DE3832441A1 - Mechanische teile einer ventilsteuerung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents
Mechanische teile einer ventilsteuerung fuer verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für
Verbrennungsmotoren, insbesondere mechanische Teile der Ventilsteuerung.
Eine bekannte Ventilsteuerung für Verbrennungsmotoren
besitzt einen Kipp- oder Schwinghebel, der an seinem
freien Ende mit einer Rolle versehen ist, die auf einer Kurvenfläche
einer Nocke läuft. In dieser Anordnung dreht sich
die Rolle bei ihrem Ablauf auf der Kurvenfläche, so daß der
Verschleiß der Nocke und der Rolle kleiner ist als in einer
Anordnung, in der das freie Ende des Kipp- oder Schwinghebels
direkt auf einer Kurvenfläche gleitet. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß der Rollreibungskoeffizient kleiner ist
als der Gleitreibungskoeffizient. Daher kann durch die Anordnung
einer Rolle am freien Ende des Kipp- oder Schwinghebels
die Standzeit der Ventilsteuerung verlängert werden.
Dabei ist jedoch zu beachten, daß in einer Ventilsteuerung
mit einem eine Rolle tragenden Kipp- oder Schwinghebel
die Teile der Steuerung eine höhere Lochfraßbeständigkeit
und eine höhere Verschleißfestigkeit haben müssen.
Daher ist es üblich, eine Nockenwelle zu verwenden,
deren Nocke aus Schalenhartguß besteht. Derartige Nockenwellen
haben wegen der auf der Kurvenfläche vorhandenen,
sehr harten Schalenhartgußstruktur eine höhere Verschleißfestigkeit
und Hitzebeständigkeit, besitzen aber keine genügende
Lochfraßbeständigkeit.
Es ist auch bekannt, eine geschmiedete Nocke zu
verwenden. Eine derartige Nockenwelle wird einer Wärmebehandlung,
beispielsweise durch Induktionshärtung, Aufkohlung
u. dgl. unterworfen und hat eine hohe Lochfraßbeständigkeit,
ist aber in der Herstellung teuer. Ferner kann man
durch Schmieden keine hohle Nocke herstellen, so daß die geschmiedete
Nocke ein unerwünscht hohes Gewicht hat.
In der am 25. Januar 1980 veröffentlichten JP-AS
55-3422 ist ein Gußeisen mit Kugelgraphit angegeben, das auf
Gewichtsbasis aus 3,2 bis 4,0% C, 1,5 bis 5,0% Si, unter
0,08% P, unter 0,02% S, 0,02 bis 0,08% Mg, 0,10 bis
0,26% Mo, 0,3 bis 1,4% Mn, Rest Fe, besteht und das eine
Bainitstruktur hat, die zu 20 bis 50 Vol.-% aus Austenit besteht.
Aber selbst wenn mechanische Teile der mit dem rollentragenden
Kipp- oder Schwinghebel versehenen Ventilsteuerung
aus dem angegebenen Gußeisen nach der JP-AS 55-3422 bestehen,
ist es schwierig, eine genügende Lochfraßbeständigkeit zu
erzielen.
Daher hat die Erfindung die Aufgabe, eine Ventilsteuerung
mit längerer Standzeit zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
einer Ventilsteuerung mit mechanischen Teilen, die sich
durch eine höhere Lochfraßbeständigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit
auszeichnen.
In einer Ventilsteuerung mit einem Kipp- oder
Schwinghebel, der am einen Endteil mit einer auf einer Kurvenfläche
einer Nocke zur Steuerung von Motorventilen abrollenden
Rolle versehen ist, werden diese Aufgaben dadurch
gelöst, daß die Nocke aus 2,0 bis 4,0 Gew.-% C, 1,5 bis
3,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,005 bis 0,08 Gew.-% Mg,
unter 0,15 Gew.-% P, unter 0,15 Gew.-% S, 0,3 bis 1,0 Gew.-%
Cu, 0,03 bis 0,09 Gew.-% Mo, Rest Fe besteht und eine Grundmasse
der Nocke aus einem körnigen Graphit enthaltenden Gußeisen
besteht, das ein Mischgefüge aus 30 bis 50 Vol.-% Restaustenit
und einem Bainitgefüge besitzt. Der Nockenwellenwerkstoff
enthält C, Si, Mn und Mg im wesentlichen in denselben
Anteilen wie das üblicherweise verwendete Gußeisen
mit Kugelgraphit. P und S sind in dem Werkstoff als Verunreinigungen
im wesentlichen in denselben Anteilen enthalten
wie in dem üblicherweise verwendeten Gußeisen mit Kugelgraphit.
Durch zusammen mit Mo verwendetes Cu wird die Dauerfestigkeit
des Werkstoffes bei wiederholten Abwälzvorgängen erhöht.
Diese Wirkung ist jedoch ungenügend, wenn der Werkstoff
weniger als 0,3 Gew.-% Cu enthält, und nimmt über 1,0 Gew.-%
Cu nicht weiter zu. Daher liegt der Cu-Gehalt vorzugsweise
zwischen 0,3 und 1,0 Gew.-%. In Gegenwart von Cu erhöht Mo
die Härte und die Wälzdauerfestigkeit, doch ist diese Wirkung
bei weniger als 0,03 Gew.-% Mo ungenügend. Bei einem Gehalt
von mehr als 0,09 Gew.-% Mo wird dagegen an Grenzen von
Eutektikumzellen feinkristalliner Graphit ausgeschieden, so
daß die Wälzdauerfestigkeit vermindert wird. Daher liegt der
Mo-Gehalt vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,09 Gew.-%. Bei
einem Werkstoff mit einem Austenitgefüge wird dieses in ein
Mertensitgefüge umgewandelt, wenn die aus dem Werkstoff bestehende
Nocke mit der Rolle in Berührung kommt. Daher wird
durch das Martensitgefüge sowohl die Verschleißfestigkeit
als auch die Wälzdauerfestigkeit beträchtlich erhöht. Mit
einem Austenitgefüge unter 30 Vol.-% kann jedoch in dem
Nockenwerkstoff der gewünschte Effekt nicht erzielt werden
und wird die spanende Nachbearbeitung schwierig, weil durch
das Zwischenstufenvergüten die Härte des Werkstoffes stark
erhöht wird. Dagegen wird bei einem Austenitgefüge von mehr
als 50 Vol.-% nach dem Zwischenstufenvergüten keine genügende
Härte erhalten, so daß der Verschleiß zu Beginn der Verwendung
der Ventilsteuerung stark zunimmt und nur eine geringere
Wälzdauerfestigkeit erzielt wird.
Aus diesem Grunde liegt der Anteil des Austenitgefüges
in dem Nockenwerkstoff vorzugsweise zwischen 30 und
50 Vol.-%.
Beim Erzeugen eines Gußeisens mit körnigem Graphit
und dem vorstehend angegebenen, zweckmäßigen Mischgefüge
wird zunächst ein Rohling der vorstehend angegebenen Zusammensetzung
gegossen, der dann durch Glühen ein Ferritgefüge
erhält und danach einer spanenden Vorbereitung unterzogen
wird. Danach wird der Rohling mehr als 0,1 Stunde lang unter
einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf einer Temperatur zwischen
850 und 950°C gehalten und 0,5 bis 4 Stunden lang bei
einer Temperatur von 365 bis 400°C zwischenstufenvergütet
und wird danach mindestens der der Nocke entsprechende Teil
des Rohlings geschliffen.
Zum zweistufigen Glühen kann der Rohling zunächst
0,5 bis 5 Stunden auf einer Temperatur zwischen 850 und 950°C
und danach 0,5 Stunden auf einer Temperatur zwischen 700 und
800°C gehalten werden. Zum einstufigen Glühen kann der Rohling
0,5 bis 5 Stunden auf einer Temperatur von 850 bis 950°C
gehalten und danach langsam abgekühlt werden. Durch das Glühen
wird das Ausmaß der durch das Zwischenstufenvergüten des
Rohlings herbeigeführte Verformung und Dispersion vermindert
und wird die Zerspanbarkeit des Werkstoffes verbessert, so
daß mit Hilfe eines Hohlbohrers od. dgl. ein Hohlkörper
mit geringem Aufwand hergestellt werden kann. In diesem Fall
beträgt der Anteil des Austenitgefüges in dem Rohling vorzugsweise
über 70 Vol.-%.
Nachdem durch das Glühen das Ferritgefüge ausgebildet
worden ist, wird der Rohling zum Ausbilden des Austenitgefüges
auf eine Temperatur zwischen 850 bis 950°C erhitzt.
Der Restaustenitanteil ist nach einem Erhitzen auf weniger
als 850°C zu niedrig und beim Erhitzen über 950°C so hoch,
daß die Wälzdauerfestigkeit sehr niedrig ist.
Danach wird der Rohling bei einer Temperatur zwischen
365 und 400°C Zwischenstufenvergütet. Bei Verwendung
einer Temperatur unter 365°C zum Zwischenstufenvergüten ist
der Restaustenitanteil so klein, daß die spanende Nachbearbeitung
schwierig und die Wälzdauerfestigkeit gering ist.
Bei einer Temperatur über 400°C werden die Wälzdauerfestigkeit
und die Verschleißfestigkeit vermindert.
Die Lösung der vorstehenden und weiterer Aufgaben
der Erfindung geht aus der nachstehenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung hervor. In
dieser zeigt
Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Ventilsteuerung
gemäß der Erfindung,
Fig. 2 in Ansicht eine Nockenwelle gemäß der Erfindung,
Fig. 3 in einem Graphen die Beziehung zwischen
der zum Zwischenstufenvergüten verwendeten Temperatur und
der Lochfraßbeständigkeit,
Fig. 4 in einem Graphen die Beziehung zwischen
der zum Zwischenstufenvergüten verwendeten Temperatur und
dem Anteil des Restaustenitgefüges.
In Fig. 1 ist eine Ventilsteuerung gezeigt, auf
die die Erfindung anwendbar ist.
Gemäß der Fig. 1 besitzt die Ventilsteuerung 1
einen Kipphebel 3, der auf einer Achse 2 schwenkbar gelagert
ist und mit seinem einen Ende an dem oberen Ende eines Ventilstößels
4 und mit seinem anderen Ende an einer Kurvenfläche
6 a einer auf einer Nockenwelle 5 ausgebildeten Nocke
6 angreift.
Gemäß der Fig. 2 ist die dargestellte Nockenwelle
5 hohl und mit Nocken 6 für je einen der Zylinder des Motors
ausgebildet.
Zum Herstellen der dargestellten Ausführungsform
wird eine Mehrzahl von Probenocken hergestellt und auf ihre
physikalischen Eigenschaften, insbesondere auf die Lochfraßbeständigkeit
und die Verschleißfestigkeit, geprüft.
Gemäß der Erfindung besteht der Werkstoff für die
Probenocken aus 2,0 bis 4,0 Gew.-% C, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Si,
0,1 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,005 bis 0,08 Gew.-% Mg, unter
0,15 Gew.-% P, unter 0,15 Gew.-% S, 0,3 bis 1,0 Gew.-% Cu, 0,03
bis 0,09 Gew.-% Mo, Rest Fe.
Durch Gießen wurden zunächst Rohlinge mit einer
Zusammensetzung gemäß den vorstehenden Angaben gegossen. Danach
wurde durch Glühen in den Rohlingen ein Ferritgefüge
ausgebildet und wurden die Rohlinge dann spanend vorbearbeitet.
Danach wurden die Rohlinge unter einer nichtoxidierenden
Atmosphäre 0,1 Stunde auf einer Temperatur zwischen 850 und
950°C und dann zum Zwischenstufenvergüten 0,5 bis 4 Stunden
auf einer Temperatur zwischen 365 und 400°C gehalten. Schließlich
wurden durch Schleifen der Rohlinge mindestens an den
den Nocken entsprechenden Teilen die Probenocken erhalten.
Diese Probenocken wurden geprüft und hinsichtlich
ihrer Standzeit mit Nocken nach dem Stand der Technik verglichen.
In dieser Standzeitprüfung wurde eine Rolle verwendet,
die aus dem Werkstoff SUJ 2 bestand, der aus 0,95
bis 1,10 Gew.-% C, 0,15 bis 0,35 Gew.-% Si, höchstens
0,50 Gew.-% Mn, höchstens 0,025 Gew.-% P, höchstens 0,025 Gew.-%
S, 1,30 bis 1,60 Gew.-% Cr, Rest Fe, besteht und die Rockwellhärte
HRC 60 besitzt. Die Prüfnocken und die Rolle wurden
miteinander in Berührung gebracht und gleichzeitig gedreht.
Dabei wurde die Andrucklast zwischen den Probenocken
und der Rolle verändert. Nach 10⁷ Umdrehungen der Rolle wurden
die Probenocken auf Lochfraß untersucht, indem Schwingungen
der Probenocken festgestellt wurden. Zum Bewerten der
Verschleißfestigkeit der Probenocken wurde deren Vickershärte
HV bestimmt. In der Tabelle 1 sind die Zusammensetzung,
die Temperatur Tr zum Durchführen der zum Ausbilden eines
Ferritgefüges und gegebenenfalls eines Austenitgefüges erfolgten
Glühbehandlung, die Temperatur Tb zum Durchführen
des Zwischenstufenvergütens, ferner das Ergebnis der Prüfung
auf Lochfraßbeständigkeit und die Vickerhärte als Maß der
Verschleißfestigkeit angegeben.
In der Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der zum
Zwischenstufenvergüten verwendeten Temperatur Tb und der
Lochfraßbeständigkeit dargestellt und in Fig. 4 die Beziehung
zwischen der zum Zwischenstufenvergüten verwendeten
Temperatur und dem Anteil des Restaustenitgefüges in den
Probekörpern.
Aus den Prüfergebnissen geht hervor, daß die Prüfnocken
gemäß der Erfindung den Nocken nach dem Stand der
Technik hinsichtlich der Lochfraßbeständigkeit überlegen und
hinsichtlich der Verschleißfestigkeit gleichwertig sind. Das
bedeutet, daß durch die Erfindung die Standzeit der Ventilsteuerung
verlängert wird.
Die auf dem Kipphebel vorgesehene Rolle besteht
vorzugsweise aus einem Werkstoff, der sich durch hohe Lochfraßbeständigkeit
und Verschleißfestigkeit auszeichnet, beispielsweise
aus aufgekohltem Stahl.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß
der Fachmann im Rahmen der im Schutzbegehren unter Schutz
gestellten Erfindung zahlreiche Abänderungen vornehmen kann.
Claims (8)
1. Ventilsteuerung mit einem Kipp- oder Schwinghebel,
der am einen Endteil mit einer auf einer Kurvenfläche
einer Nocke zur Steuerung von Motorventilen abrollenden Rolle
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocke aus
2,0 bis 4,0 Gew.-% C, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,0 Gew.-%
Mn, 0,005 bis 0,08 Gew.-% Mg, unter 0,15 Gew.-% P, unter
0,15 Gew.-% S, 0,3 bis 1,0 Gew.-% Cu, 0,03 bis 0,09 Gew.-% Mo,
Rest Fe besteht und eine Grundmasse der Nocke aus einem körnigen
Graphit enthaltenden Gußeisen besteht, das ein Mischgefüge
besitzt.
2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rolle aus aufgekohltem Stahl besteht.
3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Nockenwerkstoff C, Si, Mn oder Mg im wesentlichen
in denselben Anteilen wie das üblicherweise verwendete
Gußeisen mit Kugelgraphit enthält.
4. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Nockenwerkstoff P und S als Verunreinigungen
im wesentlichen in denselben Anteilen enthält wie das
üblicherweise verwendete Gußeisen mit Kugelgraphit.
5. Verfahren zum Herstellen von Teilen für eine
Ventilsteuerung mit einem Kipp- oder Schwinghebel, der am
einen Endteil mit einer auf einer Kurvenfläche einer Nocke
zur Steuerung von Motorventilen abrollenden Rolle versehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Material hergestellt
wird, das aus 2,0 bis 4,0 Gew.-% C, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Si,
0,1 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,005 bis 0,08 Gew.-% Mg, unter
0,15 Gew.-% P, unter 0,15 Gew.-% S, 0,3 bis 1,0 Gew.-% Cu, 0,03
bis 0,09 Gew.-% Mo, Rest Fe besteht, daß dieses Material gegossen
und geglüht und spanend vorbearbeitet wird und daß
das Material in einer nichtoxidierenden Atmosphäre länger
als 0,1 Stunde auf einer Temperatur zwischen 850 und 950°C
und zum Zwischenstufenvergüten 0,5 bis 4 Stunden auf einer
Temperatur zwischen 365 und 400°C gehalten und danach spanend
nachbearbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß einer der Teile die Nockenwelle ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material zum Glühen zunächst 0,5 bis 5 Stunden
auf einer Temperatur zwischen 850 und 950°C und danach auf
einer Temperatur zwischen 700 und 800°C gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material 0,5 bis 5 Stunden auf einer Temperatur
zwischen 850 und 950°C gehalten und danach allmählich abgekühlt wird.
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