DE3243897C2

DE3243897C2 -

Info

Publication number: DE3243897C2
Application number: DE3243897A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Numazu Shizuoka Jp Kosuda; Yasuo Shizuoka Jp Kogo; Yasuhiro Toyota Aichi Jp Mishima; Mashiro Nakagawa; Koichi Susono Shizuoka Jp Fukushige
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1989-01-12
Also published as: GB2112897B; DE3243897A1; US4438738A; GB2112897A; FR2522724A1; FR2522724B1

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiarmigen Kipphebel aus einem mit Kohlefasern verstärkten Harz mit einer in der Harzmasse eingebetteten metallischen Lagerbuchse, wobei die Kipphebelachse die Z-Achse darstellt und der das Gaswechselventil betätigende Hebelarm in einer die Z-Achse rechtwinklig schneidenden Y-Achse und der vom Nocken betätigte Hebelarm in einer die Z-Achse schneidenden Y′-Achse liegt und die Winkelhalbierende des von der Y- und Y′-Achse eingeschlossenen Winkels die X-Achse bildet.

Bei einem Versuch zum Verbessern der Brennstoff-Kilometerleistung haben Automobilingenieure bereits Versuche unternommen, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Ein Beispiel dieser Bemühungen ist die Herstellung der Kipphebel aus Kohlefaser- verstärktem Kunststoff (CFRP) anstatt Gußeisen. Einige der Erfinder der vorliegenden Erfindung haben im japanischen Gebrauchsmuster 103610/81 einen leichtgewichtigen CFRP-Kipphebel vorgeschlagen.

Ein Kipphebel weist zwei Seiten auf, von denen eine an einem Motorventil mittels einer Einstellschraube verbunden ist. Die andere Seite steht mit einem Nocken in Verbindung. Außerdem weist der Kipphebel ein Loch auf, durch welches eine Kippwelle eingesetzt wird. Die erste Seite wird hier als Ventilseite und die andere Seite als die Nockenseite bezeichnet. Die Ventilseite hat einen Bereich, an der die Einstellschraube befestigt ist. Die Nockenseite weist eine Nockenkontaktfläche auf. Ein Beispiel eines herkömmlichen Kipphebels ist in Fig. 1 dargestellt. Während des Betriebes dreht sich der Kipphebel auf der Kippwelle und es erfolgt eine Belastung im Befestigungsbereich der Einstellschraube und an der Nockenkontaktfläche.

Ein zweiarmiger Kipphebel der einleitend genannten Art ist aus dem japanischen Gebrauchsmuster 103610/81 bekannt. Der bekannte Kipphebel besteht aus einem laminierten Blatt von Prepregs, wobei die Fasern in einem Winkel von ±45° orientiert sind, und die in Richtung senkrecht zur Richtung der Kraftaufbringung angeordnet sind, oder parallel zur Achse der Kippwelle. Der Kipphebel der in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Art hat die gewünschte Festigkeit und ist u. a. leichtgewichtig und kann vorteilhaft für Motoren verwendet werden. Jedoch hatten die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß die Festigkeit dieses Kipphebels nicht für die Verwendung in Hochgeschwindigkeitsmotoren ausreicht, weil manchmal Brüche an der Zwischenfläche zwischen jedem Prepreg auftreten, wenn der Motor unter Hochlast betrieben wurde (d. h. bei hohen Geschwindigkeiten). Dieses Problem konnte nicht vollständig durch das Ausrichten der Fasern in verschiedenen Winkeln in zwei benachbarten Prepregs gelöst werden, oder durch Ändern der Festigkeit der Kohlefasern oder durch Ändern des Anteiles an Kohlefasern im Kunststoff.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochfesten und leichtgewichtigen Kipphebel zu schaffen, welcher für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsmotoren geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einem zweiarmigen Kipphebel der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß die zu einer ersten Gruppe gehörenden Fasern des das Gaswechselventil betätigenden Hebelarmes bei der Betrachtung der X-Y-Ebene in einem Winkel β gegen die Y-Achse geneigt sind und die zu einer zweiten Gruppe gehörenden Fasern des vom Nocken betätigenden Hebelarmes bei der Betrachtung der X-Y′-Ebene in einem Winkel β gegen die Y′-Achse geneigt sind und der Mittelwert aus cos²β der ersten Fasergruppe und cos²β der zweiten Fasergruppe nicht mehr als 0,9924 beträgt, und daß die Fasern der ersten Gruppe bei der Betrachtung der Z-Y-Ebene in einem Winkel α gegen die Y-Achse geneigt sind und die Fasern der zweiten Gruppe bei der Betrachtung der Z-Y′-Ebene in einem Winkel α gegen die Y′-Achse geneigt sind und der Mittelwert aus cos²α der ersten Fasergruppe und cos²α der zweiten Fasergruppe nicht kleiner als 0,75 ist.

Der Kipphebel gemäß der Erfindung wird dadurch erzeugt, daß eine Kipphebelform mit Kohlefasern und einem synthetischen Harz auf solche Weise gefüllt wird, daß die Kohlefasern gleichmäßig im Harz verteilt sind, und daß der Kohlefasern nicht mehr als 0,9924 beträgt. Weiterhin erfolgt ein Erwärmen des Kohlefasern enthaltenden Harzes mit einem in Z-Achsenrichtung in solch einem Ausmaß aufgebrachten Druck, daß der Kohlefasern nicht weniger als 3/4 beträgt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Kipphebels,

Fig. 2-7 die Meßtheorie von und der Kohlefasern innerhalb des Kipphebels der Erfindung,

Fig. 8 und 9 perspektivische Ansichten mit der Darstellung von zwei Ausführungsformen des Kipphebels der Erfindung,

Fig. 10 die Darstellung des Meßverfahrens der Verlagerung des Kipphebels und der Last, vorbereitet in Beispielen und Vergleichsbeispielen und

Fig. 11 das Meßverfahren der Bruchlast des Kipphebels anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines herkömmlichen Kipphebels. Entsprechend der Darstellung besteht der Kipphebel aus der Nockenseite (an der rechten Seite der Zeichnung) und der Ventilseite (die linke Seite in der Zeichnung). Der Kipphebel hat zwei Seitenflächen (nur eine davon ist bei 1 zu sehen), eine Fläche 3 mit einer Nockenkontaktfläche 2 und der Gegenfläche 4. In der Mitte der Seitenflächen ist ein Kippwellenloch 5 ausgebildet, durch welches die Kippwelle verlaufen kann. Die Fläche 3 hat auf der Ventilseite ein Loch 6, durch welches eine Einstellschraube geschraubt ist, die auf das Motorventil drückt. Der Kipphebel besteht aus Kunststoff 8, welcher mit Kohlefasern 7 in Form von Prepregs 9, die entsprechend Fig. 1 laminiert sind, verstärkt ist.

Das Verhältnis der X-, Y-, Y′- und Z-Achsen gegenüber den Winkeln der Faser-Ausrichtung α und β ist in Fig. 2 bis 4 dargestellt, in denen die Bezugszeichen 1 bis 8 dieselbe Bedeutung haben wie in Fig. 1. Die Z-Achse ist die Mittelachse des Loches 5, durch die die Kippwelle eingesetzt ist. Die Y-Achse ist die Linie, welche parallel zur Fläche 10 der Ventilseite der Fläche 4 liegt und die Z-Achse am Punkt O im rechten Winkel kreuzt. Die Y′-Achse ist die Linie, welche parallel zur Fläche 11 der Nockenseite der Fläche 4 verläuft und die Z-Achse am Punkt O im rechten Winkel kreuzt. Die X- Achse ist die Linie, welche den Punkt O passiert und dabei den Winkel YOY′ halbiert. Die Ausrichtwinkel α und β sind in Fig. 3 bzw. 4 angegeben. In Fig. 3(b) ist, wenn β₁ ein positiver Winkel ist, β₂ an der entgegengesetzten Seite der Y-Achse negativ. Dasselbe Prinzip kommt hinsichtlich der Y′-Achse und dem Winkel α zur Anwendung. Daher kann davon ausgegangen werden, daß α und β innerhalb des Bereiches von -90° ∼ 90° liegt.

Die Methode zum Bestimmen von und wird nun anhand von Fig. 5-7 beschrieben. In Fig. 5 und 6 repräsentieren die Bezugszeichen 12 und 12′ Proben, die von dem spezifischen Kipphebel entlang den Linien parallel zu den X-Y-, X-Z- und Y-Z-Ebenen (Probe 12) oder entlang den Linien parallel zur X-Y′-, X-Z- und Y′-Z-Ebene (Probe 12′) geschnitten sind.

Das Bezugszeichen 13 bezeichnet die Richtung, in der X-Strahlen auf jede Probe treffen. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen X-Strahlenfilm und das Bezugszeichen 15 ein X-Strahlen- Beugungsbild. Die Kurve der Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen der Intensität der X-Strahlen-Beugung I( α ) oder I( β ) und dem Orientierungswinkel α oder β. Die Intension der X-Strahlenbeugung wird für einen Bereich von -90° α 90° und -90° β 90° dem Bogen 15 des Beugungsbildes, erhalten für 2Φ = 25,5° (Einfallswinkel-Komplement oder Blagg-Winkel) in Fig. 5 und 6 gemessen. Der gemessene Wert wird gegenüber der Streuung infolge der Luft und der Nichtkristallinität korrigiert. Von der Intensität der X- Strahlen-Beugung I( α ) und I( β ) können und nach der folgenden Formel berechnet werden:

In der vorgenannten Formel repräsentiert ω den mittleren Orientierungswinkel der Graphitkristalle in den Kohlefasern hinsichtlich ihrer Faserachsen, wenn eine Messung nach der zuvor beschriebenen Methode erfolgt. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird der Wert jedes und durch Mitteln der Messungen für zumindest 20 Punkte eines spezifischen Kipphebels erhalten.

Wenn mehr als 0,9924 beträgt, entwickelt sich in einer Ebene parallel zur Z-Y- oder Z-Y′-Ebene unter hohen Belastungen ein Bruch. kann als ein Wert unter 0 angenommen werden. Wenn dieser Wert jedoch zu klein ist, wird der Kipphebel zu wenig steif, so daß der Wert von vorzugsweise nicht weniger als 1/4 betragen soll. Wenn kleiner als 3/4 ist, ist der Kipphebel nicht länger ausreichend steif und wird unter großen Lasten einem erheblichen Versetzen unterworfen, woraus eine geringere Funktionstüchtigkeit des Motors resultiert. beträgt bevorzugt von 1 bis 0,9930. Die Fasern werden bevorzugt auf solche Weise orientiert, daß der Winkel, unter dem sich die verlängerten Linien zweier Fasern schneiden, im Mittel nicht weniger als 5° beträgt, und zwar eher als eine Ausrichtung parallel zueinander in den X-Y- und X-Y′-Ebenen.

Die im Kipphebel der vorliegenden Erfindung verwendeten Kohlefasern können eine beliebige Form haben, und zwar als Stapelfasern, als Fasertuch, als Filz und Flechtwerk, vorausgesetzt, daß sie so angeordnet werden können, daß die zuvor beschriebenen Orientierungswinkel vorliegen. Geeignete Stapelfasern sind Stränge in einem Bündel von 1000, 3000, 6000, 12 000 oder 24 000 Kohlefaserfäden. Sie werden üblicherweise in eine Länge geschnitten, die in einem Bereich von 5 mm bis 100 mm liegt. Vorzugsweise beträgt ihre Länge im Bereich von 1/1 bis 1/10 der maximalen Länge des Kipphebels in Richtung der Y- oder Y′-Achse. Für eine leichte Handhabung und für das Vorsehen verbesserter Eigenschaften ist insbesondere eine Länge von 10 mm bis 50 mm bevorzugt. So lange und den zuvor angegebenen Erfordernissen genügen, müssen die Kohlefasern nicht wesentlich kontinuierlich von einem Ende zum anderen Ende verlaufen. Statt dessen können sie die Form von Fasern haben, die so kurz wie 5 bis 10 mm sind. Die Kohlefasern haben bevorzugt einen Durchmesser von 1 bis 20 µ, eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 150 kg/mm und einen Zugmodul ("Elastizitätsmodul bei Zugbeanspruchung") von nicht weniger als 15 000 kg/mm².

Beispiele des synthetischen Harzes bzw. des Kohlenstoffes, welche mit Kohlefasern für die Verwendung im Kipphebel der vorliegenden Erfindung verstärkt sind, umfaßt wärmehärtende Harze, wie Epoxyharze, Polyimidharze, Phenolharze und ungesättigte Polyesterharze, sowie thermoplastische Harze, wie Polysulfonharze. Da der Kipphebel während des Betriebes angehobenen Temperaturen ausgesetzt ist, sind insbesondere Epoxy-Polyimid-Phenol- und -Polysulfon-Harze bevorzugt. Der CFRP-Kipphebel der vorliegenden Erfindung enthält gewöhnlich 30 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 45 bis 75 Vol.-% Kohlefasern, und zwar auf der Basis der Gesamtmenge des Kohlefaser- verstärkten Harzes.

Der Kipphebel der vorliegenden Erfindung wird nach folgendem Verfahren hergestellt. Eine Kipphebelform wird zunächst mit Kohlefasern auf solche Weise gefüllt, daß nicht mehr als 0,9924 beträgt, dann werden die Fasern mit einem synthetischen Harz imprägniert. Alternativ werden Prepregs, bei denen ein synthetisches Harz mit Kohlefasern imprägniert ist, auf solche Weise in die Form eingebracht, daß die Fasern in einer Richtung orientiert sind, die einen Wert von von nicht mehr als 0,9924 vorsieht. Wenn geschnittene, d. h. Stapelkohlefasern verwendet werden, werden diese bevorzugt in den X-Y- und X-Y′-Ebenen gelegt, so daß nicht mehr als 0,9924 beträgt. Dies kann durch eine willkürliche Anordnung der Stapelfasern erfolgen (die Fasern liegen in einer willkürlichen Orientierung). Bei der Verwendung von Stapelfasern ist es bevorzugt, Prepregs zu laminieren, und zwar hinsichtlich der verbesserten Gießbarkeit und der reduzierten Kosten.

Wenn Kohletuchfasern oder Prepregs davon verwendet werden, werden diese auf solche Weise laminiert, daß nicht weniger als 3/4 beträgt. Bevorzugt werden sie auf solche Weise laminiert, daß deren Flächen in Richtung senkrecht zur Z- Achse angeordnet sind. Es ist von Vorteil, die Tuche oder die Prepregs in die Form jedes Bereiches des Kipphebels parallel zu der X-Y- und X-Y′-Ebene zu schneiden und sie dann in den jeweiligen Ebenen zu laminieren.

Für den Zweck der vorliegenden Erfindung bestehen sowohl die Schuß- als auch die Kettfäden des Kohlefasertuches im allgemeinen aus Kohlefasersträngen. Jedoch können entweder die Kettfäden oder die Schußfäden aus Glasfasern oder einem Gemisch aus Kohlefasern und Glasfasern bestehen. Das Tuch kann entweder eine Leinwandbindung oder eine Satin-Bindung haben. Die Kohlefasern können auf irgendeine Weise im Tuch ausgerichtet sein, jedoch entsprechend einem bevorzugten Modus wechselt sich eine Schicht, in der die Kette (oder der Schuß) aus Kohlefasern, ausgerichtet in Y-Achsenrichtung angeordnet (entsprechend Fig. 9) mit einer anderen Schicht ab, bei der die Kette (oder der Schuß) aus Kohlefasern besteht, die in Y′-Achsenrichtung angeordnet sind.

Wenn Strang-Prepregs verwendet werden, werden sie bevorzugt in eine Länge zwischen 1/1 und 1/10 der Maximallänge des Kipphebels geschnitten und in X-Y- und X-Y′-Ebenen laminiert. Es wird bevorzugt, die Prepregs mit dem Orientierungswinkel β anzuordnen, welcher über einen Bereich variiert, in dem allerdings der Fasern nicht weniger als 0,9924 beträgt.

Das Kohlefasern enthaltende synthetische Harz in der Form wird dann unter Druck gesetzt, und zwar in Richtung der Z- Achse in einem solchen Ausmaß, daß nicht weniger als 3/4 beträgt. Wenn das synthetische Harz thermoplastisch ist, ist nach dem Pressen bzw. Unter-Druck-Setzen ein Erwärmen notwendig. Die bevorzugte Erwärmungstemperatur liegt im Bereich vom Erweichungs- oder Schmelzpunkt des Harzes bis zum Zersetzungspunkt. Wenn das Harz ein wärmehärtendes Harz ist, so kann dieses zunächst durch Erwärmen vorgehärtet werden, bevor ein Zusammenpressen erfolgt, oder aber das Erwärmen oder Zusammenpressen werden gleichzeitig vorgenommen.

Das Erwärmen kann der Aufbringung von Druck folgen; es ist jedoch bevorzugt, daß das Vorhärten durch Erwärmen der Druckaufbringung vorausgeht. Das Zusammendrücken wird bewirkt, bis Luftblasen nicht länger in der Form vorhanden sind und der Fasern zumindest 3/4 beträgt. Der Druck wird üblicherweise in einem Bereich von 1 kg/cm² bis 100 kg/cm² aufgebracht.

Ein Metalleinsatzelement kann in die Nockenkontaktfläche, den Einstellschraubenbefestigungsbereich und über den Umfang des Kipploches eingesetzt werden, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Wenn der Motor läuft, dreht sich der Kipparm auf der Kippwelle mit dem Ergebnis, daß die Nockenkontaktfläche und der Einstellschraubenbefestigungsbereich Biege- und Scherkräften ausgesetzt werden. Die Nockenkontaktfläche befindet sich unter einer hohen Belastung und muß einer schnelleren Bewegung widerstehen. Daher sind Nockenkissen in diesen Bereichen eingesetzt, die vorzugsweise aus einem harten und abnutzungswiderstandsfähigen Metallmaterial, wie Gußeisen, besteht. Wenn notwendig, kann ein metallischer, beispielsweise Aluminiumeinsatz 17 im Einstellschraubenbefestigungsbereich eingebettet sein, gebohrt und geschraubt. Während des Betriebes dreht sich der Kipphebel rapide auf der Kippwelle mit einem darauf aufgebrachten hohen Flächendruck, um so jedes Problem zu verhindern, welches infolge des hohen PV-Wertes (Produkt des Druckes und der Geschwindigkeit) auftreten würde, welcher Wert den kritischen PV-Wert des Kipphebelarmmaterials überschreitet (über den Betrag, bei dem der Kipphebel nicht länger betriebsfähig ist). Eine Metallbüchse 18 mit einem hohen kritischen PV-Wert kann in den Umfang des Kippwellenloches eingesetzt werden.

Das Vorsehen dieser metallischen Elemente kann gleichzeitig mit dem Gießen des Kipphebels bewirkt werden, indem diese Einsätze an geeigneten Stellen in der Form angeordnet werden und dann die Form mit Kohlefasern und einem Harz oder Prepregs gefüllt werden, wonach das Preßgießen erfolgt. Durch Anordnung der Kohlefasern auf solch eine Art und Weise, daß die mittleren Orientierungswinkel α und β den angegebenen Werten genügen, hat der Kipphebel der vorliegenden Erfindung eine größere Festigkeit als das herkömmliche Produkt und kann in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsmotoren verwendet werden, ohne daß an irgendeiner Zwischenschicht der Laminate ein Bruch auftritt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur der mittlere Orientierungswinkel α, sondern auch der mittlere Orientierungswinkel β auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Somit kann ein Kipphebel mit verbesserter Festigkeit hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im einzelnen durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben, die hier nur für Illustrationszwecke angegeben sind und nicht den Umfang der Erfindung begrenzen sollen.

Beispiel 1

Kohlefaser-Stränge, die jeweils ein Bündel von 6000 Einzelfäden enthalten, wenn deren Warenzeichen HTA-7-6000 ist, werden von der Toho Beslon Co., Ltd. erzeugt und haben einen Durchmesser von 7 µ, eine Zugfestigkeit von 350 kg/cm², einen Zugmodul Elastizitätsmaterial bei Zugbeanspruchung von 24 000 kg/mm² und sind mit Q 1101 Epoxyharz (Warenzeichen, ein Epoxyharz der Toho Beslon Co., Ltd.) getränkt, um Prepreg-Stränge zu präparieren, die 42 Gew.-% des Epoxyharzes enthalten. Diese Stränge werden in kürzere Stränge mit einer Länge von 3 mm geschnitten und zu einer Kipphebelform geliefert (maximale Länge entlang der Y- und Y′- Achse: 8 cm), und zwar in Richtung der Z-Achse und werden auf solche Weise gepackt, daß sie willkürlich in der X-Y- und X-Y′-Ebene orientiert sind. Die Form wurde in eine Heißpresse gestellt. Das Prepreg wurde durch Aufwärmen auf 130°C für 60 min vorgehärtet und nachfolgend für eine Zeitperiode von 120 min bei einer Aufwärmung auf 180°C mit 7 kg/cm² gedrückt, welcher Druck in Richtung der Z-Achse erfolgte. Die Form wurde gekühlt und der Formling aus der Form herausgenommen, wonach das Kippwellenloch mit einem superharten Bohrer gebohrt wurde, um dadurch einen Kipphebel als Endprodukt herzustellen. Die Kohlefasern im Kipphebel hatten ein von 0,883 und ein von 0,933.

Der Fasergehalt betrug 55 Vol.-%. Die Breite und das Gewicht des Kipphebels, ebenso wie die drei Parameter der Funktionstüchtigkeit, sind in Tabelle 1 zusammen mit den entsprechenden Daten eines herkömmlichen Produktes aus Gußeisen aufgelistet. Man kann aus der Tabelle ersehen, daß das Gewicht des Kipphebels der Erfindung geringer ist als die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes. Weiterhin hat das erfindungsgemäße Produkt gegenüber dem bekannten Produkt wesentlich verbesserte Festigkeitseigenschaften.

Beispiel 2

Kohlefaser-Stränge, von denen jeder ein Bündel von 12 000 Einzelfäden (HTA-7-12 000 der Toho Beslon Co., Ltd. mit einem Durchmesser von 7 µ, einer Zugfestigkeit von 350 kg/cm² und einem Zugmodul von 24 000 kg/mm² umfaßt, wurden in eine Länge von ungefähr 3 cm geschnitten. Die geschnittenen Stränge wurden in eine Kipphebelform eingegeben (derselben Dimensionen wie im Beispiel 1), und zwar in Richtung der Z-Achse. Sie wurden auf solche Weise gepackt, daß sie willkürlich in X-Y- und X-Y′-Ebene ausgerichtet bzw. orientiert waren. Zur selben Zeit wurde ein Nockenkissen aus Gußeisen an der Nockenkontaktfläche angebracht, eine runde Aluminiumstange (16 mm im Durchmesser) am Einstellschraubenbefestigungsbereich und ein Aluminiumrohr (Innendurchmesser von 16 mm und Außendurchmesser von 22 mm) im Umfang des Kippwellenloches angebracht.

Das Aluminiumrohr wurde durch eine Rundstange (16 mm ⌀) am Ort gehalten und an beiden Enden der Form abgestützt. Die Kohlefasern wurden dann mit Q-1101 Epoxyharz auf einen Harzgehalt von 42 Gew.-% imprägniert. Das Gemisch wurde unter denselben Bedingungen gehärtet wie beim Beispiel 1 und dann gekühlt. Nach dem Entformen wurde ein Kipphebel mit drei metallischen Einsätzen erhalten. Das Produkt hatte einen Harzgehalt von 55 Vol.-%, ein von 0,957 und ein von 0,970. Die Breite und das Gewicht des Kipphebels sowie die drei Parameter der Funktionstüchtigkeit sind in Tabelle 1 aufgelistet, von der ersichtlich ist, daß das Gewicht des erfindungsgemäßen Kipphebels ungefähr die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes beträgt und daß die Festigkeit des erfindungsgemäßen Produktes nahezu verdoppelt ist.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Kipphebel wurde entsprechend Beispiel 1 produziert, und zwar mit der Ausnahme, daß eine Form mit Prepregs aus geschnittenen Strängen gepackt wurde, welche willkürlich in Z-Y- und Z-Y′-Ebene angeordnet waren, und daß die Prepregs mit einem Druck gehärtet wurden, welcher in der X-Achsenrichtung aufgebracht wurde. Das Endprodukt hatte ein von 0,883 und ein von 0,997, wobei letzterer Wert außerhalb des für die Erfindung spezifizierten Bereiches liegt. Die Breite und das Gewicht des Kipphebels, sowie die drei Parameter hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit sind in Tabelle 1 aufgelistet, aus der ersichtlich ist, daß das Gewicht des Kipphebels geringer als die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes ist. Der erfindungsgemäße Kipphebel war jedoch schwach und brach bereits bei sehr geringer Belastung. Dies liegt daran, daß die Kohlefasern nicht in Richtung der X- Achse orientiert waren (Breite des Kipphebels), so daß der Kipphebel ungeeignet war, Scherkräfte aufzunehmen.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Prepreg wurde aus Epoxyharz (Q-1102 Epoxyharz, hergestellt durch die Toho Beslon Co., Ltd.) und aus Kohlefasern (dieselben wie im Beispiel 1) hergestellt, welche Kohlefasern bei ±45° orientiert waren. Der Harzgehalt betrug 42 Gew.-% und das Prepreg bestand aus zwei Elementen, bei dem die Fasern in einer Richtung orientiert und so laminiert waren, daß die jeweiligen Orientierungsrichtungen ±45° hinsichtlich ihrer Länge betrugen. Das Prepreg wurde in Querschnitten individueller Teile des Kipphebels parallel zu den Y-Z- und Y′-Z-Ebenen geschnitten. Um eine vorbestimmte Dicke vorzusehen, wurde das Prepreg in graduell variierende Formen geschnitten. Die einzelnen Schnitte wurden so laminiert, daß kein plötzlicher Wechsel hinsichtlich der Dicke auftreten würde. Die laminierten Prepregs wurden in die Kipphebelform gelegt, welche in einer Heißpresse eingegeben wurde. Die Prepregs wurden durch Pressen in X-Achsenrichtung bei 180°C und 5 kg/cm² für 120 min, wie beim Beispiel 1, gepreßt, um einen Kipphebel entsprechend Fig. 1 zu erzeugen. Das Produkt hatte einen Fasergehalt von 55 Vol.-% und ein von 0,5 und ein von 1,0, wobei beide außerhalb des für die Erfindung definierten Bereiches lagen. Die Breite und das Gewicht des Kipphebels sind ebenso wie die drei Parameter für die Funktionstüchtigkeit des Kipphebels in Tabelle 1 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß das Gewicht des Vergleichsproduktes geringer ist als die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes; jedoch ist der Kipphebel des Vergleichsbeispiels schwach und zeigte eine Fehlfunktion unter sehr geringer Belastung.

Tabelle 1

Beispiel 3

Ein aus einem Satintuch (380 g/m²) aus Kohlefasern und Epoxyharz (dieselben Kohlefasern und dasselbe Harz wie bei Beispiel 1, wobei der Harzgehalt des Prepregs 50 Gew.-% betrug) hergestelltes Prepreg wurde in Querschnitte von 61 einzelne Teile eines Kipphebels senkrecht zur Kippwelle geschnitten. Die resultierenden Schnitte wurden in einer Richtung senkrecht zur Achse der Kippwelle laminiert und die laminierten Prepregs wurden in eine Kipphebelform eingelegt, welche dann in eine Heißpresse gegeben wurde. Die Prepregs wurden durch Erwärmen bei 130°C für 60 min vorgehärtet und nachfolgend auf 180°C erwärmt und in Z-Achsenrichtung bei 7 kg/cm² für 120 min zusammengepreßt. Die Form wurde gekühlt und der Formling aus der Form herausgenommen und dann mit einem Bohrer das Kippwellenloch gebohrt, um dadurch einen Kipphebel entsprechend Fig. 9 herzustellen, wobei die Bezugszeichen 1 bis 9 dasselbe bezeichnen wie in Fig. 1. Der Fasergehalt betrug 50 Vol.-%. Das Gewicht des Kipphebels ist ebenso in Tabelle 2 zusammen mit den entsprechenden Daten des herkömmlichen Produktes aus Gußeisen aufgelistet, wie die drei Funktionstüchtigkeitsparameter. Man kann aus der Tabelle 2 ersehen, daß, obwohl das Gewicht des Kipphebels der Erfindung kleiner ist als die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes, der erfindungsgemäße Kipphebel zumindest das Zweifache stärker war als das herkömmliche Produkt.

Beispiel 4

Es wurde ein Prepreg verwendet, welches aus einem einfachen Tuch (200 g/m²) aus Kohlefasern und einem Epoxyharz (dieselben Kohlefasern und dasselbe Epoxyharz wie bei Beispiel 1) hergestellt wurde. Der Harzgehalt betrug 50 Gew.-%. Das Prepreg wurde in Querschnitte von 116 einzelnen Teilen eines Kipphebels senkrecht zur Kippwelle geschnitten. Ein Loch, dessen Radius 3 mm größer war als das erforderliche Loch zum Einsetzen der Kippwelle wurde in der Nähe des Zentrums jedes Schnittes gebohrt. Die sich daraus ergebenden Prepregs wurden in eine Richtung senkrecht zur Achse der Kippwelle laminiert. Ein Nockenkissen aus Gußeisen wurde in die Nockenkontaktfläche in Richtung der Dicke der Nockenseite eingesetzt. Ein Loch mit einem Durchmesser von 16 mm wurde in dem Einstellschraubenbefestigungsbereich der Ventilseite hergestellt und es wurde eine Rundaluminiumstange (Außendurchmesser von 16 mm) mit Gewindenuten in das Loch eingesetzt. Ein Aluminiumrohr wurde in das Kippwellenloch eingepaßt. Mit diesem metallischen Einsätzen wurde eine Anordnung von Prepregs in eine Kipphebelform eingelegt, wonach ein Härten gemäß Beispiel 3 und ein anschließendes Kühlen erfolgte.

Nach dem Entformen wurde ein fertiger Kipphebel erzielt. Der Fasergehalt des so erhaltenen Produktes betrug 50 Vol.-%. Das Gewicht und die drei Parameter der Funktionstüchtigkeit dieses Kipphebels sind in Tabelle 2 aufgelistet, aus der ersichtlich ist, daß, obwohl das Gewicht des Kipphebels der vorliegenden Erfindung nahezu die Hälfte des Gewichtes des herkömmlichen Produktes betrug, die Festigkeit des Kipphebels dieses Beispiels geringer war.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Prepreg entsprechend Beispiel 3 wurde auf die Größe von Abschnitten parallel zur Y-Z- und Y′-Z-Ebene eines Kipphebels geschnitten. Das Prepreg wurde in graduell variierende Formen geschnitten. Die individuellen Schnitten wurden so laminiert, daß kein plötzlicher Wechsel hinsichtlich der Dicke auftreten würde. Die laminierten Prepregs wurden in eine Kipphebelform eingelegt, entsprechend Beispiel 3 mit der Ausnahme gehärtet, daß ein Pressen in der X-Achsenrichtung erfolgte, und danach ein Kühlen und Entformen durchgeführt wurde. Ein Loch, durch welches die Kippwelle gelangen kann, wurde in den Formling gebohrt, um dadurch einen Kipphebel zu schaffen. Der Fasergehalt des so erhaltenen Produktes betrug 50 Vol.-%. Gewicht und die drei genannten Funktionsparameter sind in Tabelle 2 aufgelistet, aus der ersichtlich ist, daß das Vergleichsbeispiel weit schwächer ist als die Ergebnisse der Beispiele 3 und 4 entsprechend der Erfindung.

Tabelle 2

Testvorgang

(1) Verschieben der Nockenseite: Entsprechend der Darstellung in Fig. 10 war der Kipphebel durch die Wellen 19 und 20, festgelegt als eine Last von 400 kg am Punkt A durch eine Lastnase 21 aufgebracht worden. Das resultierende Verschieben des Kipphebels auf der Nockenseite wurde mit einer Feinmeßvorrichtung 22 gemessen. Beim Test betrug L₁ 27 mm.
(2) Ventilseitige Bruchlast: Entsprechend der Darstellung in Fig. 11 wurde der Kipphebel durch die Wellen 19 und 20 festgelegt und auf den Punkt B mittels einer Lastnase 21 eine graduell zunehmende Last aufgebracht, bis die Ventilseite des Kipphebels ausfiel. Bei diesem Test betrug L₂ 35 mm.

Claims

1. Zweiarmiger Kipphebel aus einem mit Kohlefasern verstärkten Harz mit einer in der Harzmasse eingebetteten metallischen Lagerbuchse, wobei die Kipphebelachse die Z-Achse darstellt und der das Gaswechselventil betätigende Hebelarm in einer der Z-Achse rechtwinklig schneidenden Y-Achse und der vom Nocken betätigte Hebelarm in einer die Z-Achse schneidenden Y′-Achse liegt und die Winkelhalbierende des von der Y- und Y′-Achse eingeschlossenen Winkels die X-Achse bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer ersten Gruppe gehörenden Fasern des das Gaswechselventil betätigenden Hebelarmes bei der Betrachtung der X-Y-Ebene in einem Winkel β gegen die Y-Achse geneigt sind und die zu einer zweiten Gruppe gehörenden Fasern des vom Nocken betätigten Hebelarmes bei der Betrachtung der X-Y′-Ebene in einem Winkel β gegen die Y′-Achse geneigt sind und der Mittelwert aus cos²β der ersten Fasergruppe und cos²β der zweiten Fasergruppe nicht mehr als 0,9924 beträgt, und daß die Fasern der ersten Gruppe bei der Betrachtung der Z-Y-Ebene in einem Winkel α gegen die Y-Achse geneigt sind und die Fasern der zweiten Gruppe bei der Betrachtung der Z-Y′-Ebene in einem Winkel α gegen die Y′-Achse geneigt sind und der Mittelwert aus cos²α der ersten Fasergruppe und cos²α der zweiten Fasergruppe kleiner als 0,75 ist.

2. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von 0,9924 bis 0,25 liegt.

3. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von 1 bis 0,9930 beträgt.

4. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reihen in der X-Y- und der X-Y′-Ebene verlegten Kohlefasern einander in einem Winkel schneiden, welcher nicht weniger als ein Mittel von 5° beträgt.

5. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern 5 bis 100 mm lang sind.

6. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern 10 bis 50 mm lang sind.

7. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Kohlefasern von 1/1 bis 1/10 der maximalen Länge des Kipphebels in Richtung entlang der Y- und Y′-Achse beträgt.

8. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern Stapelfasern sind.

9. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern die Form eines Tuches, eines Filzes oder als ein Geflecht vorliegen.

10. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern einen Durchmesser von 1 bis 20 µ haben.

11. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern eine Zugfestigkeit von mehr als 150 kg/mm² haben.

12. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern einen Zugmodul von mehr als 15 000 kg/mm² haben.

13. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Kohlefaser-verstärkten Harz verwendete Harz ein wärmegehärtetes, wärmehärtendes Harz ist.

14. Kipphebel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmehärtende Harz aus einer Gruppe ausgewählt ist, die umfaßt: Epoxyharz, Polyimidharz, Phenolharz und Polyesterharz.

15. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Kohlefaser-verstärkten Harz verwendete Harz ein thermoplastisches Harz ist.

16. Kipphebel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz ein Polysulfonharz ist.

17. Kipphebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlefaser-verstärkte synthetische Harz mit 30 bis 80 Vol.-% Kohlefasern aufgefüllt ist.

18. Kipphebel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in der X-Y- und X-Y′-Ebene abgelegten Fasern willkürlich ausgerichtet sind.

19. Kipphebel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Tuchwaren in Richtung senkrecht zur Z-Achse laminiert sind.