DE4114513C2 - Nachlaufeinrichtung, die sich abwälzend bewegt, für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Nachlaufeinrichtung, die sich abwälzend bewegt, für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Nachlaufeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Verwendung dieser Nachlaufeinrichtung.
Eine gattungsgemäße Nachlaufeinrichtung ist aus JP-2-130205 A bekannt.
Die Bildung und Aufrechterhaltung eines schmierenden Ölfilms, und damit der Verschleiß und die Lebensdauer im Wälzkontaktbereich einer derartigen Nachlaufeinrichtung hängt entscheidend von der Oberflächenrauheit der im Wälzkontakt stehenden Teile ab. Bisher wurde angenommen, daß die Lebensdauer um so größer ist, je feiner die Wälzfläche endbearbeitet ist. Die mit der Wälzfläche des Wälzkörpers in Kontakt stehende Oberfläche des Nockens ist normalerweise durch Schleifen auf eine Oberflächenrauheit Rmax von 2 bis 4 µm bearbeitet. Für die Wälzfläche des Wälzkörpers ist dies aber nicht zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachlaufeinrichtung der angegebenen Art so zu verbessern, daß die Schmierfilmbildung und damit die Lebensdauer weiter verbessert wird, und zwar sowohl bei Verwendung mit üblichen feinbearbeiteten Nockenflächen als auch mit Nockenflächen mit schlechterer Rauheit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. durch die Merkmale im Anspruch 4 gelöst. Die Ansprüche 2 und 3 beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nachlaufeinrichtung.
Obwohl mit der erfindungsgemäßen Nachlaufeinrichtung eine Verbesserung des Schmierverhaltens und der Lebensdauer unabhängig von der Rauheit der Nockenoberfläche erzielt wird, werden besonders gute Ergebnisse dann erzielt, wenn die Nachlaufeinrichtungen gemäß Anspruch 4 in Verbindung mit einem Nocken mit einer Oberflächenrauheit Rmax von 3 bis 4 µm verwendet wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Nachlaufeinrichtung 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 Wälzfläche 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 Wälzkontaktfläche zu leiten. Selbst wenn hierbei eine Kompression erfolgt, tritt das Öl weder in Wälzrichtung noch einer Richtung senkrecht hierzu aus. Somit wird der Ölfilm in zufriedenstellender Weise, unabhängig von der Rauheit der hierzu passend ausgelegten Nockenfläche, ausgebildet, ein Kontakt von Metall zu Metall ist minimal, und die Beschädigung der Oberfläche läßt sich verringern. Als Folge hiervon wird die Haltbarkeit des Brennkraftmaschinenventilsystems verbessert. Da auch der Wälzreibungswiderstand gering ist, wird auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt
Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht eines ersten Beispiels, bei dem ein Wälzkörper nach der Erfindung zum Einsatz kommt,
Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Kipphebels,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wälzventilstößels, welcher in Verbindung 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 Wälzkörper und einem Wälzkörper nach der Erfindung,
Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Oberfläche mit ihrem Endbearbeitungszustand bei dem Wälzkörper bzw. der Rolle des Wälzventilstößels 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 üblichen Wälzventilstößel,
Fig. 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Testergebnisse für den Wälzkörper 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 Wälzköper 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 Nachlaufeinrichtung 4 ist abwälzend beweglich auf dem inneren Ende der Kipphebel 2 angebracht und steht in Wälzkontakt mit einem Nocken 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 der Nocken 5 dreht und sich die Kipphebel 2 bewegen.
Fig. 3 zeigt die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung 4 mit einem Wälzkörper 9, der passend auf einer Achse 8 über Nadelwälzkörper 10 gelagert ist. Als Lager kommt auch ein Gleitlager in Betracht, bei dem der Wälzkörper 9 direkt passend auf der Achse 8 vorgesehen ist.
Obgleich nicht gezeigt, kann der äußere Umfang der Wälzfläche des Wälzkörpers 9 flach oder ballig abgedreht oder vollständig abgedreht sein.
Die Fig. 4A und 4B zeigen die sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine mit obenhängenden Ventilen, d. h. der ohv-Bauart. Bei dieser Auslegung ist eine Schubstange 11 derart vorgesehen, daß sie durch einen Nocken 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 Schwenkbewegung auszuführen und ein Ventil 13 zu öffnen und zu schließen, welches in Kupplungsverbindung mit dem anderen Ende des Kipphebels 12 steht. Eine sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung ist an dem unteren Ende einer hydraulischen Spielnachstelleinrichtung 14 angebracht, die unten an der Schubstange 11 vorgesehen ist und einen Wälzkontakt mit der Umfangsfläche des Nockens 5 herstellt. Diese sich abwälzend bewegende Nachlaufeinrichtung 4 ist von der Rollenbauart, bei der der Wälzkörper 9 auf der Lagerachse mit Hilfe von Nadelwälzkörpern 10 gelagert ist.
Die äußere Umfangswälzfläche des Wälzkörpers 9 ist mit winzigen Ausnehmungen 9a versehen, die unregelmäßig verteilt vorgesehen sind. Wenn die Oberflächenrauheit in der Größe 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 in axialer Richtung bzw. in Umfangsrichtung darstellen. Der SK-Wert als weiterer Parameter für die Oberflächenrauheit 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 Oberfläche A ausgebildet sind, beträgt 50 bis 250 µm², ohne Einrechnung derjenigen Ausnehmungen, deren äquivalenter Kreisdurchmesser nicht größer als 3 µm ist. Das Verhältnis der Gesamtfläche der Ausnehmungen zu der Gesamtfläche ist 10 bis 40%, wobei die maximale Fläche der Ausnehmungen 15 000 µm² beträgt.
Die äußere Umfangsfläche mit einer Rauheit der vorstehend angegebenen Art läßt sich durch ein Abziehen auf einem Fräser ausbilden.
Die SK-Werte stellen das Schiefemaß der Verteilungskurve 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 Ölfilms am günstigsten sind, wenn die SK-Werte in axialer Richtung und in Umfangsrichtung 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 Umfangsfläche des Wälzkörpers bzw. der Rolle vor Beschädigungen, Abtragungen und einem 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 an einer Brennkraftmaschine im Hinblick auf das Ölfilmbildungsvermögen getestet. Die Testergebnisse haben gezeigt, daß die äußere Umfangsfläche des Wälzkörpers nach der Erfindung ein verbessertes Ölfilmbildungsvermögen hat.
Im Hinblick auf das Verhältnis zwischen dem Zustand der Oberfläche und der Ölfilmbildung auf dem Wälzkörper ist ein Schleifen, bei dem axiale Schleifriefen bzw. Schleifspuren zurückbleiben, dem 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 bei einer sich abwälzend bewegenden Nachlaufeinrichtung üblicher Bauart und bei einer Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung. Fig. 6 zeigt die Rauheit der fertigbearbeiteten Oberfläche der äußeren Wälzfläche des Wälzkörpers der Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung. Hieraus ist zu ersehen, 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 Bildanalysierungssystems vergrößert und das Bild analysiert.
Die weißen Teile und die schwarzen Teile im Bild geben ebene Flächenbereiche bzw. die winzigen Ausnehmungen wieder. Wenn beispielsweise ein Bildanalysierungssystem zur Analyse eingesetzt wird, werden das Licht und die Schatten der Vorlage mittels eines Vergrößerungsfilters verdeutlicht. Dann sind die Ausnehmungen, die nicht größer als 3 µm in bezug auf den äquivalenten Kreisdurchmesser sind, als sehr winzige, schwarze Teile zu erkennen, und sie werden mit einer Ultraschallabtragseinrichtung entfernt.
Nach deren 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 abwälzend 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 diesem Test zum Einsatz kommen. Tabelle 2 zeigt die Testergebnisse.
Die Testbedingungen sind 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) Abmessungen des Wälzkörpers der Nachlaufeinrichtung:
    23 mm Außendurchmesser × 9 mm breit × 10,8 mm Innendurchmesser
  • (3) Betriebsbedingungen:
    Brennkraftmaschinendrehzahl: 6000 1/min (konstant)
    Brennkraftmaschinenöltemperatur: 120°C
Tabelle 1
Tabelle 2
Wie sich aus den Testergebnissen nach Tabelle 2 ergibt, tragen bei einer Oberflächenrauheit der Nockenfläche mit Rmax von 1-4 µm bei der bekannten Nachlaufeinrichtung schon bei 100 Stunden ein beträchtliches Abtragen und ein beträchtlicher Verschleiß auf. In Fig. 8 stellt die schraffierte Fläche den Verschleißbereich durch Abtragen dar.
Im Gegensatz hierzu ist in Fig. 9 die Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung gezeigt, bei der keine Abnomalitäten selbst nach 300 Stunden auftraten, 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 günstige Dauerhaltbarkeit bei der Erfindung erreicht werden kann und daß man einen zufriedenstellenden Ölfilm ausbilden kann. Im Hinblick auf die Oberflächenrauheit der Nockenfläche gab es noch signifikante Unterschiede zwischen beiden Nachlaufeinrichtungen. In beiden Fällen war die Nockenfläche durch Abtrag von Vorsprüngen ausgerundet.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die Ölfilmbildungsverhältnisse, welche beim Test gemessen wurden. Das Ölfilmbildungsverhältnis auf der fertigbearbeiteten Oberfläche der Nachlaufeinrichtung nach der Erfindung war etwa 20% größer als bei der bekannten Nachlaufeinrichtung zu Betriebsbeginn.
Auch hat sich bestätigt, daß man eine im wesentlichen vollständige Ölfilmausbildung auch dann noch erhält, wenn 1,2×10⁵ mal eine Belastung eingewirkt hat.
Diese Auslegung ist zweckmäßig im Hinblick auf die Herabsetzung des Gleitverschleißkoeffizienten zwischen den Seitenflächen des Wälzkörpers und des Kipphebels.

Claims (4)

1. Nachlaufeinrichtung (4), die sich abwälzend bewegt, für eine Brennkraftmaschine, wobei die Nachlaufeinrichtung (4) einen Wälzkörper (9) für den Wälzkontakt mit einem Nocken (5) einer Nockenwelle (1) hat, und die Wälzfläche des Wälzkörpers (9) mit zahlreichen winzigen Ausnehmungen (9a) versehen ist, die unregelmäßig verteilt derart vorgesehen sind, daß der das Schiefemaß der Verteilungskurve der Oberflächenrauhheitswerte darstellende SK-Wert kleiner als Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gesamtfläche der winzigen Ausnehmungen (9a) zur Gesamtfläche der Wälzfläche des Wälzkörpers (9) 10 bis 40% beträgt und das die mittlere Fläche der winzigen Ausnehmungen (9a), abgesehen von Ausnehmungen mit einem äquivalenten Kreisdurchmesser von bis zu 3 µm, 50 bis 250 µm² beträgt.
2. Nachlaufeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Fläche der winzigen Ausnehmungen (9a) 15 000 µm² beträgt.
3. Nachlaufeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Schiefemaß der Verteilungskurve der Oberflächenrauhheitswerte darstellende SK-Wert sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung nicht größer als -1,5 ist.
4. Verwendung der Nachlaufeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit einem Nocken (5), dessen Nockenfläche einen Rauhheitswert Rmax von 3 bis 4 µm hat.
DE4114513A 1991-02-28 1991-05-03 Nachlaufeinrichtung, die sich abwälzend bewegt, für eine Brennkraftmaschine Expired - Lifetime DE4114513C2 (de)

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