DE4019644A1

DE4019644A1 - Ventilstoessel-struktur

Info

Publication number: DE4019644A1
Application number: DE4019644A
Authority: DE
Inventors: Masato Taniguchi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1991-01-10
Also published as: US5060607A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilstößel-Struk tur, die hinsichtlich der Reibfestigkeit verbesserte Eigen schaften aufweist und insbesondere betrifft sie eine Ventil stößel-Struktur, die in einem Verbrennungsmotor mit oben ge steuerten Ventilen (OHV=Over Head Valve) angeordnet ist.

Um hohe Drehzahlen und Leistungen von Motoren zu erreichen, werden immer häufiger Verbrennungsmotoren mit oben liegender Nockenwelle (OHC=Over Head Camshaft) eingesetzt. Hierbei wird eine Drehbewegung einer Nocke direkt über einen Kipphe bel zur Betätigung eines Ventils ausgenutzt.

In dem großen Bereich industriell genutzter Motoren und großer Dieselmotoren werden aber Verbrennungsmotoren mit oben gesteuerten Ventilen verwendet.

In Motoren mit oben gesteuerten Ventilen bewirkt eine Nocke die axiale Bewegung eines Ventilstößelkörpers, der wiederum mittels einer Stößelstange einen Kipphebel bewegt, wodurch ein Ventil so betätigt wird, daß es abwechselnd einen Einlaß bzw. Auslaß öffnet und schließt, die jeweils mit einer Ver brennungskammer in Verbindung stehen.

In diesem Fall tritt zwischen dem Ventilstößelkörper und der Nocke eine Abnutzung auf, die gerade bei höheren Leistungen nicht ignoriert werden darf.

Zur Reduzierung der Reibungsverluste werden möglichst leichte Ventilsysteme angestrebt. Dazu ist es auch erforder lich, den Ventilstößelkörper möglichst leicht auszuführen. Deshalb ist vorgeschlagen worden, den ganzen Ventilstößel körper einheitlich aus keramischem Material zu fertigen. Ein solcher Ventilstößel ist aber in der Herstellung teuer und nur sehr schwer zu fertigen, wodurch dessen praktischer Ein satz in einem üblichen Verbrennungsmotor ausgeschlossen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die zuvor erwähnten Nachteile zu verhindern und eine Ventilstößel- Struktur bereitzustellen, die bei geringem Gewicht zu mini malen Kosten eine hohe Reibfestigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Ventilstößel-Struktur weist folgendes auf:
einen metallischen Ventilstößelkörper, dessen Inneres einen hohlen Bereich mit an einem Ende des Ventilstößelkörpers an geordneter Öffnung aufweist, und
eine reibfeste keramische Platte, die durch Löten an dem of fenen Ende des Ventilstößelkörpers angebracht ist, so daß die Nocke zum axialen Bewegen des Ventilstößelkörpers auf der keramischen Platte reibend gleitet.

Der hohle Ventilstößelkörper ermöglicht eine Kosteneinspa rung und eine Gewichtsreduzierung, wodurch der Motor hohen Leistungen standhalten kann. Die Verwendung der keramischen Platte führt im Vergleich zu dem Fall, in dem der ganze Ven tilstößelkörper aus keramischem Material hergestellt ist, zu einer Einsparung eines großen Teils des teuren keramischen Materials.

Außerdem ist, da die keramische Platte an dem offenen Ende des hohlen Ventilstößelkörpers angebracht wird, nur eine ge ringe Menge Lot erforderlich.

Das reibfeste Material der keramischen Platte kann aus Si₃N₄, ZrO₂, Cr₂O₃, WC, Sialon und Cermit ausgewählt werden.

In bevorzugter Ausführungsform wird Si₃N₄ verwendet, das für die keramische Platte hinsichtlich mechanischer Festigkeit, zuverlässiger Herstellbarkeit und Reibeigenschaften sehr ge eignet ist.

Vorzugsweise wird zusätzlich eine metallische Platte zur Verstärkung der keramischen Platte verwendet. Die metalli sche Platte hat vorzugsweise ein Elastizitätsmodul von mehr als 2×10⁴ kg/mm², da die untere Grenze des Elastizitätsmo duls der keramischen Platte etwa 2×10⁴ kg/mm² beträgt.

Wenn die metallische Platte ein Elastizitätsmodul von mehr als 2×10⁴ kg/mm² besitzt, ist sichergestellt, daß die keramische Platte nicht reißt.

In bevorzugter Ausführungsform wird JIS SNCM 630 als metal lisches Material der Platte verwendet. Dieses metallische Material reicht aus, die keramische Platte zu verstärken, weil es durch Luft bei etwa 800°C abgeschreckt werden kann, wenn die metallische Platte an den Ventilstößelkörper gelö tet wird. in diesem Beispiel kann die metallische Platte eine Rockwell-Härte von HRC 40 und gleichzeitig ein Elasti zitätsmodul von mehr als 2×10⁴ kg/mm² aufweisen.

In bevorzugter Ausführungsform ist der Ventilstößelkörper aus einem Material hergestellt, das leicht durch Luft gehär tet werden kann.

Andere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt des Ventilkörpers nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines dynamischen Ven tilsystems mit oben gesteuerten Ventilen in einem Verbrennungsmotor, in dem ein Ventilstößelkörper nach der vorliegenden Erfindung angebracht ist,

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt des Ventilstößelkör pers nach einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung, und

Fig. 4 eine Tabelle, die den Abtrag zwischen dem Ventil stößelkörper der vorliegenden Erfindung und Ventil stößelkörpern des Standes der Technik vergleicht.

In Fig. 1 ist ein Ventilstößel 3 gezeigt, der in einem dyna mischen Ventilsystem nach Fig. 2 angebracht ist. In Fig. 2 ist eine Stößelstange 4 etwas verkürzt und schlank ausge führt, um ihr Gewicht zu reduzieren. Der Ventilstößel 3 nach der vorliegenden Erfindung weist entsprechend Fig. 1 einen legierten Ventilstößelkörper 3a und eine reibfeste kerami sche Platte 3b auf, die 30 mm im Durchmesser (D2) und 3 mm in der Dicke (t) mißt, und die gesamte axiale Länge (L) mit dem Ventilstößelkörper 3a beträgt 100 mm. Der Ventilstößel körper 3a ist durch Kaltschmieden einer auf Ni-Cr-Mo basie renden Stahllegierung (JIS SNCM 630, Ni: 2,5 bis 3,5%, Cr: 2,5 bis 3,5%, Mo: 0,5 bis 0,7%) hergestellt und weist einen Führungsbereich 3a₁ an seinem oberen Bereich auf, der 15 mm im Durchmesser (D1) mißt.

An dem oberen Ende des Ventilstößelkörpers 3a ist eine halb sphärische Aussparung 3a₃ vorgesehen, die ein unteres Ende der Stößelstange 4 aufnimmt und ein Kugelgelenk bildet. Der Ventilstößelkörper 3a wird vorzugsweise durch Bohren ausge höhlt und weist ein offenes unteres Ende 3a₂ auf, wobei der Hohlbereich 3a₄ 40 mm in der Tiefe (l=4d) und 10 mm im Durchmesser (d) mißt.

Der Ventilstößelkörper 3a weist einen äußeren Durchmesser auf, der dem Durchmesser (D2) der keramischen Platte 3b ent spricht.

In bevorzugter Ausführungsform wird der Ventilstößelkörper 3a aus etwa 90 Gew.-% Si₃N₄ unter weiterer Verwendung von Hilfs- und Bindemitteln hergestellt, durch einheitliches Sintern bei normalem Druck mittels Gesenkpresseneinrichtun gen. Anschließend wird der Ventilstößelkörper 3a durch Schleifeinrichtungen fertiggestellt, so daß eine Nockengleitfläche 3b₁ an der Seite der keramischen Platte 3a bereitgestellt wird.

Eine auf Silber basierende Lotschicht 3d wird aus Elementen wie 27% Cu, 9,5% In, 1,25% Ti und 62,25% Ag hergestellt und so ausgeformt, um eine ringförmige Schicht zu bilden. Daraufhin wird die keramische Platte 3b konzentrisch auf das offene untere Ende 3a₂ des Ventilstößelkörpers 3a mittels der ringförmigen Lotschicht 3d aufgebracht. In diesem Bei spiel wird die Lotschicht 3d unter Vakuumatmosphäre auf 800°C für 15 Minuten erhitzt, um die keramische Platte 3b an dem Ventilstößelkörper 3a einheitlich anzubringen.

In diesem Beispiel wird an dem Führungsbereich 3a₁ eine Rockwell-Härte von HRC 40 erreicht, was ausreichend ist, um den Führungsbereich 3a₁ reibfest zu machen. Auch wird auf diese Weise erreicht, daß mit dem Ventilstößel 3 bis zu 60% Gewicht gegenüber einem herkömmlichen Stößel aus massivem hartbarem Gußeisen derselben Größe eingespart wird.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie eine Nocke 2 auf einer Nockenwelle 1 angeordnet ist, wobei mit der Hin- und Herbe wegung eines Kolbens 7 die Nocke 2 reibend auf der Fläche 3b₁ der keramischen Platte 3b gleitet, um den Ventilstößel 3 axial zu bewegen, der wiederum einen Hebelarm 5 über eine Stößelstange 4 bewegt, wodurch ein Ventil 6 abwechselnd einen mit der nicht gezeigten Verbrennungskammer in Verbin dung stehenden Einlaß bzw. Auslaß öffnet und schließt.

Es wurde ein Dauerversuch mit dem in einem Verbrennungsmotor angebrachten Ventilstößel 3 durchgeführt. Der Motor wurde bei 2500 UpM für 300 Stunden betrieben.

Es wurde kein Abtrag an der Nockengleitfläche 3b₁ der kera mischen Platte 3b und keinerlei Beschädigung an dem Ventil stößel 3 gefunden. Demgegenüber wurde bei einem Versuch mit einem herkömmlichen Ventilstößel an dessen Nockengleitfläche ein Abtrag von 25 µm festgestellt.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar gestellt. In dieser Figur sind die Bezugszeichen identisch mit denen der Fig. 1. Der Ventilstößelkörper 3a gleicht dem in Fig. 1, abgesehen von etwas unterschiedlichen Abmessungen und daß der Ventilstößelkörper 3a aus JIS SNCM 616-Material hergestellt ist. Eine metallische Platte 3c ist derart aus JIS SNCM 630-Material hergestellt, das sie ein Elastizitäts modul von mehr als 2×10⁴ kg/mm² aufweist. Diese metalli sche Platte 3c wird anschließend an dem offenen unteren Ende 3a₂ mittels auf In-Cu-Ag basierendem Lot 3e an dem Ventil stößelkörper 3a auf dieselbe Art angebracht, wie das für die erste Ausführungsform zuvor beschrieben wurde. An einer äußeren Fläche der metallischen Platte 3c wird eine kerami sche Platte 3b so angeordnet, daß diese die metallische Platte 3c konzentrisch abdeckt. Die keramische Platte 3b wird sodann an der metallischen Platte 3c durch eine auf Silber basierende Lotschicht 3d, auf dieselbe Weise wie zu vor für die erste Ausführungsform beschrieben, angebracht. Dabei bilden die keramische Platte 3b, die metallische Platte 3c und der Ventilstößelkörper 3a eine Einheit.

In diesem Beispiel hat die Gleitfläche 3b₁ eine höhere Schlagfestigkeit gegenüber der Nocke 2, so daß der Hohlbe reich 3a₄ für weitere Gewichtseinsparung vergrößert werden kann, während die Dicke der keramischen Platte 3b für eine weitere Kosteneinsparung reduziert werden kann.

In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung mißt der Hohlbereich 3a₄ 17 mm im Durchmesser (d) und die metallische Platte 3c bzw. die keramische Platte 3b messen 3 mm bzw. 1 mm in der Dicke (t1) bzw. (t2). Im Vergleich zur ersten Aus führungsform ist die Wandstärke des Ventilkörpers 3a im Hohlbereich 3a₄ von 2,5 mm auf 1,5 mm reduziert.

Weiterhin kann dadurch eine Gewichtseinsparung des Ventil stößels 3 von bis zu 80% im Vergleich zu einem herkömmli chen Ventilstößel aus massivem härtbarem Gußeisen der glei chen Größe erzielt werden.

Es wurde ein Dauerversuch durchgeführt, bei dem der Ventil stößel 3 an dem vierten bis sechsten Zylinder eines 8000 cm³-Sechs-Zylinder Dieselmotors und herkömmliche Ven tilstößel an dem ersten bis dritten Zylinder dieses Motors angeordnet waren. Dieser Motor wurde bei 2500 UpM für 200 Stunden betrieben. In diesem Experiment betrug die Feder kraft einer Ventilfeder das zweifache einer herkömmlichen und es wurde verbrauchtes Öl geringerer Qualität verwendet, um das Experiment unter verschärften Bedingungen durchzufüh ren.

Wie aus der Tabelle in Fig. 4 ersichtlich, wurden keine Ab platzungen oder Risse bzw. nur geringe Abnutzungen an der Nockengleitfläche 3b₁ der keramischen Platte 3b und der Nockenoberfläche festgestellt. Demgegenüber sind an den her kömmlichen Ventilstößel-Strukturen wesentlich größere Abnut zungen und Beschädigungen erkennbar.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Hohlbereich 3a₄ bereits beim Gießen des Ventilstößelkör pers 3a durch Verwendung eines Gußkerns anstatt durch Bohren ausgebildet werden.

Weiterhin ist es möglich, die metallische Platte 3c an das offene untere Ende 3a₂ des Ventilstößelkörpers 3a durch eine Preßpassung, eine Schrumpfpassung, Strukturen, eine Verzah nung oder ähnliches anzubringen.

Claims

1. Ventilstößel-Struktur, in der ein Drehmoment über eine Nocke in eine axiale Bewegung übertragen wird, mit:
einem metallischen Ventilstößelkörper (3a), der einen hohlen Bereich (3a₄) aufweist, der an einem Ende (3a₂) eine Öffnung in dem Ventilstößelkörper (3a) ausbildet, und
einer reibfesten keramischen Platte (3b), die an dem of fenen Ende (3a₂) des Ventilstößelkörpers (3a) durch Lö ten angebracht ist, so daß die Nocke (2) reibend auf der keramischen Platte (3b) gleitet, um den Ventilstößelkör per (3a) axial zu bewegen.

2. Ventilstößel-Struktur nach Anspruch 1, wobei zwischen der keramischen Platte (3b) und dem offenen Ende (3a₂) des Ventilstößelkörpers (3a) zur Verstärkung der kerami schen Platte (3b) eine metallische Platte (3c) ange bracht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die metallische Platte ein Elastizitätsmodul von mehr als 2×10⁴ kg/mm² auf weist.

4. Ventilstößel-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die keramische Platte aus Siliziumnitrid als Hauptkomponente hergestellt ist.