Bezeichnung der Erfi ndung

Hebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung und Verfahren zur Herstellung desselben.

Gebiet der Erfi ndu ng

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung und auf ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derartigen Hebels.

Obwohl auf beliebige reibungsbehaftete Hebel anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Aufgabe in Bezug auf einen Sekundärhebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung näher erläutert, welche im Ventiltrieb einer Verbrennungskraftmaschine zur Ventil- / Zylinderabschaltung bzw. Ventilhubumschaltung einsetzbar ist.

Schaltbare Schlepphebelvorrichtungen sind in den verschiedensten Ausführun- gen bekannt. Im Wesentlichen bestehen diese aus zwei ineinander gelagerten Hebeln, wobei einer dieser Hebel, der so genannte Primärhebel, sich ständig im Ventilkontakt befindet und wobei der weitere Hebel, der so genannte Sekundärhebel, bei Bedarf, vorzugsweise bei einer Forderung nach einem großen Ventilhub, zugeschaltet werden kann. In einem abgeschalteten Modus der Verbren- nungskraftmaschine führt der Sekundärhebel im Allgemeinen eine so genannte Lost-Motion-Bewegung aus. Der Sekundärhebel ist zudem aus Package- Gründen zumeist als Gleitflächenhebel ausgeführt.

In Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine erge- ben sich verschiedene Anforderungen an den Sekundärhebel. In dem oben genannten Lost-Motion-Modus ist beispielsweise eine kleine Masse gefordert, um die maximal mögliche Drehzahl der Brennkraftmaschine in diesem Modus zu erhöhen. Andererseits wird in dem zugeschalteten Modus, in welchem der

Sekundärhebel zugeschaltet wird, ein großer Ventilhub und somit hohe Kräfte über den Sekundärhebel auf ein zugeordnetes Ventil übertragen. Hieraus ergibt sich die Forderung nach einer hohen Verschleißbeständigkeit der Gleitfläche und nach einer hohen Festigkeit des Sekundärhebels bei gleichzeitig möglichst geringer Masse.

Allgemein unterliegen derartige Schlepphebelvorrichtungen steigenden Anforderungen bezüglich des Verschleißwiderstandes und der Ressourcenschonung. Die Ursachen für die Notwendigkeit eines erhöhten Verschleißwiderstandes liegen in den immer höher werdenden Belastungen und Beanspruchungen des tribologischen Systems, bestehend aus Steuernocken und -stössel. Die Ursachen hierfür liegen in neuen Motorkonzepten, wie beispielsweise Benzin- und Diesel-Direkteinspritzsystemen, mit stetig steigenden Einspritzdrücken, einem zunehmenden Anteil an adhäsiven Partikeln im Schmierstoff, mangelnder öl- Versorgung der Reibpartner, was einen erhöhten Anteil an Mischreibung zur Folge hat, und der zunehmenden Verwendung von tribologisch ungünstigen Stahlnocken zur Kosten- und Massereduzierung. Ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung ist die Reduzierung der Reibungsverluste im Ventiltrieb, mit daraus folgender Kraftstoffeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebens- dauer des gesamten Ventiltriebes. Um die Reibungsverluste effektiv zu reduzieren, ist es notwendig, Reibmomente im gesamten Drehzahlbereich zu senken, eine verschleißbeständige Gleitfläche und einen eine hohe Festigkeit aufweisenden Hebelkörper zu schaffen.

Eine oben erläuterte Schlepphebelvorrichtung für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Druckschrift US 3,542,001 bekannt. Nachteilig an der in dieser Druckschrift beschriebenen Schlepphebelvorrichtung hat sich die Tatsache herausgestellt, dass durch die Reibung zwischen Abstütz- Element und kalottenförmiger Aussparung, d. h. durch die Reibung Stahl gegen Stahl, ein erheblicher Verschleiß auftreten kann, der die Lebensdauer eines solchen Ventiltriebs verringert. Diesen Verschleiß, d. h. die bei Dauerbeanspruchung von sich berührenden Partnern auftretende Abnutzungserscheinungen

und die im Allgemeinen unerwünschten Veränderungen der Oberfläche durch Lostrennen kleinster Teilchen in Folge mechanischer bzw. tribologischer Ursachen, hat man dadurch zu verringern versucht, dass man die beteiligten Partner einer thermischen bzw. thermisch-chemischen Behandlung zur Erzielung be- stimmter Eigenschaften unterworfen hat, d.h. deren Gleitflächen werden zum Verschleißschutz mit Wärmebehandlungs- bzw. Beschichtungsverfahren, wie z. B. Nitrocarborieren oder Plasma-Nitrieren behandelt.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die bekannten Beschichtungen bei den bei Schlepphebelvorrichtungen auftretenden Kontaktpressungen und Schmierbedingungen keinen ausreichenden Verschleißschutz darstellen. Ferner ist zur Reduzierung der Verschleißneigung zusätzlich eine ölanspritzung erforderlich. Ferner ist nachteilig, dass die bei Schaltschlepphebelvorrichtungen durch die Gleitflächen im System bedingte Reibung durch konventionelle Beschichtungsverfahren nicht kompensiert werden kann.

Nach einem Ansatz gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, Laufflächen von einem reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit Verschleiß- Schutzschichten zu versehen, die je nach Anwendungsfall bevorzugt aus galvanisch aufgetragenen Metallen oder aus in einem chemischen Spritzverfahren aufgetragenen Metallen und/oder Metall-Legierungen mit gegebenenfalls Hartstoffzusätzen bestehen.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass thermisch aufgespritzte Metallschichten eine relativ schwache Festigkeit besitzen, und es ist daher bekannt, zur Verbesserung der Festigkeit die Metallschichten nach dem Auftragen durch beispielsweise Plasmastrahlen, Laser- strahlen, Elektrodenstrahlen oder durch einen Lichtbogen derart zu verschmelzen, dass sich die Spritzwerkstoffe mit dem dabei gleichzeitig im Oberflächenbereich aufgeschmolzenen Grundwerkstoff schmelzflüssig vermischen und legieren. Beim Umschmelz-Legieren entstehen jedoch inhomogene Zonen unter-

schiedlicher Zusammensetzung, in denen sowohl der Grundwerkstoff als auch das Schichtmaterial überwiegen kann. Bei zu hohem Grundmaterialanteil ist der Schichtverschleiß zu hoch, bei geringem Grundmaterialanteil besteht bei verschiedenen Schichtkombinationen die Gefahr von Makro-Rissbildungen, so dass solche Schichten nicht einsetzbar sind. In einem derartigen Fall können Reibungsbelastungen einen unerwünschten Adhäsiv-Verschleiß an den Schichten verursachen.

So ist es beispielsweise üblich, derartige Schlepphebelvorrichtungen einer Einsatzhärtung zu unterwerfen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass trotz der dabei erzielten Oberflächenhärtung bei hohen Kontaktpressungen nach wie vor ein massiver Verschleiß auftritt.

Ferner ist an den oben erläuterten Ansätzen die Tatsache nachteilig, dass die Werkstoffwahl der einzelnen Hebel einer Schlepphebelvorrichtung von dem jeweiligen Herstellungsverfahren abhängig ist, so dass eine optimale Werkstoffauswahl, die auf den Kontakt zwischen dem Nocken und der Gleitfläche abgestellt ist, nicht möglich ist. Aufgrund der derzeit lediglich eingeschränkten Werkstoffwahl für die Gleitfläche der Hebel der Schlepphebelvorrichtung ist somit der Werkstoff der Nockenwelle nicht frei wählbar, sondern an die Materialwahl des Hebels gebunden. Zudem weisen die oben genannten Ansätze den Nachteil auf, dass zusätzliche Beschichtungsverfahren zum Herstellen einer verschleißfesten Beschichtung auf den Hebeln einen kostenintensiven und aufwändigen Vorgang darstellen.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, wodurch der Hebel auf kostengünstige Weise mit einer hohen Verschleißbeständigkeit der Gleitfläche und mit einer hohen Festigkeit des Hebels bei möglichst geringer Masse herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch einen Hebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentan-

Spruchs 1 und verfahrensseitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass der Hebel aus mindestens zwei miteinander fest verbindbaren Bauteilen besteht, von denen ein erstes Bauteil als Grundträgerteil aus einem ersten Material und ein zweites Bauteil als Gleitflächenteil aus einem zweiten Material hergestellt ist. Somit wird ein zumindest zwei- oder mehrteiliger Hebel einer schaltbaren Schlepphebelvorrichtung geschaffen, wobei die Materialwahl der einzelnen Bauteile an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Dadurch kann für den Grundträger des Hebels ein leichtes und eine hohe Festigkeit aufweisendes Material verwendet werden, wohingegen für das Gleitflächenteil beispielsweise ein Material mit einer hohen Verschleißbeständigkeit Verwendung findet.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gleitflächenteil aufgrund der separaten Herstellung auf einfache Weise eine freie Formgestaltung zulässt. Die Gleitflächen des Gleitflächenteils können vor einer Verbindung mit dem Grundträgerteil mit dem erforderlichen Radius bzw. der erforderlichen Krümmung ausgebildet werden, ohne dass auf etwaige nachteilige Gegebenheiten des Grundträgerteils geachtet werden muss. Die einzelnen Bauteile können somit einfacher, kostengünstiger und mit vorteilhafteren geometrischen Ausgestaltungen hergestellt werden.

Die Gleitflächen des Gleitflächenteils lassen sich beispielsweise bei einem Schleifverfahren besser einspannen, wodurch die Qualität der geschliffenen Gleitoberfläche verbessert werden kann. Zudem kann auch die Kontaktbreite der Gleitfläche zu einem zugeordneten Nocken maximiert werden, da diese nicht durch Biegeradien, wie beispielsweise bei geformten Blechschlepphebeln notwendig, reduziert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass beispielsweise bei einem

zusätzlich angewendeten Beschichtungsverfahren lediglich kleinere Bauteile in die Beschichtungsanlagen eingebracht werden müssen, so dass die Beschich- tungsanlagen einfacher und somit kostengünstiger ausgestaltet werden können.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Hebels und des im Patentanspruch 10 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Hebels.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Hebel als Innen- oder Außen- hebel bzw. Primär- oder Sekundärhebel einer Schlepphebelvorrichtung ausgebildet, die in einer Verbrennungskraftmaschine Verwendung findet. Vorteilhafterweise weist das Gleitflächenteil eine Gleitfläche auf, welche uneben mit mindestens einem gekrümmt ausgebildeten Querschnittsabschnitt ausgebildet ist. Aufgrund der separaten Herstellung des Gleitflächenteils ist eine derart ge- krümmte Gleitfläche auf kostengünstiger und vorteilhaftere Weise herstellbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Grundträgerteil als Blechumformteil, beispielsweise aus 16 MnCrδ, als Blechtiefziehteil, als Schmiedeteil oder dergleichen ausgebildet. In diesem Fall ist das Gleitflächen- teil vorzugsweise als Hartmetallplatte, als Gussteil, beispielsweise als Schalen- hartgussteil, als MIM-Teil oder dergleichen ausgebildet. Die oben genannten Varianten für das Trägerteil und das Gleitflächenteil können beliebig miteinander kombiniert werden, je nach dem welche Eigenschaften für die einzelnen Bauteile erwünscht sind. In diesem Fall werden das Grundträgerteil und das Gleitflächenteil mittels eines an die Materialien derselben angepassten Verbindungsverfahrens, beispielsweise mittels eines Widerstandsschweißverfahrens, eines Form-/Kraftschlussverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Klebeverfahrens oder dergleichen, miteinander fest verbunden. Somit können sowohl das Grundträgerteil als auch das Gleitflächenteil separat auf einfache und kosten- günstige Weise aus einem dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepassten Material hergestellt und anschließend durch ein geeignetes Verbindungsverfahren optimal miteinander fest verbunden werden.

Austauschseite

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Grundträgerteil als Stahlfeingussteil, beispielsweise aus 40 CrMoV5 als Aluminiumdruckgussteil, beispielsweise aus AISi9Cu3 oder dergleichen ausgebildet. In diesem Fall ist das Gleitflächenteil vorzugsweise als Hartmetallplatte, Gussteil, beispielsweise als Schalenhartgussteil, als MIM-Teil oder dergleichen ausgebildet. Die vorstehend genannten Varianten für das Grundträgerteil und das Gleitflächenteil können wiederum beliebig miteinander kombiniert werden, je nachdem welche Eigenschaften der jeweiligen Bauteile gerade gewünscht sind. In einem derartigen Fall werden das Grundträgerteil und das Gleitflächenteil beispielsweise mittels eines an das erste und zweite Material angepassten Verbin- dungsverfahrens, beispielsweise mittels eines Eingussverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Klebeverfahrens oder dergleichen, fest miteinander verbunden. Analog zu dem oben Gesagten können dadurch die einzelnen Bauteile zu- nächst getrennt voneinander kostengünstig, mit geeigneten geometrischen Ausgestaltungen und aus einem dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepassten Material hergestellt und anschließend mittels eines geeigneten Verbindungsverfahrens fest miteinander verbunden werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.

Von den Figuren zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines schaltbaren Schlepphebels mit einem Sekundärhebel, der gemäß einem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist; und

Figur 2 eine Seitenansicht des schaltbaren Schlepphebels aus Figur 1.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Wie in den Figuren ersichtlich ist, besteht der schaltbare Schlepphebel 1 gemäß dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Innenhebel bzw. Primärhebel 4 und einem Außenhebel bzw. Sekundärhebel 5. Obwohl die vorliegende Erfindung generell auf beliebige Hebel anwendbar ist, wird sie anhand des vorliegenden Ausführungsbeispiels lediglich in Bezug auf einen Außen- bzw. Sekundärhebel 5 beispielhaft näher erläutert.

Der Sekundärhebel 5 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Grundträgerteil 5 und zwei Gleitflächenteilen 3. Die Bauteile 2 und 3 werden jeweils als separate Bauteile aus jeweils geeigneten Materialien und mittels geeigneter Herstellungsverfahren hergestellt und anschließend mittels eines geeigneten und an die jeweils verwendeten Materialien angepassten Verbindungsverfahrens fest miteinander verbunden.

Beispielsweise können das Grundträgerteil 2 sowie die beiden Gleitflächenteile 3 jeweils aus einem geeigneten Stahl, Aluminium, Hartmetall, Kunststoff oder dergleichen derart hergestellt werden, dass sie den jeweiligen Anforderungen gerecht werden. Vorteilhaft wird das Grundträgerteil 2 demnach aus einem Material mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens derart hergestellt, dass es eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht aufweist. Die Gleitflächenteile 3 werden vorteilhaft aus einem Material und mittels eines geeigneten Herstel- lungsverfahrens derart hergestellt, dass die Gleitflächen der Gleitflächenteile 3 eine hohe Verschleißbeständigkeit besitzt. Die einzelnen Bauteile 2, 3 können beispielsweise mittels eines Gussverfahrens, eines Blechumformverfahrens, eines Blechtiefziehverfahrens, eines Schmiedeverfahrens oder dergleichen hergestellt werden.

Anschließend werden die separat hergestellten Bauteile 2, 3 mittels eines geeigneten Verbindungsverfahrens, beispielsweise eines Schweißverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Eingussverfahrens, eines Klemmverfahrens, eines

Klebeverfahrens oder dergleichen, fest miteinander verbunden, in Abhängigkeit davon, welches Verbindungsverfahren für die gewählte Materialkombination geeignet ist.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird das Grundträgerteil 2 als separates Bauteil beispielsweise aus dem Material 16MnCr5 oder einem ähnliche Eigenschaften aufweisenden Material hergestellt und mittels eines Blechumformverfahrens mit der gewünschten Form ausgestaltet. Alternativ kann das Grundträgerteil 2 auch als Blechtiefziehteil oder Schmiedeteil ausge- bildet werden.

In diesem Fall werden das Gleitflächenteil 3 bzw. die Gleitflächenteile 3 vorteilhaft als Hartmetallplatten, als MIM(Metal-lnjection-Moulding)-Teile oder als Gussteile ausgebildet. Im Falle einer Ausbildung als Gussteile haben sich Scha- lenhartgussteile als besonders vorteilhaft herausgestellt, da diese günstige Gleiteigenschaften aufweisen.

Die oben beschriebenen Varianten der Ausgestaltungen des Grundträgerteils 2 sowie des Gleitflächenteils 3 gemäß der ersten Ausführungsform können belie- big miteinander kombiniert werden.

Nach der separaten Herstellung der einzelnen Bauteile 2 und 3 werden diese mittels eines geeigneten Verbindungsverfahren fest miteinander verbunden. Beispielsweise werden das Grundträgerteil 2 sowie die Gleitflächenteile 3 mit- einander widerstandsverschweißt. Im Falle eines Blechumformverfahrens kann ein Widerstandsverschweißen unmittelbar in der Umformmaschine erfolgen, so dass ein zusätzlich nachgelagerter Schritt vorteilhaft entfällt. Alternative Verbindungsverfahren werden beispielsweise durch ein Laser-Schweißverfahren, ein Form-/Kraftschlussverfahren, beispielsweise ein Verstemmungsverfahren, ein Lötverfahren, ein Klebeverfahren oder dergleichen realisiert.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird das Grundträgerteil 2 mittels eines Stahl-Feingussverfahrens als Stahlfeingussteil, beispielsweise aus

dem Material 40 CrMoV5, mittels eines Aluminiumdruckgussverfahrens als A- luminiumdruckgussteil, beispielsweise aus dem Material AISi9Cu3, oder als aus einem ähnliche Eigenschaften aufweisenden Werkstoff bestehendes Teil hergestellt.

In diesem Fall werden die Gleitflächenteile 3 vorzugsweise als Hartmetallplatten aus einem Hartmetall, als MIM (Metal-Injection-Moulding)-Teile oder als Gussteile hergestellt. Im Falle von Gussteilen hat sich wiederum die Ausbildung als Schalenhartgussteile als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese Teile günstige Gleiteigenschaften besitzen.

Die oben genannten Varianten für die Ausgestaltung des Grundträgerteils 2 sowie der Gleitflächenteile 3 gemäß der zweiten Ausführungsform können analog beliebig miteinander kombiniert werden.

Für eine Verbindung des Grundträgerteils 2 und der Gleitflächenteile 3 gemäß der zweiten Ausführungsform haben sich insbesondere ein Eingussverfahren, ein Lötverfahren und ein Klebeverfahren als vorteilhafte Verbindungsverfahren herausgestellt.

Das Gleitflächenteil bzw. die Gleitflächenteile 3 werden vorzugsweise mit einer gekrümmt ausgebildeten Gleitfläche hergestellt, welche beispielsweise sowohl einen in Längsrichtung als auch einen in Querrichtung gekrümmt ausgebildeten Querschnitt aufweist. Für die Herstellung derart gekrümmter Bauteile mit vorbe- stimmten Radien bzw. Krümmungen ist es wiederum vorteilhaft, diese Teile als separate Bauteile herstellen zu können und anschließend ohne jegliche Restriktionen an andere Bauteile anzubinden.

Im Falle einer Ausgestaltung der Gleitflächenteile 3 als Schalenhartgussteile oder als Stahlteile mit einer DLC-Beschichtung ist eine Ausgestaltung der zugeordneten Nockenwelle aus einem 100Cr6-Material zu bevorzugen, da eine derartige Werkstoffkombination besonders hervorzuhebende Eigenschaften, d. h. einen geringen Abrieb der Gleitflächen, aufweist.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Es ist für einen Fachmann beispielsweise offensichtlich, dass neben den oben angeführten Materialien der einzelnen Bauteile, der oben angeführten Kombinationsmöglichkeiten, der einzelnen Herstellungsverfahren der einzelnen Bauteile sowie der einzelnen Verbindungsverfahren weitere Materialien, Kombinationen, Herstellungsverfahren und Verbindungsverfahren denkbar sind, die jedoch nicht allesamt im Einzelnen auszuführen sind, da sie von dem Schutzumfang der geltenden Ansprüche 1 und 10 mitumfasst sind. Entscheidend ist lediglich, dass das Grundträgerteil und die Gleitflächenteile separat und getrennt voneinander aus verschiedenen jeweils optimierten Materialien mit eventuell nachgelagerten Behandlungsverfahren hergestellt und mit den jeweiligen gewünschten geometrischen Formen ausgestaltet werden, und anschließend mittels eines für die vorliegende Materialkombination passenden Verbindungsverfahrens fest miteinander verbunden werden. Dadurch wird ein Hebel für eine schaltbare Schlepphebelvorrichtung gewährleistet, dessen Grundkörper eine hohe Festig- keit und dessen Gleitfläche eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Austauschseite

Bezugszeichenliste

Schlepphebelvorrichtung Grundträgerteil Gleitflächenteil Innenhebel/Primärhebel Außenheben/Sekundärhebel