DE4435400A1

DE4435400A1 - Stößel für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4435400A1
Application number: DE4435400A
Authority: DE
Inventors: Detlev Dr Repenning; Klaus Witt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1996-04-11

Description

Die Erfindung betrifft einen Stößel für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem hohlzylindrischen Schaft und einem Boden, wobei der Stößel wenigstens teilweise aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegie rung oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht und der Boden mit einer Bodenplatte bedeckt ist.

Stößel dieser Art sind bekannt (DE-OS 29 29 890). Stößel dieser Art werden seit langem für den Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, eingesetzt. Sie unterliegen beim Einsatz aufgrund des Zusammenwirkens mit der Nocke einerseits und dem Ventil schaft andererseits und aufgrund der hohen Ventilbe schleunigung sehr starker Beanspruchung, was mit starkem Verschleiß des Stößels einhergeht. Um insbesondere bei schnell laufenden Brennkraftmaschinen das Gewicht des Stößels zu vermindern, ist dieser heutzutage im Gegen satz zu älteren bekannten Stößeln nicht aus Gußeisen oder Stahl gefertigt, sondern aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung oder auch aus glasfaserver stärktem Kunststoff. Der äußere Boden des Stößels, der mit der Nocke der Nockenwelle des Ventilbetriebes zusammenwirkt, ist mit einer Bodenplatte, die bisher aus Stahl oder Gußeisen hergestellt wurde, bedeckt, wodurch eine vielfach ausreichende Festigkeit des Stößels für das Zusammenwirken mit der Nocke erreicht wird.

Die Bodenplatten werden bei dem bekannten Stößel entwe der plan auf dem äußeren Boden befestigt oder aber in eine Vertiefung, die durch einen ringartig umlaufenden Steg um den äußeren Boden herum ausgebildet ist, einge legt. Dieser Umfangssteg kann aus einem gesonderten Teil bestehen oder aber auch unmittelbar integrales Teil des Stößels sein.

Insbesondere dann, wenn der Stößel aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung besteht, hat sich die bishe rige Befestigung der Bodenplatte auf dem Stößel als äußerst nachteilig erwiesen. Das hat seinen Grund darin, daß Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen Werkstoffe mit geringer Festigkeit, kleinen E-Modulen und geringer Härte sind. Diese mechanischen Kriterien dieser Werk stoffe wirken sich besonders in dem Bereich des Stößels aus, wo die Hauptkräfte bzw. der maximale Verschleiß zwischen Nocke und Stößel und Ventil auftreten. Die Hauptbiegebeanspruchungen zwischen Nocken und Bodenplat te bzw. dem Ventil treten in der < Null-Stellung der Nocke auf, bei der Federkräfte und Beschleunigungsspan nungen von diesem System aufgenommen werden müssen. Diese können jedoch bei den bisher bekannten lose eingelegten Platten nur unzureichend verteilt werden und es kann dann punktuell zu hohen Biege- oder Druckbean spruchungen kommen mit der Folge, daß der Werkstoff stark verschleißt, bricht oder sonstwie zerstört wird. Um dem entgegenzuwirken, d. h. die Gesamtsteifigkeit des Systems zu gewährleisten, muß über entsprechende dicke Boden- bzw. Plattenstärken ein Ausgleich erreicht werden, was wiederum die Vorteile des Stößels aus Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung eliminiert.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stößel zu schaffen, der eine hohe Verschleißfestigkeit bei geringem Gewicht gewährleistet und eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Bodenplatte zur Verbindung mit dem Stößel wenigstens teilweise durch den Boden hindurchragt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Bodenplatte zwar wie bisher als selbständiges Teil hergestellt werden kann, durch die Verbindung mit dem Stößel aber aufgrund des wenig stens teilweise durch den Boden des Stößels Hindurchra gens eine hochfeste Verbindung zwischen Bodenplatte und Stößel erreicht werden kann, die die Nachteile der bisherigen Befestigung der Bodenplatte am Stößel nicht aufweist und somit die Masse der Bodenplatte auf eine geringstmögliche Größe reduziert werden kann auch mit der Folge einer geringstmöglichen Gesamtmasse aus dem Verbund von Stößel und Bodenplatte.

Ein weiterer Vorteil liegt in der größeren konstruktiven Freiheit bei der Ausgestaltung des Stößels, da eine ringbundartige Ausgestaltung des äußeren Bodens des Stößels zur Aufnahme der Bodenplatte nicht erforderlich ist, was auch Auswirkungen auf eine freiere konstruktive Gestaltbarkeit des Innenbodenbereichs des Stößels hat. Die Bodenplatte selbst kann deshalb auch, da sie als Einzelteil gefertigt wird, im Hinblick auf das zu erwartende Belastungsprofil frei gestaltet werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Boden des Stößels eine Öffnung ausge bildet, durch die die Bodenplatte zur Ausführung der Verbindung zwischen Stößel und Bodenplatte teilweise hindurchragt, wodurch eine besonders starken Belastungen standhaltende Verbindung zwischen Stößel und Bodenplatte herstellbar ist.

Vorteilhaft ist es auch, die Öffnung derart auszubilden, daß sie einen sich zum Stößelinnenraum erweiternden schwalbenschwanzförmigen Querschnitt aufweist, wodurch auf einfache Weise eine besonders haltbare Verbindung zwischen Stößel und Bodenplatte erreichbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bodenplatte derart ausgebildet, daß sie sich durch den Boden hindurch derart weit erstreckt, daß sie mit einem Ventilschaft, der im Eingriff mit dem Stößel steht, in Kontakt steht. Dadurch ist es möglich, auch den Innenbo denbereich des Stößels auf einfache Weise derart auszu bilden, daß den hohen Stoß und Reibkräften zwischen Ventilschaft und Innenboden des Stößels Rechnung getra gen werden kann.

Grundsätzlich kann die Bodenplatte nach verschiedenen Prinzipien mit dem Stößel verbunden werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, die Bodenplatte mittels einer mechanischen Verbindung, einer thermomechanischen Verbindung oder mittels eines mecha nischen Verbindungsmittels mit dem Boden zu verbinden, wobei als Verbindungsmittel dabei auf einfache Weise auch ein Klebemittel vorteilhafterweise einsetzbar ist. Als mechanische Verbindung eignet sich vorteilhafterwei se eine Bördelung. Grundsätzlich sind aber auch thermi sche Schrumpfprozesse, die Verwendung von Memory-Legie rungen sowie thermische Prozesse bzw. Thermodiffusions prozesse zur Ausführung der Verbindung zwischen Boden platte und Stößel zur Anwendung möglich.

Die Bodenplatte besteht vorzugsweise aus einem hochfe sten und steifen Werkstoff, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff wie Stahl oder Titan bzw. eine Titanlegierung, vorzugsweise TiAl6V4, wodurch im Ver gleich zu einem System aus Aluminium/Stahl die Gesamt masse erheblich reduziert werden kann.

Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Bodenplatte aus einem geeigneten keramischen Werkstoff auszubilden.

Wird die Bodenplatte aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, ist es vorteilhaft, die Bodenplatte einem Diffusionshärteprozeß zu unterwerfen, der beispielweise mit Sauerstoff und/oder Kohlenstoff und/oder Stickstoff ausführbar ist, wobei eine gehärtete Bodenplatte neben einer Verbesserung der Standzeit auch eine Verringerung der Nasse der Bodenplatte und somit des Gesamtsystems Stößel/Bodenplatte ermöglicht. Um die Festigkeit der Bodenplatte, d. h. ihre mechanische Belastbarkeit zu vergrößern, kann die Bodenplatte vorteilhafterweise mit einer Beschichtung, vorzugsweise in Form einer Hart chromschicht, versehen sein, es ist jedoch für bestimmte Anwendungsfälle auch vorteilhaft, die Beschichtung durch eine Hartstoffschicht auszubilden, die bei sehr hoher Verschleißfestigkeit auf einfache Weise mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens aufbringbar ist. Hartstoffschichten dieser Art können metallhaltige oder metallfreie Kohlenstoffschichten sein, beispiels weise DLC-Schichten, a : CH-Schichten, Me : CH-Schichten usw., die hier als Reibschichten zwischen Nocke und der Oberfläche der Bodenplatte dienen. Auch sind Kombinati onen aus galvanischen Schichten, beispielsweise einer Hartchromschicht und einer Hartstoffschicht oder einer Diffusionshärtungsschicht oder beliebige Kombinationen von Schichten dieser Art möglich.

Zur Vergrößerung der Verschleißfestigkeit des eigentli chen Stößelkörpers kann dieser vorzugsweise ebenfalls mit einer Beschichtung versehen sein, die grundsätzlich auch aus einer Metallbeschichtung bestehen kann, wobei auch diese Beschichtung des Stößelkörpers vorteilhafter weise mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Ver fahrens aufbringbar ist.

Die Beschichtung mittels eines elektrischen Oxidierver fahrens (Eloxal-Verfahrens) eignet sich insbesondere dann, wenn der Stößelkörper aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, grundsätzlich ist es aber auch möglich, eine Beschichtung mittels eines Anodisierverfahrens oder mittels eines Plasmaspritzver fahrens auszubilden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol genden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausfüh rungsbeispieles im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen Stößel mit einem Aufbau, wie er bisher im Stand der Technik bekannt ist,

Fig. 2 im Schnitt einen erfindungsgemäßen Stößelaufbau im Zusammenwirken mit einer Nocke einerseits und einem Ventilschaft andererseits und

Fig. 3 im Schnitt einen erfindungsgemäßen Stößel mit im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ausgebil deter Verbindung zwischen Bodenplatte und Stößelkörper.

In Fig. 1 ist ein Stößel 10 im Querschnitt dargestellt, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Stößel 10 dieser Art werden aufgrund ihres tassenförmigen Quer schnitts auch Tassenstößel genannt. Stößel dieser Art können beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumle gierung oder aber auch aus glasfaserverstärktem Kunst stoff (GFK) bestehen. Im Querschnitt weist der Stößel 10 einen hohlzylindrischen Schaft 11 auf und einen Boden 12. Regelmäßig ist der Schaft 11 und der Boden 12 integral ausgebildet, es gibt jedoch auch bekannte Ausführungsformen, bei denen der Schaft 11 ein zylindri sches Teil ist, in dem der Boden 12 durch eine geeignete Maßnahme als gesondertes Teil eingesetzt und dort befestigt ist. Auf der Bodenaußenseite ist eine geson derte Bodenplatte 13 ausgebildet, die in einer Vertie fung, die durch einen umlaufenden Bund 120 gebildet wird, eingesetzt ist. Der Bund 120 kann auch durch ein hier nicht gesondert dargestelltes Teil, das nicht integral mit dem Schaft 11 ausgebildet ist, gebildet werden, das auf einen entsprechend umlaufenden Rezeß aufgesetzt wird.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Stößel 10 im Zusam menwirken mit einer Nocke 20 und einem Ventilschaft 17 im Querschnitt dargestellt. Die Bodenplatte 13 ist dabei, anders als beim bekannten Stößel 10 gemäß Fig. 1, im wesentlichen plan auf dem Außenbodenbereich der Bodenplatte 13 aufgesetzt. Der Boden 12 weist eine Öffnung 14 auf, durch die die Bodenplatte 13 hindurch greift. Diese Öffnung 14 kann, vergleiche Fig. 3, auch in Form einer schwalbenschwanzförmigen Öffnung ausgebil det sein, so daß dort eine schwalbenschwanzförmige Verbindung 16 zwischen Bodenplatte 13 und Stößel 10 geschaffen wird.

Die Ausgestaltung von Fig. 3 ist eine sehr haltbare, sehr einfach ausbildbare Verbindung zwischen Bodenplatte 13 und Stößel 10.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist für die Kontaktstel le Ventilschaft/Stößelinnenboden eine Möglichkeit geschaffen worden, mit einfachen Mitteln eine hohe Ver schleißfestigkeit auch dieser kritischen Kontaktstelle zwischen Tastenstößelinnenboden und Ventilschaft zu erreichen. Bisher war aufgrund der geringen Härte und der schwierigen Beschichtbarkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen, aus denen der Stößel 10 besteht, das Risiko, zu starkem Verschleiß an diese Stelle zu kommen, sehr groß, was im Betrieb zu Fressen und Ausfall des Tastenstößels führen konnte. Durch die konstruktive Maßnahme gemäß Fig. 2 ist ein Fressen und Ausfall des Tastenstößels aus diesem Grund nunmehr ausgeschlossen. Die Kontaktstelle Ventilschaft/Stößel 10 ist nunmehr verschleißgeschützt und reibarm, so daß es nicht zu Hemmungen während des Betriebes kommt.

Die Ausführung der Verbindung zwischen Bodenplatte 13 und Stößel 10 kann durch eine mechanische Verbindung, eine thermomechanische Verbindung oder mittels eines mechanischen Verbindungsmittels, beispielsweise mittels eines Klebemittels, erfolgen. Bei einer mechanischen Verbindung eignet sich eine Bördelung. Die Bodenplatte 13, die als gesondertes Teil vorab gefertigt werden kann, besteht dabei aus einem metallischen oder einem keramischen Werkstoff, der bei Bedarf, ebenso wie der eigentliche Stößelkörper selbst, mit einer gesonderten Beschichtung 18, 19 beschichtet werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Stößel
11 Schaft
12 Boden
120 Bund
13 Bodenplatte
14 Öffnung
15 Stößel- bzw. Schaftinnenraum
16 schwalbenschwanzförmige Verbindung
17 Ventilschaft
18 Beschichtung (Bodenplatte)
19 Beschichtung (Stößel)
20 Nocke

Claims

1. Stößel für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem hohlzylindrischen Schaft und einem Boden, wobei der Stößel wenigstens teilweise aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung oder einem glasfaserver stärkten Kunststoff besteht und der Boden mit einer Bodenplatte bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) zur Verbindung mit dem Stößel (10) wenigstens teilweise durch den Boden (12) hindurchragt.

2. Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (12) eine Öffnung (14) ausgebildet ist, durch die die Bodenplatte (13) teilweise hindurchragt.

3. Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (14) einen sich zum Stößelinnenraum (15) hin erweiternden schwalbenschwanzförmigen Querschnitt (16) aufweist.

4. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) derart ausgebildet ist, daß sie durch den Boden (12) hindurch mit einem Ventilschaft (17) in Kontakt steht.

5. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) mittels einer mechanischen Verbindung, einer thermome chanischen Verbindung oder einem mechanischen Verbin dungsmittel mit dem Boden (12) verbunden ist.

6. Stößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Verbindungsmittel ein Klebemittel ist.

7. Stößel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung mittels Bördelung erfolgt.

8. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) aus hochfestem und steifem Werkstoff besteht.

9. Stößel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff metallischer Werkstoff ist.

10. Stößel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Stahl oder Titan ist.

11. Stößel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff keramischer Werkstoff ist.

12. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der E-Modul des die Bodenplatte (13) bildenden Werkstoffs E 100 GPa ist.

13. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) diffusionsgehärtet ist.

14. Stößel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionshärtung mit Sauerstoff und/oder Kohlen stoff und/oder Stickstoff ausführbar ist.

15. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (13) mit einer Beschichtung (18) versehen ist.

16. Stößel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (18) durch eine Hartchromschicht gebildet wird.

17. Stößel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (18) durch eine Hartstoffschicht gebildet wird.

18. Stößel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens aufbringbar ist.

19. Stößel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einer Be schichtung (19) versehen ist.

20. Stößel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (19) durch eine Metallbeschichtung gebildet wird.

21. Stößel nach einem oder beiden der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (19) mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens aufbringbar ist.

22. Stößel nach einem oder beiden der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (19) mittels eines Anodisier- oder eines elektrischen Oxi dierverfahrens (Eloxal-Verfahren) aufbringbar ist.

23. Stößel nach einem oder beiden Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (19) mittels eines Plasmaspritzverfahrens aufbringbar ist.