PULVERMETALLURGISCH HERGESTELLTER (MIM) NOCKENFOLGER FÜR EINEN VENTILTRIEB EINER BRENNKRAFTMASCHINE

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen als Kipp- oder Schwinghebel ausgebildeten No- ckenfolger für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Der Nockenfolger ist zur Betätigung eines Gaswechselventils zwischen einem Nocken einer No¬ ckenwelle und dem Gaswechselventil angeordnet und in Betätigungsrichtung des Gaswechselventils drehbar auf einer Hebelachse gelagert und weist Mittel zur Einstellung eines Ventilspiels des Ventiltriebs auf.

Hintergrund der Erfindung

Derartige Nockenfolger sind dem Fachmann auf dem Gebiet von Brennkraft- maschinen als auf Achsen drehbar gelagerte Ventiltriebselemente bekannt, die den Hub eines Nockens auf ein oder mehrere Gaswechselventile übertragen. Dabei weisen Kipp- oder Schwinghebel moderner Ventiltriebe meist eine oder mehrere auf einem Bolzen drehbar gelagerte Rollen auf, die die im Nocken- Hebel Kontakt auftretende Ventiltriebsreibung insbesondere bei wälzgelagerten Rollen erheblich reduzieren. Neben der dadurch erzielten Minderung des Kraftstoffverbrauchs existieren weitere Anforderungen an die Brennkraftma¬ schine, welche selbstverständlich auch seitens des Ventiltriebs erfüllt werden müssen. Diese Anforderungen betreffen beispielsweise das Ventilspiel, das von Gaswechsel ventil zu Gaswechselventil schwanken und so insbesondere die zunehmend limitierten Abgasemissionen der Brennkraftmaschine ungünstig beeinflussen kann. Es wird daher häufig durch ein hydraulisches Ventilspiel- ausgleichselement automatisch justiert. Ferner sind die bewegten Massen des Ventiltriebs so gering wie möglich zu halten, um die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine im Hinblick auf eine Erhöhung der spezifischen Leistung weiter steigern zu können. Als wirtschaftlich sehr bedeutender Aspekt sind schließlich die Herstell kosten der Brennkraftmaschine und somit auch die Fer¬ tigungskosten der Nockenfolger zu nennen.

Einen guten Überblick über moderne Ventiltriebe, die die vorgenannten Anfor¬ derungen nach dem heutigen Stand der Technik bestmöglich erfüllen, kann sich der Fachmann beispielsweise mit dem „Handbuch Verbrennungsmotor", das als 1. Auflage im April 2002 im Vieweg Verlag erschien, verschaffen. Dort sind im Kap. 7.10.1 , Seite 158 ff. die gängigen Ventiltriebsbauformen beschrie¬ ben. Als Beispiel für einen achsgelagerten Kipphebel sei dabei auf das Bild 7- 115 und als Beispiel für einen Schwinghebel auf das Bild 7-117 verwiesen. Letzterer hat dort die Besonderheit, dass er als „Dreifach-Schwinghebel" drei Gaswechselventile gleichzeitig betätigt. Sowohl der dort dargestellte Kipphebel als auch der Schwinghebel besitzen eine bzw. mehrere Rollen als reibungsar¬ me Nockenkontaktflächen sowie ein bzw. mehrere so genannte Einsteckele¬ mente als hydraulische Ventilspielausgleichselemente.

Die Grundkörper derartiger Kipp- oder Schwinghebel sind nun gegenüber ei- nem modernen und preiswerten, aus einem einzigen Blechabschnitt umgeform¬ ten Schlepphebel, wie er in der vorgenannten Literaturstelle in Bild 7-112 dar¬ gestellt ist, üblicherweise Gussteile aus Aluminium oder Stahl. Hauptsächlicher Grund für die Verwendung dieses relativ aufwändigen Fertigungsverfahrens ist die gegenüber dem einfach ausgebildeten Schlepphebel geometrisch komple- xe Form des Kipp- oder Schwinghebels, da dessen Grundkörper zusätzliche Funktions- oder Körpermerkmale besitzen muss, die in einem Blechumformver¬ fahren nicht oder nicht ohne weiteres darstellbar wären. Dies betrifft in erster Linie die Lagerstelle für die Lagerachse, den inneren Hydraulikmittelpfad zur Versorgung des oder der hydraulischen Ventilspielausgleichselemente sowie die Durchtrittsöffnung für den oder die Bolzen zur Rollenlagerung. Es handelt sich bei diesen Merkmalen also generell um Durchtrittsöffnungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder auch andere Körperkonturen, die einer gießtechni¬ schen Herstellung nicht problemlos zugänglich sind. So kann die Verwendung von Schiebern oder Kernen im Gusswerkzeug zur Erzeugung dieser Körper¬ konturen das Auftreten lokal vorzeitiger Erstarrungsprozesse des heißflüssigen Werkstoffs fördern. Dadurch wäre das bei Gießverfahren ohnehin vorhandene Risiko von ungewollten Lufteinschlüssen im Werkstoffgefüge als Folge dieser Erstarrungsprozesse noch erhöht. Die üblicherweise als Lunker bezeichneten Lufteinschlüsse führen zu entsprechendem Festigkeitsabfall bis hin zur Bruch¬ gefahr des Werkstücks, das dann mittels aufwändiger Qualitätsprüfverfahren als teurer Ausschuss deklariert werden muss. Zur Vermeidung dieses zusätzli¬ chen Risikos ist es daher üblich, die vorgenannten Hohlräume nicht im Guss- rohling fertig herzustellen oder endkonturnah vorzubereiten, sondern massiv zu belassen. In einer mechanischen Endbearbeitung wird nachfolgend das über¬ schüssige Material entfernt. Eine spanabhebende Herstellung von Hohlräumen mit großem Querschnitt, wie die Lagerstelle für die Lagerachse, oder aber auch von Hohlräumen mit kleinem Querschnitt bei großer Längserstreckung, wie der innere Hydraulikmittelpfad, ist jedoch mit erheblichen Nachteilen in der Herstel¬ lung hinsichtlich Zeitaufwand, Materialabfall, Werkzeugverschleiß und somit hohen Herstellkosten verbunden.

Als weiterer Nachteil ist auch der für den Gießprozess unvermeidliche, für die Funktion des Nockenfolgers jedoch nicht erforderliche Angussblock am Guss¬ rohling zu nennen. Dieser Anguss ist insofern störend, als er eine überflüssige Erhöhung der bewegten Ventiltriebsmasse und, wie oben beschrieben, eine Einschränkung der erreichbaren Höchstdrehzahl der Brennkraftmaschine be¬ deutet. Ein mechanisches Abtrennen des Anguss ist natürlich möglich, aber verständlicherweise mit zusätzlichem Bearbeitungsaufwand und somit zusätzli¬ chen Herstellkosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Körperkonturen derartiger Grundkörper ent¬ weder nacharbeitsfrei oder endkonturnah und somit kostengünstig bei gerings¬ ter möglicher Masse herzustellen. Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Kontur eines durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren hergestellten Grundkör¬ pers des Nockenfolgers im Wesentlichen seiner Endkontur entspricht.

Das pulvermetallurgische Spritzgießverfahren, auch als Metal Injection Mould- ing (MIM) bezeichnet, ist an sich bereits bekannt. Dabei werden die Freiheiten des Kunststoffspritzgießens bei der Bauteilgestaltung mit den Vorteilen der Pulvermetallurgie, nämlich einer breiten verfügbaren Werkstoffpalette bei sehr engen Toleranzen, kombiniert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass feine Metallpulver im Bereich von 20 μm mit organischen Bindern zu einer ho¬ mogenen Masse vermischt werden. Der Volumenanteil des Metallpulvers be- trägt dabei in der Regel mehr als 50%. Es wird so eine Masse erhalten, die analog zur Kunststoffverarbeitung auf Spritzgießmaschinen verarbeitbar ist. Im Spritzgießprozess werden Formkörper gefertigt, die schon alle typischen geo¬ metrischen Merkmale des fertigen Bauteiles aufweisen, aber ein um den Bin¬ dergehalt vergrößertes Volumen besitzen. Die Formung von Hinterschnitten oder Hohlräumen erfolgt dabei mittels Schieber- und/oder Kernzugtechnologie, wobei die nicht mit Werkstoff auszufüllenden Räume im Werkstück mit einem oder mehreren Formkörpern während des Spritzgießvorgangs ausgefüllt wer¬ den. Während diese Formkörper Elemente des Spritzgießwerkzeugs sind und nach Beenden des Spritzgießvorgangs wieder verwendbar aus dem Werkstück entfernt werden, ist grundsätzlich auch der Einsatz von verlorenen Kernen denkbar. Diese könnten aus Kunststoff sein und wie die organischen Binder in einem nachfolgenden Entbinderungsprozess entfernt werden, wobei dies in Abhängigkeit vom eingesetzten Bindersystem entweder durch thermische Zer¬ setzung und Verdampfung oder auch durch eine Lösungsmittelextraktion er- folgt. Die zurückbleibenden porösen Formkörper werden durch Sintern unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum zu Bauteilen mit endgültigen geometrischen Eigenschaften verdichtet. Die dabei auftretende lineare Schwindung führt zu Enddichten größer 96 %. Der mittels des pulvermetallurgischen Spritzgießverfahrens hergestellte Grund¬ körper des Nockenfolgers weist demnach endkontumah ausgebildete Durch¬ trittsöffnungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder dergleichen auf, die kei- ner mechanischen Nacharbeit mehr bedürfen. Dies gilt nach Anspruch 2 auch für den sich innerhalb des Grundkörpers befindlichen Hydraulikmittelpfad, der die Lagerstelle des Nockenfolgers auf der Hydraulikmittel führenden Lagerach¬ se mit der dem Gaswechselventil zugewandten Ausnehmung für das hydrauli¬ sche Ventilspielausgleichselement zwecks dessen Versorgung verbindet. Der beim Spritzgießprozess gleichzeitig miterzeugte Hydraulikmittelpfad bietet er¬ hebliche Taktzeitverkürzungen und Kosteneinsparungen in der Herstellung des Nockenfolgers, da der oder die den Hydraulikmittelpfad bildenden Kanäle durch ein hohes Längen-Durchmesser-Verhältnis gekennzeichnet sind und deren spanabhebende Herstellung durch beispielsweise eine Bohr- oder Fräs- bearbeitung zeitaufwändig ist und/oder den Werkzeugverschleiß fördert.

Nach Anspruch 4 der Erfindung ist es ebenfalls zweckmäßig, dass eine als Lagerstelle dienende Durchtrittsöffnung bereits im Grundkörper des Nockenfol¬ gers durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist. Auch dieses Merkmal bietet erhebliche Zeit- und Kosten vorteile in der Herstellung des No¬ ckenfolgers, da der enorme Zerspanungsaufwand zur Herstellung einer aus dem vollen Material herausgearbeiteten Lagerstelle entfällt. Dies gilt gemäß Anspruch 5 nahezu gleichermaßen für Durchtrittsöffnungen, in denen ein Bol¬ zen radial und axial gelagert ist, wobei der Bolzen seinerseits eine den Nocken abgreifende Rolle drehbar lagert.

Aus Anspruch 6 geht hervor, dass der Grundkörper mechanisch nachbearbeitet wird. Dies betrifft besonders Kontaktflächen zu benachbarten oder im Nocken- folger integrierte Bauteile, wobei diese Kontaktflächen eine Maß- Form- und Lagegenauigkeit oder eine Oberflächenbeschaffenheit erfordern, die mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren nicht oder nicht wirtschaftlich her¬ stellbar ist. Zu diesen Kontaktflächen zählen vorrangig die Lagerstelle des No- ckenfolgers auf der Lagerachse sowie die Ausnehmung für das hydraulische Ventilspielausgleichselement.

Im Zusammenhang mit der mechanischen Nachbearbeitung sieht eine zweck- mäßige Ausbildung des Grundkörpers gemäß Anspruch 3 vor, dass die Lager¬ stelle des Nockenfolgers sichelförmige Ausnehmungen aufweist, die ebenfalls mittels des pulvermetallurgischen Spritzgießverfahrens hergestellt sind. Dabei münden in eine erste Ausnehmung ein Kanal des Hydraulikmittelpfads und in eine zweite Ausnehmung ein Durchgang zur spritzgießtechnischen Erzeugung des Kanals. Durch diese Ausbildung wird eine unerwünschte Gratbildung, die bei einer unmittelbaren Verschneidung von Kanal und Durchgang mit der La¬ gerstelle beim mechanischen Nacharbeiten der Lagerstelle entstehen würde, vermieden. Der Entfall eines sonst erforderlichen Entgratens bedeutet eben¬ falls erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen in der Herstellung des Nocken- folgers.

Nach einem zusätzlichen weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist der Grundkörper des Nockenfolgers aus einem Stahl, der durch Härten und Anlassen vergütbar ist, hergestellt. Dieser Wärmebehandlungsschritt erzeugt einen aufgrund seiner guten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften dyna¬ misch hoch belastbaren Nockenfolger.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Zeichnungen, in der ein Schwinghe¬ bel als Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Nockenfolger darge¬ stellt ist, näher erläutert. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Merkmale analog für einen Kipphebel gelten. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers für den Schwinghebel und Figur 2 einen Längsschnitt durch den Grundkörper

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren 1 und 2 ist der im pulvermetallurgischen Spritzgießverfahren hergestellte Grundkörper 1 für einen als Schwinghebel ausgebildeten Nocken- folger 2 dargestellt. Der für den Einbau in die Brennkraftmaschine komplettierte Nockenfolger 2 verfügt dann über weitere, dem Fachmann geläufige Kompo- nenten, die nachfolgend genannt, aber in den Figuren nicht dargestellt sind.

Der Nockenfolger 2 weist eine von einer zylindrischen Innenmantelfläche 3 umgebene Durchtrittsöffnung 4 auf. Die Innenmantelfläche 3 dient als Lager¬ stelle 5 zur drehbeweglichen Lagerung des Nockenfolgers 2 auf einer Lager- achse der Brennkraftmaschine. In einer Querrichtung zur Durchtrittsöffnung 4 der Lagerstelle 5 gehen Hebelwangen 6, 7 aus, die in einen topfförmigen Ab¬ schnitt 8 münden. Der Abschnitt 8 weist eine hohlzylindrische Ausnehmung 9 auf, die zur Aufnahme eines hydraulischen Ventilspielausgleichselements dient, welches bei in der Brennkraftmaschine montiertem Nockenfolger 2 mit einem Gaswechselventil in Wirkverbindung steht. Die Hebelwangen 6, 7 um¬ fassen in Verbindung mit der Lagerstelle 5 und dem Abschnitt 8 einen Zwi¬ schenraum 10, in dem bei komplettiertem Nockenfolger 2 eine drehbar gelager¬ te Rolle als Anlauffläche für einen Nocken angeordnet ist. Die Rolle wird dabei von einem Bolzen gelagert, der seinerseits axial und radial in Durchtrittsöff- nungen 11 , 12 der Hebelwangen 6, 7 gelagert ist.

In Figur 2 ist der Grundkörper 1 im Längsschnitt durch die Hebelwange 7 dar¬ gestellt. Der Längsschnitt verläuft dabei durch tunnelförmige Kanäle 13, 14, die ausgehend von einer sichelförmigen Ausnehmung 15 in der Innenmantelfläche 3 einen über einen Übertritt 16 in die Ausnehmung 9 mündenden Hydraulikmit¬ telpfad 17 zur Versorgung des hydraulischen Ventilspielausgleichselements mit Hydraulikmittel bilden. Ein Eintrittsbereich 18 des Kanals 14 in die Hebelwange 7 ist bei komplettiertem Nockenfolger 2 mit geeigneten Mitteln, wie beispiels- weise einer in den Eintrittsbereich 18 eingepressten Kugel, verschlossen. Ein zum Kanal 13 fluchtender Durchgang 19 mündet in eine weitere sichelförmige Ausnehmung 20 der Innenmantelfläche 3. Dabei sind die sichelförmigen Aus¬ nehmungen 15, 20 durch einen zylindersegmentförmigen Abschnitt 21 der In- nenmantelfläche 3 voneinander beabstandet. Der Abschnitt 21 bildet dann in Verbindung mit der Lagerachse für den in die Brennkraftmaschine montierten Nockenfolger 2 einen Dichtspalt, so dass der Durchgang 19 bei komplettiertem Nockenfolger 2 unverschlossen bleibt und hier lediglich eine geringfügige Le¬ ckage von Hydraulikmittel bei Betrieb der Brennkraftmaschine auftritt.

Erfindungsgemäß entspricht die Kontur des Grundkörpers 1 im Wesentlichen seiner Endkontur bei komplettiertem Nockenfolger 2. Dabei weisen insbeson¬ dere der von den Kanälen 13, 14 gebildete Hydraulikmittelpfad 17, die sichel¬ förmigen Ausnehmungen 15, 20 und der Zwischenraum 10 eine von mechani- scher Nacharbeit freie Endkontur auf. Bezugszeichen

1 Grundkörper 2 Nockenfolger 3 Innenmantelfläche 4 Durchtrittsöffnung 5 Lagerstelle 6 Hebelwange 7 Hebelwange 8 Abschnitt 9 Ausnehmung 10 Zwischenraum 11 Durchtrittsöffnung 12 Durchtrittsöffnung 13 Kanal 14 Kanal 15 sichelförmige Ausnehmung 16 Übertritt 17 Hydraulikmittelpfad 18 Eintrittsbereich 19 Durchgang 20 sichelförmige Ausnehmung 21 Abschnitt