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Dokumentenidentifikation EP1460249 28.10.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001460249
Titel Zylinderkopf fuer Hubkolbenbrennkraftmaschinen
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company, Dearborn, Mich., US
Erfinder Kluge, Torsten, 51491, DE;
Verpoort, Clemens Maria, 52074, DE;
Broda, Maik, 52249, DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 19.03.2003
EP-Aktenzeichen 031007131
EP-Offenlegungsdatum 22.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.2004
IPC-Hauptklasse F02B 77/02
IPC-Nebenklasse F02B 77/11   F25D 11/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten von metallischen Werkstoffen für Bauteile, wie sie üblicherweise in Zylinderköpfen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen zu finden sind, wie z. B. Federn, Schlepphebel und Nockenwellen. Dabei wird das bekannte Verfahren der Microarcoxidation (auch bekannt als Plasmaspark bzw. Plasmaelectrolytic Oxidation oder Microarc discharge oxidizing) von Leichtmetallen dazu verwendet, die Oberflächeneigenschaften dieser Bauteile zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, der nach dem Microarcoxidationsverfahren beschichtete Bauteile aufweist.

Heutige Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bestehend aus mindestens einem Zylinder, enthaltend einen Kolben, der über einen Pleuel eine Kurbelwelle in Rotation versetzt, und einen Zylinderkopf, der den mittels Kolben und Zylinder gebildeten Verbrennungsraum nach oben abschließt. Der Zylinderkopf enthält üblicherweise mehrere Gaswechselventile für den Einlaß bzw. Auslaß der Verbrennungsluft bzw. der Verbrennungsgase. Diese Gaswechselventile sind üblicherweise Federbelastet und durch Ventilkeile gesichert. Zum Antrieb der Gaswechselventile werden üblicherweise eine oder mehrere Nockenwellen herangezogen, die diese Ventile üblicherweise über Tassenstößel, Schlepphebel oder Rollenhebel in Bewegung versetzen. Stand der Technik ist es, Schlepphebel, Tassenstößel, Ventilfeder, Ventilfederkeile und Nockenwellen aus Stahlwerkstoffen oder aus gesinterten Werkstoffen herzustellen.

Das Verfahren der Microarcoxidation von Leichtmetallen ist z. B. aus der WO 00/05493, aus der US 6,197,178 oder dem SAE-Papier von V.D.N. Rao, H.A. Cikanek, B.A. Boyer, L.N. Lesnevsky, N.M. Tchernovsky, N.V. Tjurin "Friction and wear characteristics of micro-arc oxidation coating for light weight, wear resistant, powertrain component application" SAE paper 970022; 1997 bekannt. Bekannt ist außerdem das Microarcoxidationsverfahren zur Beschichtung von Zylindern und Kolben anzuwenden.

Voraussetzungen für das Microarcoxidationsverfahren ist ein saures oder basisches Elektrolytbad mit einem spezifischen wäßrigen Elektrolyten, in das ein oder mehrere Werkstücke eingetaucht werden. Das oder die Werkstücke bilden die Anode während üblicherweise der Behälter die Kathode darstellt. An das oder die Werkstücke, hier ein Zylinderkopf, wird eine Spannung angelegt, bis sich winzige Lichtbögen bilden, bei bestimmten sich einstellenden Stromstärken. Dies führt nach einiger Zeit zu einer oxidierten Oberflächenschicht von üblicherweise ca. 20 bis 500 tausendstel Millimeter. Diese Oberflächenschicht zeichnet sich durch eine deutliche erhöhte Härte, durch geringere Reibung sowie eine bessere Verschleißfestigkeit aus. Der äußerste entstehende poröse Bereich kann vor dem ersten Einsatz mechanisch entfernt werden.

Außerdem ist die Wärmeleitung der oxidierten Schicht deutlich vermindert gegenüber dem Grundmaterial, so daß vergleichsweise eine gewisse thermische Isolierung erreicht wird.

Wird nun das Microarcoxidationsverfahren auf verschiedene Bauteile, wie z. B. Nockenwellen oder Ventilfedern eines Zylinderkopfes angewandt, so lassen sich diese Teile auch aus Leichtmetallwerkstoffen herstellen, da das Microarcoxidationsverfahren für eine erheblich erhöhte Oberflächenhärte sorgt, sowie für eine verbesserte Verschleißfestigkeit. Bereiche, in denen die Oberfläche nicht oxidiert werden soll, müssen während der Anwendung des Verfahrens abgedeckt sein.

Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung Bauteile eines Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen so zu verbessern, daß sie kostengünstiger hergestellt werden können, wobei gleichzeitig die Lebensdauer heraufgesetzt wird. Dies wird durch die Verwendung des Verfahren gemäß des Hauptanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Erfindungsgemäß werden Bauteile, wie z. B. eine Nockenwelle, eines Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aus Leichtmetall durch das zuvor beschriebene Verfahren zur Microarcoxidation beschichtet. Wie zuvor erwähnt entsteht durch das Microarcoxidationsverfahren eine oxidierte Oberflächenschicht von ca. 20 bis 500 tausendstel Millimeter. Diese Oberflächenschicht weist deutlich andere Eigenschaften als das Grundmaterial auf. So ist z. B. die Härte wesentlich erhöht, die Verschleißfestigkeit heraufgesetzt und die Wärmeleitfähigkeit vermindert. Es ist dabei nicht notwendig, daß ganze Teil zu beschichten. Es müssen allerdings die belasteten Bereiche beschichtet sein. Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, werden durch geeignete Maßnahmen abgedeckt.

Erfindungsgemäß wird daher die mindestens eine Nockenwelle eines Zylinderkopfes aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt und mittels Microarcoxidation beschichtet. Stand der Technik ist es, Nockenwellen aus Stahl- oder Sinterwerkstoffen herzustellen, da Leichtmetall der Belastung, die üblicherweise auf Nockenwellen wirken, auf Dauer nicht standhält. Insbesondere die Gleitflächen der Nocken sowie die Lagerstellen der Nockenwelle stellen erhöhte Ansprüche an das Material der Nockenwelle in Bezug auf Verschleiß, Härte und Notlaufeigenschaften. Wird nun erfindungsgemäß die Nockenwelle aus Leichtmetall hergestellt und mittels des Microarcoxidationsverfahrens beschichtet, so können die Anforderungen and die Gleitflächen der Nocken sowie die Lagerstellen auch von einer Nockenwelle aus Leichtmetall erfüllt werden. Es ist dabei nicht notwendig die gesamte Nockenwelle zu beschichten, ein Beschichten der Gleitflächen der Nocken und/oder der Lagerstellen ist ausreichend. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem geringeren Gewicht einer Nockenwelle aus Leichtmetall gegenüber einer Nockenwelle aus Stahlwerkstoff oder einer gesinterten Nockenwelle. Das verringerte Gewicht bedeutet einerseits ein geringeres Motorgesamtgewicht, aber insbesondere eine Verringerung des Gewichtes der rotatorischen Massen, d. h. die Leistung, die für den Betrieb eines Ventiltriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgebracht werden muß, verringert sich.

Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung des Microarcoxidationsverfahrens für Bauteile eines Zylinderkopfes bietet sich für weitere Teile eines Ventiltriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine an. Die mindestens eine Nockenwelle treibt üblicherweise die Gaswechselventile einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht direkt an, sondern über Kraftübertragungseinrichtungen wie Schlepp- oder Rollenhebel oder z. B. über Tassenstößel. Üblicherweise erfüllt auch hier ein Leichtmetallwerkstoff die Anforderungen, die an diese Bauteile gestellt werden. Daher werden sie üblicherweise aus Stahlwerkstoffen oder Sinterwerkstoffen hergestellt. Diese bieten eine ausreichende Härte, gewisse Notlaufeigenschaften und/oder eine gewisse Porosität zur Speicherung geringer Mengen von Schmierstoff, um so Notlaufeigenschaften sicherzustellen. Werden nun erfindungsgemäß Bauteile wie Schlepp- oder Rollenhebel oder Tassenstößel aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt und anschließen mit dem Microarcoxidationsverfahren beschichtet, so ergeben sich die erforderlichen oben aufgeführten Eigenschaften, so daß die Verwendung von Stahl- oder Sinterwerkstoffen für diese Bauteile überflüssig wird. Dies bedeutet wieder wie oben erwähnt eine deutliche Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger Verringerung der rotatorisch bzw. translatorisch bewegten Massen.

Für das Schließen von Gaswechselventilen in Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden üblicherweise Federn, die sogenannten Ventilfedern, eingesetzt, die wiederum von üblicherweise zwei Ventilfederkeilen pro Ventil und einem Ventilfederhalter in Position gehalten werden. Die Ventilfedern werden üblicherweise aus Federstahl, in seltenen Fällen auch aus Titan, hergestellt. Erfindungsgemäß ist es auch hier sinnvoll, diese Federn aus Leichtmetall herzustellen, der mit dem Microarcoxidationsverfahren beschichtet wird. Auch für die Ventilfederkeile und Ventilfederhalter ist diese Vorgehensweise sinnvoll. Es ergeben sich - wie zuvor - deutliche Gewichtsvorteile.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zylinderkopf, der Bauteile, wie sie zuvor beschrieben wurden, enthält.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1
Einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1. Zu erkennen sind ein Zylinderkopf 2, ein Teil eines Zylinderblockes 3 und ein Zylinder 4, in dem ein Kolben 5 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 5 bildet zusammen mit dem Zylinder 4 und dem Zylinderkopf 2 einen Brennraum 6. Verbrennungsluft gelangt über einen Einlaßkanal 10 durch eines der beiden Gaswechselventile 7, 7' in den Brennraum 6, während die Abgase den Brennraum durch das andere der beiden Gaswechselventile 7, 7' verlassen und dann durch den Auslaßkanal 11 weitergeleitet werden. Die Gaswechselventile 7, 7' sind üblicherweise in Ventilführungen 8, 8' beweglich angeordnet. In den Zylinderkopf 2 sind Ventilsitzringe 9, 9' eingelassen, an denen Dichtflächen für die Gaswechselventile 7, 7' ausgebildet sind. Die Gaswechselventile 7, 7' werden üblicherweise über mindestens eine Nockenwelle 11 direkt oder wie hier gezeigt über Schlepphebel 13, 13' angetrieben. Zu erkennen sind weiterhin die für das Schließen der Gaswechselventile 7, 7' notwendigen Ventilfedern 14, 14' sowie die zur Verbindung von Gaswechselventilen 7, 7' und Ventilfedern 14, 14' notwendigen Ventilfederkeile 15, 15' und Ventilfederhalter 16, 16'.

Erfindungsgemäß werden z. B. die Nockenwelle 12 und/oder die Schlepphebel 13, 13' und/oder die Ventilfederkeile 15, 15' und/oder die Ventilfederhalter 16, 16' aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt, der mit dem Microarcverfahren beschichtet wurde.


Anspruch[de]
  1. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen zur Beschichtung von mindestens einem Bauteil eines Zylinderkopfes (2) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1).
  2. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet, daß

       das mindestens eine Bauteil eine Nockenwelle ist.
  3. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet, daß

       das mindestens eine Bauteil ein Schlepp- oder Rollenhebel oder ein Tassenstößel ist.
  4. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet, daß

       das mindestens eine Bauteil eine Ventilfeder, ein Ventilfederkeil oder ein Ventilfederhalter ist.
  5. Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1)

    dadurch gekennzeichnet, daß

       der Zylinderkopf (2) beschichtete Bauteile nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.






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