DE4423543A1

DE4423543A1 - Reibungsarme Nockenwelle

Info

Publication number: DE4423543A1
Application number: DE4423543A
Authority: DE
Inventors: Vemulapalli Durga N Rao; Harry Arthur Cikanek; Daniel Joseph German; Daniel Michael Kabat
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: GB9414658D0; US6167856B1; DE4423543C2; GB2281601A; GB2281601B

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen reibungsarme Ventil steuerungen und insbesondere reibungsarme Nockenwellen zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungs motors.

Die Konstruktion von Ventilsteuerungen zum Öffnen und Schließen von Ventilen in Motoren, wie Verbrennungsmotoren, ist bekannt. Eine solche Ventilsteuerung kann eine direkt wirkende, hydraulische Ventilstößelsteuerung für einen Verbrennungsmotor mit obenliegender Nockenwelle sein. Allgemein umfaßt eine Ventilsteuerung einen einen Nocken einer Nockenwelle berührenden Stößel, der dazu verwendet wird, die rotatorische Bewegung der Nockenwelle in eine axiale Bewegung des Ventiles umzusetzen. Das Ventil wird durch eine Ventilfeder geschlossen, die das Ventil in eine geschlossene Position vorspannt.

Die Ventilsteuerung umfaßt einen hydraulischen Ventilspiel ausgleicher, der eine Änderung der Ventillänge, verursacht durch thermische Ausdehnung aufgrund von Temperaturänderun gen sowie durch Abnutzung des Ventilsitzes, ausgleicht. Diese Art Ventilsteuerung ist eine Hochdruckeinrichtung, die durch den von der Schmiereinrichtung erzeugten hydrau lischen Druck den Ventilheber in ständigem Kontakt mit den Nocken hält, um die Funktion des Ventilöffnens/-schließens auszuführen. Der ständig auf das Ventil aufgebrachte hydraulische Druck, um den ständigen Kontakt mit den Nocken zu erhalten, zusätzlich zu den von den Nocken verursachten Kräften, führt zu zunehmenden Reibungsverlusten und merklichem Verschleiß der Bauteile der Ventilsteuerung.

Es wird angenommen, daß der hydraulische Druck einen hydro dynamischen Schmierfilm zwischen einem Lagerteil des Noc kens und den Oberflächen der Lager der Nockenwelle, der Stößeloberfläche und den Oberflächen des Nockens schafft. Aufgrund der hohen Flächeneinheitslast arbeitet die Ventilsteuerung überwiegend im Mischreibungsbereich einer Stribeckkurve, insbesondere im Motordrehzahlbereich 750 - 2000. Dieser Drehzahlbereich repräsentiert mehr als 80% der Fahrzyklen beim Betrieb von Fahrzeugen für Passagiere. Da der Betrieb unter Bedingungen überwiegender Mischreibung erfolgt, sind die in Kontakt miteinander stehenden Bauteile Gegenstand merklichen Verschleißes, etwa 30 bis 150 Mikromillimeter des Nockens, während der Lebensdauer des Motors.

Zusätzlich ist die Motordrehzahl durch das Auftreten von "Ventilvibrationen" begrenzt, die durch die hin- und her schwingenden Massen der Ventilsteuerung verursacht werden. Eine Verringerung der Masse der Ventilsteuerung verringert die Trägheitskräfte und ermöglicht dadurch höhere Motor betriebsdrehzahlen, die wiederum zu einer höheren Motorlei stungsabgabe führen. Ferner verringert eine Verminderung der Reibung zwischen den sich bewegenden Bauteilen merklich den Verschleiß und die Notwendigkeit für eine schwere, komplizierte und teuere hydraulische Einrichtung entfällt und der Motor kann, ohne Reibungsverluste und entsprechen den Verschleiß, auf die man in Standardhydraulikeinrichtun gen stößt, unter normalen hydraulischen Drücken arbeiten. Die Verringerung der Reibung führt wiederum zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die Verringerung der Abnutzung erhöht die Lebensdauer der Bauteile und folglich die Lebensdauer des Motors. Somit besteht im Stand der Technik der Bedarfan einer Verringerung des Gewichts der Ventilsteuerung und der Reibung zwischen den sich bewegenden Bauteilen der Ventilsteuerung. Außerdem besteht im Stand der Technik eine Notwendigkeit in Verwendung relativ kostengünstiger und einfach ausgeformter Bauteile der Ventilsteuerung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nockenwelle zu schaffen, bei die Bestandteile der Ventilsteuerung geringeren mecha nischen Belastungen, wie Reibungskräften oder Massenträg keitskräften ausgesetzt sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungs motors, die ein längs verlaufendes Wellenbauteil; und min destens einen am Wellenbauteil befestigten Nocken; auf weist, wobei mindestens ein Nocken aus mehreren Metall materialien unterschiedlicher Dichte besteht und eine Außenoberfläche besitzt, die mit einem festen Gleitmittel imprägniert ist, das oleophil ist und schnelle Bildung eines stabilen Ölfims zur Verringerung der Reibung unter stützt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Dementsprechend ist die Erfindung eine außergewöhnlich leichte Ventilsteuerung mit geringer Reibung für einen Motor, wie einen Verbrennungsmotor. Allgemeinen umfaßt die Ventilsteuerung eine mindestens einen Nocken besitzende Nockenwelle, deren Außenoberflachen so behandelt sind, daß die behandelten Oberflachen offenporig sind. Ein festes Gleitmittel imprägniert die behandelten Oberflächen. Ferner umfaßt die Ventilsteuerung einen leichtgewichtigen Stößel mit einer so behandelten Außenoberfläche, daß diese behan delte Oberfläche offenporig ist. Die behandelte Oberfläche ist mit einem Gleitmittel imprägniert. Der Stößel umfaßt einen Einsatz, der den Nocken berührt. Der Stößeleinsatz umfaßt eine verschleißfeste Kontaktoberfläche. Zusätzlich kann die Ventilführung eine Innenoberfläche besitzen, die so behandelt ist, daß offene Poren erzeugt werden, und sie mit einem festen Gleitmittel imprägniert ist, um die Rei bung zwischen den Flächen des Ventils und der Ventilführung zu verringern. Das feste Gleitmittel ist oleophil und un terstützt eine schnelle Bildung eines stabilen Ölfilmes zur Verringerung der Reibung zwischen den Bauteilen.

Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Nockenwelle mit geringer Reibung zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungsmotors. Die Nockenwelle umfaßt ein längs verlaufendes Wellenbauteil und mindestens einen am Wellen bauteil befestigten Nocken. Der Nocken ist aus Metall materialien unterschiedlicher Dichten hergestellt und besitzt eine Außenoberfläche, die mit einem festen Gleit mittel imprägniert ist, das oleophil ist und eine schnelle Bildung eines stabilen Ölfilmes zur Verringerung der Reibung unterstützt.

Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie eine Ventilsteuerung mit geringer Reibung für einen Verbrennungsmotor schafft. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Berührungs oberflächen der Ventilsteuerung mit einem festen Gleit mittel imprägniert sind, wodurch die Flächenpressungen ver ringert werden, so daß sich demgemäß die Reibung und der Verschleiß verringert. Wieder ein weiterer Vorteil der Er findung ist, daß die Ventilsteuerung ein festes Gleitmittel enthält, um Reibungsverluste zu vermeiden, die aufgrund hy draulischen Belastung des Stößel s gegen den Nocken auftre ten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Bau teile der Ventilsteuerung mit einem festen Gleitmittel im prägniert sind, das zu einer merklichen Verringerung der Reibungsverluste und des entsprechenden Verschleißes führt, so daß sich die Notwendigkeit für eine schwere, komplizier te und teuere Hydraulikeinrichtung erübrigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß eine leichtgewichtige Noc kenwelle mit geringer Reibung geschaffen wird, bei der Noc kenerhebungen aus zwei fach-/mehrfachverdichtetem Metallpul ver, durchsetzt mit einem festen Gleitmittel, verwendet werden, die an einer Hohlwelle angebracht sind. Wieder ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Verbundmetall sinternockenwelle einfach ausgeformt ist, was relativ kostengünstig ist. Zusätzlich verringert oder beseitigt eine solche Ventilsteuerung mit geringer Reibung den Ver schleiß unter öl-armen Bedingungen, wie beim Kaltstart, und erhöht somit merklich die Bauteil- und Motorlebensdauer.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbin dung mit den begleitenden Zeichnungen leichter verstanden.

Darin zeigt:

Fig. 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Ventil steuerung in betrieblicher Verbindung mit einem Motor;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht einer Stößelbaugruppe für die Ventilsteuerung in Fig. 1;

Fig. 3 eine Explosionszeichnung eines Bereiches der Stößelbaugruppe der Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Teils der Stößelbau gruppe der Fig. 3 in montierten Zustand;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Stößelbaugruppe im Kreis 5 der Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Nockens für die Ventilsteuerung der Fig. 1;

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines Ventils und einer Ventilführung der Ventilsteuerung der Fig. 1;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht eines Ventils und eines Ventilsitzes für die Ventilsteuerung der Fig. 1;

Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Ventil steuerung der Fig. 1 vor dem Einfahren;

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 9, nach dem Einfahren;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs gemäßen Nockenwelle mit geringer Reibung für die Ventilsteuerung der Fig. 1;

Fig. 12 eine geschnittene Ansicht entlang der Linie 12/12 in Fig. 11; und

Fig. 13 eine geschnittene Ansicht entlang der Linie 13/13 in Fig. 12.

In der Zeichnung, insbesondere Fig. 1, ist eine erfindungs gemäße Ventilsteuerung 12 in betrieblicher Verbindung mit einem Motor, wie einem Verbrennungsmotor, der allgemein mit 14 bezeichnet ist, dargestellt. Der Motor 14 umfaßt einen Zylinder- oder Motorblock 15, der mindestens einen, vorzugsweise mehrere, hohle Zylinder 16 besitzt. Außerdem umfaßt der Motor 14 einen durch geeignete Mittel, wie Befestigungsmittel (nicht dargestellt), am Zylinderblock 15 befestigten Zylinder- oder Motorkopf 18. Der Zylinderkopf 18 hat einen Einlaßkanal 20 und einen Auslaßkanal 22, die mit den Zylindern 16 in Verbindung stehen.

Die Ventilsteuerung 12 umfaßt mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Ventilbaugruppen, allgemein mit 24 bezeichnet, zum Öffnen und Schließen des Einlaßkanals 20 und Auslaßkanals 22. Vorzugsweise werden getrennte Ventilbaugruppen 24 für den Einlaßkanal 20 und den Auslaßkanal 22 verwendet. Außer dem umfaßt die Ventilsteuerung 12 mindestens eine, vorzugs weise mehrere, Nockenwellen 26 zum Öffnen und Schließen der Ventilbaugruppen 24. Die Nockenwelle 26 umfaßt eine inner halb des Zylinderkopfes 18 in bekannter Weise drehbar gela gerte Welle 27. Die Nockenwelle 26 hat mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Nocken 28, die mit den Ventilbaugrup pen 24 in Berührung stehen und diese bewegen. Die Nocken 28 haben eine kreisförmige Nockenbasis 30 und eine Nockenerhe bung 32.

Jede Ventilbaugruppe 24 umfaßt einen Ventilteller 35 und einen verschieblich in einer Ventilführung 37 angeordneten Ventilschaft 36. Die Ventilführung 37 ist in bekannter Weise in einer Öffnung 38 des Zylinderkopfes 18 angeordnet. Die Ventilbaugruppe 24 umfaßt außerdem eine Stößelbaugruppe 39, die ein Ende des Ventilschaftes 36 des Ventils 34 be rührt und sich an einen Nocken 28 der Nockenwelle 26 an schmiegt. Die Stößelbaugruppe 39 ist in bekannter Weise verschieblich in einer Stößelführungsbohrung 40 im Zylin derkopf 18 angeordnet. Ferner umfaßt die Ventilbaugruppe 24 eine um den Ventilschaft 35 des Ventils 34 angeordnete Ven tilfeder 41, deren eines Ende den Zylinderkopf 18 berührt und deren äußeres Ende einen um den Ventilschaft 35 ange ordneten Ventilfederhalter 42 berührt. Die Ventilfeder 41 zwingt den Ventilteller 35 des Ventils 34, sich an einen Ventilsitz 43 anzuschmiegen, um einen entsprechenden Ein laß- oder Auslaßkanal 20, 22 zu schließen. Der Ventilsitz 43 ist in einer Vertiefung 44 des Zylinderkopfes 18 am Ende des Einlaß- oder Auslaßkanals 20, 22 in der Nähe des Zylin ders 16 angeordnet.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Stößelbaugruppe 39 dar gestellt. Diese Stößelbaugruppe 39 umfaßt einen Stößel 46 im wesentlichen zylindrischer Form mit einem Hohlinnenraum 47 zur Aufnahme des Ventilschaftes 35 des Ventils 34. Vor zugsweise ist der Stößel 46 aus einem metallischen Mate rial, wie einer widerstandsfähigen Aluminium- oder einer Magnesiumspritzgußlegierung hergestellt. Die Außenfläche oder Oberfläche des Stößels 46 ist hart eloxiert. Das Eloxierverfahren führt zu einer submikroskopisch porösen Beschichtung, beispielsweise mit einer Porengröße von ungefähr 3-10 Mikromillimetern, um Imprägnieren des Stößels 46 mit einem festen Gleitmittel 50 vor dem abschließenden Schleifen zu ermöglichen. Dabei ist wichtig, daß die Tiefe der eloxierten Schicht ausreicht, beispielsweise 30-40 Mikromillimeter, um die Lagerbelastungen zu tragen. Außer dem sollte das Eloxierverfahren eine geeignete Eloxier schicht ausreichender Tiefe und Gleichmäßigkeit erzeugen, damit sie nicht unter der Dauerbelastung zerbröckelt. Das feste Gleitmittel 50 muß bis zu einer Tiefe eingedrungen sein, die um mindestens einige Mikromillimeter größer als der erwartete Verschleiß ist; wenn beispielsweise ein Verschleiß von ungefähr 30 Mikromillimetern erwartet wird, ist eine Gleitmittel-Imprägnierung von etwa 35-40 Mikromil limetern zufriedenstellend.

Das hierin verwendete feste Gleitmittel 50 ist ein festes Gleitmittel mit einem Reibkoeffizienten von 0,02 bis 0,1 bei 315°C (600°F). Das feste Gleitmittel 50 ist vorzugs weise ein Verbundwerkstoff mit 40 Vol.-% Graphit, 20 Vol.-% MoS₂, wobei der Rest ein thermisch stabiles Polymer (zer setzt sich nicht bis zu 375°C oder 700°F), wie ein Poly arcylsulfon oder ein hochtemperaturbeständiges Epoxidharz wie Bisphenol A und Vinyl Butoryl kombiniert mit Dicyan dianid ist. Das feste Gleitmittel 50 des hier beschriebenen Typs unterstützt aufgrund seiner Affinität für herkömmliche Schmieröle, die schnelle Bildung eines stabilen Ölfilmes. Das feste Gleitmittel 50 kann auch ein Metallmatrix- Verbundwerkstoff mit ungefähr 40% Graphit und einem Rest aus Aluminium oder Gußeisen sein. Solche Metallmatrix- Verbundwerkstoffe können durch Pulver-Metallurgie oder andere geeignete Mittel zur Schaffung eines porösen Mate rials, das Graphit für zeitweilige oder zusätzliche Schmierzwecke freigeben kann, gebildet werden. Bis zu 13% des Graphits können durch Bornitrid ersetzt werden. Das feste Schmiermittel kann auch bis zu 10% Kupfer und, als Ersatzstoff für MoS₂, LiF, NaF oder CaF aufweisen. Selbst verständlich können auch andere, als feste Gleitmittel ge eignete Zusammensetzungen verwendet werden.

Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, weist die Stößelbau gruppe 39 an deren oberen Ende auch einen Hohlraum 51 auf. Dieser Hohlraum 51 ist im allgemeinen von zylinderischer Form. Außerdem umfaßt die Stößelbaugruppe 39 einen ver schleißfesten Einsatz 52 mit einer einen Nocken 28 oder eine Nockenwelle 26 berührenden Kontaktfläche 54. Vorzugs weise ist der Einsatz 52 aus keramischem Material her gestellt, kann aber auch aus einem hochfesten Stahl oder hartem Aluminiumoxid hergestellt oder aus Siliziumnitrid gesintert sein. Der Einsatz 52 ist so bearbeitet, daß er in den Hohlraum 51 des Stößels 46 paßt. Der Einsatz 52 und der Hohlraum 51 sind für einen gleichmäßigen Sitz angepaßt. Vorzugsweise umfassen der Einsatz 52 und der Hohlraum 51 entsprechende Gegenkegel 57 und 58, um den Einsatz 52 im Hohlraum 51 festzuhalten. Der Einsatz 52 ist im Hohlraum 51 durch ein Schrumpfverfahren befestigt. Das Schrumpfverfah ren umfaßt Erhitzen des Stößels 46 auf eine Temperatur, die ungefähr 38°C (100°F) höher ist als die Betriebstempera tur des Motors (ungefähr 154°C oder 310°F) und Abkühlen des Einsatzes 52 auf eine Temperatur unterhalb einer niedrigen Umgebungstemperatur (ungefähr -45°C oder -50°F), nachdem der Einsatz 52 in den Hohlraum 51 eingesetzt wird. Wenn die Stößelbaugruppe 39 auf Raumtemperatur gebracht ist, schrumpft aufgrund der wesentlich höheren thermischen Ausdehnung des Stößels 46 dieser relativ zum Einsatz 52. Dieses Verfahren stellt sicher, daß der Einsatz 52 über den gesamten Betriebsbereich der Motortemperaturen eingepreßt bleibt. Selbstverständlich kann der Einsatz 52 am Stößel 46 auch durch Verwendung eines Sicherungsringes 59 befestigt sein, der mit entsprechenden Ringnuten 59a und 59b, die im Einsatz 52 und im Stößel 46 ausgebildet sind, im Eingriff steht.

In Fig. 6 ist ein Nocken 28 einer Nockenwelle 26 darge stellt. Die kreisförmige Nockenbasis 30 des Nockens 28 umfaßt einen Innenabschnitt 60, hergestellt aus einem Metallmaterial, wie einem weichen Stahl / einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, um Belastungen zu minimieren, die während der Rotation der Nockenwelle 26 auftreten. Der Innenabschnitt 60 ist mechanisch an einem geriffelten oder aufgerauhten Bereich 62 der Welle 27 befestigt. Die Nocken erhebung 32 und der Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis 30 des Nockens 28 sind aus einem Metallmaterial, wie einem porigen Ni-Cr-legierten Stahl mit mittlerem bis hohem Koh lenstoffgehalt, hergestellt. Die Außenfläche oder Ober flächen der kreisförmigen Nockenbasis 30 und der Nockener hebung 32 sind auf normalerweise vorgeschriebene Härtewerte für Nockenoberflächen (normalerweise um Rc 55) unter Verwendung eines der bekannten Verfahren, wie beispiels weise Nitrocarburieren, gehärtet. Im allgemeinen erstreckt sich die Porosität nur bis in eine Tiefe von weniger als 1,0 mm. Die Porosität ermöglicht die Imprägnierung der äußeren Oberflächen des Nockens 28 mit dem festen Gleit mittel 50. Die Tiefe der festen Gleitmittel-Imprägnierung 50 sollte mindestens mehrere Mikromillimeter größer sein als der zuvor beschriebene erwartete Verschleiß.

In Fig. 7 ist eine Ventilführung 37 dargestellt. Die Ven tilführung 37 besitzt eine mit dem festen Gleitmittel 50 imprägnierte Innenoberfläche 66, um die Reibung zwischen dem Ventilschaft 36 des Ventils 34 und der Ventilführung 37 zu verringern. Vorzugsweise umfaßt die Innenoberfläche 66 der Ventilführung 37 eine durch geeignete Mittel ausge bildete, verschleißfeste, porige Schicht, um die Imprägnie rung mit dem oben beschriebenen festen Gleitmittel 50 zu erleichtern.

In Fig. 8 ist ein Ventilsitz 43 dargestellt. Der Ventilsitz 43 besitzt eine gleichfalls mit dem festen Gleitmittel 50 imprägnierte Außenoberfläche 68, um die Reibung und den entsprechenden Verschleiß, der zwischen dem Ventilteller 35 und dem Ventilsitz 43 auftritt, zu verringern. Alternativ kann die Außenoberfläche des Ventiltellers 35 des Ventils 34 mit dem festen Gleitmittel 50 imprägniert sein und der Ventilteller 35 hohl, mit einem verschleißfesten Einsatz an seinem unteren Ende sein. Selbstverständlich ist der Ventilsitz 43 so behandelt, daß er, wie oben beschrieben, eine verschleißfeste, poröse Schicht ausbildet.

Bezugnehmend auf Fig. 9 ist ein Abschnitt des festen Gleit mittels 50 auf einem entsprechenden Ventilsteuerungsbau teil, wie dem Stößel 46, vor dem Einfahren dargestellt. Das feste Gleitmittel 50 ist bis zu einer wirksamen Verschleiß tiefe eingedrungen und weist eine Oberflächenschicht auf. Nach dem Einfahren des Motors bildet die Schicht des festen Gleitmittels 50 eine stabile, verschleißfeste, reibungsarme Schicht, wie in Fig. 10 dargestellt.

In Betrieb unterstützt das feste Gleitmittel 50 die Bildung eines stabilen Schmierfilms. Der stabile Schmierfilm ver ringert die Reibung, die bei höheren Betriebsgeschwindig keiten auftritt, bei denen hydrodynamische Schmierung vor herrscht. Die schnelle Bildung eines Schmierfilms ver ringert merklich den Nockenverschleiß durch Verringerung der Reibung bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten.

In den Fig. 11 bis 13 ist eine erfindungsgemäße Nockenwelle 70 für die Ventilsteuerung 12 dargestellt. Die Nockenwelle 70 kann anstelle der Nockenwelle 26 für das Öffnen und Schließen der Ventilbaugruppen 24 verwendet werden. Die Nockenwelle 70 umfaßt ein in bekannter Weise drehbar inner halb des Zylinderkopfes 18 gelagertes Wellenbauteil, allge mein mit 72 bezeichnet. Das Wellenbauteil 72 besitzt ein längs verlaufendes Wellenrohr 74, das ein stranggepreßtes, hohles oder rohrförmiges Bauteil ist. Das Wellenbauteil 72 besitzt außerdem Wellenenden 76, die massiv sind und einen innerhalb der Enden des Wellenrohrs 74 angeordneten Ab schnitt 77 besitzen. Vorzugsweise besitzt das Wellenbauteil 72 eine Außenfläche oder Oberfläche 78, die für eine noch zu beschreibende Aufgabe aufgerauht, geriffelt oder gerendelt ist.

Vorzugsweise ist das Wellenbauteil 72 aus einem metalli schen Material hergestellt, wie einer widerstandsfähigen Aluminium- oder Magnesiumspritzgußlegierung. Die Außen fläche 78 ist hart eloxiert. Das Eloxierverfahren führt zu einer submikroskopisch porösen Beschichtung, beispielsweise mit einer Porengröße von etwa 3-10 Mikromillimetern, um ein Imprägnieren mit dem festen Gleitmittel 50 vor dem abschließenden Schleifen zu ermöglichen. Es ist wichtig, daß die Tiefe der eloxierten Schicht ausreicht, etwa 30-40 Mikromillimeter, um Lagerbelastungen zu ertragen. Außerdem sollte das Eloxierverfahren eine geeignete eloxierte Schicht ausreichender Tiefe und Gleichmäßigkeit herstellen, so daß diese nicht unter Dauerbelastung zerbröckelt. Das feste Gleitmittel 50 muß bis zu einer Tiefe eingedrungen sein, die mindestens einige Mikromillimeter größer ist als der erwartete Verschleiß, beispielsweise wenn ein Ver schleiß von etwa 30 Mikromillimetern erwartet wird, sollte das feste Gleitmittel 50 bis zu etwa 35-40 Mikromillimeter eingedrungen sein.

Außerdem umfaßt die Nockenwelle 70 mindestens einen, vorzugsweise mehrere Lagerteile 80, die um das Wellenbau teil 72 längs über dessen Länge an vorbestimmten Stellen angeordnet sind. Die Lagerteile 80 können einen Außendurch messer haben, der größer ist, als der Außendurchmesser der Welle 74. Die Lagerteile 80 sind einstückig mit dem Wellen bauteil 73 ausgebildet und werden durch Schleifen der Außenfläche 78 auf ein vorbestimmtes Maß gefertigt. Die La gerteile 80 haben mindestens eine, vorzugsweise mehrere, transversal zum Umfang verlaufende und mit Abstand vonein ander am Umfang derselben angeordnete Nuten oder Furchen 82. Selbstverständlich weisen die Lagerteile 80 das feste Gleitmittel 50 auf, das deren äußeren Lagerflächen im prägniert.

Ferner umfaßt die Nockenwelle 70 mindestens eine, vorzugs weise mehrere Nocken, allgemein mit 84 bezeichnet, die die Ventilbaugruppen 24 berühren und diese bewegen. Die Nocken 84 werden durch Pulvermetallurgie aus mindestens zwei, vorzugsweise mehreren Metallpulvern unterschiedlicher Dichte hergestellt, um ein mit festem Gleitmittel 50 durch setztes Verbundmetall auszubilden. Die Nocken 84 besitzen eine kreisförmige Nockenbasis 86 und eine Nockenerhebung 88. Die kreisförmige Nockenbasis 86 umfaßt einen Innen bereich 90, hergestellt aus einem Pulvermetallmaterial, wie einem weichen Stahl oder einem Stahl mit geringem Kohlen stoffgehalt, mit einer ersten Dichte, um während der Rotation der Nockenwelle 70 auftretende Belastungen zu minimieren. Der Innenbereich 90 ist mechanisch an der Außenfläche 78 des Wellenbauteils 72, z. B. durch in bekannter Weise innere mechanische Verwindung oder durch unter Druck setzen mit Hydraulikflüssigkeit, befestigt. Die Nockenerhebung 88 und der Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis 86 sind aus einem Pulvermetallmaterial zweiter Dichte hergestellt, wie einem porösen metallischen, Ni-Cr legierten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (ungefähr 0,5 C).

Die Außenflächen oder Oberflächen der kreisförmigen Nocken basis 86 und der Nockenerhebung 88 sind auf einen normaler weise vorgegebenen Härtewert für Nockenoberflächen (norma lerweise um Rc 55) durch Verwendung eines bekannten Ver fahren, wie beispielsweise Nitrocarburieren, gehärtet. Im allgemeinen erstreckt sich die Porosität nur bis zu einer Tiefe von weniger als 1,0 mm. Die Porosität ermöglicht es, die Außenoberflächen des Nockens 84 mit dem festen Gleit mittel 50 zu imprägnieren. Die Tiefe der Imprägnierung des Gleitmittels 50 ist, wie zuvor beschrieben, mindestens einige Mikromillimeter größer, als der erwartete Ver schleiß. Im Falle des Nockens 84, liegt der erwartete Verschleiß beispielsweise bei etwa 30 Mikromillimeter, und daher ist die Imprägnierungstiefe des festen Gleitmittels 50 etwa 35-40 Mikromillimeter. Selbstverständlich bezieht sich "Dichte" auf die Porosität, so daß das Pulvermetall material mit zweiter Dichte eine Porosität von 5 bis 10% aufweist, während das Pulvermaterial erster Dichte eine Porosität von weniger als 1% besitzt.

Alternativ können die Außenoberflächen der kreisförmigen Nockenbasis 86 und der Nockenerhebung 88 durch Aufbringen einer Lichtbogenplasmaspritzbeschichtung porös gemacht werden. Die Beschichtung kann jedes geeignete harte Material, wie in Silizium (Si) oder in Nickel (Ni) einge bettetes Wolframcarbide sein, während die Porosität durch Steuerung der Teilchengröße erzeugt wird. Die Beschichtung kann auch ein Material auf Eisenbasis, wie FeCrNi oder gewerblich erhältliches Triboloy (Ni₁₈Cr₁₆Al₄-Legierung) sein. Die Beschichtung hat ausreichende Dicke, bei bei spielsweise einhundertfünfzig (150) Mikromillimeter. Selbstverständlich ist die poröse Beschichtung mit dem festen Gleitmittel 50 imprägniert. Außerdem kann die Beschichtung in selbstverständlich bekannter Weise durch herkömmliche Lichtbogenplasmasprühverfahren aufgetragen sein.

Dementsprechend verringert das feste Gleitmittel 50 auf der Ventilsteuerung 10 Reibungsverluste; Kontaktkräfte aufgrund der Beseitigung hydraulischer Belastung; und aufgrund merk licher Verringerung der sich hin- und herbewegenden Masse die Trägheitskräfte. Dadurch ermöglicht die Ventilsteuerung 10 merklich höhere Betriebsgeschwindigkeiten des Motors und eine Verringerung der Reibung und des Verschleißes, wodurch dementsprechend die Lebensdauer des Motors verlängert wird. Aufgrund der merklichen Verringerung des Verschleißes benötigt die Ventilsteuerung 10 weder eine Anpassung an die Lebensdauer des Motors, noch einen hydraulischen Ventil spielausgleich mit dementsprechend präziser Bearbeitung und hydraulischen Schmierbedürfnissen. Außerdem schafft die Nockenwelle 70 mit geringer Reibung einer Verringerung der Reibung der Ventilsteuerung 12, durch Verwendung relativ billiger, einfach ausgebildeter Nocken 84 aus Verbundme tallpulver, durchsetzt mit festem Gleitmittel 50.

Die Erfindung wurde anhand von Beispielen beschrieben. Selbstverständlich soll die verwendete Terminologie be schreiben und nicht zu Einschränkungen führen. Viele Ab änderungen und Variationen der Erfindung sind im Rahmen der Offenbarung möglich. Deshalb sind auch andere Ausführungs formen der Erfindung im Rahmen der Ansprüche möglich, die nicht konkret beschrieben wurden.

Bezugszeichenliste

10 Ventilsteuerung
12 Ventilsteuerung
14 Motor
15 Motorblock
16 Zylinder
17 Zylinderkopf
20 Einlaßkanal
22 Auslaßkanal
24 Ventilbaugruppe
26 Nockenwelle
27 Welle
28 Nocken
30 Nockenrundung
32 Nockenerhebung
34 Ventil
35 Ventilteller
36 Ventilschaft
37 Ventilführung
38 Öffnung
39 Stößelbaugruppe
40 Stößelführungsbohrung
41 Ventilfeder
42 Ventilfederhalter
43 Ventilsitz
44 Vertiefung
46 Stößel
47 Hohlinnenraum
50 Gleitmittelüberzug
51 Hohlraum
52 verschleißfesten Einsatz
54 Kontaktfläche
57 Gegenkegel
58 Gegenkegel
59 Sicherungsring
59a Ringnut
59b Ringnut
60 Innenabschnitt
62 aufgerauhter Bereich
66 Innenoberfläche
68 Außenoberfläche
70 Nockenwelle
72 Wellenbauteil
74 Welle
76 Wellenende
77 Abschnitt
78 Außenoberfläche
80 Lagerzapfen
82 Längsnuten
84 Nocken
86 kreisförmige Nockenbasis
88 Nockenerhebung
90 Innenbereich

Claims

1. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:

ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72); und
mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten Nocken (84);

wobei mindestens ein Nocken (84) aus mehreren Metallmateri alien unterschiedlicher Dichte besteht und eine Außenober fläche besitzt, die mit einem festen Gleitmittel (50) imprägniert ist, das oleophil ist und schnelle Bildung eines stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung unter stützt.

2. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eines der Metallmaterialien unterschiedlicher Dichte ein poröser Ni-Cr-legierter Stahl mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt ist, wobei die offenen Poren mit dem festen Gleitmittel (50) imprägniert sind.

3. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallmaterialien unterschiedlicher Dichte ein weicher Stahl / ein Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt ist.

4. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Nocken (84) eine kreisförmige Nockenbasis (86) und eine Nockenerhebung (88) aufweist.

5. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Nockenbasis (86) einen Innenbereich (90) aus einem weichen Stahl / einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt herge stellt ist.

6. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenerhebung (88) und der Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis (86) aus dem porösen Ni-Cr-legierten Stahl mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist.

7. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil (72) ein Hohlwellenteil (74) mit aufgerauhter, geriffelter oder gerendelter Außenoberfläche (78) aufweist.

8. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil (72) Wellenenden (76) aus Vollmaterial hat, die jeweils mit einem Abschnitt (77) in der Hohlwelle (74) angeordnet sind.

9. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche (78) der Welle mit dem festen Gleitmittel (50) imprägniert ist.

10. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil (72) mindestens ein Lagerteil (80) aufweist.

11. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerteil (80) mindestens eine transversal verlaufende Vertiefung (82) aufweist.

12. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:

ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72) mit einer ersten Außenoberfläche (78); und
mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten Nocken (84) mit einer kreisförmigen Nockenbasis (86) und einer Nockenerhebung (88);

wobei die kreisförmige Nockenbasis (86) und die Nockenerhe bung (88) eine zweite Außenoberfläche aufweisen und wobei die erste und zweite Außenoberfläche (78) offene Poren besitzen, die mit einem festen Gleitmittel (50) imprägniert sind, das oleophil ist und eine schnelle Bildung eines stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung unterstützt.

13. Reibungsarme Nockenwelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nocken (84) aus mehreren Metallmaterialien unterschiedlicher Dichte hergestellt ist.

14. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenbereich (90) der kreisförmigen Nockenbasis (86) aus einem weichen Stahl /einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist.

15. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenerhebung (88) und ein Übergang zur kreisförmigen Nockenbasis (86) aus einem porösen Ni-Cr-legierten Stahl mit hohem Kohlen stoffgehalt hergestellt sind.

16. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12, bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbauteil (72) mindestens ein Lagerteil (80) aufweist.

17. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lager teil (80) mindestens eine transversal verlaufende Vertie fung (82) aufweist.

18. Reibungsarme Nockenwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Gleitmit tel (50) Graphit, Bornitrid, Molybdän-Disulfid in einem hochtemperaturbeständigen Polymer-Grundwerkstoff aufweist.

19. Reibungsarme Nockenwelle zur Betätigung mindestens eines Ventils eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:

ein längs verlaufendes Wellenbauteil (72) mit einer ersten Außenoberfläche (78);
mindestens einen am Wellenbauteil (72) befestigten Nocken (84) mit einer kreisförmigen Nockenbasis (86) und einer Nockenerhebung (88),
wobei:
die kreisförmige Nockenbasis (86) und die Nockenerhe bung (88) eine zweite Außenoberfläche aufweisen;
ein Innenbereich (90) der kreisförmigen Nockenbasis (86) aus einem weichen Stahl / einem Stahl mit gerin gem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist;
die Nockenerhebung (88) und ein Übergang der kreisför migen Nockenbasis (86) aus einem porösen Ni-Cr legier ten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist;
und
mindestens ein Lagerteil (80) am Wellenbauteil (72), eine dritte Außenoberfläche aufweist;

wobei die erste, zweite und dritte Außenfläche (78) offene Poren besitzen, die mit einem festen Gleitmittel (50) imprägniert sind, das oleophil ist und eine schnelle Bil dung eines stabilen Ölfilms zur Verringerung der Reibung unterstützt.