DE10225977A1

DE10225977A1 - Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritzmotor

Info

Publication number: DE10225977A1
Application number: DE10225977A
Authority: DE
Inventors: Isamu Okabe
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2002-12-19
Also published as: GB2378741B; GB0213100D0; JP2003004120A; US20020193194A1; GB2378741A; JP3560157B2

Abstract

Ein Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritzmotor, welches eine exzellente Verschleißbeständigkeit, Haltbarkeit und einen ruhigen Betrieb aufweist, ist hergestellt, indem die Beschleunigung des Verschleißes an den Kettenradzahnoberflächen unterdrückt wird, welche von der Verschlechterung des Motoröls herrührt, und zwar selbst bei einem Direkteinspritzmotor derjenigen Art, bei der sich das Schmieröl mit hoher Wahrscheinlichkeit schnell verschlechtert. Bei dem Steuerantriebs-Kettenrad ist eine oberflächengehärtete Schicht zumindest auf einer Zahnoberfläche des Kettenrads durch ein Karbonitrier- und Temperverfahren ausgebildet.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Kettenrad zur Verwendung im Steuerantriebsmechanis mus eines Direkteinspritzmotors wie beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Di rekteinspritzbenzinmotor, bei welchem Kraftstoff direkt in Luft eingespritzt wird, die aufgrund einer hohen Kompression eine hohe Temperatur erreicht hat.

Ketten wie beispielsweise Rollenketten oder Zahnketten werden in den Steueran triebsmechanismen von Motoren eingesetzt, die dazu verwendet werden, Motor fahrzeuge und dergleichen anzutreiben. Kettenräder, die aus einer Sinterlegierung, einem Kohlenstoffstahl und einem legierten Stahl hergestellt sind, werden mit sol chen Ketten verwandet, und zwar sowohl als Steuerantriebs-Kettenräder auf Kur belwellen als auch als Abtriebskettenräder auf Nockenwellen.

Bei diesen Steuerantriebs-Kettenrädern wird - wie dies in der japanischen Patent offenlegungsschrift Nr. 239710/2000 gelehrt wird - ein Oberflächenhärtungsverfah ren wie beispielsweise ein Vergütungsverfahren oder ein Karburierungs-Temper- Verfahren unter Verwendung von Hochfrequenz oder dergleichen durchgeführt, um die Festigkeit der Zahnoberflächen und die Verschleißfestigkeit des Kettenrads zu erhöhen. Die oberflächengehärteten Steuerantriebs-Kettenräder werden weitläufig in den Steuerantriebsmechanismen von Benzinmotoren verwendet.

Bei einem Direkteinspritzbenzinmotor oder einem Dieselmotor wird Kraftstoff direkt in einen Zylinder eingespritzt. Bei beiden Arten von Direkteinspritzmotoren treten zwei Phänomene auf, die zur Verschlechterung des Motorschmieröls beitragen. Ein solches Phänomen ist das sogenannte "Halb-Brenn"-Phänomen, bei dem die Flammenausbreitung während des Brennens gestoppt wird. Ein weiteres Phäno men, das beim Betrieb von Direkteinspritzmotoren beobachtet wird, besteht darin, dass die Ausbreitung von Kraftstoff während seines Mischens nicht fortschreiten kann. Diese beiden Phänomene führen zur Erzeugung von großen Mengen an Kohlenstoffruß. Kohlenstoffruß, der Asche ist, vermischt sich mit dem Motor schmieröl. Daher ist die Verschlechterung des Motoröls bei einem Direkteinspritz benzinmotor oder einem Dieselmotor signifikanter als die Motorölverschlechterung, die bei einem herkömmlichen Benzinmotor auftritt, wo die Verbrennung nahezu vollständig ist.

Wenn ein herkömmliches Steuerantriebs-Kettenrad in einem Direkteinspritzmotor verwendet wird, ist der Verschleiß des Kettenrads signifikant größer, wenn es ei nem Öl ausgesetzt wird, das schlechter geworden ist, als wenn es mit neuem Öl geschmiert wird.

Der Kohlenstoffruß, der in einem Direkteinspritzmotor erzeugt wird, enthält viele Funktionsgruppen, beispielsweise eine Carboxylgruppe (COOH), die von den orga nischen Verbindungen abstammen, die die Hauptbestandteile von Benzin, Dieselöl und dergleichen sind. Wenn ein Kettenrad, das einem herkömmlichen Karburie rungs-Verfahren unterzogen wird, bei dem Steuerantriebsmechanismus eines Di rekteinspritzmotors verwendet wird, wird Kohlenstoff in einer sehr dünnen Oberflä chenschicht - etwa einige Nanometer dick - des Steuerantriebs-Kettenrads aus dem Eisenkarbid herausgelöst und durch die oben erwähnten Funktionsgruppen abgetrennt. Die metallische Struktur des Eisenkarbids ist in der dünnen, äußersten Oberflächenschicht des Kettenrads aufgebrochen, und die Oberflächenschicht ist erweicht, so dass die Oberfläche des Kettenrads durch den Gleitkontakt mit der Steuerantriebskette weiter verschlissen wird.

In Fig. 3 zeigt die Kurve (c) die Ergebnisse einer Messung der Verschleißmenge der Zahnoberflächen von Kettenrädern, wenn unverschlechtertes neues Öl als Schmiermittel für ein herkömmliches Dieselmotor-Steuerantriebs-Kettenrad ver wendet wird, wobei es bei seiner Herstellung einem Karburieren und Tempern un terworfen worden ist, nachdem Chrommolybdänstahl (SCM420) einem Schleifen und Zahnfräsen unterworfen worden war. In derselben Figur zeigt die Kurve (b) den Fortschritt des Verschleißes der Kettenradzahnoberflächen, wenn mit Kohlen stoffruß vermischtes, verschlechtertes Öl als Schmiermittel verwendet wird.

Die Testbedingungen zur Messung der Verschleißmenge bei den Zahnoberflächen des Kettenrads waren wie folgt:

a) Steuerantriebskette: eine Zahnkette mit einer Teilung von 6,35 mm;
b) Anzahl an Zähnen des Kettenrads: 21;
c) Last auf der Kette: 1,5 kN;
d) Umdrehungsgeschwindigkeit: 6500 U/min.

Wie aus den in Fig. 3 gezeigten Ergebnissen ersichtlich, zeigte das Steuerantriebs- Kettenrad, das einem herkömmlichen Karburierungs- und Temperverfahren unter worfen worden war, eine sehr hohe Verschleißmenge, wenn verschlechtertes Öl, das mit Kohlenstoffruß vermischt ist, als Schmiermittel verwendet wurde, und zwar im Vergleich mit der Verschleißmenge, die auftritt, wenn neues Öl als Schmiermittel verwendet wurde. Der Verschleiß, der sich aufgrund des verschlechterten Öls er gibt, das Kohlenstoffruß enthält, führt schließlich zu Eingriffsfehlern wie beispiels weise ein Zahnspringen.

Wenn bei dem Steuerantriebs-Kettenrad, das dem herkömmlichen Karburierungs- und Temperverfahren unterworfen worden war, die Verschleißmenge an der Zahnoberfläche des Kettenrads zunimmt, nehmen die Eingriffsgeräusche zwischen der Kette und dem Kettenrad zu, was nachteilig ist.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse von Messungen, die durch den Vergleich der Eingriffs geräusche zwischen zwei Steuerantriebsmechanismen erhalten worden sind. Die Kurve (b1) zeigt das Geräusch, das durch ein Steuerantriebs-Kettenrad erzeugt wird, bei dem ein Verschleiß von 0,2 mm auf den Zahnoberflächen des Kettenrads erzeugt wurde, und die Kurve (b2) zeigt das Geräusch, das durch ein neues Steu erantriebs-Kettenrad erzeugt wird. Wie aus diesen Messergebnissen ersichtlich, erzeugt das verschlissene Steuerantriebs-Kettenrad über einen weiten Bereich von Umdrehungsgeschwindigkeiten ein im Mittel um etwa 2 bis 3 dB höheres Ge räuschniveau als das Geräuschniveau, das durch das neue Steuerantriebs-Ketten rad erzeugt wird.

Die Testbedingungen zum Testen der Eingriffsgeräusche waren wie folgt:

a) Steuerantriebskette: eine Zahnkette mit einer Teilung von 6,35 mm;
b) Anzahl an Zähnen des antriebsseitigen Kettenrads: 21; Anzahl an Zähnen des abtriebsseitigen Kettenrads: 42;
c) Last auf der Kette: 0,7 kN;
d) Umdrehungsgeschwindigkeit des antriebsseitigen Kettenrads: 500-5000 U/min.

Das Pulver, das erzeugt wird, wenn ein Steuerantriebs-Kettenrad verschlissen wird, vermischt sich mit dem Schmieröl und wirkt als Poliermaterial. Daher erzeugt es einen Verschleiß nicht nur am Kettenrad oder an der Kette, sondern auch an weite ren Motorkomponenten wie beispielsweise ein Spannhebel oder eine Kettenfüh rung, die mit dem Steuerantrieb in Verbindung stehen. Wenn der Verschleiß des Steuerantriebs-Kettenrads fortschreitet, treten mehrere Probleme auf. Ein solches Problem ist das Zahnspringen der Steuerantriebs-Kette, das durch Eingriffsabnor mitäten in der Kette verursacht wird. Im schlimmsten Fall kann ein Zahn des Ketten rads brechen, was zu einer Beschädigung des Motors führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Probleme bei einem Steuerantriebs-Kettenrad, das bei einem Steueran triebsmechanismus in einem herkömmlichen Direkteinspritzmotor verwendet wird, zu lösen und des Weiteren ein Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritz motor bereit zu stellen, welches die Beschleunigung des Verschleißes an den Zahnoberflächen des Kettenrads unterdrückt, welcher von der Verschlechterung des Motorschmieröls herrührt, und zwar selbst bei einem Direkteinspritzmotor, bei dem sich das Motoröl meistens schnell verschlechtert, und welches eine höhere Verschleißbeständigkeit, Haltbarkeit und einen ruhigen Betrieb zeigt.

Die voranstehende Aufgabe ist durch ein Steuerantriebs-Kettenrad mit den Merk malen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritzmotor bereitgestellt, wobei eine oberflächengehärtete Schicht auf zumindest einer eine Kette berührenden Zahnoberfläche des Kettenrads durch Karbonitrier- und Temperverfahren ausgebildet ist. "Karbonitrierung", das auch als "Karburierung-Nitrierung" bezeichnet werden kann, ist ein Oberflächenbehand lungsverfahren, bei dem eine Karburierung und Nitrierung oder Nitrierhärtung gleichzeitig ausgeführt werden. Der Steuerantrieb gemäß der Erfindung ist bei ei nem Dieselmotor oder einem Direkteinspritzbenzinmotor besonders vorteilhaft.

Das Grundherstellungsverfahren ist dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Steuerantriebs-Kettenrädern ähnlich, mit der Ausnahme, dass bei dem Vergü ten ein Karbonitrier-Verfahren durchgeführt wird.

Jedes von mehreren herkömmlichen Kettenradherstellungsverfahren kann verwen det werden.

Gemäß einem herkömmlichen Verfahren wird ein Rohmaterial, das aus normalem Gusseisen (FC25-30), Kohlenstoffstahl, legiertem Stahl oder dergleichen besteht, durch Gießen, Schneiden oder Stanzen des Stahlmaterials oder Schmieden bear beitet. Danach werden ein Schleifen und Zahnfräsen ausgeführt, worauf ein Hoch frequenz-Vergüten erfolgt.

Bei einem anderen herkömmlichen Verfahren besteht das Rohmaterial aus Eisen pulver, Graphitpulver und dergleichen, die miteinander vermischt und geformt wer den. Die geformte Mischung wird dann einem Sinterverfahren unterworfen, worauf ein Hochfrequenz-Vergüten erfolgt.

Bei einem weiteren herkömmlichen Verfahren ist das Rohmaterial ein gerolltes Stahlblech, das zum Tiefziehen geeignet ist. Das Stahlblech wird gestanzt und ei nem Ziehverfahren und einem Verbindungsverfahren, einem Zahnformen und dann einem Hochfrequenz-Vergüten unterworfen.

Als Steuerantriebs-Kette, die mit dem Kettenrad kämmt, kann entweder eine Rol lenkette oder eine Zahnkette verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird eine oberflächengehärtete Schicht auf zumindest einer mit einer Kette eingreifenden Oberfläche der Kettenradzähne durch ein Karboni trieren und Tempern ausgebildet. Der gehärtete Zustand der Kettenradzähne, der durch dieses Verfahren erzeugt wird, unterdrückt den Verschleiß der Zahnoberflä chen, und zwar selbst dann, wenn eine Schmierung mit Schmieröl erfolgt, das mit einer signifikanten Menge an Kohlenstoffruß vermischt ist. Folglich kann sich das Steuerantriebs-Kettenrad eine lange Zeitdauer ruhig und gleichmäßig drehen.

Die Art und Weise, auf welche die Karbonitrier- und Temper-Behandlung es ermög licht, dass selbst Kohlenstoffruß enthaltendes Schmieröl den Verschleiß des Steu erantriebs-Kettenrads unterdrückt, ist nicht mit Sicherheit bekannt. Jedoch kann vermutet werden, dass der Stickstoff, der in der Zusammensetzung der gehärteten Zahnoberflächen enthalten ist, die Zersetzung und Abtrennung von Kohlenstoff in dem Karbid der Oberflächenschicht unterdrückt und des Weiteren das Erweichen der äußersten Oberflächenschicht und die Beschleunigung des Verschleißes in der äußersten Schicht unterdrückt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung lediglich beispielhaft im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht ein Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritzmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in einem Schaubild einen Vergleich zwischen karburierten und nitrier ten Kettenrädern gemäß der Erfindung einerseits und karburierten herkömmlichen Kettenrädern andererseits,

Fig. 3 in einem Schaubild den Verschleiß von Zahnoberflächen eines her kömmlichen Kettenrads und eines Kettenrads gemäß der Erfindung, wobei sich das Motorschmieröl mit der Zeit verschlechtert, und

Fig. 4 ein Schaubild, das die Geräusche vergleicht, die durch einen her kömmlichen Steuerantrieb und einen erfindungsgemäßen Steueran trieb bei verschiedenen Umdrehungsgeschwindigkeiten erzeugt wer den.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Steuerantriebs-Kettenrads gemäß der Er findung werden unten unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Ein bei dem Steuerantriebsmechanismus für einen Dieselmotor zu verwendendes Zahnrad 10 wurde durch Schleifen von Chrommolybdänstahl (SCM 420), Zahnfrä sen und anschließendes Karbonitrieren und Tempern hergestellt. Wie in Fig. 1 ge zeigt, wurde eine oberflächengehärtete Schicht 12 auf den Kettenradzahnoberflä chen ausgebildet.

Zur Überprüfung der Wirkungen des derart erhaltenen Kettenrads wurden zwei Kettenräder hergestellt. Das erste wurde gemäß der Erfindung durch ein Schleifen und Zahnfräsen und anschließendes Karbonitrieren und Tempern eines Chrommo lybdänstahls (SCM 420) hergestellt. Das zweite war ein herkömmliches Kettenrad, das durch ein Schleifen und Zahnfräsen und anschließendes Karburieren und Tempern eines Chrommolybdänstahls (SCM 420) hergestellt wurde. Der Verschleiß dieser Kettenräder wurde durch deren Betrieb in verschlechtertem Öl, das Kohlen stoffruß enthält, unter den folgenden Testbedingungen gemessen:

a) Steuerantriebs-Kette: eine Zahnkette mit einer Teilung von 6,35 mm;
b) Anzahl an Zähnen des Kettenrads: 21;
c) Last auf der Kette: 1,5 kN;
d) Umdrehungsgeschwindigkeit: 6500 U/min.

Fig. 2 zeigt den Verschleiß der Kettenräder während 200 Betriebsstunden. Wie aus den in Fig. 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich, betrug der Verschleiß des Ketten rads, das dem Karbonitrieren und Tempern unterworfen wurde, ein Drittel oder we niger im Vergleich mit dem Verschleiß des herkömmlichen Kettenrads, das dem Karburieren und Tempern unterworfen wurde. Dieselbe Wirkung wurde auch nach 200 Stunden erhalten. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass das Karboni trier- und Temperverfahren eine signifikante Wirkung als Oberflächenhärtungsver fahren für ein Kettenrad zeigt, das in einem Direkteinspritzmotor zu verwenden ist.

Obwohl die bei dem obigen Beispiel verwendeten Kettenräder aus Chrommo lybdänstahl (SCM 420) hergestellt waren, können dieselben Wirkungen in den Fäl len von Kettenrädern beobachtet werden, die aus anderen Stahllegierungen wie beispielsweise SCr und Sinterlegierungen hergestellt sind.

Wie oben beschrieben, zeigt das Steuerantriebs-Kettenrad gemäß der Erfindung eine exzellente Verschleißfestigkeit, Haltbarkeit und einen ruhigen Betrieb, indem eine Verschleißbeschleunigung auf den Kettenradzahnoberflächen unterdrückt wird, welche von der Verschlechterung des Motorschmieröls herrührt, und zwar selbst bei einem Direkteinspritzmotor von der Art, bei der sich das Motoröl mit hoher Wahrscheinlichkeit schnell verschlechtert. Diese Ergebnisse werden durch das Bil den einer oberflächengehärteten Schicht durch ein Karbonitrier- und Temperverfah ren auf zumindest den Zahnoberflächen des Kettenrads erreicht, die mit der Steu erkette in dem Steuerantriebsmechanismus eines Dieselmotors oder eines Di rekteinspritzbenzinmotors in Kontakt gelangen.

Bei dem Steuerantriebs-Kettenrad gemäß der Erfindung wurde ein Karbonitrier- und Temperverfahren als Oberflächenhärtungsverfahren für das Kettenrad eingeführt. Gemäß der Erfindung kann eine niedrigere Karburierungstemperatur verwendet werden als in dem Fall eines herkömmlichen Karburierungs- und Temperverfahren für ein Steuer-Kettenrad. Folglich kann das Oberflächenhärtungsverfahren der Er findung einfach ausgeführt werden und sind die Herstellungskosten des Kettenrads nicht signifikant erhöht.

Verschiedene geringfügige Veränderungen und Modifikationen der Erfindung sind im Licht der obigen Lehre möglich. Es versteht sich daher von selbst, dass die Er findung im Rahmen der beigefügten Patentansprüche auch anders praktiziert wer den kann als dies im Speziellen beschrieben ist.

Claims

1. Steuerantriebs-Kettenrad für einen Direkteinspritzmotor, wobei eine oberflä chengehärtete Schicht auf zumindest einer eine Kette berührenden Zahnoberfläche des Kettenrads durch Karbonitrier- und Temperverfahren ausgebildet ist.

2. Kombination aus einem Direkteinspritzmotor und einem Steuerantriebs-Ket tenrad, wobei eine oberflächengehärtete Schicht auf zumindest einer eine Kette berührenden Zahnoberfläche des Kettenrads durch Karbonitrier- und Temperver fahren ausgebildet ist.

3. Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktein spritzmotor ein Dieselmotor oder ein Direkteinspritzbenzinmotor ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Steuerantriebs für einen Direkteinspritzmo tor, wobei eine oberflächengehärtete Schicht auf zumindest einer eine Kette berüh renden Oberfläche eines Kettenrads des Steuerantriebs durch Karbonitrier- und Temperverfahren gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenrad, das eine oberflächengehärtete Schicht aufweist, in einen Direkteinspritzmotor als Teil eines darin angeordneten Steuerantriebs eingebaut wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenrad, das eine oberflächengehärtete Schicht aufweist, in einen Dieselmotor oder einen Direkteinspritzbenzinmotor als Teil eines darin angeordneten Steuerantriebs einge baut wird.