lastverteilung und der Rollkontakt, we sentlich beeinträchtigt sein. Die Verschleißanfälligkeit des Rollenstifts verringert somit schließlich die Lebensdauer der Nocke und der Motorleistung, da ein Ventil- oder In jektortrieb mit einem abgenutzten Stift eine Rolle nicht effektiv lagern kann, um ein Ventil oder einen Injektor so anzutreiben, daß er mit der erforderlichen exakten Zeit steuerung arbeitet.

Zusätzlich zu den Zeitsteuerungsproblemen, die mit abgenutzten Rollenstiften ver bunden sind, wird bei Motoren, die Rollnockenstößel verwenden, die Nutzungsdauer durch eine Beschädigung anderer Ventil- oder Injektortriebkomponenten verringert, wenn der Motor häufig abgeschaltet und gestartet wird. Diese Verkürzung der Nut zungsdauer ergibt sich aus Schäden an den Nockenwellennocken und Rollenstößeln, insbesondere durch eine Materialversetzung bzw. -übertragung, die als Freßver schleiß oder Reibverschleiß bekannt ist, zwischen den Oberflächen der Nockenwel lennocken und der hin- und hergehenden Stößelrolle. Wenn dies nicht überprüft wird, kann ein derartiger Freßverschleiß möglicherweise zum Absplittern bzw. Ab glatzen der Nocke und zu einem funktionellen Versagen des Motors führen. Hoch belastende Mitnahmereibungskräfte zwischen der Nockennase und der Rolle führen zum Freßverschleiß oder Reibverschleiß der Nocke. In extremen Fällen kann ein "Durchrutschen" der Rolle die Folge sein, obwohl eine Beschädigung an der Nocke ohne Durchrutschen eintreten kann. Dieser Zustand ist besonders beim Starten und Abschalten des Motors aufgrund mehrerer Faktoren ernsthaft, von welchen die mei sten mit unzureichender Ölversorgung an der Rollen-Stift-Grenzfläche zusammen hängen. Die niederen Drehzahlen, die durch einen fehlenden hydrodynamischen Öl film gekennzeichnet sind, erzeugen zwischen der Rolle und dem Rollenhalterungs stift eine hohe Reibung. Die unzureichende Ölversorgung an der Rollen-Stift-Grenz fläche erzeugt im besten Fall nur einen dünnen Ölfilm, und ein Verschleiß des Stift materials unter dieser Bedingung führt möglicherweise zu einem engeren Kontakt mit der Rolle, wodurch die Ölfilmdicke noch weiter verringert wird. Die Verringerung des Verschleißes zwischen dem Stift und der Rolle während des Startens und Abschaltens des Motors würde diese Probleme verringern.

Nach dem Stand der Technik wurde vorgeschlagen, die Lebensdauer von an No ckenwellen angeordneten Nocken durch Bilden der Nocken aus verschleißfesten Materialien zu verlängern. Die US-A-5,082,433 offenbart zum Beispiel die Bildung von Nocken aus einer gesinterten Legierung mit einer gehärteten Grundmasse bzw. Matrix aus Einlagerungskupfer, bestehend aus 0,5 bis 16 Gew.-% Molybdän, 1 bis 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und wahlweise Beimischungen von Chrom, Mangan, Silicium und Nickel, die insgesamt höchstens 5 Gew.-% betragen, und dem Rest aus Eisen. Es wird offenbart, daß Nocken und andere ähnliche Ver brennungsmotorbestandteile, z. B. Kipp- bzw. Schwinghebel, die aus der obenge nannten Legierung gebildet werden, gegenüber einem Gleitabrieb beständig sind.

Die US-A-5,529,641 offenbart eine Verbesserung der Reibverschleiß- und Loch fraßbeständigkeit von Nocken an einer Nockenwelle, wobei die Nocken aus einem Gußeisen gebildet werden, das 3,0 bis 3,6 Gew.-% Kohlenstoff, 1,6 bis 2,4 Gew.-% Silicium, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Chrom, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1,0 Gew.-% Molybdän, 0,0003 bis 0,1 Gew.-% von mindestens einem Abschreckungsbeschleunigungsmittel, das ausgewählt wird aus der Gruppe beste hend aus Wismut, Tellur und Cer, und den Rest aus Eisen und unvermeidbare Unrein heiten umfaßt. Weder die US-A-5,529,641 noch die US-A-5,082,433 legt nahe, daß das Material, aus dem der Stift zur Befestigung einer mit der Nocke in Kontakt stehenden Rolle im Motorantrieb besteht, den Nockenverschleiß beeinflußt.

Die US-A-5,246,509 offenbart eine verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis zur Bildung eines schwebenden Gleitlagers bzw. schwimmenden Hülsenlagers in einem Motorturbolader. Diese Legierung umfaßt 1,0 bis 3,5 Gew.-% Mangan, 0,3 bis 15 Gew.-% Silicium, 11,5 bis 25 Gew.-% Zink, 5 bis 18 Gew.-% Blei, wobei der Rest im wesentlichen aus Kupfer und zufälligen Unreinheiten besteht. Obwohl von dieser Legierung behauptet wird, daß sie dem Betrieb bei hoher Gleitgeschwindigkeit und hoher Temperatur in einer stark korrosiven Umgebung standhalten kann, die für ge wöhnlich in einem Turbolader vorherrscht, wird nicht nahegelegt, daß diese Legie rung dem Rollverschleiß oder den Bedingungen standhalten könnte, welchen ein Stift, der eine mit einer Nocke in Kontakt stehende Rolle hält, ausgesetzt ist.

Die US-A-4,462,957 offenbart Rollen- und Stift-Konstruktionen, wobei beide Kon struktionen aus verschleißfesten Legierungen bestehen. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Rollen- und Stift-Konstruktionen werden in dem Führungsmechanis mus eines Steuerstabs eines Nuklearreaktors verwendet. Die Rollen sind nicht nur derart befestigt, so daß sie mit keiner nockenartigen Konstruktion in Kontakt gelang en, sondern es wird auch nicht nahegelegt, daß das Material, aus dem der Stift gebildet ist, die Lebensdauer einer anderen Konstruktion beeinflußt, die mit dem Stift nicht in Kontakt steht.

Zwei Veröffentlichungen von "Alloy Digest" beschreiben Kupferlegierungen, die als Lager, Laufbuchsen und dergleichen zweckdienlich sind. Die Legierung "Mueller Alloy 6730" besteht aus 60,5% Kupfer, 2,5% Mangan, 1,0% Blei, 1,0% Silicium und 35,0% Zink. Die Legierung "Copper Alloy No. C67300" besteht aus 58,0 bis 63,0% Kupfer, 2,0 bis 3,5% Mangan, 0,5 bis 1,5% Silicium, 0,40 bis 3,0% Blei, maximal 0,50% Eisen, maximal 0,30% Zinn, maximal 0,25% Nickel, maximal 0,25% Aluminium und der Rest aus Zink. Es wird behauptet, daß diese Legierungen zur Bildung von Lagern, Laufbuchsen, Nocken und Führungsstiften zweckdienlich sind. Es wird nicht nahegelegt, daß eine dieser Legierungen zur Bildung eines Stifts für eine mit einer Nocke in Kontakt stehende Rolle verwendet werden kann, um die Haltbarkeit einer Nocke zu verlängern, die nicht direkt mit der Rolle in Kontakt steht. Es wird auch nicht angeführt, daß eine dieser Legierungen eine hohe Verschleiß- und Korrosions beständigkeit in Gegenwart von Schmiermittelzusätzen vereint.

Bei einer üblicherweise erhältlichen Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung besteht die Rolle aus Stahl und der Stift aus Blei-Phosphor-Bronze. Es wurde jedoch ent deckt, daß dieses Stiftmaterial in Gegenwart von Schmiermittelzusätzen nicht ausrei chend reibungsarm oder verschleißfest oder korrosionsbeständig ist, um einen Freß verschleiß oder ein Versagen zu verhindern.

Nach dem Stand der Technik wurde daher kein Stift vorgeschlagenen, der in Gegen wart von Motorölzusätzen ausreichend reibungsarm, verschleißfest und korrosions beständig ist, um eine Nockenstößelrolle in einem Antriebszug eines Hochleistungs verbrennungsmotors drehbar zu befestigen, der aus einem Material besteht, das kor rosionsbeständig ist, der ohne Reibverschleiß harte Teilchen aufnehmen kann und der imstande ist, die mechanischen Lasten zu tragen, die auf den Nockenstößel wirken. Nach dem Stand der Technik wurde ferner kein Nockenstößel-Rollenstift bereitge stellt, der aus einem Material besteht, das ein Versagen der Nocke verhindert und die Haltbarkeit der Nocke verbessert.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stift zum Halten einer Nockenstößelrolle für einen Hochleistungsverbrennungsmotor-Antriebszug zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und aus einem Material besteht, das eine Beschädigung der Nocke verhindert und die Nockenhaltbarkeit ver längert.

Die obige Aufgabe wird durch einen Antriebszug gemäß Anspruch 1, eine Nocken stößelrollen- und Stiftanordnung gemäß Anspruch 7, einen Stift gemäß Anspruch 12 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst: Vorteilhafte Weiterbildungen sind Ge genstand der Unteransprüche.

Insbesondere wird ein verschleißfester und korrosionsbeständiger Stift zur drehbaren Befestigung der die Nocke kontaktierenden Rolle in einem Verbrennungs motor-Nockenstößel bereitgestellt. Der Stift besteht aus einem Material mit einer optimal geringen Reibung, einer optimalen Korrosionsbeständigkeit, einer optimalen Ver schleißfestigkeit und der Fähigkeit, Schmierölverunreinigungen ohne Reibverschleiß aufzunehmen. Das bevorzugte Material zur Bildung des Stifts umfaßt eine Blei-Man gan-Silicium-Bronze, vorzugsweise umfassend 58,0 bis 63,0 Gew.-% Kupfer, 2,0 bis 3,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0,4 bis 3,0 Gew.-% Blei, maximal 0,50 Gew.-% Eisen, maximal 0,25 Gew.-% Nickel, maximal 0,30 Gew.-% Zinn, maximal 0,25 Gew.-% Aluminium, und den Rest aus Zink.

Vorzugsweise wird eine Erhöhung der Haltbarkeit von an Nockenwellen befestigten Nocken in einem Verbrennungsmotor erreicht durch Bildung des Befestigungsstifts für die mit der Nocke in Kontakt stehenden Nockenstößelrolle aus einer reibungsar men, verschleißfesten, korrosionsbeständigen und reibverschleißfesten Metallegie rung mit einer Zusammensetzung, die so gewählt ist, daß sie die Langlebigkeit der Nocke verbessert.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen reibungsarmen, ver schleißfesten, korrosionsbeständigen und reibverschleißfesten Nockenstößel-Rollen stift zu schaffen.

Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Stift für eine Nockenstößelrolle für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der aus einem Material besteht, das im stande ist die mechanischen Lasten zu tragen, welchen die Nockenstößelrolle ausge setzt ist.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen verschleißfesten und ko rrosionsbeständigen Stift zur drehbaren Befestigung einer Nockenstößelrolle an einer Verbrennungsmotor-Nockenstößelanordnung zu schaffen, der einen Freßverschleiß der Nocke verhindert.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Stift für eine Nocken stößelrolle zu schaffen, der optimale Grenzflächenbedingungen zwischen der No ckenwelle und der Rolle während des Startens und Abschaltens des Motors aufrech terhält.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Be schreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Rollnockenstößel in einem Antriebszug eines Ver brennungsmotors;

Fig. 2 einen graphischen Vergleich des statischen Reibungskoeffizienten eines Nockenstößelrollenstifts, der aus einem Material nach dem Stand der Technik gebildet ist, und eines Rollenstifts, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, und einer Stahlnockenstößelrolle;

Fig. 3 einen graphischen Vergleich der Beschädigung der Nockennase, die bei einem Rollenstiftmaterial nach dem Stand der Technik und bei einem Rollenstift, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, auftritt;

Fig. 4a, 4b und 4c zeigen einen Vergleich des Rollenstiftverschleißes eines Rollenstifts nach dem Stand der Technik und eines Rollenstifts, der gemäß der vor liegenden Erfindung hergestellt wurde, unter verschiedenen Beding ungen;

Fig. 5a und 5b einen Vergleich der Elementzusammensetzung von abgenutzten Stift oberflächen für einen Rollenstift, der aus einer Legierung nach dem Stand der Technik gebildet wurde, und einen Rollenstift, der aus einer Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde; und

Fig. 6 einen graphischen Vergleich der Korrosionsbeständigkeit eines Rollen stifts, der aus einem Material nach dem Stand der Technik gebildet wur de, und eines Rollenstifts, der gemäß der vorliegenden Erfindung her gestellt wurde.

Es hat sich gezeigt, daß Verbrennungsmotoren, in welchen Rollnockenstößel oder nockenkontaktierende Rollen für den Kontakt mit Nocken an der Motornockenwelle verwendet werden, wodurch Energie bzw. Kräfte zu den Ventilen und/oder Kraft stoffinjektoren in dem Motorventil- oder Injektortrieb übertragen werden, eine ver ringerte Nutzungsdauer haben, wenn der Motor häufig gestartet oder abgeschaltet wird. Die Motornutzungsdauer wird für gewöhnlich durch eine Beschädigung der Nockenwelle und der Rollenstößel verringert. Eine derartige Beschädigung wird vorwiegend durch einen Freßverschleiß oder Reibverschleiß verursacht, bei dem Ma terial zwischen den Oberflächen der Nockennase der Nockenwelle und der hin- und hergehenden, mit der Nocke in Kontakt stehenden Rolle übertragen wird. Schließlich führt der Freßverschleiß zu einem Absplittern der Nocke und einem funktionellen Versagen.

Eine entscheidende Konsequenz einer Nocke, die durch einen Freßverschleiß be schädigt ist, in einem Kraftstoffinjektortrieb könnte eine schlechte Einstellung des Einspritzzeitpunktes sein. Die Folge könnte eine verschlechterte oder unwirksame Verbrennung und schlechte Motorleistung sein. Andere Injektortriebbestandteile bzw. -komponenten könnten durch eine zu starke regellose Bewegung der Rolle un gleichmäßig abgerieben werden und mangelhaft funktionieren. Im schlimmsten Fall könnte der gesamte Injektortrieb in der Erfüllung minimaler funktioneller Anforder ungen versagen und müßte ausgetauscht werden.

Die hohen belastenden Mitnahmereibungskräfte zwischen der Nockennase und der Rolle, die während des Startens und Abschaltens des Motors besonders stark sind, können zu einem Freßverschleiß der Nocken führen. Die charakteristischen geringen Drehzahlen beim Starten und Abschalten des Motors erzeugen nur einen minimalen hydrodynamischen Ölfilm, der zu einer hohen Reibung und zu einem starken Ver schleiß zwischen dem Stift und der Rolle führt. Zusätzlich erhöht der Verschleiß des Stiftmaterials unter diesen Bedingungen geringer Ölfilmdicke auch die Reibung auf grund des zu engen Kontakts zwischen dem Stift und der Rolle, wodurch der Raum verringert wird, der zur Bildung eines Ölfilms zwischen dem Stift und der Rolle zur Verfügung steht. Es hat sich gezeigt, daß die Verringerung einer solchen Reibung zwischen dem Stift und der Rolle während des Startens und Abschaltens des Motors die Mitnahmereibungskräfte zwischen der Nocke und Rolle verringert und die Noc kenhaltbarkeit verbessert. Ferner wurde entdeckt, daß die Wahl des Rollenstiftmate rials die Lebensdauer der Nocken unerwartet deutlich erhöht, die mit den von einem Stift gehaltenen Rolle in einem Motorventil- oder Injektortrieb in Kontakt gelangen. Die richtige Wahl des Rollenstiftmaterials kann dramatische Verbesserungen in der Nockenhaltbarkeit und -lebensdauer bewirken.

Wenn die Rolle von dem Rollenstift in einer stabilen Drehung gehalten wird, werden optimale Grenzflächenbedingungen zwischen der Nocke und Rolle aufrechterhalten. Dadurch ist der Schmierfilm ausreichend, die Last ist richtig verteilt, und der Rollkon takt zwischen der Nocke und der Nockenstößelrolle garantiert eine optimale Übertra gung der Nockenwellendrehung auf den Antriebsgetriebesatz bzw. -zug. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer Legierung auf Kupferbasis, vorzugsweise einer Blei-Mangan-Silicium-Bronze, einen außerordentlich verschleißfesten Rollenstift er gibt, der die Rolle in einer stabilen Drehung hält. Dieses Stiftmaterial vermeidet die nachteiligen Wirkungen, die durch Nockenstößelrollen verursacht werden, die von Stiften aus Materialien nach dem Stand der Technik gehalten werden. Ferner hat ein Rollenstift aus einer Legierung auf Kupferbasis, und insbesondere der Rollenstift aus der bevorzugten Blei-Mangan-Silicium-Bronze der vorliegenden Erfindung, eine hohe Verschleißfestigkeit, unterstützt die Bildung von Schmierölfilmen an der Stift oberfläche, weist eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, um einen starken chemischen Abtrag der Stiftoberfläche durch Zusätze oder Verunreinigungen im Öl zu verhindern, hat eine ausreichende Fähigkeit, harte Teilchen oder andere Ölverun reinigungen ohne Reibverschleiß aufzunehmen, und hat eine ausreichende Ermü dungsfestigkeit, um die mechanischen Lasten zu tragen, die auf den Nockenstößel ausgeübt werden.

Mit Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 einen beispielhaften Antriebszug 10, der den Nockenstößelrollenstift der vorliegenden Erfindung aufweist. Eine Nocke 12 ist an der Motornockenwelle 14 angeordnet und dreht sich, wenn sich die Nockenwelle 14 dreht. Eine Nockenstößelrolle 16 ist drehbar von einem Rollenstift 18 an einem Nockenfolger- bzw. Nockenstößelanordnungshebel 20 gelagert. Der Nockenstößelanordnungshebel 20 ist mit einer Stößelstange 22 verbunden. Die Stößelstange 22 ist antreibend mit einem Kipp- bzw. Schwinghebel 24 verbunden, der seinerseits eine Kraftstoffinjektorkolbenstange (nicht dargestellt) in einen Kraft stoffinjektor (nicht dargestellt) oder einen Nebenstempel 26 hin- und herbewegt, wo durch ein Ventilquerhaupt 28 Einlaßventile oder Auslaßventile 30 und 32 betätigt. Der Rollenstift 18 der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung bei der Halterung bzw. Lagerung einer mit einer Nocke in Kontakt stehenden Rolle jeder Art von An triebsgetriebe gedacht.

Motoren, in welchen Rollnockenstößel verwendet werden, die von Stiften gehalten werden, die aus allgemein erhältlichen Materialien nach dem Stand der Technik be stehen, die zur Bildung von Rollenstiften verwendet werden, haben meist eine ver ringerte Nutzungsdauer, wenn der Motor häufig abgeschaltet und gestartet wird. Dieser verringerte Nutzungsdauer ist im allgemeinen auf eine Beschädigung der Noc ken der Nockenwelle und der Rollenstößel zurückzuführen. Mikrographische Unter suchungen von defekten Nockennasen haben gezeigt, daß die Beschädigung vor wiegend durch eine Materialversetzung bzw. einen Materialübergang zwischen den Oberflächen der Nocke und der Rolle verursacht wird, die bzw. der durch einen Freß verschleiß oder Reibverschleiß bedingt ist. Der Freßverschleiß oder Reibverschleiß führt schließlich zu dem Ausspringen oder Brechen der Nocke, das als Absplittern bekannt ist, und zu einem funktionellen Versagen.

Die Verringerung der Reibung zwischen dem Stift und der Rolle während des Star tens und Abschaltens des Motors vermindert die Mitnahmereibungskräfte zwischen der Nocke und Rolle und führt zu einer verbesserten Nockenhaltbarkeit. Es hat sich unerwartet gezeigt, daß die Wahl des Materials, das den die Rolle haltenden Stift 18 (Fig. 1) bildet, die unerwünschten Mitnahmereibungskräfte verringert, die zu einem Versagen der Nocke führen. Es wurde entdeckt, daß die Zusammensetzung des Stift materials so gewählt werden sollte, daß sie eine ausreichende Verschleißfestigkeit, Ko rrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit aufweist, um den Stiftverschleiß und die Veränderlichkeit bei schlechten Ölmischungen zu verhindern und Ölverunreini gungen ohne Reibverschleiß aufzunehmen. Es wird angenommen, daß die chemische Reaktionsfähigkeit des Rollenstiftmaterials mit Motorölzusätzen auch eine Wirkung auf die Nockenhaltbarkeit haben könnte; das Ausmaß dieser Wirkung wurde jedoch nicht vollständig bewertet. Es wurde ein Rollenstiftmaterial auf Kupferbasis entdeckt, daß diese Anforderungen erfüllt und unerwartete Verbesserungen in der Haltbarkeit der Nockennase erreicht. Die umfassende Anlagen- und Motortestung und Oberflä chenanalyse, die zur Wahl eines Rollenstiftmaterials, das die Nockenhaltbarkeit und -lebensdauer verbessert, erforderlich waren, bestätigten, daß ein Material auf Kupfer basis die gewünschten Zielsetzungen erreicht.

Ein allgemein erhältliches Rollenstiftmaterial nach dem Stand der Technik, das weit gehend verwendet wird, ist eine Blei-Phosphor-Bronze-Legierung, die unter der Be zeichnung C534 bekannt ist und die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hat:

Zinn	3,5-5,8
Phosphor	0,03-0,35
Eisen	maximal 0,10
Blei	0,80-1,20
Zink	maximal 0,30
Kupfer	mindestens 99,5 (enthält Zinn, Phosphor und Blei)

Obwohl dieses Material ein Material auf Kupferbasis ist und eine geeignete Gesamt härte aufweist, um verschleißfest zu sein, verbessert es die Nockenhaltbarkeit nicht, wenn es zur Bildung eines Rollenstifts verwendet wird. Es wurde entdeckt, daß bei Verwendung anderer Materialien auf Kupferbasis, insbesondere von Blei-Mangan Silicium-Bronze, zur Bildung von Rollenstiften die Nockenlebensdauer signifikant verbessert wird.

Es wird davon ausgegangen, daß ein großer Bereich von Blei-Mangan-Silicium-Bron ze-Legierungen auf Kupferbasis zur Bildung von Stiften, die mit Nocken in Kontakt stehende Rollen halten, verwendet werden kann. Die Blei-Mangan-Silicium-Bronze-Le gierung, die jedoch zur Bildung von Rollenstiften gemäß der vorliegenden Erfin dung am bevorzugtesten ist, ist eine C67300 Legierung mit der folgenden Zusam mensetzung in Gewichtsprozent:

Kupfer	58,0-63,0
Zink	Rest
Mangan	2,0-3,5
Silicium	0,50-1,5
Blei	0,40-3,0
Eisen	maximal 0,50
Nickel	maximal 0,25
Zinn	maximal 0,30
Aluminium	maximal 0,25

Es ist bevorzugt, daß die Legierung auf Kupferbasis, die zur Bildung von Rollenstif ten gemäß der vorliegenden Erfindung gewählt wird, bestimmte minimale mechani sche Eigenschaften aufweist, wie in der Spezifikation SAE J463 der Society of Au tomotive Engineers beschrieben. Diese Eigenschaften hängen von der Endge brauchsanwendung des Stifts ab, da verschiedene Anwendungen Stifte mit verschie denen mechanischen Eigenschaften verlangen. Zum Beispiel sollte die Mindest-Rockwell-B-Härte des bevorzugtesten Stiftmaterials aus Blei-Mangan-Silicium-Bron ze etwa 50 HRB betragen, wie nach ASTM (American Society for Testing Materials) E 18 bestimmt. Das bevorzugteste Stiftmaterial sollte zumindest die folgenden Mindestfestigkeitseigenschaften aufweisen, wie nach ASTM E 8 bestimmt wurde:
Zugfestigkeit, psi - 55000 (etwa 379,2 MPa)
Dehngrenze, psi - 25000 (etwa 172,4 MPa)
Dehnung 4D - 10%.

Zusätzlich ist die Struktur des bevorzugtesten Rollenstiftmaterials durch eine Grund masse bzw. Matrix gekennzeichnet, die eine zweite Phase enthält, die aus stabähnli chen Mangansilicidpartikeln besteht, die gleichmäßig in der Matrix bzw. dem Grund gefüge verteilt sind.

Die vorangehenden mechanischen Eigenschaften kennzeichnen das bevorzugteste Rollenstiftmaterial. Diese Eigenschaften werden jedoch nur als Beispiel für die ge wünschten Eigenschaften für ein Rollenstiftmaterial angeführt, das zu einer nach weisbaren Verbesserung der Nockenhaltbarkeit führt. Andere Legierungen auf Kup ferbasis mit gleichen oder geringfügig unterschiedlichen mechanischen Eigenschaf ten, welche die Nockenlebensdauer effektiv verlängern, wenn sie zu Rollenstiften ge formt werden, werden auch als im Umfang der vorliegenden Erfindung angesehen.

Fig. 2 und 3 vergleichen die Reibung und die Beschädigung der Nockennase, wenn der Stift, der die Nockenstößelrolle hält, aus der Blei-Phosphor-Bronze-Legierung nach dem Stand der Technik, die mit den Bezeichnungen C534 und 534 versehen ist, mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung besteht bzw. aus der bevorzugten Blei-Mangan-Silicium-Bronze auf Kupferbasis der vorliegenden Erfindung. Diese Legierung wird hier mit "673", "C673" oder "67300" bezeichnet. Fig. 2 zeigt den statischen Reibungskoeffizienten für einen Stift, der aus der C534 Legierung herge stellt wurde, und für einen Stift, der aus der C673 Legierung hergestellt wurde. Die Rolle, die in beiden Fällen an dem Stift befestigt war, bestand aus Stahl. Das C534 Stiftmaterial hat einen höheren Reibungskoeffizienten als das C673 Stiftmaterial. Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Beschädigung der Nockennase bei C534 und C673 Stiftmaterial. Die Daten sind für Nockennasen in einem nockenbetätigten Injektor trieb und in einem nockenbetätigten Ventilantrieb angegeben. Der Prozentsatz an Nasen, die von der getesteten Anzahl versagten, ist bei einem Rollenstift aus C673 Blei-Mangan-Silicium-Bronze sowohl beim Injektor- als auch Ventiltrieb Null. In deutlichem Gegensatz dazu führte die Verwendung eines Rollenstifts aus C534 Blei- Phosphor-Bronze in mehr als 60% der Injektorantriebe und in nahezu 60% der Ven tiltriebe, in welchen die Nockennasen getestet wurden, zu einer Beschädigung der Nocke.

Die geringere Beschädigung der Nockennase ist nicht auf eine offensichtliche Eigen schaft der Stiftmaterialien, wie eine höhere Härte, zurückzuführen. Die bevorzugte C673 Legierung hat im wesentlichen dieselbe Gesamthärte wie die C534 Legierung nach dem Stand der Technik. Vielmehr wird die Verbesserung der Nockenlebens dauer auf eine Kombination von Faktoren zurückgeführt, die mit Eigenschaften des Stiftmaterials zusammenhängen und synergistisch wirken. Zu diesen Faktoren zählen die geringe Reibung, die hohe Verschleißfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Kompatibilität mit Schmierzusätzen und die Teilchenaufnahmefähigkeit.

Das Stiftmaterial muß eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Dies trägt dazu bei, die hydrodynamischen Eigenschaften des Stifts aufrechtzuerhalten, indem einem Stiftverschleiß widerstanden wird, der auf einen engen Kontakt mit der Rolle zurück zuführen ist, welcher zu einer höheren Stift-Rollen-Reibung führt. Fig. 4a, 4b und 4c zeigen, daß eine Blei-Mangan-Silicium-Bronze, wie die bevorzugte C673 Legie rung, eine etwa 3 bis 10 mal größere Verschleißfestigkeit aufweist als eine Blei-Phos phor-Bronze, wie die C534 nach dem Stand der Technik, was auf die Gegenwart von harten Mangansilicidniederschlägen zurückzuführen sein könnte. Es wäre auch zu erwarten, daß andere Legierungen, die harte Phasen enthalten oder eine erhöhte Ge samthärte aufweisen, ein verbessertes Verschleißverhalten zeigen, aber vielleicht nicht unbedingt alle erforderlichen Eigenschaften haben, um die Nockenhaltbarkeit zu verbessern, wenn sie zu einem Rollenstift geformt bzw. ausgebildet werden.

Fig. 4a vergleicht den Stiftverschleiß in Mikron für C673 und C534 Rollenstifte in Injektor- und Ventiltrieben in Motortests. Die C673 Stifte zeigten deutlich weniger Verschleiß als die C543 Stifte.

Fig. 4b vergleicht den Stiftverschleiß in inch (1 inch = 2,54 cm) für C673 und C534 Stifte als Funktion von Starts in einem Rollenmitnahmereibungsanlagentest. Sowohl bei 10 000 als auch 30 000 Motorstarts zeigten die C673 Stifte im Prinzip einen ver nachlässigbaren Verschleiß im Vergleich zu den C534 Stiften.

Fig. 4c vergleicht den Verschleiß von C673 und C534 Rollenstiften in einem Block auf-Ring Prüfstand-Verschleißtest (Falex I Verschleißvergleich - Test angeboten von der Falex Corp., Sugar Grove, Illinois, USA) unter Verwendung von Bronzeblöcken und 52100 Stahlringen in Gegenwart von guten (A) und schlechten (B) Referenz ölen. Die verwendeten Öle waren im Handel erhältliche Schmieröle. Einige dieser Öle verursachen einen stärkeren Nockenfreßverschleiß als andere. Die Öle, die den größten Schaden verursachten, wurden als "schlechte" Öle bezeichnet. Selbst in Ge genwart des schlechten Referenzöls war der Verschleißkoeffizient für den C673 Rollenstift signifikant und deutlich geringer als der Verschleißkoeffizient für den C534 Rollenstift. Außer der Verringerung des durchschnittlichen Verschleißes führt eine Blei-Mangan-Silicium-Bronze, wie die bevorzugte C673 Legierung, zu einer starken Verringerung in der Veränderlichkeit des Verschleißes, wie durch die zuvor besprochenen Tests gezeigt wurde. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Veränderlich keit im Verschleiß bei herkömmlichen Stiftmaterialien, insbesondere Blei-Phosphor-Bronze, bei verschiedenen, im Handel erhältlichen Ölzusammensetzungen besonders hoch sein. Der C673 Stift war jedoch gegenüber der Ölqualität unempfindlich.

Das bevorzugte Rollenstiftmaterial muß die Bereitstellung eines Schmierfilms an der Stiftoberfläche unterstützen. Es hat sich gezeigt, daß Stifte aus Legierungen auf Kup ferbasis, insbesondere aus Blei-Mangan-Silicium-Bronze-Legierungen, anders mit Öl zusätzen reagieren als die Blei-Phosphor-Bronzestifte nach dem Stand der Technik, insbesondere erhöhte Magnesiumwerte an der Stiftoberfläche erzeugen, was ein Be weis für die chemische Reaktion mit Ölzusätzen ist, wie in Fig. 5a und 5b dargestellt ist. Die Gegenwart oder Kombination von Elementen wie Mangan, Silicium und Zink, die in den bisher verfügbaren Rollenstiftmaterialien fehlten, wird zumindest teilweise für die Unterschiede in der Reaktionsfähigkeit von Schmierzusätzen verantwortlich gemacht. Fig. 5a und 5b zeigen die Elementzusammensetzung von Oberflächenfil men abgenutzten Oberflächen von zwei motorgetesteten Rollenstiften, wie durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie analysiert. Fig. 5a zeigt die Elementzusam mensetzung für einen Oberflächenfilm eines abgenutzten Blei-Phosphor-Bronze-(C534)-Rollen stifts nach dem Stand der Technik und Fig. 5b zeigt die Elementzu sammensetzung für einen Oberflächenfilm eines abgenutzten Blei-Mangan-Silicium-Bronze-(C673)-Rollen stifts. Die Elementzusammensetzung des C673 Rollenstifts zeigt eine größere chemische Reaktionsfähigkeit mit Ölzusätzen für diesen Stift als für den C534 Stift.

Fig. 6 vergleicht die Korrosionsbeständigkeit eines Blei-Phosphor-Bronze-C534)-Rollen stifts nach dem Stand der Technik und eines Blei-Mangan-Silicium-Bronze-(C673)-Rollen stifts in einem Motoröl schlechter Qualität nach 168 Stunden bei 250°F (etwa 121°C). Zur Verbesserung der Nockenlebensdauer muß der Rollenstift aus einem Material mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit hergestellt sein, um einen starken chemischen Abtrag der Stiftoberfläche durch Ölzusätze oder Verunrei nigungen in dem Öl zu vermeiden. Blei-Mangan-Silicium-Bronzestifte, wie in Fig. 6 dargestellt, zeigten eine signifikant geringere Korrosion als die Blei-Phosphor-Bron ze-Rollenstifte, wenn sie in heißes Motoröl getaucht wurden.

Zusätzlich wurde entdeckt, daß zur Verbesserung der Nockenlebensdauer das Mate rial, das den Rollenstift bildet, eine ausreichende Fähigkeit zur Aufnahme harter Teil chen oder anderer Ölverunreinigungen, ohne daß es zu einem Reibverschleiß kommt, haben muß. Motortests haben gezeigt, daß Blei-Mangan-Silicium-Bronzestifte im stande sind, Teilchen ohne Reibverschleiß aufzunehmen. Ferner muß das Stiftmaterial eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit haben, um die mechanischen Lasten zu tra gen, die auf die Nockenstößelrolle ausgeübt werden. Dreh- bzw. Umlaufbiegeversu che mit einer Blei-Mangan-Silicium-Bronzelegierung zeigten eine Ermüdungsfesti gkeit bei 108 Zyklen von 172 MPa. Dies weist auf eine annehmbare Ermüdungsfe stigkeit für einen weiten Bereich zu erwartender Injektor- und Ventilrollenstiftanfor derungen hin.

Die Anforderungen für ein optimales Rollenstiftmaterial, das die Nockenhaltbarkeit und -lebensdauer verbessert, haben sich als komplex und häufig widersprüchlich er wiesen. Die Wahl eines solchen optimalen Rollenstiftmaterials muß auf der Basis eines umfassenden Anlagen- und Motortests und einer Oberflächenanalyse, wie zuvor be schrieben, und nicht auf der Basis einfacher Eigenschaftsdaten oder allgemeiner Kenntnis erfolgen. Der auf Kupfer basierende Blei-Mangan-Silicium-Bronze-Rollen stift der vorliegenden Erfindung bietet unerwartete Verbesserungen in der Haltbar keit der Nockennase. Ferner zeigt der auf Kupfer basierende Blei-Mangan-Silicium-Bronze-Rollen stift der vorliegenden Erfindung einen verringerten Verschleiß und eine verringerte Veränderlichkeit bei schlechten Ölzusammensetzungen, während er zu einer verbesserten Nockenhaltbarkeit führt. Schließlich zeigt die vorliegende Er findung eindeutig, daß die Zusammensetzung des Stiftmaterials unerwartet und signi fikant die Nockenlebensdauer verlängert.

Der Nockenstößelrollenstift der vorliegenden Erfindung findet vorwiegend in Ventil- oder Injektortrieben von Dieselmotoren Anwendung. Er ist jedoch auch zur Halter ung von Nockenstößelrollen in Kraftstoffpumpen und in jeder Art von Vorrichtung zweckdienlich, in welcher eine mittels Stift gelagerte Rolle mit drehenden Nocken auf einer Nockenwelle in Kontakt steht und eine verbesserte Nockenhaltbarkeit und Nockenlebensdauer erwünscht sind.

Claims

1. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe mit einer Nockenstößelrolle, die an einem Rollenstift angebracht bzw. gelagert und so angeordnet ist, daß sie von einer Nocke an einer Motornockenwelle antreibbar ist, wobei der Rollenstift aus einer Legierung auf Kupferbasis besteht, die so gewählt ist, daß sie die Haltbarkeit und Lebensdauer der Nocke verbessert, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine geringe Reibung, eine hohe Verschleißfestigkeit, eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, um einen starken chemischen Abtrag der Stiftoberfläche durch Ölverunreinigungen zu verhindern, eine ausreichende Fähigkeit zur Aufnahme harter Teilchen, insbesondere Schmutzteilchen, und Öl verunreinigungen ohne Reibverschleiß und eine ausreichende Ermüdungs festigkeit, um die mechanischen Lasten zu tragen bzw. den mechanischen Be lastungen standzuhalten, die auf die Nockenrolle wirken, aufweist.

2. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenstift aus einer Blei-Mangan-Silicium-Bronze-Le gierung hergestellt ist.

3. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rollenstift aus einer Legierung auf Kupferbasis mit der fol genden Zusammensetzung in Gewichtsprozent hergestellt ist:
Kupfer 58,0-63,0 Zink Rest Mangan 2,0-3,5 Silicium 0,50-1,5 Blei 0,40-3,0 Eisen maximal 0,50 Nickel maximal 0,25 Zinn maximal 0,30 Aluminium maximal 0,25

4. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis des Rollen stifts eine Mindest-Rockwell-B-Härte von zumindest 50 HRB aufweist.

5. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis des Rollen stifts eine Mindestzug- bzw. -bruchfestigkeit von etwa 379,2 MPa (55000 psi), eine Mindeststreckgrenze von etwa 172,4 MPa (25000 psi) und eine Mindest-4D-Dehnung von 10% aufweist.

6. Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis eine Matrix mit einer zweiten Phase von stabähnlichen Mangansilicidpartikeln aufweist, die gleichmäßig in der Matrix verteilt sind.

7. Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung, die einen Nocken kontaktiert, für ein Verbrennungsmotor-Antriebsgetriebe, wobei das Material zur Bildung des Stifts so gewählt ist, daß im wesentlichen ein Freßverschleiß und eine Beschädigung der Nocke, die mit der Rolle in Kontakt steht, verhindert wird, wobei das Mater ial eine reibungsarme, verschleißfeste und korrosionsbeständige Legierung auf Kupferbasis aufweist, die einen Schmierfilm an der Stiftoberfläche aufrechterhält und die Fähigkeit aufweist, harte Ölverunreinigungen ohne Reibverschleiß auf zunehmen.

8. Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis 58,0 bis 63,0 Gew.-% Kupfer, 2,0 bis 3,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0,40 bis 3,0 Gew.-% Blei, maxi mal 0,50 Gew.-% Eisen, maximal 0,25 Gew.-% Nickel, maximal 0,30 Gew.-% Zinn und maximal 0,25 Gew.-% Aluminium und den Rest Zink aufweist.

9. Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis eine Mindesthärte von min destens 50 HRB, eine Mindestzugfestigkeit von etwa 379,2 MPa (55000 psi), eine Mindeststreckgrenze von etwa 172,4 MPa (25000 psi) und eine Mindest-4D-Dehnung von 10% aufweist.

10. Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis eine Matrix mit einer zweiten Phase von stabähnlichen Mangansilicidpartikeln aufweist, die in der Matrix verteilt sind.

11. Nockenstößelrollen- und Stiftanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kupferbasis eine Blei-Mangan-Silicium-Bronze ist.

12. Stift zum Halten einer hin- und hergehenden, mit einer Nockennase bzw. -erhebung in Kontakt stehenden Rolle in einem Verbrennungsmotor-Antriebs getriebe, wobei Traktions- bzw. Mitnahmekräfte zwischen der Nockennase und der Rolle verringert sind und die Haltbarkeit der Nockennase verlängert ist durch die Bildung des Stifts aus einer Legierung auf Kupferbasis, die ver schleißfest und korrosionsbeständig ist, einen Schmierfilm an der Stiftoberfläche bereitstellt und harte Teilchen ohne Reibverschleiß aufnimmt, wobei die Le gierung auf Kupferbasis 58,0 bis 63,0 Gew.-% Kupfer, 2,0 bis 3,5 Gew.-% Man gan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0,40 bis 3,0 Gew.-% Blei, maximal 0,50 Gew.-% Eisen, maximal 0,25 Gew.-% Nickel, maximal 0,30 Gew.-% Zinn und maximal 0,25 Gew.-% Aluminium und den Rest Zink aufweist.

13. Stift nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Kup ferbasis eine Mindesthärte von mindestens 50 HRB, eine Mindestzugfestigkeit von etwa 379,2 MPa (55000 psi), eine Mindeststreckgrenze von etwa 172,4 MPa (25000 psi) und eine Mindest-4D-Dehnung von 10% aufweist und eine Matrix mit einer zweiten Phase von stabähnlichen Mangansilicidpartikeln auf weist, die über die Matrix verteilt sind.

14. Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit von an einer Nockenwelle ange brachten Nocken in einem Verbrennungsmotor, das aufweist Bilden eines Stifts, der eine mit einer Nocke in Kontakt stehende Nockenfolger- bzw. Nockenstö ßelrolle hält, aus einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen, reibungsar men Legierung auf Kupferbasis.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift aus einer Legierung auf Kupferbasis gebildet wird, die 58,0 bis 63,0 Gew.-% Kupfer, 2,0 bis 3,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0,40 bis 3,0 Gew.-% Blei, maximal 0,50 Gew.-% Eisen, maximal 0,25 Gew.-% Nickel, maximal 0,30 Gew.-% Zinn und maximal 0,25 Gew.-% Aluminium und den Rest Zink aufweist.