DE3832441C2

DE3832441C2 -

Info

Publication number: DE3832441C2
Application number: DE3832441A
Authority: DE
Inventors: Ken Okazaki; Kazuo Higashi-Hiroshima Hiroshima Jp Satou; Junichi Hiroshima Jp Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1992-03-05
Also published as: DE3832441A1; US4856469A; JPH0579742B2; JPS6483804A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuervorrichtung mit einem Kipp- oder Schwinghebel, der an einem Endteil mit einer auf der Kurvenfläche eines Nockens zur Steuerung von Motorventilen ab rollenden Rolle versehen ist, und ein Verfahren zum Herstellen von Teilen einer derartigen Ventilsteuervorrichtung.

Bekannte Ventilsteuervorrichtungen für Verbrennungsmotoren besitzen einen Kipp- oder Schwinghebel, der an einem freien Ende mit einer Rolle versehen ist, die auf einer Kurvenfläche eines Nockens läuft. In dieser Anordnung dreht sich die Rolle bei ihrem Ablauf auf der Kurvenfläche, so daß der Verschleiß des Nockens 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 wer den.

Dabei ist jedoch zu beachten, daß in einer Ventilsteuervorrichtung 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 Nocken 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, einen geschmiedeten Nocken zu verwenden. Eine derartige Nockenwelle wird einer Wärmebehandlung, beispielsweise durch Induktionshärtung, Aufkohlung und dergleichen unterworfen und hat eine hohe Lochfraßbeständigkeit, ist aber in der Herstellung teuer. Ferner kann man durch Schmieden keinen hohlen Nocken herstellen, so daß der geschmiedete Nocken ein unerwünscht hohes Gewicht hat. Bereits aus der DE-OS 21 00 653 ist eine gattungsgemäße Ventilsteuervorrichtung bekannt, bei der dieses Bauteil aus einer härtbaren Eisenlegierung mit 0,1 bis 1,00 Gew.-% Ti und 0,5 bis 10,00 Gew.-% besteht. Dabei wird es als wesentlich angesehen, die genauen Prozentbereiche an Ti und W einzuhalten.

Aus der DE-OS 29 05 706 ist eine Ventilsteuervorrichtung bekannt, die zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit aus einem Ni- Cr-Hartguß oder aus einem Cr-Hartguß besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Ventilsteuervorrichtung an die Hand zu geben, die sich durch eine hohe Lochfraßbeständigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Herstellen von Teilen einer Ventilsteuervorrichtung dieser Art bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Der Nocken besteht 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 und eine Grundmasse des Nockens besteht aus einem körnigen Graphit enthaltenden Gußeisen, 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 Martensitgefüge umgewandelt, wenn er aus dem Werkstoff bestehenden Nocken 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 dem Nocken 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.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung hervor. In dieser zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Ventilsteuervorrichtung 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 Ventilsteuervorrichtung gezeigt, auf die die Erfindung anwendbar ist.

Gemäß der Fig. 1 besitzt die Ventilsteuervorrichtung 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 6a eines auf einer Nockenwelle 5 ausgebildeten Nockens 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 einem Werkstoff 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.

Tabelle 1

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.

Claims

1. Ventilsteuervorrichtung mit einem Kipp- oder Schwinghebel, der an einem Endteil mit einer auf der Kurvenfläche eines Nockens zur Steuerung von Motorventilen abrollenden Rolle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken 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, wobei die Matrix des Nockens aus einem Kugelgraphit enthaltenden Gußeisen mit einem Mischgefüge aus 30 bis 50 Vol.-% Restaustenit und Bainit gebildet ist.

2. Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle aus aufgekohltem Stahl besteht.

3. Ventilsteuervorrichtung 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. Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, 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 einer Ventilsteuervorrichtung mit einem Kipp- oder Schwinghebel, der an einem Endteil mit einer auf einer Kurvenfläche eines Nockens zur Steuerung von Motorventilen abrollenden Rolle versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Werkstoff 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 zusammengesetzt wird,
daß dieser Werkstoff gegossen, geglüht und spanend vorbearbeitet wird, und
daß der so hergestellte Rohling in einer nichtoxidierenden Atmosphäre länger als 0,1 Stunde auf einer Temperatur zwischen 850 bis 950°C und zum Zwischenstufenvergüten 0,5 bis 4 Stunden auf einer Temperatur zwischen 365 und 400°C gehalten und danach spanend bearbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Teil die Nockenwelle ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling zum Glühen zunächst 0,5 bis 5 Stunden auf einer Temperatur zwischen 850 bis 950°C und danach auf einer Temperatur zwischen 700 und 800°C gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling 0,5 bis 5 Stunden auf einer Temperatur zwischen 850 und 950°C gehalten und danach allmählich abgekühlt wird.