DE4311507C2 - Roll-/Gleitteil und Nockenstößelvorrichtung für Motoren - Google Patents
Roll-/Gleitteil und Nockenstößelvorrichtung für MotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Roll-/Gleitteil zur Verwendung bei zumindest
entweder Roll- und/oder Gleitberührung mit anderen
Teilen sowie eine Nockenstößelvorrichtung, mit einer Welle
und einem äußeren Ring im Ventilantrieb
eines Motors.
Es gibt zahlreiche Arten von Kraftfahrzeugmotoren
einschließlich Motoren mit hin- und hergehenden Kolben, die
sämtlich - mit Ausnahme einiger Zweitaktmotoren - Luft
einlaßventile und Auslaßventile aufweisen, die sich in
Phase mit der Drehung der Kurbelwelle oder synchron hierzu
öffnen und schließen.
Ein Ventilantriebsmechanismus wird zur Übertragung der
Bewegung des an der Nockenwelle angebrachten Nockens auf
die Ventile verwendet, wenn sich die Nockenwelle zusammen
mit der Kurbelwelle des Motors dreht.
Es gibt zahlreiche Arten von Ventilantriebsmechanismen zum
Antrieb der Einlaßventile und Auslaßventile. Beispielsweise
im Ventilantriebsmechanismus eines SOHC-Motors (SOHC:
Single Overhead Cam Shaft = eine oben liegende
Nockenwelle), wie in Fig. 3 gezeigt, dreht sich die einzige
Nockenwelle mit der Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle
(für einen Vierzylindermotor), um das Einlaßventil 17 und
das Auslaßventil 18 über die Kipphebel 16 anzutreiben. Im
einzelnen sind die Nocken 19 an der Nockenwelle 15
angebracht, welche sich in Phase mit der Kurbelwelle 14
dreht, so daß sie in Berührung mit den Enden der Kipphebel
16 gelangen und so das Einlaßventil 17 und das Auslaßventil
18 antreiben.
In den letzten Jahren wurde häufig der
Ventilantriebsmechanismus mit einem Nockenstößel
ausgerüstet, so daß im Betrieb des
Ventilantriebsmechanismus die auftretende Reibung von einer
Gleitreibung in eine Rollreibung umgewandelt wird, wodurch
Reibungsverluste auf einem Minimum gehalten werden.
Um die Reibungskraft zu verringern, die zwischen der Kante
des Nockens 19 und dem dazugehörigen Teil auftritt,
beispielsweise dem Kipphebel 16, wenn der Motor läuft, und
zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs bei laufendem
Motor, wird inzwischen üblicherweise eine
Nockenstößelvorrichtung, die sich zusammen mit der Drehung
der Nocken 19 dreht, am Berührungspunkt angeordnet.
Diese Art einer Nockenstößelvorrichtung ist mit einem
äußeren Ring versehen, welcher in eine Roll- und/oder
Gleitberührung mit den anderen Teilen gebracht wird.
Wie in Fig. 4 bis Fig. 6 gezeigt ist, sind ein Paar
Stützwandabschnitte 20 mit einem Zwischenraum dazwischen am
Ende des Kipphebelarms 16 gegenüber liegend dem Nocken 19
angeordnet, und beide Enden einer Welle 21 sind an den
Stützwandabschnitten 20 gehaltert. Ein kurzer,
zylinderförmiger äußerer Ring 23 ist um diese Welle 21
herum angeordnet und gelangt in Berührung mit der Welle 21
über Rollen 22, oder gelangt direkt in Berührung mit der
Welle 21. Die Außenumfangsoberfläche dieses äußeren Ringes
23 gerät in Berührung mit der Außenumfangsfläche des
Nockens 19, so daß sich bei Drehung des Nockens 19 der
äußere Ring 23 um die Welle 21 dreht.
Durch Verwendung dieser Art eines äußeren Ringes 23 wird
die Reibung zwischen dem Nocken 19 und den Teilen, die mit
ihm in Berührung kommen, von einer Gleitreibung zu einer
Rollreibung umgewandelt, wodurch der Brennstoffverbrauch
gesenkt wird.
Wenn diese Art einer Nockenstößelvorrichtung im
Ventilantriebsmechanismus eines Motors angebracht wird,
treten allerdings leicht Beschädigungen, wie beispielsweise
Pitting, auf der Außenumfangsfläche des Nockens 19 auf,
hervorgerufen durch die schwankende Belastung, die auf die
Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 durch die
Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 ausgeübt wird.
Wenn das Roll-/Gleitteil unter Bedingungen mit schlechter
Schmierung verwendet wird, gelangen nur die Enden sehr
kleiner Vorsprünge, die auf der Oberfläche des Teils
vorhanden sind, in direkte Berührung (metallische
Berührung) mit der Oberfläche der entsprechenden anderen
Teile, ohne daß dazwischen ein Ölfilm vorhanden ist. In
diesem Fall wird der Hauptteil der auf das Roll-/Gleitteil
ausgeübten Belastung durch die Last mit mehreren kleinen
Vorsprüngen getragen, die in Berührung mit den
gegenüberliegenden Teilen gelangen, so daß hohe
Spannungskonzentrationen zusammen mit Tangentialkräften auf
jeden kleinen Vorsprung ausgeübt werden.
Infolge der Spannungskonzentrationen und der
Tangentialkräfte treten kleine Risse auf der Oberfläche des
Roll-/Gleitteils auf, und mit fortschreitender
Rißausbildung tritt ein Abblättern auf.
Um die Reibung zu verringern, könnte die Oberfläche des
Roll-/Gleitteils härter ausgebildet werden, jedoch werden
bei Erhöhung der Härte in einem derartigen Ausmaß Risse
noch leichter durch die hohen Spannungskonzentrationen
hervorgerufen, was zum Abblättern führt.
Um die Lebensdauer der Oberfläche des Roll- und/oder
Gleitteils zu erhöhen, sind in der Vergangenheit zahlreiche
Erfindungen in bezug auf die Verbesserung der
Oberflächenbedingungen vorgeschlagen worden.
Aus der GB 2 244 103 A ist ein Wälzlager mit einer
Oberflächenhärte HV bekannt, die durch den prozentualen
Anteil restlichen Austenits festgelegt wird, der größer als
20 Vol-% sein soll, und vorzugsweise zwischen 25 Vol-% und 45
Vol-% liegen sollte. Das dort vorgeschlagene Wälzlager
besteht aus einer Stahllegierung mit darin enthaltenen
karbidbildenden Elementen, die aufgekohlt oder carbonitriert
und gehärtet wird. Wird mit γR der Anteil an restlichem
Austenit bezeichnet, so wird eine Härte HV in dem sich aus
folgender Formel ergebenden Bereich erzielt:
-4,7 * (γR Vol-%) + 920 HV -4,7 * (γR Vol-%) + 1020
also mit γR = 20 Vol-% bis 45 Vol-% eine Oberflächenhärte
zwischen HV 709 und HV 809 (für γR = 45 Vol-%) bzw. zwischen
HV 826 und Hv 926 (für γR = 20 Vol-%). In diesem Zusammenhang
wird angegeben, daß bei einer Oberflächenhärte unterhalb des
unteren Grenzwerts die Dauerfestigkeit und damit die
Lebensdauer abnimmt, dagegen eine Erhöhung der
Oberflächenhärte auf mehr als den oberen Grenzwert schwierig
ist.
Wie auf Seite 39 der Sonderausgabe "Roller Rocker Arm and
the Reduction of Friction" in der Zeitschrift "Automotive
Engineering", (Japan), Ausgabe vom Juli 1989, vorgeschlagen
wurde, besteht die Nockenwelle 15 einschließlich des
Nockens 19 aus einem sehr festen und harten Metallmaterial,
beispielsweise gehärtetem Gußeisen, abgeschrecktem
Gußeisen, gehärtetem Stahl, oder einer gesinterten
Legierung, die dem Pitting standhalten können.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. H1-30008
beschreibt eine Erfindung, die sich auf eine Lagerrolle
bezieht, die mit einer Rolloberflache versehen ist, deren
Oberflächenrauhigkeit Rmax zwischen 0,3 und 1,5 µm
liegt, und die mit Kratzern in statistisch angeordneten
Richtungen versehen ist, und deren Oberflächenschicht eine
Restspannung von 50 kg/mm² oder mehr aufweist.
Die japanischen ersten Patentveröffentlichungen Nr.
H3-117723 bis Nr. H3-117725 beschreiben eine Erfindung, die
sich auf die Ausbildung mehrerer Vertiefungen in
statistischer Weise auf der Rolloberfläche unter Verwendung
einer Trommelbearbeitung bezieht, wobei zusätzlich die
Härte der Oberflächenschicht größer ausgebildet ist als die
Innen- oder Gesamtkörperhärte, so daß eine verbleibende
Kompressionsspannung in der Oberflächenschicht auftritt.
Weiterhin beschreibt die japanische erste
Patentveröffentlichung Nr. H3-199716 ein Lager, bei welchem
die Oberfläche, die andere Teile berührt, unter Verwendung
eines Oberflächenhärtungsprozesses gehärtet ist, und bei
welchem die Tiefe des Spitzenwertes der restlichen
Kompressionsspannung gleich der Tiefe des Spitzenwertes der
Scherspannungsverteilung ist.
Weiterhin beschreibt die japanische erste
Patentveröffentlichung Nr. H4-54312 eine sich auf
Lagerteile beziehende Erfindung, wobei die restliche
Kompressionsspannung, die unter Einsatz eines
Kugelstrahlverfahrens gebildet wird, 100 kg/mm² oder mehr
auf der Oberfläche beträgt, wobei die Spannung 40 kg/mm²
oder mehr in einer Entfernung von 200 µm unterhalb der
Oberfläche beträgt.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. H2-17607
beschreibt ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei welchem
Schrotkugeln im Bereich von 40 bis 200 µm Größe und mit
einer Härte gleich oder größer der Härte des Produkts
vorgesehen sind, und die Schrotkugeln auf die Oberfläche
des Produkts mit einer Geschwindigkeit von 100 m/sek oder
gestrahlt werden, um so die Temperatur um die Oberfläche
herum auf oberhalb des As-Transformationspunkts zu erhöhen.
Bei diesen voranstellend genannten Erfindungen ist abhängig
von den Betriebsbedingungen eine hervorragende Lebensdauer
erzielbar. Werden diese Erfindungen jedoch bei den Roll-
und/oder Gleitteilen eingesetzt, die unter Bedingungen mit
schlechter Schmierung in einem Roll- und/oder Gleitkontakt
mit anderen Teilen verwendet werden, so ist es unmöglich,
eine ausreichende Lebensdauer zu erzielen.
Wenn beispielsweise diese Erfindungen bei einer
Nockenstößelvorrichtung eingesetzt werden, die einem
äußeren Ring in einer Roll- und/oder Gleitberührung mit der
Außenumfangsoberfläche des Nockens beim Lauf des Motors
hat, so kann ein Abblättern auftreten, was die Lebensdauer
des Stößels verringert.
Falls die Nockenwelle 15 einschließlich des Nockens 15 aus
einem sehr festen und harten Metallmaterial besteht,
beispielsweise aus dem abschreckgehärteten Gußeisen wie in
"Automotive Engineering", (Japan), wie voranstehend
beschrieben, so wird ein Abblättern auf der
Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes 23 in Berührung
mit dem Nocken 19 auftreten.
Insbesondere ist es schwierig, eine End- oder
Feinbearbeitung der Außenumfangsoberfläche des Nockens 19
durchzuführen, der aus einem harten Metallmaterial besteht,
beispielsweise aus abschreckgehärtetem Gußeisen, und
zahlreiche kleine Vorsprünge werden auf der
Außenumfangsoberfläche des Nockens 19 ausgebildet, wie in
Fig. 8 dargestellt, welche mit dem normalen industriellen
Oberflächenendbearbeitungsverfahren behandelt wurde. Die
Oberflächenrauhigkeit der Außenumfangsoberfläche ist
verhältnismäßig hoch, also etwa 0,4 µm Ra bis 0,8 µm
Ra.
Andererseits besteht der äußere Ring 23 aus Lagerstahl, der
härter ist als der Nocken 19, und wird gewöhnlich auf
seiner Oberfläche einer Superfinish-Bearbeitung unterzogen,
da der äußere Ring 19 eine einfachere Form aufweist und
einfacher zu behandeln ist als die Nockenwelle 15 mit den
Nocken 19.
Daher weist die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes
23 einen glatten Endzustand auf, der in Fig. 7 und Fig. 8
gezeigt ist, mit einer Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,05
µm Ra, so daß die Außenumfangsoberfläche des äußeren
Ringes 23 mit einer begrenzten Schmiermittelmenge 24
versehen ist, was zum Auftreten des Abblätterns führen
kann, wenn der äußere Ring 23 in einer
Nockenstößelvorrichtung angebracht ist und eine
Roll-/Gleitberührung mit der Außenumfangsoberfläche des
Nockens während des Laufes des Motors erfährt.
In OHC- und DOHC-Motoren ist dann, wenn der
Ventilantriebsmechanismus oben im Motor vorgesehen ist, die
Schmierölversorgung für den Ventilantriebsmechanismus
unzureichend, so daß beim Lauf des Motors der
Schmierungszustand sehr schwierig wird. Wenn bei einem
derartigen Zustand eine Roll- und/oder Gleitberührbeziehung
zwischen der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes zu
der Außenumfangsoberfläche des Nockens vorliegt, tritt
gewöhnlich ein Abblättern mit einer Tiefe von 5 bis 10
µm auf der Außenumfangsoberfläche auf, so daß die
Lebensdauer des äußeren Ringes verkürzt wird.
Bei der voranstehend erwähnten Technologie ist
festzustellen, daß bei der in der japanischen ersten
Patentveröffentlichung Nr. H4-54312 geschilderten Erfindung
bei schlechten Schmierungsbedingungen, unabhängig von dem
Reibungszustand, ein Abblättern nicht ausreichend
verhindert werden kann.
Weiterhin besteht bei der Erfindung, die in der japanischen
ersten Patentveröffentlichung Nr. H3-199716 beschrieben
ist, in der Hinsicht kein ernsthaftes Problem, wenn die
Reibung nur Rollreibung ist, jedoch kann bei einer
Gleitreibung ein Abblättern nicht ausreichend verhindert
werden.
Wenn bei den Erfindungen, die in den japanischen
Patentveröffentlichungen H1-30008 und H3-117723 bis
H3-117725 beschrieben sind, ein schlechter
Schmierungszustand vorliegt, und wenn schwierige
Betriebsbedingungen vorliegen, beispielsweise eine hohe
Kontaktbelastung, so kann wiederum ein Abblättern nicht
ausreichend verhindert werden.
Das Lagerteil gemäß der Patentveröffentlichung Nr. H2-17607
kann keine ausreichenden Anti-Abblätterungseigenschaften
zur Verfügung stellen, falls kein zusätzliches Verfahren
eingesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roll-/Gleitteil bzw. eine
Nockenstößelvorrichtung der eingangs genannten Art
vorzusehen, bei welchen
die voranstehend erwähnten Bedingungen berücksichtigt sind, und
bei welchen ein Abblättern ausreichend verhindert werden
kann, selbst bei schlechter Schmierung.
Die Aufgabe wird durch ein Roll-/Gleitteil gemäß Patentanspruch 1
bzw. eine Nockenstößelvorrichtung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer
Kugelstrahlvorrichtung, die zur Bewertung bei der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer
Belastbarkeitsprüfvorrichtung, die zur Bewertung
bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Beispiels für den
Ventilantriebsmechanismus eines Motors;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer Nockenstößelvorrichtung,
die in dem in Fig. 3 gezeigten
Ventilantriebsmechanismus angebracht ist;
Fig. 5 eine Ansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 im
Falle eines Rollenlagers;
Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 im
Falle eines Gleitlagers;
Fig. 7 eine Aufsicht auf Kratzer, die auf der
Außenumfangsoberfläche eines konventionellen
äußeren Ringes verbleiben; und
Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Abschnitts von Fig. 7 einschließlich der
zusammengehörigen Oberflächen des äußeren Ringes
und des Nockens.
Es ist möglich, ein Auftreten eines Abblätterns von 5 bis
10 µm bei dem Roll-/Gleitteil gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verhindern, und die Lebensdauer des Teils zu
erhöhen.
Da bei dieser Erfindung die Härte der Oberflächenschicht
zwischen HV 830 und HV 960 eingestellt ist, ist es möglich,
eine Rißbildung zu verhindern, welche die Ursache für das
Abblättern ist, wobei eine Reibung im wesentlichen
verhindert wird. Ist die Härte geringer als HV 830, so
treten keine Risse auf, jedoch wird die Reibung höher, und
wenn umgekehrt die Härte HV 960 übersteigt, so wird die
Reibung stark unterdrückt, jedoch tritt leichter eine
Rißbildung auf, und so wird in jedem der genannten beiden
Fälle die Lebensdauer des Roll-/Gleitteils verringert.
Wenn die maximale verbleibende Kompressionsspannung erhöht
wird, kann sogar verhindert werden, daß entstehende Risse
sich weiter ausbreiten, was in der Hinsicht sehr wichtig
ist, daß ein Abblättern infolge einer Rißbildung nicht
auftritt.
Wenn allerdings das Roll-/Gleitteil so bearbeitet wird, daß
die maximale verbleibende Kompressionsspannung auf seiner
Oberfläche 110 kg/mm² überschreitet, dann steigt die
Oberflächenhärte auf über HV 960 an. Daher ist die maximale
verleibende Kompressionsspannung auf bis zu 110 kg/mm²
begrenzt.
Wenn andererseits die maximale verbleibende
Kompressionsspannung niedriger ist als 50 kg/mm², so wird
die fortschreitende Ausbildung von Rissen nicht wirksam
verhindert. Daher muß die maximale verbleibende
Kompressionsspannung zumindest 50 kg/mm betragen.
Die Oberflächenrauhigkeit beeinflußt die Fähigkeit zur
Ausbildung eines Ölfilms zwischen der Oberfläche des
Roll-/Gleitteils und der Oberfläche der gegenüberliegenden
Teile. Je kleiner die Oberflachenteilung (Wellenlänge) ist,
desto einfacher ist es, einen Ölfilm auszubilden. Der
Erfinder hat experimentell herausgefunden, daß bei einer
Wellenlänge von 25 µm oder weniger die Fähigkeit zum
Ausbildung eines Ölfilms wesentlich verbessert wird. Daher
wird die durchschnittliche Rauhigkeitswellenlänge so
eingestellt, daß sie 25 µm oder weniger beträgt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die mittlere Wellenlänge λ
der Oberflächenrauhigkeit, gegeben durch
λ = 2π · R/Θ.
Hierbei ist R die durchschnittliche Rauhigkeit auf der
Oberfläche, und Θ ist der Durchschnitt des Absolutwertes
des Neigungswinkels der kleinen Vorsprünge auf der
Oberfläche. Die mittlere Wellenlänge λ ist erläutert in
"Exploring Surface Texture" von H. Dagnall, Rank Taylor Hobson,
Leicester, England (1980), S. 54-67 (S. 62).
Durch Verkürzung der mittlere Wellenlänge λ der
Oberflächenrauhigkeit wird die Fähigkeit erhöht, Schmieröl
in den Räumen zwischen den zahlreichen kleinen Vorsprüngen
auf der Oberfläche zu halten, und daher die Fähigkeit, den
Ölfilm zwischen dem Roll-/Gleitteil und den dazugehörigen
Teilen auszubilden, so daß ein Auftreten einer Rißbildung,
welche zum Abblättern führt, schwieriger wird.
Wenn eine große Menge ductilen Austenits in der
Mikrostruktur des Roll-/Gleitteils verbleibt, so kann
erwartet werden, daß eine Rißbildung verhindert wird. Wenn
jedoch die Menge restlichen Austenits in der Mikrostruktur
weniger als 7 Vol-% beträgt, so kann nicht erwartet werden,
daß dies zur Verhinderung einer Spaltbildung wirksam ist.
Auch um die maximale restliche Kompressionsspannung und die
Härte innerhalb der voranstehend angegebenen Bereiche zu
halten, ist es erforderlich, daß der Prozentsatz an
restlichem Austenit 7 Vol-% überschreitet.
Mit anderen Worten können die Werte der maximalen
restlichen Kompressionsspannung und der Härte der
Oberflächenschicht nicht die Obergrenzen überschreiten, im
einzelnen 110 kg/mm² bzw. HV 960, wenn die
Dekompositionsrate von Austenit in diesem Prozeß (der
Prozentsatz, zu welchem Austenit während des Prozesses
reduziert wird) auf 30% oder weniger gehalten wird.
Bevor die Oberfläche behandelt wird, beträgt der
Prozentsatz an Austenit in der Mikrostruktur in dem
Lagerstahl (SUJ2 und so weiter) etwa 11 Vol-%. Damit die
maximale restliche Kompressionsspannung und die Härte nicht
ihre Obergrenzen überschreiten, ist es daher erforderlich,
daß der Prozentsatz an Austenit nach der Behandlung 7 Vol-%
übersteigt. Wenn der Kugelstrahlvorgang zu schwach ist, so
liegen die maximale restliche Kompressionsspannung und die
Härte unter ihren Untergrenzen, nämlich unter 50 kg/mm 2
bzw. unter HV 830.
Der äußere Ring gelangt in Berührung entlang seiner
Außenumfangsoberfläche mit dem Nocken 19, und entlang
seiner Innenumfangsoberfläche mit der Welle 21 oder der
Rolle 22, und wenn die Gesamtoberflächen des äußeren Ringes
so behandelt werden, daß sie die voranstehend erwähnten
Eigenschaften zeigen, so wird das Auftreten eines
Abblätterns auf der Außenumfangsoberfläche des Nockens 19
und der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes
verhindert, jedoch ist die Rolloberfläche der Rolle 22,
welche infolge einer Super-Finish-Bearbeitung eine glatte
Oberfläche aufweist, sehr stark empfindlich in bezug auf
ein Abblättern, und auf der Außenumfangsoberfläche der
Welle tritt leicht ein Abrieb auf. Dies wird durch eine
Super-Finish-Bearbeitung auf der Innenoberfläche des
äußeren Ringes erzielt.
Wenn der Ölfilmparameter Λ durch h/6 gegeben ist,
wobei "h" die Dicke des Ölfilms ist, und "6" die
Rauhigkeit, so ist der Ölfilmparameter zwischen der
Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes und der
Außenumfangsoberfläche der Rolle oder Welle ausreichend
groß, die beide einer Super-Finish-Behandlung unterzogen
wurden. Daher erfolgt eine ausreichende Schmierung zwischen
der Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes und der
Außenumfangsoberfläche der Rolle oder Welle, um so ein
Abblättern auf der Rolloberfläche der Rolle und einen
Abrieb auf der Außenumfangsoberfläche der Welle zu
verhindern. Daher wird die Lebensdauer der gesamten
Nockenstößelvorrichtung mit dein dort angebrachten äußeren
Ring vergrößert.
Zur Bestätigung für die vorliegende Erfindung wird eine
Ausführungsform des Verfahrens zum Behandeln der Oberfläche
des Roll-/Gleitteils, insbesondere des äußeren Ringes,
gemäß der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben,
mit Versuchsergebnissen.
Bei der Durchführung von Versuchen wurden, wie in Tabelle 1
gezeigt, vier Arten von Versuchsproben gemäß der Erfindung
hergestellt, und acht Proben für Vergleichszwecke, so daß
insgesamt zwölf Versuchsproben erhalten wurden. Sämtliche
Versuchsproben bestanden aus Lagerstahl (SUJ2).
Vor der gewünschten Oberflächenbehandlung wurden sie
sämtlich normal abgeschreckt, insbesondere in Öl
abgeschreckt, nach Erhitzung auf eine Temperatur zwischen
800 und 850°C, und wurden bei einer Temperatur zwischen 150
und 200°C getempert. Die Versuchsstücke wiesen einen
Außendurchmesser von 20 mm auf, einen Innendurchmesser von
13 min, und eine Dicke von 8 in, in Form eines kurzen
Zylinders.
Das Versuchsstück Nr. 1 fuhr Vergleichszwecke wurde einfach
dadurch poliert, daß ein Poliertuch eingesetzt wurde, und
die Oberfläche wurde keiner Kugelstrahlbehandlung zum
Härten unterzogen. Sämtliche anderen elf Versuchsstücke,
Nr. 2 bis Nr. 12, erfuhren dieselbe Kugelstrahlbehandlung,
wie in der japanischen ersten Patentveröffentlichung Nr.
H4-54312 beschrieben, unter Verwendung einer
Kugelstrahlvorrichtung gemäß Fig. 1, um die Oberfläche zu
härten und eine hohe restliche Kompressionsspannung in der
Oberflächenschicht zu erzeugen.
Nunmehr wird der Aufbau und der Betrieb der in Fig. 1
gezeigten Kugelstrahlvorrichtung kurz beschrieben. Zuerst
werden die sehr kleinen Schrotkügelchen 3 von der Schütte 1
in den Drucktank 2 eingegeben, und werden dann in den
Mischer 5 durch die Druckluft gedrückt, die in den
Drucktank 2 von dem Luftzufuhrrohr 4 aus hineinfließt. Dann
werden sie zur Düse 7 durch die Druckluft gedrückt, die in
den Mischer 5 von dem Verzweigungsrohr 6 hineinfließt, und
dann werden sie unter Druck aus der Düse 7 auf die
Oberfläche ausgestoßen, die behandelt werden soll. Dies
führt dazu, daß die bearbeitete Oberfläche gehärtet wird,
so daß eine verbleibende Kompressionsspannung auf der
behandelten Oberfläche erzeugt wird, mit sehr kleinen
Vertiefungen, die auf der Oberfläche gebildet werden.
Der Schrot 3, der für alle Versuchsstücke Nr. 2 bis Nr. 12
verwendet wurde, bestand aus Stahlkugeln mit einem
Durchschnittsdurchmesser von 0,03 bis 0,7 mm, und einer
mittleren Härte von HRC 61. Die
Projektionsgeschwindigkeit für den Schrot 3 (die
Anfangsgeschwindigkeit des aus der Düse 7 herausgeblasenen
Schrots 3) betrug 32 bis 120 m/sek (durchschnittliche
Projektionsgeschwindigkeit: 80 m/sek). Die
Projektionsgeschwindigkeit wurde durch Schließen oder
Öffnen des Einstellventils 8 eingestellt, welches in der
Mitte des Verzweigungsrohrs 6 angeordnet war. Die
verbleibende Kompressionsspannung, die auf der Oberfläche
jedes der Versuchskörper Nr. 2 bis Nr. 12 gebildet wurde,
wurde durch Einstellung dieser Projektionsgeschwindigkeit
eingestellt.
Für die Versuchsstücke Nr. 9 bis Nr. 12, die gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, erfolgte nach der
Kugelstrahlbehandlung mit dem Stahlkugelschrot eine zweite
Kugelstrahlbehandlung unter Verwendung eines Schrots,
beispielsweise Glaskugeln oder Keramikkugeln, der leichter
als der Stahlkugelschrot war. Die bei diesem zweiten
Kugelstrahlvorgang verwendeten Schrotkugeln wiesen einen
mittleren Durchmesser von 0,05 mm auf.
Der zweite Kugelstrahlvorgang unter Verwendung leichteren
Schrots wurde zu dem Zwecke durchgeführt, um die Rauhigkeit
der Oberfläche zu ändern (um die Oberfläche aufzurauhen und
die mittlere Wellenlänge zu verkürzen), und zwar ohne
Änderung der Härte und der restlichen Kompressionsspannung
der Oberflächenschicht.
Die Kugelstrahlbehandlung wurde bei acht Proben zum selben
Zeitpunkt durchgeführt, so daß die im wesentlichen gleichen
acht Proben zur Messung der Härte der Oberflächenschicht
vorbereitet wurden, der restlichen Spannung in der
Oberflächenschicht, der Menge an Austenit, die in der
Oberflächenschicht verbleibt, bzw. der mittleren
Wellenlänge der Oberflächenrauhigkeit.
Dann wurde ein Belastbarkeitsversuch bei den insgesamt 96
Versuchsproben durchgeführt, und zwar acht für die
Versuchsstücke Nr. 1 bis Nr. 12, unter der Verwendung der
in Fig. 2 gezeigten Versuchsausrüstung.
Ein Paar gegenüberliegender Ringe 10 wurde mit einem
Zwischenraum dazwischen an zwei Orten auf der Drehwelle 9
angebracht, die von dem Motor angetrieben wird. Ein Paar
von Halteteilen 12, die auf einer Seite der Druckplatte 11
vorgesehen waren, wurde getrennt, so daß sie zu den Ringen
10 ausgerichtet waren. Ein Versuchskörper 13 wurde drehbar
durch jedes dieser Halteteile gehaltert, so daß die
Außenumfangsoberfläche der Versuchskörper in Berührung mit
der Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10
gelangte. Als Ergebnis dieser Konstruktion drehten sich die
Versuchsstücke 13, wenn sich die Drehwelle 9 drehte. Der
Belastbarkeitsversuch wurde dann gleichzeitig bei zwei
Versuchskörpern 13 durchgeführt, unter Verwendung der in
Fig. 2 gezeigten Versuchsausrüstung.
Die Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 9 wurde so
eingestellt, daß die Drehzahl der Versuchskörper 13
5100 U/min betrug. Eine Druckkraft von 356 kg wurde auf die
Druckplatte 11 in der Richtung der Drehwelle 9 ausgeübt.
Daher wurde eine Ringiallast von 178 kg an jeden der
Versuchskörper 13 angelegt, und zwar an dem Punkt, an
welchem die Außenumfangsoberfläche der Versuchskörper die
Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10
berührte. Vor Durchführung des Versuches wies die
Außenumfangsoberfläche der gegenüberliegenden Ringe 10 eine
mittlere Oberflächen-Härte von HRC 60 bis 61 auf, und die
mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra betrug 0,38 bis 0,45.
Weiterhin wurde eine Schmierung des Berührungspunktes durch
Besprühen mit Mineralöl (10 W-30) durchgeführt.
Der Versuch wurde vierhundert Stunden lang durchgeführt,
und wurde während des Versuches mehrere Male angehalten (am
Anfang bei 20 Stunden, 50 Stunden und 100 Stunden nach dem
Stark, und daraufhin alle 50 Stunden später), um die
Oberfläche jedes Versuchskörpers 13 zu betrachten und auf
Abblättern zu überprüfen. Wurde das Auftreten eine
Abblätterung festgestellt, so wurde der Versuch in diesem
Moment unterbrochen, so daß für diese Versuchskörper 13 der
Belastbarkeitsversuch beendet war. Die Versuchsergebnisse
sind in der Abblätterungsbewertungsspalte von Tabelle 1
angegeben. Die Bewertung fand folgendermaßen statt: Wurden
alle acht Versuchskörper 400 Stunden lang geprüft, ohne daß
eine Abblätterung auftrat, so wurde das Symbol des
Doppelkreises verwendet, falls eine Abblätterung in ein bis
drei von acht Versuchskörpern auftrat, so wurde das
Kreissymbol aufgezeichnet, wenn eine Abblätterung bei vier
bis sieben der acht Proben auftrat, dann wurde das
Dreiecksymbol aufgezeichnet, und wenn sämtliche acht Proben
eine Abblätterung zeigten, so wurde das Symbol ×
aufgezeichnet.
Wie deutlich aus der Tabelle 1 hervorgeht, welche die
Ergebnisse des Belastbarkeitsversuchs zeigt, wurde bei den
Roll-/Gleitteilen gemäß der Erfindung eine Abblätterung
ausreichend verhindert, selbst bei schlechten
Schmierbedingungen.
Bezüglich Tabelle 1 wird darauf hingewiesen, daß sämtliche
Proben Nr. 9 bis Nr. 12 die numerischen Werte innerhalb der
erfindungsgemäßen Grenzen zeigen, und zwar gemäß der
vorliegenden Erfindung bezüglich der Härte, der
Restspannung, des restlichen Austenits und der
durchschnittlichen Wellenlänge, daß jedoch die
Vergleichsproben zumindest einen numerischen Wert außerhalb
der erfindungsgemäßen Grenzen aufweisen. Bezüglich der
maximalen verbleibenden Oberflächenspannung zeigen die mit
plus-markierten Werte eine restliche Zugspannung an, und
die negativ markierten Werte eine restliche
Kompressionsspannung.
Die Innenumfangsoberfläche der Proben Nr. 1 und Nr. 9 bis
Nr. 12 wurde einer Super-Finish-Behandlung nach dem
Kugelstrahlen unterzogen, wogegen die
Innenumfangsoberfläche der Proben Nr. 2 bis Nr. 8 nur durch
Kugelstrahlen behandelt wurde.
Andererseits erfolgte die Bewertung der Rolloberfläche der
Rolle wie nachstehend angegeben:
Falls ein Abblättern in zumindest einer Probe auftrat, so wurde das Symbol x aufgezeichnet, und falls keine Abschälung in sämtlichen Proben nach Ablauf von 400 Stunden aufgetreten war, so wurde das Doppelkreissymbol aufgezeichnet.
Falls ein Abblättern in zumindest einer Probe auftrat, so wurde das Symbol x aufgezeichnet, und falls keine Abschälung in sämtlichen Proben nach Ablauf von 400 Stunden aufgetreten war, so wurde das Doppelkreissymbol aufgezeichnet.
Zusätzlich weist die Rolle in Berührung mit der
Innenumfangsoberfläche des äußeren Ringes ausreichend gute
Anti-Abblätterungseigenschaften auf ihrer Rolloberfläche
auf, verbunden mit Anti-Abriebeigenschaften auf der
Außenumfangsoberfläche der Welle.
Das Roll-/Gleitteil gemäß der vorliegenden Erfindung
widerstand einer Abblätterung, selbst unter schlechten
Schmierbedingungen, und hierdurch wird es möglich, diese
Teile zur Verbesserung der Lebensdauer der mechanischen
Anordnungen einzusetzen, in welchen sie verwendet werden.
Daher lassen sie sich in der Industrie wirksam einsetzen.
Unter Verwendung dieser Teile kann beispielsweise der
Zeitraum zwischen Wartungsinspektionen von Geräten
vergrößert werden, was zu geringeren Wartungsanforderungen
für diese Geräte führt.
Bei dem äußeren Ring für einen Nockenstößel eines
Ventilantriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung,
welcher auf die voranstehend beschriebene Weise hergestellt
wird, ist die Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes
verfestigt, und die Oberflächenrauhigkeit ist so
ausgebildet, daß auf ihr einfach ein Ölfilm ausgebildet
werden kann, wodurch das Auftreten eines Abblätterns auf
der Außenumfangsoberfläche des äußeren Ringes verhindert
wird. Da die Innenumfangsoberfläche eine
Super-Finish-Bearbeitung erfahren hat, ist die Rauhigkeit
sehr gering, und der Ölfilmparameter zwischen der
Innenumfangsoberfläche und der Rolloberfläche der mit
Super-Finish behandelten Rollen oder der
Außenumfangsoberfläche der Welle ist sehr groß, und daher
läßt sich eine längere Lebensdauer der Welle und der Rollen
erwarten. Weiterhin wird die Lebensdauer der gesamten
Nockenstößelvorrichtung erhöht, die mit einem äußeren Ring
versehen ist.
Claims (2)
1. Roll-/Gleitteil zur Verwendung bei zumindest entweder
Roll- und/oder Gleitberührung mit anderen Teilen, mit
einer Oberfläche, die eine mittlere Wellenlänge λ der
Oberflächenrauhigkeit von X kleiner gleich 25 µm
aufweist, mit einer durch Kugelstrahlen verfestigten
Oberflächenschicht, die in der Tiefe von 0 bis 50 µm
unterhalb der Oberfläche eine verbleibende
Kompressionsspannung von 50 bis 110 kg/mm² aufweist,
eine Härte von HV 830 bis HV 960, und eine Mikrostruktur
mit restlichem Austenit von mehr als 7 Vol-%.
2. Nockenstößelvorrichtung für Motoren, mit einer Welle
(21) und einem äußeren Ring (22), welcher drehbar auf
der Welle (21) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der äußere Ring (22) eine Oberfläche mit einer mittleren
Wellenlänge λ der Oberflächenrauhigkeit von λ kleiner
gleich 25 um aufweist, mit einer durch Kugelstrahlen
verfestigten Oberflächenschicht, die in der Tiefe von 0
bis 50 µm unter der Oberfläche eine verbleibende
Kompressionsspannung von 50 bis 110 kg/mm² aufweist,
eine Härte von HV 830 bis HV 960, und eine Mikrostruktur
mit restlichem Austenit von mehr als 7 Vol-%; und daß
die Oberfläche des äußeren Ringes (22) einen
Superfinish-(feinziehgeschliffenen) Abschnitt auf einer
Seite, der Welle (21) gegenüberliegend, aufweist.
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