DE3429169C1 - Steuerelement fuer den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerelement aus Metall für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, das an seiner mit dem Nocken einer Nockenwelle in Eingriff stehenden Arbeitsfläche ein Einsatzstück aus keramischem Werkstoff aufweist, das mittels einer Verbindungsschicht auf dem Steuerelement befestigt ist. Unter Steuerelement sind gemäß Beschreibung und Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung Ventilstößel, Kipphebel, Schlepphebel, Schwinghebel und Tassenstößel zu verstehen.

Steuerelemente, insbesondere Ventilstößel, sind aus den DE-OSen 32 05 878, 32 39 325 und 33 32 455 bekannt. Als Befestigungsmöglichkeiten des keramischen Einsatzstückes gibt die DE-OS 32 39 325 ein Einschrumpfen, Einklemmen, Einkleben oder Eingießen in Aluminiumguß an, während gemäß der DE-OS 32 05 878 und der DE-OS 33 32 455 ein Einkleben mit Epoxidharz vorgesehen ist Aus der Praxis ist auch der Vorschlag bekannt, keramische Einsatzstücke mittels Lötverbindungen auf den metallischen Steuerelementen zu befestigen. Allen diesen Vorschlägen haften noch gewisse Nachteile an, so daß sich trotz der an sich herausragenden Eigenschaften der keramischen Werkstoffe Steuerelemente mit einem Einsatzstück aus keramischem Werkstoff auf breiter Ebene noch nicht durchsetzen konnten.
Gemäß der DE-PS 7 45 737 wurde auch bereits die Befestigung eines dort als Einlage bezeichneten Einsatzstückes aus keramischer Masse mittels eines wärmebeständigen Kittes oder einer Zwischenschicht vorgeschlagen. Diese Art der Befestigung hat sich aber ebensowenig durchsetzen können wie die jüngeren Vorschlage.

Im einzelnen weisen die bekanntgewordenen Vorschläge die nachfolgenden Nachteile auf:

Klebeverbindungen, die gegenüber Wasser enthaltenden Schmiermitteln auch noch bei 150° C eine ausreichende und dauerhafte Festigkeit aufweisen, zeigen unter den in einem Motor vorliegenden Klebeverbindungen, die gegenüber Wasser enthaltenden Schmiermitteln auch noch bei 150° C eine ausreichende und dauerhaft Festigkeit aufweisen, unter den in einem Motor vorliegenden Bedingungen eine nicht ausreichende Festigkeit. Epoxidharzverklebungen, die an sich — nicht im Medium gemessene — Scherfestigkeiten von 20—40 MPa aufweisen, haben sich als nicht ausreichend sicher erwiesen. Bei Einwirkung von Öl und Wasser kann eine bis zu 50% betragende Abnahme beobachtet werden.

Lötverbindungen zwischen keramischen Einsatzstükken und metallischen Steuerelementen, deren Scherfestigkeit noch höher liegt — ca. 100 MPa — sind nur möglich, wenn die Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des keramischen Einsatzstückes nahe beieinander liegen. Besteht dagegen eine stark unterschiedliche Ausdehnung, treten sowohl im keramischen Einsatzstück als auch in der Lötverbindungsstelle Eigenspannungen auf, die zur Rißbildung bzw. zum Abplatzen führen. Ein weiterer Nachteil von Lötverbindungen liegt in den zur Herstellung der Lötstelle notwendigen hohen Temperaturen von 800—900° C. Dabei können bereits vergütete Bereiche des metallischen Steuerelementes beeinträchtigt werden. Nachteilig sind auch das notwendige Arbeiten im Vakuum oder unter Schutzgas, der durch die hohen Temperaturen erforderliche Energieverbrauch und die teuren, silberhaltigen Lötwerkstoffe.

Das Eingießen von keramischen Einsatzstücken ist nur dann möglich, wenn das Steuerelement aus Aluminium besteht, da infolge der bei anderen metallischen Werkstoffen notwendigen hohen Gießtemperaturen und des sich daraus ergebenden Temperatursprungs für die keramischen Einsatzstücke sonst die Gefahr eines Thermoschockrisses besteht. Da bei vielen Motoren aus Festigkeitsgründen aber Steuerelemente aus Gußeisen oder Stahl notwendig sind, muß diese Befestigungstech-

nik weiten Bereichen des Motorenbaus verschlossen bleiben. Es hat sich nämlich gezeigt, daß in Aluminium eingegossene Einsatzstücke bei hohen Beanspruchungen nicht ausreichend fest sitzen. Die gleichen Nachteile wurden auch bei keramischen Einsatzstücken beobachtet, die lediglich durch Einschrumpfen oder durch Einklemmen in den metallischen Steuerelementen befestigt waren.

Ausgehend von den Nachteilen der bekannten Steuerelemente hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe bei einem Steuerelement der eingangs beschriebenen Art die Verbundfestigkeit mit dem keramischen Einsatzstück so zu verbessern, daß auch bei starker und länger dauernder Beanspruchung eine hinreichende Festigkeit gewährleistet ist. Des weiteren will die Erfindung die Kombinationsmöglichkeiten der metallischen und keramischen Werkstoffkomponenten erweitern und die für eine Serienproduktion zwingend notwendigen wirtschaftlichen Voraussetzungen in Form einer möglichst einfachen und problemlosen Herstellung schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Steuerelement der eingangs beschriebenen Art die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter den Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors eine ausgezeichnete Verbundfestigkeit zwischen keramischem Einsatzstück und metallischem Steuerelement erzielt. Unter metallischen Steuerelementen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung entsprechende Bauteile aus Gußeisen, Stahl, Aluminium oder aus entsprechenden üblichen Legierungen zu verstehen.

Die außerordentlich gute Haftung des keramischen Einsatzstückes auf dem metallischen Steuerelement erklärt sich zum Teil durch die hohe Beständigkeit des vulkanisierten Elastomeren gegenüber öl, bzw. Öl-Wasser-Mischungen, ist aber insofern überraschend, als die zur Ablösung des keramischen Einatzstückes erforderlichen Scherkräfte, die an gemäß vorliegender Erfindung hergestellten Steuerelementen gemessen wurden, mit 2—4 MPa wesentlich niedriger liegen als bei Epoxidharzverbindungen. Wenn auch noch nicht mit letzter Sicherheit geklärt ist, wodurch die hervorragende Eignung des erfindungsgemäßen Steuerelementes unter den in einem Motor herrschenden Verhältnissen bewirkt wird, kann diese wahrscheinlich doch wie folgt erklärt werden:

Infolge des niedrigen Elastizitätmoduls der vulkanisierten elastomeren Verbindungsschicht, werden durch Einwirkung des Nockens auftretende Spannungen abgebaut und dadurch einer mechanischen Zerstörung der Verbindungsschicht entgegengewirkt.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, daß infolge der elastischen Deformation der elastomeren Verbindungsschicht eine gewisse Geräuschdämmung erzielt wird. Dadurch, daß bei Elastomeren ein gewisser Ausdehnungsausgleich bei erhöhter Temperatur bzw. starker mechanischer Belastung eintritt, ist die Kombination auch solcher keramischen Werkstoffe, wie z. B. Siliziumkarbid, mit dem metallischen Steuerelement möglich, die bisher aufgrund ihres gegenüber dem metallischen Steuerelement unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von einer Anwendung als keramisches Einsatzstück ausgeschlossen waren. Die an sich einfache und problemlose Gestaltung des erfindungsgemäßen Steuerelements ermöglicht den Zugriff zu einer breiten Palette verschiedener Ausführungsformen und legt den Konstrukteur nicht mehr auf eine infolge der bisher bekannten Befestigungsmöglichkeiten eng begrenzte Anzahl einiger Ausführungsformen fest.

In einer zur Erzielung einer ausreichenden Verbundfestigkeit geeigneten Ausführungsform ist das Einsatzstück durch eine aus getrennten Bereichen bestehende Verbindungsschicht auf dem Steuerelement befestigt. Zur Erzielung eines besonders guten Verbundes und aus fertigungstechnischen Gründen ist eine ununterbrochene Verbindungsschicht jedoch bevorzugt. Als besonders geeignet erwiesen hat sich dabei eine ununterbrochene Verbindungsschicht, bei der geometrisch regelmäßig ausgebildete Bereiche höherer Dicke neben Bereichen geringerer Dicke angeordnet sind. Die Bereiche höherer Dicke liegen im Bereich von 0,2—1 mm, vorzugsweise weisen sie eine Dicke von 0,4—0,8 mm auf. Durch Bereiche in dieser Dicke wird einerseits eine hervorragende Verbundfestigkeit erzielt und andererseits eine zu hohe elastische Deformation vermieden. Die Bereiche geringerer Dicke weisen eine Dicke von 0,01—0,05 mm auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Verbindungsschicht aus einem Fluor enthaltenden Elastomeren, wobei Fluorsilikonkautschuk, Copolymere des Vinylidenfluorids und des Chlortrifluoräthylens bevorzugt sind. Als ganz besonders geeignet haben sich Elastomere auf Basis Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen erwiesen. Mischungen der genannten Komponenten sind ebenfalls gut geeignet. Die genannten Elastomeren garantieren unter hohem Temperatureinfluß und bei Einwirkung der üblichen Motoröle und Schmierstoffe eine besonders gute Verbindung zwischen Steuerelement und keramischem Einsatzstück.

Gemäß einer weiteren geeigneten Ausführungform besteht die Zwischenschicht aus Nitrilkautschuk, PoIyacrylatkautschuk oder Epichlorhydrin-Kautschuk. Diese Kautschuktypen bzw. Polymeren sind kostengünstiger und haben sich für verschiedene Einsatzgebiete als ausreichend erwiesen. Als nicht geeignet haben sich infolge ihrer nicht ausreichenden Ölbeständigkeit Elastomere auf Basis Butadienstyrol und Naturkautschuk erwiesen.

Eine besonders gute und sichere Verbindung des Einsatzstückes mit dem Steuerelement wird erreicht, wenn das Einsatzstück gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform an seiner zur Verbindung mit dem Steuerelement vorgesehenen Unterseite geometrisch ausgebildete Erhebungen und Ausnehmungen aufweist. Bei einer solchen Ausführungsform kommt eine ununterbrochene Verbindungsschicht zur Anwendung, deren Bereiche höherer Dicke in den Ausnehmungen und deren Bereiche geringerer Dicke auf den Erhebungen der Unterseite des Einsatzstückes angeordnet sind.

Alternativ besteht die Möglichkeit das Steuerelement an seiner zur Anbringung der Verbindungsschicht dienenden Verbundstelle mit geometrisch regelmäßig ausgebildeten Erhebungen und Ausnehmungen zu versehen. In diesem Fall ist das Einsatzstück auf seiner Unterseite plan ausgebildet. Die Ausbildung von Erhebungen bzw. Ausnehmungen, die vorzugsweise in Form von Nuten bzw. Stegen erfolgt, hat sich deswegen als besonders wirkungsvoll erwiesen, weil dadurch eine möglichst direkte Einleitung der ausgeübten Kräfte in den metallischen Teil des Steuerelementes bewirkt wird. Als besonders geeignet hat es sich dabei erwiesen, die Nuten oder Stege so an der Unterseite des Einsatzstückes oder am Steuerelement anzuordnen, daß sie in Längsrichtung

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des Lastverlaufes, d. h. parallel zur Drehrichtung der chenen Bereichen bestehende elastomere Verbindungs-Nocken verlaufen. Diese konstruktive Maßnahme wird schicht 3 in Form von regelmäßig verlaufenden Streifen deswegen bevorzugt, weil sich gezeigt hat daß im rech- an der Verbindungsstelle 12 mit dem Steuerelement 1 ten Winkel zu den Nocken angeordnete Nuten bzw. verbunden ist. Die elastomere Schicht 3 hat Bereiche 10 Stege infolge der in diesem Falle auftretenden hohen 5 von höherer Dicke, von 0,5 mm Dicke, die in auf der Biegebeanspruchung in den keramischen Einsatzstük- Unterseite 4 des Einsatzstückes 2 angeordnete Nuten 7a ken weniger hohe Standzeiten des Einsatzstückes zur eingetragen sind, während auf den Stegen 5a die elasto-Folge hatten. mere Verbindungsschicht 3 in ihren Bereichen 11 gerin-

AIs keramische Werkstoffe können das für den fragli- gerer Dicke eine Dicke von 0,05 mm aufweist. Die elachen Einsatzzweck bereits bekannte teilstabilisierte Zir- 10 stomere Verbindungsschicht 3 besteht aus einem Copokoniumoxid aber auch Aluminiumoxid und Zirkonium- lymeren auf Basis von Vinylidenfluorid/Hexafluorpröoxid enthaltende Mischungen, wie sie z. B. in der DE-PS pylen (FKM), das zur Verbindung des Einsatzstückes 2 27 44 700 beschrieben sind, ferner Siliziumkarbid, Silizi- mit der Verbundstelle 12 des Steuerelementes 1 unter umnitrid oder Siliziumoxinitrid Verwendung finden. Einwirkung von Hitze und Druck vulkanisiert wurde. Es Ggf. können diese keramischen Werkstoffe auch weite- 15 wurde eine Scherfestigkeit von 3 MPa gemessen, re bekannte Zusatzstoffe, wie z. B. Magnesiumoxid, Yt- In F i g. 4 sind an der Unterseite 4 des Steuerelemen-

triumoxid, Titankarbid und Titannitrid enthalten. Die tes 2 angebrachte Erhebungen 5 in Form von Stegen 5a vorliegende Erfindung gestattet dabei auch solche und Ausnehmungen 7 in Form von Nuten 7a gezeigt. Werkstoffe miteinander zu kombinieren, die bisher auf- In F i g. 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsge-

grund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdeh- 20 mäßen Steuerelementes 1 dargestellt, wobei das keranungskoeffizienten für den genannten Einsatzbereich mische Einsatzstück 2 noch nicht montiert ist. Bei dieser nicht eingesetzt werden konnten. Ausführungsform sind an der Oberseite des Steuerele-

Um einen besonders sicheren Sitz des Einsatzstückes mentes 1 zur Bildung der Verbundstelle 12 Erhebungen auf dem Steuerelement zu erzielen hat es sich als zweck- 13 in Form von Stegen 13a und Ausnehmungen 14 in mäßig erwiesen, in Drehrichtung der Nockenwelle lie- 25 Form von Nuten 14a angebracht, gende Anschläge beim Steuerelement vorzusehen, die Eine weitere Ausführungsform des keramischen Ein-

das Einsatzstück zusätzlich fixieren. satzstückes 2 wird in F i g. 6 gezeigt, wobei diese Aus-

Der Auftrag der elastomeren Verbindungsschicht, ih- führungsform im Vergleich zu der in F i g. 3 gezeigten re Vulkanisation und die Verbindung der einzelnen Bau- Ausführung eine Vielzahl von Stegen 5a bzw. Nuten 7a teile erfolgen in an sich bekannter Weise unter Einwir- 30 an der Unterseite 4 des Einsatzstückes 2 aufweist.

kung von Hitze und Druck, ohne daß wie bei den ein-

gangs beschriebenen Lötverfahren Beeinträchtigungen Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

bereits vergüteter Bereiche des Steuerelementes zu be-

fürchten sind. Dadurch ist eine wirtschaftliche Herstellung gewährleistet. 35

Die nachfolgenden Figuren und ihre Beschreibung
dienen der näheren Beschreibung der Erfindung:

Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen
Steuerelementes, dargestellt an einem Schlepphebel, 40

F i g. 2 eine Draufsicht auf das in F i g. 1 gezeigte
Steuerelement,

F i g. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der
Fig.l,

F i g. 4 das in F i g. 3 gezeigte Einsatzstück in einem 45
vom Steuerelement abgehobenen Zustand,

F i g. 5 eine Schnittansicht eines Steuerelementes ohne Einsatzstück,

F i g. 6 eine im Schnitt dargestellte weitere Ausführungsform des Einsatzstückes. 50

F i g. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuerelement 1
in Form eines aus Stahlguß bestehenden Schwinghebels
für Motoren mit obenliegender Nockenwelle. Ein keramisches Einsatzstück 2, aus mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid ist durch Anschläge 6 fixiert und 55
bildet die Arbeitsfläche für einen Nocken. Das Steuerelement 1 hat eine Lagerstelle 8 zur Aufnahme eines
nicht gezeigten Kugelbolzens. Eine gehärtete Kuppe 9
dient zur Betätigung eines nicht gezeigten Ventilschaftes. . · 60

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Steuerelement 1
gemäß F i g. 1 mit dem durch Anschläge 6 fixierten Einsatzstück 2. Gestrichelte Linien lassen den Verlauf von
Nuten 7a und Stegen 5a in Drehrichtung des Nockens
erkennen. 65

F i g. 3 ist eine Schnittdarstellung entlang Linie IH-III
von F i g. 1 und zeigt das Steuerelement 1 mit dem keramischen Einsatzstück 2, das durch eine aus ununterbro-

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Steuerelement aus Metall für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, das an seiner mit dem Nocken einer Nockenwelle in Eingriff stehenden Arbeitsfläche ein Einsatzstück aus keramischem Werkstoff aufweist, das mittels einer Verbindungsschicht auf dem Steuerelement befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (3) aus einem öl- und temperaturbeständigen, vulkanisierten Elastomeren besteht (F i g. 3).

2. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (3) aus geometrisch regelmäßig ausgebildeten, nebeneinander angeordneten Bereichen höherer (10) und geringerer Dicke (11) besteht (F i g. 3).

3. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 und

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche höherer Dicke (10) eine Dicke von 0,2—1 mm, vorzugsweise von 0,4—0,8 mm und die Bereiche geringerer Dicke (11) eine Dicke von 0,01 bis 0,05 mm aufweisen (F ig. 3).

4. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (3) aus einem Fluor enthaltenden Elastomeren besteht.

5. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (3) aus einem Elastomeren auf Basis eines Vinylidenfluoridcopolymeren, einem Chlortrifluoräthylencopolymeren, einem Fluorsilikonkautschuk, vorzugsweise aus einem Copolymeren auf Basis von Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen oder einer Mischung dieser Komponenten besteht.

6. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (3) aus Nitrilkautschuk, Polyacrylatkautschuk oder Epichlorhydrin-Kautschuk besteht.

7. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzstück (2) an seiner zur Verbindung mit dem Steuerelement (1) vorgesehenen Unterseite (4) geometrisch regelmäßig ausgebildete Erhebungen (5) und Ausnehmungen (7) aufweist (F i g. 3).

8. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch kennzeichnet, daß das Steuerelement (1) eine zur Anbringung der Verbindungsschicht (3) vorgesehene Verbundstelle (12) mit geometrisch regelmäßig ausgebildeten Erhebungen (13) und Ausnehmungen (14) aufweist (F i g. 5).

9. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (7,14) in Form von Nuten (7a, 14a) und die Erhebungen (5,13) in Form von Stegen (5a, 13a) ausgebildet sind (F ig. 3,5).