DE4431697C1 - Lagerbock für Kipphebelachsen einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lagerbock für Kipphebelachsen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bezüglich des Lagerbockes und dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 6 bezüglich des Herstellungsverfahrens.

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen führen mehrere verschiedene Kriterien zu einer Leistungsgrenze des Mo­ tors. Diese ist unter anderem bei einer für jeden Motor spezifi­ schen maximalen Drehzahl der Nockenwelle(n) erreicht, ab welcher eine Unterbrechung des Kraftflusses zwischen dem bzw. den Nocken der Nockenwelle(n), den Kipphebel(n) und den Gaswechselventilen eintritt. Ein Grund ist, daß bei hohen Drehzahlen die Beanspru­ chung für die jeweilige Kipphebelachse in ihrem Lager durch die Nockenbeaufschlagung so groß wird, daß die Achse "weich" wird, d. h. gegenüber der Beanspruchung nachgibt, worauf die Gaswech­ selventile mangels Kraftfluß zwischen dem Kipphebel und dem Nocken der Nockenwelle nicht mehr betätigt werden können. Der Widerstand, den der Kipphebel der Nockenbeaufschlagung entgegen­ bringen kann, ist dabei im wesentlichen vom Passungsspiel der Kipphebelachse innerhalb der Aufnahmebohrung ihres Lagerbockes begrenzt. Dieses ist bei herkömmlichen Lagerböcken jedoch eine Grundvoraussetzung zum Einstecken der Kipphebelachse in die Aufnahmebohrung. Hinsichtlich des Wertes der maximalen Drehzahl ist somit die Steifigkeit der Kipphebelachse im Kipphebellager mitentscheidend, wobei die maximale Drehzahl um so höher ist, je größer die Steifigkeit der Kipphebelachse bzw. je geringer ihre Durchbiegung im Kipphebellager ist. Eine denkbare Möglichkeit, das Spiel zu reduzieren und damit eine verbesserte Anpressung der Achse am Lager zu erhalten, besteht in einer Kältebehandlung der Achse vor dem Einstecken in die Aufnahmebohrung, wobei nun der Außenumfang der Achse mit dem Innenumfang des Lagers bei Normaltemperatur übereinstimmen kann. Jedoch ist diese Möglich­ keit fertigungstechnisch mit sehr hohem Aufwand verbunden, nicht zuletzt dadurch, daß der Einsteckvorgang mit hoher Geschwindig­ keit aufgrund der Erwärmung der Achse auf Normaltemperatur von­ statten gehen muß, wobei die Kipphebel zwischen den Lagern exakt positioniert sein müssen, um aufgefädelt werden zu können.

Ein Lagerbock der gattungsgemäßen Bauart bzw. ein gattungsgemä­ ßes Verfahren zu dessen Herstellung ist aus der US 3,527,263 be­ kannt. Dort wird ein Lagerbock für Ventilschäfte mit Lagermit­ teln für eine Einspritzdüse gezeigt, dessen Materialquerschnitt von der Aufnahmebohrung für die Kipphebelachse aus bis zu dem nächstgelegenen Rand des Lagerbockes in etwa höhengleich mit der quer zu einer Schraubendurchgangsbohrung verlaufenden Mittelebe­ ne der Aufnahmebohrung in Gestalt eines Schlitzes durchgehend unterbrochen ist. Im Lagerbock ist auf Seiten des den Lagerbock randseitig in einen oberen und einen unteren Teil trennenden Schlitzes eine diesen quer durchsetzende Schraubenpfeife vorge­ sehen, in welcher eine Schraube eingeschraubt ist, mittels wel­ cher der obere Teil mit dem unteren Teil des Lagerbockes ver­ schraubt wird. Dabei stellt sich ein Verklemmungseffekt auf die Achse des Kipphebels ein, welche dadurch erheblich versteift wird. Nachteilig ist jedoch, daß das Material des Lagerbockes beim Verschrauben nicht definiert verpreßt wird, wobei die Kipp­ hebelachse vom Schlitz weg an die diesem gegenüberliegende Wan­ dung der Aufnahmebohrung der Achse gedrückt wird. Durch die un­ runde Pressungsverteilung auf die Achse ergibt sich ein Ver­ schleiß des Lagerbockmaterials infolge Überbeanspruchung durch Druckspitzen an der Stelle der vom Schlitz unterbrochenen Wan­ dung und der ihr gegenüberliegenden Wandung der Aufnahmebohrung. Die stabile Lagerung der Achse wird dadurch aufgehoben und die kurzfristig erreichte höhere Steifigkeit der Achse nimmt wieder ab. In einigen Fällen führt der Verschleiß schließlich zu einem Bruch des zum Material der Achse vergleichsweise weichen Lager­ bockes. Desweiteren bewegt sich der Schlitz durch Erwärmung im Betrieb des Motors bzw. Abkühlung bei Motorstillstand. Durch die dabei entstehende thermische Wechselbelastung lockert sich mit der Zeit die verklemmende Schraube, so daß ein gesicherter Halt für die Kipphebelachse und die durch die Verklemmung erworbene höhere Steifigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Darüber hinaus ergibt sich beim Anziehen der Schraube ein schräg verlaufender Schlitz, wodurch auch die Schraube schräg gezogen wird. Dies führt zu einem gestörten Schraubenverband, der aufgrund von mo­ torisch bedingten Vibrationen und der einseitigen Belastung der Schraube durch die über die Kipphebelachse auf die Schraube wir­ kenden Kräfte eine zusätzliche Lockerung der Schraube zuläßt. Schließlich ist die Ausbildung eines derartigen Schlitzes und dessen Bearbeitung fertigungstechnisch aufwendig und zeitinten­ siv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Lagerbock dahingehend weiterzubilden bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine dauerhafte Erhöhung der Steifigkeit der Kipphebelachse gegenüber den über einen Nocken einer Nockenwelle auf sie übertragenen mechanischen Beanspruchungen unter Gewährleistung einer permanent sicheren, stabilen Lagerung der Kipphebelachse in einfacher Weise erreicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 bezüglich des Lagerbockes und durch die im Patentanspruch 6 be­ züglich des Verfahrens angegebenen kennzeichnenden Merkmale ge­ löst.

Dank der Erfindung, bei der die Aufnahmebohrung zum nächstgele­ genen Rand hin einseitig bruchgetrennt wird, wird diese durch Bildung eines Bruchspaltes elastisch aufgeweitet. Somit kann die Kipphe­ belachse fertigungstechnisch mit einem Durchmesser ausgeführt werden, der bezüglich des Durchmessers ihrer Aufnahmebohrung na­ hezu gleich groß, gleich groß oder sogar größer ist, und kann trotzdem in diese in einfacher Weise eingesteckt werden. Dadurch brauchen gleichzeitig Fertigungstoleranzen der Aufnahmebohrung und der Achse beim Zusammenbau bezüglich einem Übermaß des Ach­ senumfanges nicht berücksichtigt zu werden. Bei der Herstellung der im Durchmesser größer gefertigten Kipphebelachsen kann somit auch auf eine hohe Präzision hinsichtlich ihres Durchmessers verzichtet werden, wodurch - auch aufgrund der damit einherge­ henden einfacheren und billigeren Ausführung der Werkzeuge - Fertigungskosten eingespart werden können. Das Unterbrechen des Materialquerschnittes durch das Bruchtrennen ist im übrigen mit nur geringem Fertigungsaufwand verbunden, wobei die Bruchflächen nicht bearbeitet werden müssen. Dabei werden in die Aufnahmeboh­ rung lediglich zwei halbzylindrische Körper eingeschoben, deren Teilungsfläche in der quer zur Schraubenpfeife sich erstrecken­ den Mittelebene der Aufnahmebohrung verläuft. Anschließend wird ein Keil axial eingetrieben, der in der Mittelebene exzentrisch auf Seiten der Schraubenpfeife an den Halbzylinderkörpern an­ setzt, wodurch die Aufnahmebohrung einseitig auseinanderge­ spreizt wird und aufbricht. Die durch das Bruchtrennen erzeugten ge­ genüberliegenden Bruchflächen werden derart über die diese durchsetzende Schraubenpfeife verschraubt, daß sich für die Ach­ se eine leichte Preßpassung, also eine spielfreie Aufnahme in der Aufnahmebohrung, ergibt. Dabei stellt sich durch das Schlie­ ßen des praktisch nicht auseinanderklaffenden Bruchspaltes und die dabei belassene Einstückigkeit des Lagerbockkörpers in die­ sem Bereich eine runde Pressungsverteilung auf die Achse ein. Insgesamt ist somit durch die Erfindung eine dauerhaft sichere Klemmung der Kipphebelachse in der Aufnahmebohrung gewährlei­ stet, mit der Möglichkeit, eine über die Verschraubung hohe Preßkraft auf die Achse auszuüben. Die Steifigkeit der Kipphe­ belachse gegenüber den über einen Nocken einer Nockenwelle auf sie übertragenen, mechanischen dynamischen Beanspruchungen wird dabei ganz erheblich erhöht und gleichzeitig ihre Lagestabilität in der Aufnahmebohrung vergrößert. Aufgrund der Erhöhung der Steifigkeit der Kipphebelachse können höhere maximale Drehzahlen und damit höhere Motorleistungen erzielt werden. Durch die Qua­ si-Einstückigkeit des Bereiches der verschraubten Bruchflächen, deren formentsprechenden Konturen sich beim verschrauben inein­ anderfügen, ergibt sich zudem ein material-einheitlicher und we­ nig gestörter Kraftfluß im druckbeanspruchten Bereich um die Schraubenpfeife herum, wobei die Schraube - da sie nicht schräg gezogen ist - nicht mehr einseitig wie bei gattungsgemäßen ge­ schlitzten Materialquerschnittunterbrechung sondern gleichmäßig belastet wird. Dadurch wird die Lockerungsgefahr der Verschrau­ bung aufgrund dynamischer Beanspruchung nahezu ausgeschlossen, auch gegenüber einer denkbaren Alternative mit - anstelle der Bruchflächen - quer geschlitzter Ausführung mit eingefügtem Ein­ legestück.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 im Querschnitt den erfindungsgemäßen Lagerbock mit zwei Aufnahmebohrungen in nicht bruchgetrenntem Zustand für jeweils eine Kipp­ hebelachse,

Fig. 2 den Lagerbock aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung ent­ lang der Linie II-II,

Fig. 3 im Querschnitt den Lagerbock aus Fig. 1 in montierter Lage am Zylinderkopf, mit zwei Kipphebelachsen in bruchgetrennten Aufnahmebohrungen und einer Nockenwelle,

Fig. 4 in einer frontalen Ansicht Werkzeuge zum Bruchtrennen der Auf­ nahmebohrungen aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Lagerbock 1 für die Lagerung von Kipphebelach­ sen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dargestellt, der aus Gewichtsgründen für das Gesamtgewicht der Brennkraftma­ schine aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt ist.

Im Lagerbock 1 sind in Stehlage höhengleich zwei parallel zuein­ ander verlaufende durch den Körper des Lagerbockes 1 hindurchge­ hende Aufnahmebohrungen 2, 3 ausgebildet, die spiegelsymmetrisch zur in Längsrichtung verlaufenden vertikalen Mittelebene des La­ gerbockes 1 mit Abstand zueinander und in Randnähe des Lager­ bockes 1 angeordnet sind.

In der dem jeweils nächstliegenden Rand 4, 5 des Lagerbockes 1 abgewandten Bohrungswandung 6, 7 der Aufnahmebohrungen 2, 3 ist in Höhe der durch diese durchgehende horizontalen Mittelebene eine entlang der jeweiligen Aufnahmebohrung 2, 3 verlaufende V-förmige Kerbe 8 mit einem Neigungswinkel zur Mittelebene von etwa 30° ausgebildet. Die in der Fig. 2 verdeutlichte Kerbe 8 kann dabei schon vorgegossen sein oder später durch spanabhebende Bearbei­ tung wie beispielsweise durch Räumen in die Wandung 6, 7 eingear­ beitet sein. Der Körper des Lagerbockes 1 weist weiterhin eine der Kerbe 8 gegenüberliegende und parallel zu dieser verlaufen­ de, vom Rand 4, 5 aus eingearbeitete Rille 9 auf. Die Rille 9, die ebenfalls vorgegossen sein kann, und die Kerbe 8 stellen Ma­ terialschwächungen des Lagerbockes 1 dar, die das spätere Bruchtrennen des zwischen der Aufnahmebohrung 2, 3 und dem Rand 4, 5 liegenden Materialquerschnittes erleichtern sollen. Die Kerbe 8 hat durch ihre Ausbildung dabei zusätzlich die Funktion einer definierten gerichteten Riß- bzw. Bruchausbildung dieses Quer­ schnittes.

Auf Seiten des bruchzutrennenden Materialquerschnittes erstreckt sich vertikal durch den Lagerbockkörper hindurch jeweils eine Schraubenpfeife 10, die die Aufnahmebohrung 2, 3 anschneidet. Über die Schraubenpfeife 10 werden mittels Schrauben 11 die späteren Bruchflächen 26, 27 des Materialquerschnittes ver­ schraubt. Die Schraubenpfeife 10, die hier identisch mit einer Schraubendurchgangsbohrung zum Verschrauben der Lagerbockes 1 an einer Anschraubfläche 12 eines Zylinderkopfes 13 (Fig. 3) ist, kann auch von dieser gesondert vorgesehen sein und muß lediglich von der Oberseite 14 des Lagerbockes 1 aus die Bruchflächen 26, 27 des Materialquerschnittes durchsetzen. Das Zusammenfallen der Schraubenpfeife 10 mit der Schraubendurchgangsbohrung spart Bauraum im Lagerbock 1, führt zu einer geringeren Teilevielfalt für die Kipphebelachsenlagerung und vereinfacht den Zusammenbau des Lagerbockes 1.

An der Oberseite 14 des Lagerbockes 1 ist in Verlängerung der vertikalen Mittelebene durch die Aufnahmebohrung 2, 3 parallel zu dieser verlaufend eine gut ausgerundete Materialschwächung in Form einer U-förmigen Nut 15 angebracht. Die von der Ausbildung der Nut 15 erzeugte Materialschwächung des Lagerbockkörpers bil­ det dabei zwischen dessen oberen Eckbereich 16, der von der Auf­ nahmebohrung 2, 3 und den durch die Nut 15, die Kerbe 8 und Rille 9 geschaffene Materialschwächungen des Lagerbockkörpers begrenzt ist, und dem übrigen Teil des Körpers ein elastisches Gelenk 17.

An der Unterseite 18 des Lagerbockes 1 ist desweiteren eine halbzylindrische parallel zu den Aufnahmebohrungen 2, 3 verlau­ fende Ausnehmung 19 ausgebildet, deren vertikale Mittelebene mit der vertikalen Mittelebene des Lagerbockes 1 zusammenfällt.

Zum Bruchtrennen der Aufnahmebohrungen 2, 3 werden in diese jeweils ein Paar von Halbzylinderkörpern 20, 21 (Fig. 4) mit in der quer zur Schraubenpfeife 10 verlaufenden Mittelebene der Aufnahmeboh­ rung 2, 3 liegender Teilungsfläche 22 eingeschoben. Durch axiales Eintreiben eines in der Mittelebene exzentrisch auf Seiten der Schraubenpfeife 10 an den Körpern 20, 21 ansetzenden Keiles 23, der als konischer Stab ausgebildet sein kann, werden diese aus­ einandergespreizt. Das Eintreiben kann mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Aufgrund der dabei auf die Wandungen 6, 7 der Aufnahmebohrungen 2, 3 wirkenden Druckkräfte werden diese an der Stelle des geringsten Widerstandes, d. h. also an der Stelle 24 der von der Kerbe 8 und der Rille 9 erzielten Material­ schwächung aufgebrochen, wobei durch den V-förmigen Verlauf der Kerbe 8 eine Vorzugsrichtung der Riß- bzw. Bruchausbildung erreicht wird. Die Nut 15 erleichtert hierbei das Aufbrechen des Materialquerschnittes aufgrund des durch sie gelenkig ausgebil­ deten Eckbereiches 16 des Lagerbockkörpers.

Die Unterbrechung des Materialquerschnittes des Lagerbockes 1 bildet sich von der Kerbe 8 aus durchgehend bis zu dessen nächstgelegenem Rand 4, 5 in etwa höhengleich mit der quer zur Schraubenpfeife 10 verlaufenden Mittelebene der Aufnahmebohrung 2, 3 aus. Der dabei entstehende Bruchspalt weist eine Breite von etwa 5/100 mm bis 1/10 mm auf.

Danach, wie es auch im fertigmontierten Zustand des Lagerbockes 1 aus der Fig. 3 ersichtlich ist, werden die Kipphebelachsen 25 in die so aufgeweiteten Aufnahmebohrungen 2, 3 eingesteckt. Die Kipphebelachsen 25 sind aus Gründen einer höheren Steifigkeit und niederen Verschleißes bei dynamischer Beanspruchung aus Stahl gefertigt.

Nach dem Einstecken werden die Bruchflächen 26, 27 des unterbro­ chenen Materialquerschnittes durch die in die Schraubenpfeifen 10 eingeschraubten Schrauben 11 miteinander verschraubt. Durch die Verschraubung wird der Lagerbockkörper an der Kipphebelachse 25 angepreßt, was durch die Ausbildung des Gelenkes 17 wesent­ lich vereinfacht wird und mit wesentlich geringeren Anziehkräf­ ten ausführbar ist, wobei die Anziehkraft der Schraube 11 so be­ messen ist, daß keine Verformung des Leichtmetallmaterials des Lagerbockkörpers an der Stahlkipphebelachse 25 beim Anpressen an diese auftritt. Durch das Anpressen wird nicht nur eine radiale Drehung der Achse 25 sondern auch eine mögliche axiale Verschie­ bung in der Aufnahmebohrung 2, 3 verhindert.

Im Einschneidungsbereich 28 der Schraubenpfeife 10 in der Auf­ nahmebohrung 2, 3 besitzt die eingesteckte Kipphebelachse 25 eine über diesen Bereich 28 verlaufende Abflachung 29, so daß die Kipphebelachse 25 durch die den Einschneidungsbereich 28 bei der Verschraubung durchsetzende und dabei für die Abflachung 29 ei­ nen Anschlag bildende Schraube 11 zusätzlich zur Anpressung ar­ retiert wird. Gleichzeitig verschraubt die Schraube 11 den La­ gerbock 1 an der Anschraubfläche 12, auf die sie vertikal gerichtet ist, mit dem Zylinderkopf 13.

In die Ausnehmung 19 des Lagerbockkörpers wird vor der Ver­ schraubung mit dem Zylinderkopf 13, der beispielsweise aus Grau­ guß oder einem Stahl besteht, eine Lagerschale 30 aus einem La­ germetall eingesetzt. Im Zylinderkopf 13 ist dabei spiegelver­ kehrt zur Ausnehmung 19 eine Ausnehmung 31 mit einer eingesetz­ ten entsprechenden Lagerschale 32 ausgebildet. Die beiden Aus­ nehmungen 19 und 31 bilden in Montagelage des Lagerbockes 1 mit ihren Lagerschalen 30 und 32 ein Nockenwellenlager, wobei der Lagerbock 1 für die Kipphebelachse zugleich einen Lagerdeckel für das Nockenwellenlager bildet. Dadurch, daß der Lagerbock 1 schon einen Teil des Nockenwellenlagers bildet, indem er die Funktion dessen Lagerdeckels übernimmt, wird durch das Fehlen eines gesonderten Lagerdeckels einerseits Bauraum gespart und andererseits die Anzahl der Bauteile für den Zylinderkopf ver­ mindert. Schließlich wird bei geöffnetem Lagerdeckel eine Nockenwelle 33 in die Ausnehmung 31 mit der Lagerschale 32 ein­ gelegt, woraufhin der Lagerdeckel aufgeschraubt wird, oder die Nockenwelle 33 wird bei verschlossenem Lagerdeckel in ihr Lager eingeschoben. Bei einem Zylinderkopf 13 aus einem Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium, sind Lagerschalen 30, 32 für die Nockenwellenlagerung nicht unbedingt notwendig. Im Reparaturfall werden die Lager aufgebohrt und Nockenwellen mit vergrößertem Durchmesser im Lagerbereich eingesetzt.

Claims (6)

1. Lagerbock für Kipphebelachsen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, der an beiden Enden jeweils eine ihn durchset­ zende und in Stehlage vertikal auf eine Anschraubfläche an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gerichtete Schraubendurch­ gangsbohrung zum Aufschrauben des Lagerbockes auf die Anschraub­ fläche aufweist und zumindest eine parallel zur Anschraubfläche verlaufende Aufnahmebohrung zum Einstecken einer Kipphebelachse besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialquerschnitt des Lagerbockes (1) von der Aufnah­ mebohrung (2, 3) aus bis zu dessen nächstgelegenen Rand (4, 5) in etwa höhengleich mit der quer zur Schraubendurchgangsbohrung verlaufenden Mittelebene der Aufnahmebohrung (2, 3) durch Bruchtrennen durchgehend unterbrochen ist, wobei der Lagerbockkörper (1) we­ nigstens an einem Ende der Bruchstelle (24), aufnahmebohrungs- bzw. randseitig, angekerbt ist, und daß im Lagerbockkörper auf Seiten des unterbrochenen Materialquerschnittes eine durch die­ sen sich hindurcherstreckende Schraubenpfeife (10) vorgesehen ist, über die die beiden gegenüberliegenden Bruchflächen (26, 27) miteinander verschraubbar sind.

2. Lagerbock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die für das Verschrauben der beiden Bruchflächen (26, 27) vorgesehene Schraubenpfeife (10) mit der Schraubendurchgangsboh­ rung für das Aufschrauben des Lagerbockes (1) auf die Anschraub­ fläche (12) des Zylinderkopfes (13) identisch ist.

3. Lagerbock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Verschrauben der beiden Bruchflächen (26, 27) vorgesehene Schraubenpfeife (10) die Aufnahmebohrung (2, 3) an­ schneidet.

4. Lagerbock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß - bezüglich der Lage der Schraubenpfeife (10) - auf Seiten der Aufnahmebohrung (2, 3) oberhalb von dieser und parallel zu dieser verlaufend an der Oberseite (14) des Lagerbockes (1) in Schraubenpfeifennähe eine gut ausgerundete Materialschwächung (15) angebracht ist.

5. Lagerbock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er zugleich einen Lagerdeckel für ein Nockenwellenlager bildet.

6. Herstellungsverfahren für einen Lagerbock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum einseitigen Bruchtrennen der noch ungeteilten Aufnahmebohrung (2, 3) in diese ein Paar von Halbzylinderkörpern (20, 21) mit in der quer zur Schraubenpfeife (10) verlaufenden Mittelebene der Aufnahmebohrung (2, 3) liegender Teilungsfläche (22) eingeschoben wird, welche dann durch axiales Eintreiben eines in der Mittelebene exzentrisch auf Seiten der Schraubenpfeife (10) an den Halbzylinderkörpern (20, 21) ansetzenden Keiles (23) auseinandergespreizt wird.