DE3205878A1

DE3205878A1 - Stoessel fuer einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3205878A1
Application number: DE19823205878
Authority: DE
Inventors: Robert C. Wheaton Ill. Behnke; Todd R. Glen Ellyn Ill. Downing
Original assignee: Stanadyne LLC
Current assignee: Stanadyne LLC
Priority date: 1981-02-20
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1982-09-09
Also published as: MX153938A; IT1147599B; JPS57153913A; IT8247747A0; GB2093554A; FR2500529A1; BR8200917A; AU7996682A; US4768476A

Description

Stößel für einen Verbrennungsmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft Stößel,und zwar sowohl hydraulische als auch mechanische Stößel, und insbesondere eine verbesserte Stößel-Nockenfläche, welche erhöhte Festigkeits- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften aufweist und im wesentlichen aus Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumdioxid gebildet ist.

Ein anderer Zweck ist eine Stößel-Nockenfläche des beschriebenen Typs, welche sowohl mit Gußeisen als auch Stahl kompatibel ist.

Ein anderer Zweck ist eine Stößel-Nockenfläche des beschriebenen Typs, welche an der damit zusammenwirkenden Nockenwelle keinen übermäßigen Verschleiß verursacht.

Ein anderer Zweck ist eine Stößel-Nockenfläche, die aus Zirkoniumdioxid gebildet ist und sich mit der dagegen anliegenden Nockenwelle kompatibel verhält.

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Ein anderer Zweck ist eine Stößelanordnung des beschriebenen Typs, welche eine Nockenfläche auf v/eist, die aus Zirkoniumdioxid gebildet ist, das den im wesentlichen selben Ausdehungskoeffizienten wie das Stahlmaterial aufweist, woran es angebracht ist, wobei die unterschiedliche Ausdehung oder Zusammenziehung während des Motorbetriebs zwischen Nockenfläche und dem zugeordneten Stößelgehäuse bzw. Stößel-Hauptteil verhindert ist.

Ein anderer Zweck ist eine Stößel-Nockenfläche des beschriebenen Typs, welche in Relation zu herkömmlichen Gußeisenstößeln überlegene Verschleiß- und Belastungseigenschaften aufweist.

Andere Zwecke werden in der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.

Die Erfindung ist schematisch in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt, in welchen:

Fig. 1 ein Axialschnitt durch einen hydraulischen Stößel ist und die verbesserte Nockenfläche der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 2 eine Endansicht des Stößels der Fig. 1 ist, " Fig. 3 ein Axial-Teilschnitt durch eine abgewandelte Form eines Stößels ist, der die verbesserte

Nockenfläche der vorliegenden Erfindung aufweist, Fig. 4 ein Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Stößels ist,

Fig. 5 ein Axialschnitt durch eine noch zusätzliche Form

einer Stößelanordnung ist,

Fig. 6 ein Axialschnitt durch eine weitere, abgewandelte

Form der Stößelanordnung ist, und Fig. 7 ein Axialschnitt durch eine noch zusätzliche,

abgewandelte Form der Stößelanordnung ist. 35

Kraftfahrzeug- und Motorenhersteller richten ihre Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auf Motoren mit höherem Wirkungsgrad und höherer Leistung, aber Motoren, welche keine Erhöhung in Abmessung oder Gewicht erfordern. Derartige Konstruktionsanforderungen bringen notwendigerweise höhere Belastung auf die kraftübertragenden Teile der Ventilanordnung. Insbesondere im Fall von Dieselmotoren, welche naturgemäß hinsichtlich ihrer Emissionen, die sie erzeugen, etwas unsauber sind, haben gesetzliche Bestimmungen vorgeschrieben, daß Dieselemissionen im wesentlichen unter Kontrolle gebracht werden müssen. Um die Emissionskontrolle von Dieselmotoren zu verbessern, ist es erforderlich, das Nockenprofil zu ändern, um unterschiedliche Ventil-Betriebsfolgen herzustellen. Dies wiederum erhöht die Belastung an den kraftübertragenden Bestandteilen der Ventilanordnung und insbesondere an der Nockenfläche der mechanischen oder hydraulischen Stößel, welche zu dieser Anordnung gehören.

Das Erg.ebnisdes Konstruktionstrends von Verbrennungsmotoren, wie oben erörtert, der für die Nockenfläche hydraulischer und mechanischer Stößel größere Belastung und größeren Verschleiß herbeigeführt hat, liegt darin, daß die herkömmlichen Materialien, die für die Nockenfläche derartiger Stößel verwendet wurden, nicht länger zufriedenstellend die notwendigen Verschleiß- und Belastungseigenschaften liefern. Dementsprechend hat sich nun die Aufmerksamkeit auf neue und verbesserte Materia-

lien zur Verwendung einer Nockenfläche hydraulischer und mechanischer Stößel gerichtet, wobei diese Materialien hinlänglich verschleiß- und belastungsbeständig sind für Motoren des beschriebenen Typs.

Man hat sich auf die Verwendung von Stößeln verlegt, die eine Wolframkarbid-Verschleißfläche aufweisen. Dieder Materialtyp war allerdings nicht insgesamt zufriedenstellend, und zwar in erster Linie deshalb, weil

das Wolframkarbid-Verschleißelement, das am einen Ende des Stößelkörpers aufgeklebt wird, infolge seiner Sprödheit zum Bruch neigt, und wenn irgendein Teil des Wolframkarbids vom Stößel abbricht, dann wird dieses Element, welches im wesentlichen eine Schneideinrichtung bildet, sich dann lose im Motor bewegen, was, wie die Praxis bereits gezeigt hat, den Motor zerstören würde, Ein weiterer Nachteil der Wolframkarbid-Verschleißflachen für Stößel liegt darin, daß derartige Verschleißflächen zwar mit Stahl, nicht aber mit Gußeisen kompatibel sind, was das herkömmlichere Material bei der Herstellung von Nockenwellen ist.

Die vorliegende Erfindung verwendet Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumdioxid, welches auch Zirkonerde genannt wird, und im wesentlichen Zirkonium mit kleineren Beimengungen von Magnesiumoxid ist. Das Produkt ist speziell als teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid bezeichnet und gehört jenem Typ an, welche durch Nilsen Sintered Products hergestellt ist, einer Firma der Nilsen Group of Australia.

Ein Material wie Wolframkarbid und Zirkonerde oder Zirkoniumdioxid, welches als Keramikinaterial angesehen wird, ist inhärenterweise ein sprödes Material. Dies ²^ ist einer der Gründe, warum Wolframkarbid gerade nicht zufriedenstellend war. Es wurde allerdings herausgefunden, daß Zirkondioxid nicht so brüchig ist wie Wolframkarbid und ein Material ist, das für die beschriebene Verwendung zufriedenstellend ist, selbst wenn es als kleines Plättchen oder Scheibe gebildet ist. Die verschleiß- und belastungsbeständigen Eigenschaften von Z irkoniurdioxidsind von derart hohem Vorteil, daß das Material zur Verwendung als Nockenfläche mechanischer und hydraulischer Stößel sich in hohem Umfang als zufriedenstellend erwiesen hat. Es hat sich herausgestellt, daß Zirkondioxid größere verschleißbeständige Eigenschaften aufweist als der am meisten fortentwickelte und verfeinerte Stößel mit einer Nockenfläche aus ab-

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abgeschreckten Eisen, wie dies beispielsweise in US-PS 4 153 017 gezeigt ist. Ferner hat sich herausgestellt, daß Zirkmiur-x-Uoxid auch überlegene V erschleiß- und Belastungsbeständigkeitseicer.schaftor. aufweist, verglichen mit Wolframkarbid.

Es gibt mehrere, sehr spezielle Vorzüge von Zirkoniumdioxid. Es ist sowohl mit Gußeisen- als auch Stahl-Nockenwellen kompatibel, was eine ungewöhnliche Eigenschaft ist, da ein Material normalerweise nur mit der einen oder der anderen kompatibel sein wird. Somit weist Zirkoniumdioxid einen weiten Anwendungsbereich als Stößel-Nockenfläche auf und kann sowohl mit Gußeisenals auch Stahl-Nockenwellen verwendet werden, obwohl

!5 Gußeisen-Nockenwellen bei Verbrennungsmotoren in herkömmlicher Weise öfters zu finden sind. In diesem selben Bereich wurde herausgefunden, daß der Verschleiß an der Zirkoniumdioxid-Nockenfläche und an einer Gußeisen-Nockenwelle im wesentlichen gleich ist, was bei übertragungskomponenten einer Ventilanordnung ein ausgeprägter Vorteil ist. Ferner weist Zirkoniumdioxid im wesentlichen denselben Ausdehungskoeffizienten wie Stahl auf, der in herkömmlicher Weise das Material ist, das zur Bildung des Stößel-Hauptteils verwendet wird. Somit gibt es keine unterschiedliche Expansion oder Zusammenziehung der Nockenfläche bezüglich dem Stößel-Hauptteil aus Stahl während des Motorbetriebs.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 übergegangen; ein her-

kömmlicher, hydraulischer Stößel, wie er beispielsweise in US-PS 3 683 876 beschrieben ist, ist dargestellt. Die genannte Patentschrift bezieht sich auf eine Hülse bzw.einen Stößel aus Pulvermetall, während die Hülse bzw. der Stößel der vorliegenden Anmeldung aus· Stahl ist. Der Gesatntaufbau ist nichtsdestov.-eniaer derselbe. Das Stößelgehäuse bzw. -hauptteil ist mit 10 bezeichnet, und ein hohler Tauchkolben 12 ist hin- und herbeweglich im Stößelgehäuse angeordnet. Eine Tauchkolbenkappe 14

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kann das eine Ende des Tauchkolbens verschließen, und ein Ventil 16 versperrt das gegenüberliegende Ende. Eine kleine Feder 18, die von einem Halter 20 festgehalten ist, drückt das Ventil 16 gegen den dazupassenden Tauchkolbensitz. Eine größere Spiralfeder 22 ist angeordnet, um entgegengesetzt auf den Tauchkolben und das Stößelgehäuse einzuwirken, wie dies herkömmlich ist. Ein ölkanal 24 öffnet sich in die Kammer, welche vom Tauchkolben begrenzt ist, und es kann ein Dosierventil 26 vorliegen, welches eine kleine Blende oder einen kleinen Kanal 28 in der Tachkolbenkappe 14 versperrt.

Die Gehäuse-Nockenfläche, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist und welche <7anz leicht ballig sein kann, ist von einer

Scheibe 30 gebildet, die im wesentlichen aus Zirkoniumdioxid besteht und in einer Aussparung 3 2 im Stößelgehäuse sitzt. Die Aussparung kann durch eine Ringschulter 3 4 begrenzt sein, und die Scheibe kann am Gehäuse 10 innerhalb der Aussparung durch eine Anzahl unterschiedli-

eher Verfahrensweisen angebracht sein. Beispielsweise kann eine Verklebung durch die Verwendung eines mehrerer Epoxidharze vorliegen, und ein Material, das durch die H. B. Fuller Company hergestellt ist, mit "FE-185"

bezeichnet und "Resi-Weld" genannt ist, hat sich als 25

zufriedenstellend erwiesen. Andere Typen von Klebemitteln können ebenso verwendet werden, wie auch zusätzlich eine Schrumpfpassung verwendet werden kann. In ählicher Weise kann ein metallisierter Überzug und

ein nachfolgender Erwärmungsschritt verwendet werden, 30

um die Zirkoniumscheibe am Stößelgehäuse anzubringen. Der spezielle Typ eines Klebe- und/oder Anbringungsmittels ist nicht kritisch, vorausgesetzt, daß die Verklebung ausreicht, um dem normalen Motorbetrieb standzuhalten.

Die Fig. 3 bis 7 stellen Formvarianten von Stößelkonstruktionen und die Verwendung unterschiedlicher Ausbildungen von Zirkoniumdioxidscheiben hiermit dar. In Fig. 3 ist

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ein bekannter Pilzstößel dargestellt, bei v/elchem eine Nockenfläche 4 0 über den Durchmesser des Stößel-Hauptteils 42 hinaus vergrößert ist. Es liegt eine Aussparung 44 vor, in welcher eine Zirkoniumdioxidscheibe 4 6 ähnlich der Scheibe der Fig. 1 und 2 angeordnet ist.

In Fig. 4 weist ein Stößel-Hauptteil 52 wieder ein geschlossenes Ende wie bei den Konstruktionen der Fig. 1, 2 und 3 auf, und eine Zirkoniumdioxidscheibe 50 ist in einer Aussparung 54 angeordnet und dort eingeklebt oder sonstwie angebracht. Das Hauptteil 52 ist hohl, während das Hauptteil 42 der Fig. 3 massiv ist.

Bei Fig. 5 hat das Hauptteil 6 0 ein offenes Ende, welches eine Schulter 62 begrenzt. Ein Stahleinsatz 64, der eine abgesetzte Ausbildung aufweist, wie dies an der Stelle dargestellt ist, ist im Inneren des offenen Endes des Hauptteils angeordnet, wobei der Absatz mit einer Schulter 62 übereinstimmt, um einen Verschluß für das offene Ende des Stößel-Hauptteils oder -Gehäuses zu bilden. Eine Scheibe aus Zirkoniumdioxid 68 sitzt in einer Aussparung 70 im Einsatz 64, wobei diese Scheibe im Aufbau ähnlich jener ist, die in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist.

In Fig. 6 weist ein Stößel-Hauptteil bzw.-Gehäuse 72 wiederum einen Aufbau mit offenem Ende auf, und in diesem Fall ist der gesamte Verschluß für das offene Ende aus einem Einsatz oder einer Scheibe 74 aus Zirkoniumdioxid gebildet. Im Zirkoniumdioxid-Einsatz ist

eine ringförmige Aussparung oder Nut 76 ausgebildet, welche mit einer Schulter 78 am Stößelgehäuse 7 2 zur Anbringung der Zirkoniumdioxid-Nockenfläche zusammenwirkt.

Bei der Anordnung der Fig. 7 weist ein Stößelgehäuse 8 0 ein offenes Ende und eine ringförmige Aussparung 8 2 auf, welche in einer Schulter 84 endet. Ein Zirkoniumdioxid-Einsatz 86 ist innerhalb der Umrisse der Nut 82 angeordnet und sitzt auf der Schulter 84 auf.

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Während die bevorzugte Form der Erfindung hier gezeigt und beschrieben wurde, wird darauf hingev/iesen, daß viele Abwandlungen, Ergänzungen und Änderungen hieran möglich sind.

Claims

Ansprüche

1.J Stößel für einen Verbrennungsmotor nit einem itößel-Hauptteil, das eine Nockenfläche am einen Ende ■ aufweist, die zur Berührung mit einer rotierenden Nockenwelle angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet , daß die Nockenfläche (30; 46; 50; 68; 74; 86) im wesentlichen aus Zirkoniumoxid gebildet ist.

2. Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenfläche ein Teil einer Scheibe (30; 46; 50; 68; 74; 86) ist, welche im wesentlichen aus Zirkoniumoxid gebildet ist und am Stößel-Hauptteil (10; 42; 52; 60; 74; 86) angebracht ist.

3. Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößel-Hauptteil (10; 42; 52) ein geschlossenes Ende aufweist und daß die Scheibe (30; 46; 50) mit dem geschlossenen Ende verklebt bzw. verbunden ist.

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4. Stößel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende des Stößel-Hauptteils (10; 42; 52) eine Aussparung (32; 44; 54) umfaßt, und daß die Scheibe (30; 46; 50) innerhalb der Aussparung angeordnet ist.

5. Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößel-Hauptteil (60; 72; 80) ein offenes Ende aufweist, und daß die Scheibe (68; 74; 86) einen Verschluß für das offene Ende bildet.

6. Stößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des Stößel-Hauptteils (80) eine Ringnut (82) und an deren einem Ende eine Schulter (84) umfaßt, und daß die Scheibe (86) innerhalb der Nut und in Anlage gegen die Schulter angeordnet ist.

7. Stößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (74) einen Abschnitt mit verkleinertem Durchmesser sowie hieran angrenzend eine Schulter (76) aufweist, und daß der Abschnitt mit verringertem Durchmesser im Inneren des Stößel-Hauptteils (72) angeordnet ist und die Schulter in Anlage gegen das Ende (78) des

Stößel-Hauptteils angeordnet ist. 25

8. Stößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Einsatz (64) aufweist, der nicht aus Zirkoniumoxid besteht, sich teilweise im Inneren des Stößels-Hauptteils (60) erstreckt und eine Unterlage (68)

aus Zirkoniumoxid bildet.

9. Stößel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (64) , der nicht aus Zirkoniumoxid besteht, aus Metall gebildet ist und an seinem einen Ende eine Aussparung (70) aufweist, und daß die Scheibe (68) innerhalb der Aussparung angeordnet ist.