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Hintergrund
der Erfindung
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Technisches
Feld
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Gleitelement,
wie zum Beispiel einen Ventilstößel, in
einem Verbrennungsmotor, und ein Verfahren zum Herstellen eines
Gleitelementes.
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Beschreibung
verwandter Technik
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Die
japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung
H4-121404 legt einen Ventilstößel offen,
der eine Abstandsscheibe aufweist, die gleitend mit einem Nocken
in Kontakt kommt, um ein Einlass/Auslassventil eines Verbrennungsmotors
anzutreiben. Die Abstandsscheibe des Ventilstößels muss eine Gleitfläche aufweisen,
deren Oberflächenrauigkeit gering
genug ist, um Reibung zu minimieren. Gleichzeitig muss die Gleitfläche eine
ausreichende Härte haben,
um übermäßigen Verschleiß an der
Gleitfläche
zu verhindern, und um ebenso eine Zunahme der Reibung auf Grund
der durch den Verschleiß verursachten
Zunahme der Oberflächenrauigkeit
der Gleitfläche
zu verhindern.
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Deshalb
ist bisheriger Wissensstand gewesen, das Grundmetall des Gleitelementes,
wie zum Beispiel eines Ventilstößels, mit
hoher Präzision durch
ein Läppverfahren
zu glätten,
und danach eine harte Material-Schutzbeschichtung, wie zum Beispiel ein
durch PVD-Verfahren (Physical Vapor Disposition) auf seiner oberen
Gleitfläche
aufgebrachtes Titannitrid, zu erzeugen.
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Es
besteht ein Bedarf für
ein Gleitelement, das, im Vergleich zum oben erwähnten Stand der Technik, geringe
Reibung und bessere Verschleißfestigkeit
bei geringen Kosten aufweist. Diese Erfindung befasst sich mit diesem
Bedarf beim Stand der Technik ebenso wie mit anderen Erfordernissen,
die Kennern der Technik aus dieser Offenlegung offensichtlich werden.
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Übersicht über die
Erfindung
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Es
ist entdeckt worden, dass es dann, wenn durch PVD-Verfahren auf
einer Gleitfläche
eine harte Materialbeschichtung erzeugt wird, notwendig ist, den
Prozess unter Verwendung eines Vakuumofens durchzuführen. Folglich
kann jeweils nur eine begrenzte Anzahl von Stücken bearbeitet werden. Deshalb
werden die Herstellungskosten des Gleitelementes oder Nockenstößels sehr
hoch. Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben erwähnte Problem
erdacht.
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Eines
der Ziele der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitelement zur
Verfügung
zu stellen, das geringe Reibung und bessere Verschleißfestigkeit bei
niedrigen Kosten aufweist.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleitelement hergestellt,
das ein Grundmetall, eine Diffusionsschicht und eine Verbundschicht
umfasst. Die Diffusionsschicht weist eine erste vorgegebene Tiefe
auf und liegt über
dem Grundmetall. Die Verbundschicht weist eine zweite vorgegebene
Tiefe auf und liegt über
der Diffusionsschicht. Die Diffusionsschicht und die Verbundschicht werden
durch einen Nitrierprozess auf dem Grundmetall ausgebildet. Die
zweite vorgegebene Tiefe der Verbundschicht wird durch einen Polierprozess
an einem äußersten
Schichtabschnitt der Verbundschicht so ausgebildet, dass eine ursprüngliche
Tiefe der Verbundschicht, die durch den Nitrierprozess ausgebildet
ist, hinsichtlich der Tiefe auf die zweite vorgegebene Tiefe der
Verbundschicht reduziert wird, so dass eine glatte Gleitfläche zurückbleibt.
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Diese
und andere Ziele, Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind Kennern der Technik aus der folgenden detaillierten Beschreibung
offensichtlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung offen fegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Mit
Bezug auf die angefügten
Zeichnungen, die einen Teil dieser Original-Offenlegung bilden,
gilt:
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1 ist
eine schematische Teildarstellung eines Ventilschieber-Aufbaus für einen
Verbrennungsmotor, der einen nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung hergestellten Ventilstößel (Gleitelement)
aufweist;
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2 ist
eine Schnittzeichnung eines nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung hergestellten Ventilstößels (Gleitelementes);
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3 ist
eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung
eines ausgewählten
Teilstücks
des Ventilstößels, bevor
ein Schwabbel-Polierprozess an der oberen Gleitfläche des
Ventilstößels durchgeführt worden
ist;
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4 ist
eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung
eines ausgewählten
Teilstücks
des Ventilstößels, nachdem
ein Schwabbel-Polierprozess an der oberen Gleitfläche des
Ventilstößels durchgeführt worden
ist;
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5 ist
eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung
eines ausgewählten
Teilstücks
des Ventilstößels, die
die durch den an der oberen Gleitfläche des Ventilstößels durchgeführten Gasnitrokarburierprozess
erzeugte Diffusionsschicht und Verbundschicht veranschaulicht; und
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6 ist
ein Eigenschafts-Kennliniendiagramm, das die Härte des Ventilstößels, basierend auf
Stickstoffkonzentration, in Beziehung zur Tiefe der oberen Gleitfläche des
Ventilstößels zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nun
werden mit Bezug auf die Zeichnungen ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
erläutert.
Kennern der Technik ist aus dieser Offenlegung offensichtlich, dass
die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
nur zur Veranschaulichung, und nicht mit der Absicht, die durch
die anhängenden
Ansprüche und
deren Äquivalente
definierte Erfindung zu beschränken,
zur Verfügung
gestellt wird.
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Zunächst auf 1 Bezug
nehmend, wird ein Teilstück
eines Ventilschieber-Aufbaus 10 für einen Verbrennungsmotor (nicht
gezeigt) schematisch veranschaulicht, um eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Der Ventilschieber-Aufbau 10 umfasst
einen Nocken 11 einer Nockenwelle, der funktionell mit
einem Nockenstößel (Gleitelement)
in Form eines Ventilstößels 12 in
Kontakt kommt, der ein Einlass/Auslassventil 13 betätigt.
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Wie
in 2 zu sehen ist, hat der Ventilstößel 12 als
ein Endprodukt eine zylinderförmige
Gestalt mit einem offenen Boden. Der Ventilstößel 12 ist mit dem
Einlass-/Auslassventil 13 auf
eine herkömmliche
Art verbunden. Der Ventilstößel 12 ist
zwischen dem Einlass-/Auslassventil 13 und dem Nocken 11 der
Nockenwelle, die sich gemeinsam mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt)
dreht, angeordnet. Der Ventilstößel 12 hat
eine obere Gleitfläche 12a,
die als eine Nocken-Gleitfläche
wirkt, die gleitend mit dem Nocken 11 der Nockenwelle in
Kontakt kommt. An dieser oberen Gleitfläche 12a wird, wie
unten beschrieben, eine Oberflächenbehandlung
durchgeführt.
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Wie
in 3 und 5 zu sehen ist, umfasst das
nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Gleitelement bzw. der
Ventilstößel 12 eine
aus einer Verbundschicht 14 und einer Diffusionsschicht 15, die über dem
Grundmetall 16 liegen, bestehende obere Gleitfläche 12a.
Insbesondere wird die obere Gleitfläche 12a vorzugsweise
durch einen Nitrierprozess auf dem Grundmetall 16 des Ventilstößels 12 ausgebildet.
Die Verbundschicht 14 und die Diffusionsschicht 15 weisen
ursprüngliche
vorgegebene Tiefen auf, die zunächst
durch den Nitrierprozess auf dem Grundmetall 16 des Ventilstößels 12 erzeugt werden.
Die ursprüngliche
vorgegebene Tiefe der Verbundschicht 14 wird in 3 mit "t0" bezeichnet. Nach
Durchführung
des Nitrierprozesses auf dem Grundmetall 16 wird ein leichter
Polierprozess an einem äußersten
Schichtabschnitt 14a der Verbundschicht 14 so
durchgeführt,
dass nur Schichtabschnitte 14b und 14c der Verbundschicht 14 zurückbleiben.
In anderen Worten wird der äußerste Schichtabschnitt 14a der
Verbundschicht 14 durch den Polierprozess vollständig entfernt.
Dementsprechend wird die ursprüngliche
Tiefe "t0" der
durch den Nitrierprozess ausgebildeten Verbundschicht 14 (3)
hinsichtlich der Tiefe auf die fertige vorgegebene Tiefe "t" der Verbundschicht 14 (4)
reduziert, so dass die glatte Gleitfläche 12a zurückbleibt. Folglich
wird die obere Gleitfläche 12a durch
leichtes Polieren der Verbundschicht 14 auf eine Weise,
die der Kontur der oberen Gleitfläche 12a folgt, so
ausgebildet, dass man eine einheitliche Oberfläche erhält.
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Der
oben beschriebene Nitrierprozess ist ein Verfahren, bei welchem
auf dem Grundmetall 16 Stickstoff diffundiert wird, dadurch
wird die Außenfläche gehärtet. Einige
der Nitrierprozesse, die bei der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen
wurden, umfassen reines Nitrieren, bei welchem nur Stickstoff eindringt,
und Nitrokarburieren, bei wel chem Stickstoff und Kohlenstoff gleichzeitig
eindringen; im Speziellen Gasnitrieren mit Ammoniakgas, Salzbadnitrieren
unter Verwendung eines Salzbades mit Cyanidsalz und eines Salzbades
vom Cyansäuretyp,
Badnitrieren unter Verwendung von Cyansäure, Gasnitrokarburieren unter
Verwendung von Ammoniakgas und Aufkohlungsgas, und Ionennitrieren, bei
welchem ionisierter Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit auf das
Grundmetall prallt. Im Besonderen ist Gasnitrokarburieren ein immissionsfreies Verfahren,
da es kein Cyan erzeugt. Ebenso kann Gasnitrokarburieren auf eine
stabile und beständige Weise
durchgeführt
werden. Demgemäß können die Herstellungskosten
niedrig gehalten werden. Deshalb ist Gasnitrokarburieren für die vorliegende
Erfindung gut geeignet.
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Durch
einen solchen in 5 gezeigten Nitrierprozess werden
die Diffusionsschicht 15 und die Verbundschicht 14 in
einer geschichteten Art auf dem Grundmetall 16 ausgebildet.
Von diesem Nitrierprozess ist die Stickstoffkonzentration (N) in
der Diffusionsschicht 15 verhältnismäßig niedrig, während die Stickstoffkonzentration
(N) in der Verbundschicht 14 verhältnismäßig hoch ist. Da die Härte des
Materials mit der Stickstoffkonzentration zunimmt, ist die Härte der
Verbundschicht 14 größer als
die der Diffusionsschicht 15. Folglich vermindert sich
die Härte
der Gleitfläche 12a mit
der Eindringtiefe, da sich, wie in 6 graphisch
gezeigt, die Stickstoffkonzentration vermindert.
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Da
jedoch die ursprüngliche
Tiefe "t0" der Verbundschicht 14 sehr
klein ist (vorzugsweise 5 μm bis
15 μm),
wenn ein herkömmliches
Läppverfahren durchgeführt wurde,
um die obere Gleitfläche 12a gleichmäßig zu glätten, kann
dann die Verbundschicht 14 vollständig entfernt werden, so dass
die Diffusionsschicht 15 teilweise entblößt sein
kann.
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Deshalb
wird bei dieser Erfindung nur der äußerste Schichtabschnitt 14a der
Verbundschicht 14 poliert, so dass die Abschnitte 14b und 14c der
Verbundschicht 14 zurückbleiben.
In anderen Worten wird die Oberfläche der Verbundschicht 14 auf
eine Weise, die der Kontur der Gleitfläche 12a folgt, leicht poliert.
Folglich kann die zurückbleibende
Verbundschicht 14 als eine Schutzschicht, die eine hohe
Härte aufweist,
wirken. Dementsprechend kann man einen Ventilstößel 12 von höherer Gleitfähigkeit
und Verschleißfestigkeit
bei niedrigen Kosten erhalten.
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Als
Grundmetall 16 können
verschiedene Stahlwerkstoffe wie Baustahl, legierter Stahl, Werkzeugstahl,
und Stahlmaterialien verwendet werden. Typischerweise wird ein Chrommolybdän-Stahl
verwendet, der aufgekohlt, abgeschreckt und temperiert wurde.
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Zuvor
wird ein geeigneter Planschleif- und/oder Polierprozess an der Außenfläche, an
der der Nitrierprozess ausgeführt
werden soll, durchgeführt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist das Grundmetall 16 vorzugsweise ein Schmiedestahl (SCM420H),
der durch Schmiede-, Aufkohlungs-, Abschreckungs- und Temperierungsprozesse
ausgebildet wurde, die so durchgeführt wurden, dass die Oberflächenhärte gleich
oder größer als
58HRC mit einer tatsächlichen Tiefe von 0,7–1,1 mm
ist. Dann wird ein Oberflächen-Polierprozess
so durchgeführt, dass
die Oberflächenrauigkeit
der Außenfläche annähernd Ra
0,02 ist. Danach wird ein Gasnitrokarburier-Prozess so durchgeführt, dass
die Oberflächenhärte der
Außenfläche gleich
oder größer als
660 Hv ist, und dass die Tiefe der Verbundschicht 14 gleich oder
größer als
7 μm ist.
Auf diese Weise besitzen, wie in 3 gezeigt,
die Diffusionsschicht 15 und die Verbundschicht 14 ursprüngliche
vorgegebene Stärken,
die auf dem Grundmetall in einer geschichteten Art ausgebildet sind.
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Als
Nächstes
wird, wie in 4 gezeigt, der Schwabbel-Polierprozess
so durchgeführt,
dass die Oberflächenrauigkeit
der fertigen oberen Gleitfläche 12a gleich
oder weniger als Ra 0,02 ist, und dass die Tiefe "t" der zurückbleibenden Verbundschicht 14 vorzugsweise
gleich oder größer als
2,5 μm ist.
Bei diesem Schwabbel-Polierprozess wird das Polieren auf ein Weise,
die der Kontur der oberen Gleitfläche 12a folgt, so
durchgeführt,
dass die Verbundschicht 14 eine zurückbleibende oder fertige Tiefe "t" von etwa 2,5 μm bis 10 μm besitzt. Dementsprechend wird
nur der äußerste Abschnitt
der Verbundschicht 14 leicht und gleichmäßig poliert.
In anderen Worten ist die durch den Schwabbel-Polierprozess entfernte Materialmenge
der Verbundschicht 14 sehr gering, annähernd 3 μm bis 5 μm.
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Bei
dem nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Ventilstößel 12 wird
die harte Verbundschicht 14 auf dem Grundmetall 16 belassen,
um die Gleitfläche 12a auszubilden.
Deshalb können,
im Vergleich mit einem Fall, bei dem eine harte Schicht separat
durch PVD-Verfahren nach dem Läppverfahren
erzeugt wird, die Herstellungskosten auf annähernd die Hälfte reduziert werden, während im
Wesentlichen derselbe Reibungsreduzierungseffekt und dieselbe Härte sichergestellt
sind.
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Ebenso
werden durch Durchführen
des Schwabbel-Polierprozesses an der oberen Gleitfläche 12a des
Ventilstößels 12 die
Kanten des Umfangs der oberen Gleitfläche 12a in geeigneter
Weise gerundet. Folglich besteht keine Notwendigkeit, separat einen
Entgratungsprozess durchzuführen.
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Eines
der Oberflächen-Bearbeitungsverfahren,
das der Kontur der Oberfläche
folgen kann, ist ein Schwabbel-Polierprozess. Der Schwabbel-Polierprozess
ist ein Oberflächen-Feinbearbeitungsverfahren,
bei dem, wie im Läppverfahren,
Partikel verwendet werden. Das Schwabbel-Polieren jedoch verwendet
anstatt eines harten Metall-Schleifwerkzeuges eine
Schwabbelscheibe, die aus einem Textilgewebe, Filz oder Leder, die über eine
gewisse Elastizität verfügen, hergestellt
ist. Folglich ist es, wie oben beschrieben, möglich, nur den äußersten
Schichtabschnitt dünn
zu polieren, um so der Kontur der Oberfläche zu folgen. Dementsprechend
ist der Schwabbel-Polierprozess für die vorliegende Erfindung
geeignet.
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In
anderen Worten ist es, wenn das Läpp-Polierverfahren an der vorher
erwähnten
Verbundschicht 14 durchgeführt wird, obwohl die Oberfläche sauber
geglättet
werden kann, schwierig, eine dünne gleichmäßige Schicht
der Verbundschicht 14 zurückzulassen. Deshalb können die
Effekte der vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden.
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Wieder
Bezug nehmend auf 5, wird durch den Nitrierprozess
im äußersten
Schichtabschnitt 14a der Verbundschicht 14 eine ε-Phase (Fe2N-Fe3N) erzeugt,
während
eine ε + γ'-Phase und eine γ'-Phase durch den
Nitrierprozess innerhalb der ε-Phase
ausgebildet werden. Die ε-Phase
der Verbundschicht 14 verfügt über eine niedrigere Belastbarkeit
als die verbleibenden Schichtabschnitte 14b und 14c der
Verbundschicht 14. Folglich ist der äußerste Schichtabschnitt 14a der
Verbundschicht 14 nicht wünschenswert als die Gleitfläche 12a des
Ventilstößels 12.
Dementsprechend entfernt bei der vorliegenden Erfindung der oben
genannte Polierprozess diesen äußersten
Schichtabschnitt 14a hinlänglich. Demzufolge werden die
Schichtabschnitte 14b und 14c, die die ε + γ'-Phase und die γ'-Phase besitzen,
entblößt. Folglich
ergibt sich kein negativer Effekt aus der ε-Phase, die durch den Nitrierprozess ausgebildet
wurde.
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Wenn
die ursprüngliche
Tiefe "t0" der
Verbundschicht 14 vor dem Polierprozess kleiner als 5 μm ist, ist
es schwierig, die Stärke
der bearbeiteten Materialschicht nach dem Polierprozess sicherzustellen.
Wenn die ursprüngliche
Tiefe "t0" der
Verbundschicht 14 15 μm überschreitet,
kann eine durchlässige,
poröse
Schicht erzeugt werden. Dementsprechend sollte die ursprüngliche
durch den Nitrierprozess erzeugte Tiefe "t0" der Verbundschicht 14 vor
dem Polierprozess vorzugsweise 5 μm
bis 15 μm betragen.
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Ebenso
kann, wenn die fertige vorgegeben Tiefe "t" der
Verbundschicht 14 nach dem Polierprozess weniger als 2 μm ist, die
Verbundschicht 14 während
des Gebrauchs verschleißen.
Die oben genannte ε-Phase
kann auch belassen werden. Wenn die fertige vorgegeben Tiefe "t" der Verbundschicht 14 nach
dem Polierprozess 10 μm überschreitet, kann,
wie oben beschrieben, zur Zeit des Erzeugens der Verbundschicht 14 eine
poröse
Schicht entstehen. Deshalb sollte die fertige vorgegeben Tiefe "t" der Verbundschicht 14 nach
dem Polierprozess vorzugsweise 2 μm
bis 10 μm
betragen.
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Wenn
die Oberflächenrauigkeit
der Oberfläche 12a der
Verbundschicht 14 nach dem Polierprozess weniger als Ra
0,01 ist, ist es schwierig, das Verfahren im Rahmen der Serienproduktion
durchzuführen.
Wenn andererseits die Oberflächenrauigkeit größer als
Ra 0,05 ist, kann man keinen ausreichenden Reibungsreduzierungseffekt
erhalten. Folglich sollte die Oberflächenrauigkeit der Verbundschicht 14 nach
dem Polierprozess vorzugsweise Ra 0,01 bis 0,05 betragen.
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Wie
Kennern der Technik aus dieser Offenlegung gewiss offensichtlich
ist, ist der Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Ventilstößel begrenzt,
sondern die vorliegende Erfindung kann vielmehr bei anderen Ausführungen
von Gleitelementen zur Anwendung kommen. Folglich ist der Gültigkeitsbereich
der Erfindung nicht auf die offen gelegten Ausführungsformen begrenzt. Einige
weitere Beispiele anderer Gleitelemente umfassen
eine Abstandsscheibe,
die gleitend angrenzend an einen Nocken eines Einlass-/Auslassventils angeordnet
ist,
einen Nockenstößel, wie
zum Beispiel einen Kipphebel,
einen Kolbenring, und
verschiedene
Lager-Bauteile.
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Da
jedoch das Polieren bei der vorliegenden Erfindung auf eine Weise,
die der Kontur der Oberfläche
des Gleitelementes folgt, leicht ausgeführt wird, ist die vorliegende
Erfindung insbesondere für
Gleitelemente, wie zum Beispiel Nockenstößel, geeignet. Im Besonderen
ist die Reduzierung der Oberflächenrauigkeit
der Gleitfläche
eher als die Glätte
der Gleitfläche
wichtiger für
Nockenstößel. Auf
jeden Fall ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, ein
Gleitelement zur Verfügung
zu stellen, das sowohl preisgünstig
ist, als auch bessere Gleitfähigkeit
und Verschleißfestigkeit
aufweist.
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Die
Maßbezeichnungen,
wie zum Beispiel "im
Wesentlichen", "etwa" und "annähernd", wie sie hierin
verwendet werden, bedeuten ein geringes Maß von Abweichung vom modifizierten
Term, so dass das Endergebnis nicht signifikant verändert wird. Zum
Beispiel können
diese Bezeichnungen so ausgelegt werden, dass sie eine Abweichung
von wenigstens +/–5%
vom modifizierten Term umfassen, wenn diese Abweichung nicht die
Bedeutung des Wortes, die sie modifiziert, zunichte machen würde.
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Während nur
ausgewählte
Ausführungsformen
ausgesucht wurden, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen,
wird Kennern der Technik aus dieser Offenlegung offensichtlich sein,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne sich aus dem Gültigkeitsbereich
der Erfindung, wie in den anhängenden
Ansprüchen
festgelegt, zu entfernen. Außerdem
wird die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen nach der vorliegenden
Erfindung nur zur Veranschaulichung zur Verfügung gestellt, und nicht mit
der Absicht, die Erfindung, wie sie in den anhängenden Ansprüchen und
deren Äquivalenten festgelegt
ist, einzuschränken.