HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein keramisches
Ventilspielausgleichselement, das in einem
Ventilbetätigungsmechanismus für einen Motor mit innerer
Verbrennung verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines Ventilbetätigungsmechanismus
ftir einen Motor. Auf Fig. 3 bezogen, bezeichnen Bezugszeichen 1
einen Zylinderkopf eines Motors, 2 eine Nocke, 3 einen
Ventilstößel, 4 ein Spielausgleichselement bzw. eine
Ausgleichsscheibe, 5 ein Einlaß- oder Auslaßventil, 6 einen
Ventilsitz und 7 eine Ventilfeder. In dem in Fig. 3 gezeigten
Ventilbetätigungsmechanismus wird der Ventilstößel 3 durch die
Nocke 2 betätigt, und die Verstellung der Nocke 2 wird auf das
Einlaß- oder Auslaßventil 5 übertragen. Wie aus Fig. 3 erkennbar,
ist ein Spielausgleichselement 4 zwischen dem Ventilstößel 3 und
der Nocke 2 angeordnet. Ein Längsschnitt des
Spielausgleichselements 4 ist in Fig. 1 gezeigt. Das
Spielausgleichselement 4 wird zum Einstellen eines Ventilspiels
verwendet. Obwohl ein herkömmliches Spielausgleichselement 4
normalerweise aus einem Metall besteht, ist aus EP-A-0 209 697
ein Spielausgleichselement 4 bekannt, das zu dem Zweck aus einem
Keramikmaterial gebildet ist, um dessen Gewicht zu reduzieren und
dessen Verschleißbeständigkeit zu verbessern. Diese Druckschrift
enthält keine Angaben bezüglich Oberflächenrauheit.
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Weiterhin offenbart die DE-A-32 39 325 einen nockenberührenden
Einsatz, dessen nockenberuhrende Oberfläche eine
Oberf lächenrauheit von Ra < 0,2 µm aufweist. Dieser Einsatz ist
jedoch an einem Ventilstößel befestigt und deshalb nicht fur eine
Ventilspieleinstellung anwendbar, und hat eine ziemlich hohe
Zehn-Punkt-Durchschnittsrauheit Rz (Rz = 5 Ra).
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Selbst wenn jedoch das Gewicht eines keramischen
Spielausgleichselementes reduziert wird, wird ein dadurch
erreichtes Verringern eines Leistungsverlustes in der Praxis im
wesentlichen nicht wahrgenommen, da der Massenträgheitsanteil des
Spielausgleichselementes hinsichtlich der Massenträgheit des
gesamten Ventilbetätigungssystems extrem klein ist. Weiterhin
nimmt das Verschleißverhalten der Ausgleichsscheibe bezüglich der
Teile zu, die das Ausgleichselement berühren, d.h. die Nocke 2
und den Ventilheber 3, so daß diese beiden Teile sehr
verschlissen werden.
WESEN DER ERFINDUNG
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
keramisches Ventilspielausgleichselement zu schaffen, das eine
glatte Oberfläche aufweist und wobei die zuvor erwähnten Probleme
beseitigt sind.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein keramisches
Ventilspielausgleichselement vorgesehen, das aus einem
keramischen Material besteht, wobei das Ausgleichselement eine
Nocke und einen Ventilstößel berührt und beweglich bzw.
auswechselbar an dem Ventilstößel angeordnet ist, wobei die
Oberflächenrauheit der Oberflächen des die Nocke und den
Ventilstößel berührenden Ausgleichselements nicht mehr als 0,2 µm
in der Zehn-Punkt-Durchschnittsrauheit (Rz) entsprechend der
Japanischen Industrienorm JIS B 0601 beträgt.
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Als keramisches Material für das keramische
Ventilspielausgleichselement wird hauptsächlich Siliciumnitrid
verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Spielausgleichselementes.
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Spielausgleichselementes und
eines Ventilstößels ("Tassenstößel").
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Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines Ventilbetätigungsmechanismus
für einen Motor.
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Fig. 4 ist ein Längsschnitt einer Vorrichtung zum Testen eines
Produktes entsprechend der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend im Detail
beschrieben.
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Wenn ein keramisches Spielausgleichselement mit einer glatten
Oberfläche verwendet wird, kann ein zwischen der Nocke und der
keramischen Spielausgleichsscheibe auftretender Reibungsverlust
reduziert werden, so daß der Leistungsverlust des
Verbrennungsmotors minimiert werden kann. Darüber hinaus nimmt
das Verschleißverhalten des keramischen Ausgleichselementes
bezüglich der in Fig. 3 gezeigten Nocke 2 und des Ventilstößels 3
ab, und der Abrieb dieser zwei Teile kann daher reduziert werden.
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In diesem Fall, ist die Rauheit der die Nocke berührenden
Oberfläche (in Fig. 1 mit der Bezugsnummer 8 bezeichnet) des
Spielausgleichselementes nicht größer als 0,2 µm in der Zehn-
Punkt-Durchschnittsrauheit (Rz), und ein damit erreichter
Drehmomentverlust wird kleiner als in dem Falle, in dem eine
herkömmliche Metall-Spielausgleichsscheibe verwendet wird. In
einem Bereich, in welchem die Zehn-Punkt-Durchschnittsrauheit
(Rz) der Kontaktfläche kleiner als 0,2 µm ist, ist ein dadurch
verursachter Drehmomentverlust im wesentlichen gleich einem Fall,
in dem die Zehn-Punkt-Durchschnittsrauheit 0,2 µm beträgt.
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Bezüglich der Rauheit der den Ventilstößel berührenden
Oberflächen (in Fig. 1 durch die Bezugsnummern 9 und 10
bezeichnet) des Spielausgleichselementes verringert sich ein
Abriebverlust des Ventilstößels stark in Übereinstimmung mit der
Abnahme der Oberflächenrauheit des Spielausgleichselementes. In
einem Bereich, in welchem die Oberflichenrauheit des gleichen
Ausgleichselementes kleiner als 0,2 µm ist, wird ein
Abriebverlust des Ventilstößels im wesentlichen konstant.
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Die Erfindung wird nun konkret auf der Basis ihrer
Ausführungsbeispiele beschrieben.
Beispiel 1:
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Die gleichen wie die in Fig. 1 gezeigten
Ventilspielausgleichselemente wurden aus einem Siliciumnitrid-
Keramiksinterkörper hergestellt, der eine relative Dichte von
nicht weniger als 98% aufweist. Die eine Nocke berührende
Oberfläche, d.h., die in Fig. 1 gezeigte, durch das Bezugszeichen
8 bezeichnete Oberflgche, aller Spielausgleichselemente wurde
unter verschiedenen Bedingungen mit einer Diamantschleifscheibe
geglättet, um die Rauheit der Oberfläche dieser
spielausgleichselemente auf die in Tabelle 1 gezeigten Werte zu
bringen. Alle so hergestellten Spielausgleichselemente wurden
unter Verwendung eines in Fig. 4 gezeigten Motorsystems und eines
eine obenliegende Nockenwelle simulierenden
Ventilbetätigungsmechanismus zur Überprüfung des
Leistungsverlustes hinsichtlich des Leistungsbedarfes eines
Motors unterzogen, der bei einer vorbestimmten Umdrehungszahl pro
Minute (2000 U/min und 4000 U/min bezogen auf die Anzahl an
Motorumdrehungen pro Minute) umläuft. Tabelle 1 zeigt die
erwähnten Ergebnisse zusammen mit den Ergebnissen ähnlicher
Auswertungen des Leistungsverlustes, der mit herkömmlichen Stahl-
Spielausgleichselementen verursacht wurde, welche
Vergleichsbeispiele bilden.
Tabelle 1:
Nr.
Material des Spielausgleichs-elements
Oberflächenrauheit
Rz der Kontakt-fläche
Leistungsbedarf des Motors
Silicium-nitrid
Stahl
(nicht bearbeitet)
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* Vergleichsbeispiele 1, 2, 3, 4, 5 und 8 bis 10
Beispiel 2:
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Die aus verschiedenen keramischen Materialien hergestellten
Spielausgleichselemente wurden durch ein identisch mit dem in
Beispiel 1 verwendeten Verfahren der gleichen Auswertung des
dadurch verursachten Leistungsverlustes unterzogen, und die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2:
Material des Spielausgleichs-elements
Oberflächenrauheit
Rz der Kontakt-fläche
Leistungsbedarf des Motors
Zirkoniumdioxid
zusammengesetztes Material aus
Stahl
(nicht bearbeitet)
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* Vergleichsbeispiele 12, 13, 15, 16 und 10.
Beispiel 3:
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Jedes der unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1
hergestellten Spielausgleichselemente wurde unter Verwendung des
in Beispiel 1 verwendeten Motorsystems einem 200-Stunden
Dauerbetriebstest mit einem bei einer vorbestimmten
Umdrehungszahl pro Minute drehenden Motor (6000 U/min bezogen auf
die Anzahl an Motorumdrehungen pro Minute) unterzogen, und der
Abriebverlust des Ventilstößels, welcher bestimmt wurde, nachdem
die Tests beendet waren, wurde ausgewertet. Die Auswertung des
Abriebverlustes erfolgte durch Messen des Ventilstößel-
Innendurchmessers, der in Fig. 2 durch eine Bezugsnummer 11
bezeichnet ist, bevor und nachdem jeder Test durchgeführt wurde,
und Bestimmen seines Änderungsbetrages. Die Ergebnisse der
Auswertung sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3:
Nr.
Material des Spielausgleichs-elements
Oberflächenrauheit
Rz der Kontakt-fläche
Leistungsbedarf des Motors
Silicium-nitrid
Stahl
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* Vergleichsbeispiele 17 bis 21 und 24, 25
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** Abriebverlust: Differenz zwischen den vor und nach dem
durchgeführten Test gemessenen Innendurchmessern des
Ventilstößels.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese
Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Oberflächen der
Spielausgleichsscheiben wurden durch Bearbeitung mit einer
Diamantschleifscheibe geglättet. Selbst wenn diese Oberflächen
durch Unterziehen chemischer oder physikalischer
Oberflächenbehandlungen (Ätzen und Beschichten) geglättet wurden,
oder eine chemische Beschichtungsbehandlung vor oder nach dem
Sintern eines keramischen Materials durchgeführt wurde, kann das
Erlangen der gleichen Wirkung wie bei den Ausführungsbeispielen
erwartet werden. Die gleiche Wirkung kann ebenfalls erwartet
werden, selbst wenn die Rauheiten der in Fig. 1 durch die
Bezugszeichen 8, 9 und 10 bezeichneten Oberflächen entsprechend
unterschiedlicher Zwecke auf verschiedene Werte festgesetzt sind.
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Das Spielausgleichselement entsprechend der vorliegenden
Erfindung ermöglicht es, bei einem Ventilbetätigungssystem den
Leistungsverlust zu reduzieren und die Verschleißbeständigkeit zu
vergrößern, sowie den Kraftstoffverbrauch, Leistung und
Standfestigkeit eines Verbrennungsmotors zu verbessern.