DE4114513A1

DE4114513A1 - Waelzventilstoessel fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4114513A1
Application number: DE4114513A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Harimotor
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1992-09-03
Anticipated expiration: 2011-05-04
Also published as: FR2673444B1; GB9109969D0; GB2253255B; US5159852A; DE4114513C2; GB2253255A; KR920016736A; KR950005825B1; JPH04350310A; FR2673444A1; JP2634496B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wälzstößel bzw. auf eine sich abwälzend bewe gende Nachlaufeinrichtung mit einem Wälzkörper bzw. einer Rolle, welche derart aus gelegt ist, daß sie in Wälzkontakt mit einer Nocke auf einer Nockenwelle einer Brenn kraftmaschine kommt. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Wälzventil stößel, der eine lange Lebensdauer, unabhängig von den Schmierverhältnissen bezüglich der Nockenfläche der Nockenwelle und unabhängig von der Härte und der Oberflä chenrauheit der Nockenfläche hat.

Bei der Verbesserung der Lebensdauer bzw. Haltbarkeit des Brennkraftmaschinen-Ven tilsystems und im Hinblick auf die Wartungsfreiheit derselben stellen die Schmierung und der Abtrag einer Nocke und eines Wälzventilstößels heutzutage Schwierigkeiten dar.

Um einen Abtrag bzw. Verschleiß beim Ventilsystem zu verhindern, wird im allgemei nen eine hydraulische Spielnachstelleinrichtung bei einer Brennkraftmaschine mit obenhängenden Ventilen (ohV-Typ) eingesetzt. Um ebenfalls den Verschleiß und den Reibungsverlust auf der Nockenfläche und der Wälzfläche zu reduzieren, besteht zu nehmend die Entwicklungstendenz, eine sich abwälzend bewegende Rollennachlaufein richtung einzusetzen.

Unter Berücksichtigung der Bauteile der Brennkraftmaschine sind insbesondere die Er fordernisse im Hinblick auf die Schmierung bei derartigen Nockenteilen äußerst kri tisch. Ihre Kontaktfläche bezeichnet man als einen Grenzschmierbereich. Wenn man unter diesen Bedingungen einen Wälzventilstößel einsetzt, macht der Wälzkörper hauptsächlich einen Wälzkontakt im Zusammenwirken mit der Nocke. Da aber die Drehgeschwindigkeit des Wälzkörpers sich in Folge der Form der Nocke und der auf den Wälzkörper einwirkenden Belastungen sich in starkem Maße ändert, kann der Wälzkörper keine ausschließliche Wälzbewegung ausführen, sondern er stellt einen Wälzkontakt in Verbindung mit einer Gleitbewegung her. Dies kann zu einem Abtrag auf der äußeren Umfangswälzfläche des Wälzkörpers führen, obgleich dies von den Schmierverhältnissen (Ölmenge, Öltemperatur und Fremdstoffen) und der Oberflä chenrauheit der hiermit zusammenarbeitenden Nocke abhängig ist. Hierdurch kann sich eine Verkürzung der Lebensdauer ergeben.

Es ist an sich bekannt, daß die Standzeit bei einer Wälzbewegung eines Wälzkörpers stark durch die Oberflächenrauheit auf dem äußeren Umfang der Wälzfläche beeinflußt wird. Bisher hat man angenommen, daß je feiner die äußere Umfangswälzfläche endbe arbeitet ist, desto länger die Lebensdauer ist. Die endbearbeitete Oberfläche einer Nockenfläche hat normalerweise einen Rmax-Wert (Parameter der Oberflächen rauheit) von 2 bis 4 µm, wenn man als Endbearbeitung das Schleifen einsetzt. Dies ist bei einer Wälzkontaktfläche aber nicht zufriedenstellend. An dem Kontaktteil zwischen der Nockenfläche und dem Wälzkörper bzw. der Rolle, bei dem es sich um einen äußerst kritischen Grenzschmierbereich handelt, tritt teilweise ein Kontakt von Metall zu Metall auf, wodurch leicht Bruchstellen an der Oberfläche entstehen können. Daher ist es erwünscht, die Haltbarkeit des Wälzkörpers dadurch zu erhöhen, daß man Be schädigungen desselben vermeidet.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, einen Wälzventilstößel bzw. eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung mit einer großen Lebensdauer zur Verwendung bei ei ner Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem man eine ausgezeichnete Ölfilmbil dung während des Wälzkontaktes unabhängig davon erhält, ob die hierzu passende Nockenfläche eine gute Rauheit hat oder nicht.

Nach der Erfindung wird ein Wälzventilstößel bzw. eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung zur Verwendung bei einer Brennkraftmaschine angegeben, bei der der Wälzventilstößel einen Wälzkörper bzw. eine Rolle hat, welche derart ausgelegt ist, daß sie in Wälzkontakt mit einer Nocke auf einer Nockenwelle kommt, wobei der Wälzkörper mit einer Mehrzahl von winzigen Ausnehmungen, die unregelmäßig verteilt angeordnet sind, derart versehen ist, daß der SK-Wert, bei dem es sich um einen Para meter handelt, der die Oberflächenrauheit wiedergibt, kleiner als Null ist, und daß das Verhältnis der Gesamtfläche der winzigen Ausnehmungen zu der Gesamtfläche sich auf 10 bis 40% beläuft.

Hierdurch wird das Ölfilmbildungsverhältnis auf dem äußeren Umfang der Wälzfläche verbessert, und es wird ermöglicht, daß ein Ölfilm ausgebildet wird, der so ausreichend dick ist, daß ein Kontakt von Metall zu Metall an der Wälzkontaktfläche verhindert wird, und daß ein Abtragen und ein Verschleiß auf dem äußeren Umfang der Wälzflä che des äußeren Ringes unabhängig von der Rauheit der hierzu passend ausgelegten Nockenfläche verhindert werden. Somit läßt sich die Lebensdauer bzw. Standzeit des Wälzventilstößels wesentlich verbessern.

Die winzigen Ausnehmungen dienen als Ölvorratsräume, um Öl zu der Wälzkontaktflä che zu leiten. Selbst wenn hierbei eine Kompression erfolgt, tritt kaum Öl, weder in Wälzrichtung, noch einer Richtung senkrecht hierzu, aus. Somit wird der Ölfilm in zu friedenstellender Weise unabhängig von der Rauheit der hierzu passend ausgelegten Nockenfläche ausgebildet, ein Kontakt von Metall zu Metall ist minimal, und die Be schädigung der Oberfläche läßt sich verringern. Als Folge hiervon läßt sich die Haltbar keit des Brennkraftmaschinenventilsystems verbessern. Da auch der Wälzreibungswi derstand gering ist, läßt sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessern.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach stehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht eines ersten Beispiels, bei dem der Wälz ventilstößel nach der Erfindung zum Einsatz kommt,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Kipphebels,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wälzventilstößels, welcher in Ver bindung hiermit zum Einsatz kommt,

Fig. 4A eine Schnittansicht eines zweiten Beispieles für die Anwendung des Wälzventilstößels,

Fig. 4B eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils derselben,

Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Verteilung der RMS- und SK- Werte für einen üblichen Wälzventilstößel und einem Wälzventil stößel nach der Erfindung,

Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Oberfläche mit ihrem Endbe arbeitungszustand bei dem Wälzkörper bzw. der Rolle des Wälzventil stößels nach der Erfindung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Rauheit der hierzu passend ausgelegten Nockenfläche,

Fig. 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Testergebnisse für einen übli chen Wälzventilstößel,

Fig. 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Testergebnisse für den Wälz ventilstößel nach der Erfindung, und

Fig. 10 und 11 Diagramme zur Verdeutlichung der Ölfilmbildungsverhältnisse jeweils für einen üblichen Wälzventilstößel und den Wälzventilstößel nach der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen einen Wälzventilstößel bzw. eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung zur Verwendung bei einer Brennkraftmaschine.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung eines Kipphebels, der bei einer Brennkraftmaschine mit obenhängenden Ventilen (ohV) zum Einsatz kommt. Die Kipphebel 2, die über einer Nockenwelle 1 vorgesehen sind, sind an Wellen 3 jeweils an ihren Zwischenabschnitten schwenkbeweglich gelagert. Eine Wälz nachlaufeinrichtung bzw. ein Wälzventilstößel 4 ist abwälzend beweglich auf dem inne ren Ende der Kipphebel 2 angebracht und in Wälzkontakt mit einer Nocke 5 auf der Nockenwelle 1. Die Kipphebel 2 haben weitere Enden, welche in Anlageberührung mit den Stößeln 7 der Ventile 6 sind, so daß die Ventile geöffnet und geschlossen werden können, wenn sich die Nocke 5 dreht und sich die Kipphebel 2 bewegen.

Fig. 3 zeigt die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung 4 von der Bauart mit ei nem Wälzkörper bzw. einer Rolle, wobei ein Wälzkörper 9 vorgesehen ist, der passend auf einem Tragschaft 8 als innerem Ring über Nadelwälzkörper 10 in geeigneter Weise gelagert vorgesehen ist. Als Lager kommt auch ein Gleitlager in Betracht, bei dem der Wälzkörper 9 direkt passend auf den Tragschaft 8 vorgesehen ist.

Obgleich nicht gezeigt, kann der äußere Umfang der Wälzfläche des Wälzkörpers 9 flach sein, ballig abgedreht sein oder vollständig abgedreht sein.

Die Fig. 4A und 4B zeigen die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung in Ver bindung mit einer Brennkraftmaschine mit obenhängenden Ventilen, d. h. der ohV-Bau art. Bei dieser Auslegung ist eine Schubstange 11 derart beschaffen und ausgelegt, daß sie durch eine Nocke 5 auf einer Nockenwelle 1 nach oben und unten bewegt wird, und ihr oberes Ende mit einem Ende eines Kipphebels 12 verbunden ist, um eine Schwenk bewegung auszuführen und ein Ventil 13 zu öffnen und zu schließen, welches in Kupp lungsverbindung mit dem anderen Ende des Kipphebels 12 steht. Eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung ist an dem bodenseitigen Ende einer hydraulischen Spielnachstelleinrichtung 14 angebracht, die an der Bodenseite der Schubstange 11 vor gesehen ist und einen Wälzkontakt mit der Umfangsfläche der Nocke 5 herstellt. Diese sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung 4 ist von der Rollenbauart, bei der der Wälzkörper 9 passend auf den Tragschaft mit Hilfe von Nadelwälzkörpern 10 vorgese hen ist.

Die äußere Umfangswälzfläche des Wälzkörpers 9 der sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung 4 ist mit winzigen Ausnehmungen 9a versehen, die unregelmäßig verteilt vorgesehen sind. Wenn die Oberflächenrauheit in den Größen eines Parameters RMS ausgedrückt wird, sollten die winzigen Ausnehmungen derart angeordnet sein, daß das Verhältnis RMS(L)/RMS(C) nicht größer als 1,0 im Mittel ist, wobei RMS(L) und RMS(C) die Oberflächenrauheit der äußeren Umfangsfläche jeweils in axialer Richtung und in Umfangsrichtung darstellen. Der SK-Wert, der einen weiteren Parameter für die Oberflächenrauheit darstellt, sollte kleiner als Null und vorzugsweise nicht größer als - 1,5 sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung sein.

Die durchschnittliche Fläche der winzigen Ausnehmungen, die in der rauhen Oberflä che A ausgebildet sind, sollte 50 bis 250 µm² abgesehen von den Ausnehmungen betra gen, die nicht größer als 3 µm bei einem äquivalenten Kreisdurchmesser sein sollten. Das Verhältnis der Gesamtfläche der Ausnehmungen zu der Gesamtfläche ist 10 bis 40%, wobei die maximale Fläche der Ausnehmungen 15 000 µm² einnimmt.

Die äußere Umfangsfläche mit einer Rauheit der vorstehend angegebenen Art läßt sich durch ein Abziehen auf dem Fräser ausbilden.

Die SK-Werte stellen die Windschiefheit der Kurve zur Verdeutlichung der Verteilung der Oberflächenrauheit dar. Wenn die Rauheitsverteilung eine symmetrische Kurve wie bei einer Gauss′schen Verteilungskurve bildet, ist der SK-Wert Null. Es hat sich gezeigt, daß die Form und die Verteilung der winzigen Ausnehmungen für die Bildung des Öl films am günstigsten sind, wenn die SK-Werte in axialer Richtung und in Umfangsrich tung nicht größer als -1,5 sind.

Durch die Endbearbeitung der äußeren Umfangsfläche auf die vorstehend beschriebene Art läßt sich selbst dann, wenn die hierzu passend ausgelegte Nockenfläche nur wenig endbearbeitet ist, ein ausreichend dicker Ölfilm in stabiler Weise ausbilden, so daß sich der Kontakt von Metall zu Metall an der Wälzkontaktfläche nur in äußerst minimalem Umfang ergibt.

Durch die Herabsetzung des Kontakts von Metall zu Metall läßt sich die äußere Um fangsfläche des Wälzkörpers bzw. der Rolle vor Beschädigungen, Abtragungen und ei nem übermäßigen Verschleiß sowie vor einem Spanabtrag schützen. Hierdurch läßt sich die Haltbarkeit verbessern.

Die Rolle bzw. der Wälzkörper nach der Erfindung und ein in üblicher Weise geschliffener und ein äußerst gut endbearbeiteter Wälzkörper wurden tatsächlich an einer Brenn kraftmaschine eingesetzt, um dieselben im Hinblick auf das Ölfilmbildungsvermögen zu testen. Die Testergebnisse haben gezeigt, daß die äußere Umfangsfläche des Wälzkör pers nach der Erfindung ein ausgezeichnetes Ölfilmbildungsvermögen hat.

Im Hinblick auf das Verhältnis zwischen dem Zustand der Oberfläche und der Ölfilm bildung an dem Wälzkontaktteil, ist das Schleifen, bei dem axiale Schleifriefen bzw. Schleifspuren zurückbleiben, einem üblichen zylindrischen Schleifen vorzuziehen.

Es wird angenommen, daß die winzigen Ausnehmungen, die durch das axiale Schleifen gebildet werden, als Ölsperren dienen und hierdurch dazu beitragen, daß Öl zu dem Kontaktbereich gefördert wird.

Fig. 5 zeigt die Verteilung der RMS- und SK-Werte auf der äußeren Wälzfläche einer sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung üblicher Bauart und jene der sich ab wälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung. Fig. 6 zeigt die Rauheit der fertigbearbeiteten Oberfläche der äußeren Wälzfläche des Wälzkörpers der sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung. Hieraus ist zu erse hen, daß keine Vorsprünge vorhanden sind, die über die Oberfläche vorstehen.

Eine quantitative Messung der winzigen Ausnehmungen ist dadurch möglich, daß man das Bild einer Wälzkörperoberfläche unter Verwendung eines verfügbaren Bildanalysie rungssystems vergrößert und das Bild analysiert.

Die weißen Teile und die schwarzen Teile im Bild werden als ebene Abschnitte und winzige Ausnehmungen jeweils analysiert. Wenn beispielsweise ein Bildanalysierungs system zur Analyse eingesetzt wird, werden das Licht und die Schatten der Vorlage mit tels eines Vergrößerungsfilters verdeutlicht. Dann sind die Ausnehmungen nicht größer als 3 µm unter Annahme eines äquivalenten Kreisdurchmessers, und diese sind als sehr winzige, schwarze Teile zu erkennen, welche mit einer Ultraschallabtragseinrichtung entfernt werden.

Nach der Entfernung wird die Wälzkörperaußenfläche durch Messen der Größe und Verteilung sowie des Verhältnisses der Gesamtfläche der winzigen Ausnehmungen analysiert, die auf der gesamten Oberfläche zurückbleiben.

Nachstehend werden die Ergebnisse einer Dauerhaltbarkeitsprüfung bei einer sich ab wälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung üblicher Bauart und einer sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung angegeben.

Tabelle 1 zeigt Einzelheiten der äußeren Umfangsfläche der Wälzkörper, die bei die sem Test zum Einsatz kommen. Tabelle 2 zeigt die Testergebnisse.

Die Testbedingungen werden nachstehend angegeben.

Fig. 7 zeigt die Rauheit der hierzu passend ausgelegten Nockenfläche.

1) Für den Test eingesetzte Brennkraftmaschine:
Kipphebel für obenhängende Ventile mit endseitiger Schwenklagerung

2) Sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung, welche zum Einsatz kommt:
23 mm Außendurchmesser · 9 mm breit · 10,8 mm für einen einbeschriebenen Kreisdurchmesser des Wälzkörpers

3) Betriebsbedingungen:
Brennkraftmaschinendrehzahl: 6000 1/min (konstant), Brennkraftmaschinenöltemperatur: 120°C.

Tabelle 1

Tabelle 2

Wie sich aus den Testergebnissen nach Tabelle 2 ergibt, traten bei der Oberflächen rauheit der Nockenfläche mit Rmax von 1-4 µm bei der sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung selbst bei 100 Stunden ein beträchtliches Abtragen und ein be trächtlicher Verschleiß auf. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist dort ein schraffierter Bereich ge zeigt, der einen Verschleißbereich durch Abtragen darstellt.

Im Gegensatz hierzu ist in Fig. 9 die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung gezeigt, bei der keine Abnomalitäten selbst nach 300 Stunden auf traten, wenn ein Zusammenwirken mit einer hierzu passenden Nockenfläche gegeben war, die einen Rmax-Wert von 3 bis 4 µm hatte. Dies verdeutlicht, daß eine äußerst gün stige Dauerhaltbarkeit bei der Erfindung erreicht werden kann und daß man einen zu friedenstellenden Ölfilm ausbilden kann. Im Hinblick auf die Oberflächenrauheit der Nockenfläche gab es noch signifikante Unterschiede zwischen beiden sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtungen. In beiden Fällen war die Nockenfläche als Ergeb nis eines Abtrags von Vorsprüngen ausgerundet.

Die Fig. 10 und 11 zeigen die Ölfilmbildungsverhältnisse, welche beim Test gemessen wurden. Das Ölfilmbildungsverhältnis auf der fertigbearbeiteten Oberfläche der sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung war etwa 20% größer als bei der üblichen, sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung zu Betriebsbe ginn.

Auch hat sich bestätigt, daß man eine im wesentlichen vollständige Ölfilmausbildung erhält, wenn 1,2×10⁵ mal eine Belastung einwirkt.

Diese Auslegung ist zweckmäßig im Hinblick auf die Herabsetzung des Gleitverschleiß koeffizienten zwischen den Seitenflächen des Wälzkörpers und des Kipphebels.

Claims

1. Sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung (4) zur Verwendung bei einer Brennkraftmaschine, wobei die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung (4) einen Wälzkörper (9) hat, welcher derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er in Wälzkontakt mit einer Nocke (5) auf einer Nockenwelle (1) kommt, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wälzkörper (9) mit einer Mehrzahl von winzigen Ausneh mungen (9a) versehen ist, die unregelmäßig verteilt derart vorgesehen sind, daß der SK-Wert, welcher einen die Oberflächenrauheit wiedergebenden Parameter dar stellt, kleiner als Null ist, und daß das Verhältnis der Gesamtfläche der winzigen Ausnehmungen (9a) zu der Gesamtfläche sich auf 10 bis 40% beläuft.

2. Sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die mittlere Fläche der winzigen Ausnehmungen (9a) sich auf 50 bis 250 µm² abgesehen von den Ausnehmungen beläuft, die einen äquivalenten Kreis durchmesser von nicht mehr als 3 µm haben.

3. Sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Fläche der winzigen Ausnehmungen (9a) 15 000 µm² ist.