Entwicklungsgeschichte des Vari-Lift Kipphebelsystem.
Autor: Alberto Keel, Erfinder und Entwickler des Vari-Lift Kipphebelsystems und Verkäufer des Fahrzeugs.
Der erste Prototyp des Kipphebels
Januar 2002: Mit einer Vision, die ich anfangs mit niemandem teilen konnte, begann ich ohne jegliche Vorkenntnisse eine Patentanmeldung zu verfassen, reichte sie am 22. Februar beim Institut für Geistiges Eigentum in Bern (Schweiz) ein und entwarf und fertigte gleichzeitig einen Prototyp eines Kipphebels. Wie vom Teufel getrieben, wollte ich so schnell wie möglich herausfinden, ob meine Vision tatsächlich funktionieren würde. Es war eine sehr aufregende und zugleich stressige Zeit. In meinem Eifer und meiner Zuversicht fiel es mir leicht, praktisch Tag und Nacht zu arbeiten.
April 2002: Der erste Prototyp des Kipphebels war bereit für die Tests.
Der Prototyp des Kipphebels war zur Erhöhung der Funktionssicherheit mit zwei Schaltstiften ausgestattet. Gehärtete Bohrbuchsen dienten als Führungen für die Schaltstifte. Die Federn stammten aus Kugelschreibern. Der Exzenter wurde aus einem Stück Sphäroguss gefertigt, das aus einer alten Kurbelwelle abgesägt wurde.
Da ich noch einen frisch aufgebauten Pontiac-400-cui-Motor von einem anderen Projekt herumliegen hatte, nutzte ich ihn als Testaufbau. Ich baute den Prototyp auf diesem Motor und spannte ihn in eine Drehbank ein, die die Nockenwelle über einen Keilriemen antrieb.
Das war die eigentliche Geburtsstunde des Kipphebels und des Testaufbaus, mit dem ich den Prototyp des Kipphebels (und später auch die Nullserie) unter verschiedensten Bedingungen gründlich testete. Die Bilder entstanden während der Testphase.
Testen des Prototyp-Kipphebels
Der Kipphebel wurde mehrere hundert Stunden lang auf dem Prüfstand getestet. Der Hub wurde jede Sekunde gewechselt, meist bei 1850 U/min Nockenwellenumdrehungen (3700 Motorumdrehungen).
Zu meiner Überraschung funktionierte der Kipphebel sofort und war absolut zuverlässig. Der Ventilhub ließ sich sogar bei 2950 Nockenwellenumdrehungen umschalten. Das war wirklich beeindruckend und natürlich ein ganz besonderes Erfolgserlebnis für mich.
In diesem Augenblick wurde mir klar, dass ich etwas Einzigartiges entdeckt und geschaffen hatte.
Das Video zeigt den Ventilhubwechsel bei sehr niedriger Drehzahl.
April 2002 bis Frühjahr 2005
Nachdem der Prototyp des Kipphebels funktionierte, stellte ich mir folgende Frage:
Was nun? Wie gelange ich an die Automobilindustrie?
Mir wurde schnell klar, dass ich als unbekannter Niemand ohne professionelle Hilfe kaum eine Chance hätte, diese Erfindung der amerikanischen Automobilindustrie erfolgreich vorzustellen.
Aufgrund der Vielzahl der Ereignisse zwischen 2002 und 2005 habe ich beschlossen, diese hier zu überspringen und mit den entwicklungsrelevanten Themen fort zu fahren.
Warum V-TEC-Kipphebel für Pontiac?
Frühjahr 2005: Nachdem keiner der drei großen Hersteller Interesse an meiner Erfindung gezeigt hatte, hielt ich mich nur noch an folgender Hoffnung fest: die Produktion und den Vertrieb eines nachrüstbaren Kipphebelsatzes für den amerikanischen V8-Tuningsektor – im Wesentlichen V-TEC für Chevrolets, Fords und Pontiacs. Das Produkt musste ausschließlich auf Edelbrock-Zylinderköpfe passen. Mein eigentliches Ziel war es, einen V-TEC-Kipphebelsatz für Edelbrock-Zylinderköpfe zu entwickeln, ihn Edelbrock vorzustellen und eine exklusive, für beide Seiten vorteilhafte Zusammenarbeit anzustreben.
Wenn Geld keine Rolle gespielt hätte, hätte ich das Kipphebelsystem für den 350-cui-Chevy-Motor entwickelt. Es gab jedoch zwei gute Gründe, dies nicht zu tun. Erstens benötigte Chevy vier verschiedene Kipphebelkonstruktionen. Die Abbildung rechts zeigt, dass für diesen Motor vier verschiedene Ausführungen erforderlich sind: linke Kipphebel mit geringem Versatz, linke Kipphebel mit großem Versatz, rechte Kipphebel mit geringem Versatz und rechte Kipphebel mit großem Versatz. Dies wäre für mich finanziell nicht rentabel gewesen, da die Kleinserienfertigung im Feingussverfahren ohnehin sehr teuer gewesen wäre.
Da ich bereits einen kompletten Pontiac-Motor mit Edelbrock-Zylinderköpfen besaß, lag es nahe, das Kipphebelsystem vorerst an diesen Pontiac-Motor anzupassen. Sollte sich das Kipphebelsystem als erfolgreich vermarktbar erweisen, stünde mir nichts im Wege, weitere Kipphebelsätze zu entwickeln, beispielsweise für Chevy-, Ford- und andere Motoren.
Motown head SB Chevy
Motown head SB Chevy
Festigkeitsanforderungen und neues Design für Feinguss
Bevor ich mit der Entwicklung und Konstruktion des neuen Kipphebels beginnen konnte, benötigte ich Referenzwerte für die erforderliche Belastbarkeit und Festigkeit. Daher habe ich einen der bekanntesten Kipphebel aus dem Zubehörhandel vermessen und maßstabsgetreu in CAD modelliert. Das verwendete Material war mir bekannt.
Nun konnte ich mit meinen Untersuchungen mithilfe des Strukturanalyseprogramms beginnen. Ich fixierte den virtuellen „Software-Kipphebel“ und legte eine Referenzlast von 10.000 Newton an. Dadurch wurden die auftretenden Spannungen und deren Verteilung im Kipphebel sichtbar. Auf diese Weise erhielt ich die benötigten Referenzwerte, die ich zur Entwicklung des neuen Kipphebels verwendete.
Mein Ziel war es nun, einen neuen Kipphebel aus SAE 8620-Stahl zu konstruieren, der im Feingussverfahren hergestellt werden sollte. Dieser sollte mindestens die gleiche Festigkeit aufweisen und weder schwerer noch träger als der Referenzkipphebel sein. Da das Feingussverfahren einen hohen Grad an Konstruktionsfreiheit bietet, war ich zuversichtlich, dieses Ziel zu erreichen.
Nachdem die wichtigsten Daten für den Kipphebel (Mittenabstände, Winkel usw.) ermittelt waren, begann ich mit der Konstruktion. Der Fokus lag stets auf der optimalen Struktur (Spannungsverteilung unter Last), dem Gewicht und der Lage des Schwerpunkts. Die visuelle Gestaltung wurde bewusst vernachlässigt. Der neu konstruierte Kipphebel wurde wiederholt mit dem Referenzwert (10.000 Newton) belastet und mit dem Referenzkipphebel verglichen. Zunächst wurden zahlreiche verschiedene Formen mit unterschiedlichen Rippen und Verstärkungen gezeichnet und statisch geprüft. Schritt für Schritt wurde hier etwas optimiert, dort etwas entfernt, hier etwas hinzugefügt…
Das Ergebnis nach mehreren hundert Stunden CAD-Arbeit war sowohl strukturell als auch optisch motivierend.
Herbst 2005: Laut Computersimulationen und -berechnungen war das Ziel erreicht. Obwohl klar war, dass die Strukturanalyse am Computer lediglich eine Richtlinie darstellte und weitere Tests keinesfalls ersetzen konnte, wagte ich den Schritt und bestellte eine „Nullserie“ von 50 Kipphebeln bei unserem Lieferanten.
Frühjahr 2006: Der V-TEC-Kipphebel für Pontiac Rev. 00
Die folgenden Bilder zeigen die erste Serie von Kipphebeln, die für Test- und Entwicklungszwecke verwendet wurden (Losgröße von 160 Einheiten).
„Stirb langsam“...Die Wöhler-Kurve
Während die Pilotserie in Produktion ging, überlegte ich, wie die Kipphebel nach der Auslieferung geprüft werden sollten. Deshalb entwickelte ich die hier gezeigte Vorrichtung, die wirklich etwas Besonderes ist … denn kein Kipphebel würde die Prüfung mit diesem Gerät überstehen.
Die Prüfvorrichtung ist im Prinzip genauso aufgebaut wie ein normaler Ventiltrieb in einem Stößelstangenmotor. Der Unterschied liegt in der starken „Ventilfeder“, deren Spannung stufenlos von 0 bis 10.000 Newton eingestellt werden kann. Der „Ventilhub“ ist ebenfalls stark reduziert und auf ca. 1,5 mm begrenzt, um einen geräuscharmen Betrieb zu gewährleisten. Die Vorrichtung wird auf einer Drehbank eingespannt und von dieser angetrieben. Der Kipphebel hängt zur Schmierung kopfüber in einer Ölwanne.
Dieses Gerät dient zur Bestimmung der Wöhlerkurve. Der Kipphebel wird mit einer voreingestellten Kraft (einstellbare „Ventilfeder“) belastet und anschließend wieder entlastet, bis er bricht. Die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch wird gezählt und in ein Diagramm eingetragen. Zunächst wird eine hohe Last aufgebracht. Die Anzahl der Lastwechsel bis zum Versagen ist anfangs gering. Die Last wird dann schrittweise reduziert. Mit sinkender Last steigt die Anzahl der Lastwechsel. Sobald die Last auf 10 Millionen Lastwechsel (gilt für Stahl) reduziert ist, zeigt die Erfahrung, dass das Bauteil nicht mehr bricht, d. h. die maximale Belastbarkeit für die Dauerfestigkeit ist ermittelt. Die folgende Videosequenz zeigt das Prüfgerät in Betrieb…
Zuerst wurde der Referenzkipphebel in die Testvorrichtung eingespannt.
Aufgrund der hohen Belastung ging ich davon aus, dass der Kipphebel nach wenigen Stunden brechen würde. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Schwachstelle nicht der Kipphebelkörper selbst, sondern die Torrington-Nadellager waren. Ich war etwas enttäuscht von diesem Testergebnis, da ich den Kipphebel eigentlich zum Bruch bringen wollte.
Dennoch hatte ich nun einen nützlichen Referenzwert, den ich als Vergleichswert verwenden konnte. Schließlich ist es unerheblich, ob zuerst der Kipphebel oder die Nadellager versagen ... kaputt ist kaputt.
Nach der Ankunft der neuen Kipphebel der Null-Serie wurde eine große Anzahl davon auf dem Prüfstand zerstört.
Die Videosequenz zeigt einen Testlauf mit einem Kipphebel der ersten Serie. Der Prüfstand wurde mit 600 U/min betrieben, was 10 Lastzyklen pro Sekunde entspricht.
Eine große Anzahl der Kipphebel der ersten Serie wurde auf dem Prüfstand zerstört. Es stellte sich heraus, dass die Kipphebel exakt an den Stellen brachen, an denen die Strukturanalyse-Software zuvor die Spannungsspitzen berechnet hatte. Der Schaltmechanismus blieb bei allen getesteten Kipphebeln intakt; dies war also nie die Schwachstelle. Die Tests zeigten außerdem, dass die Dauerfestigkeit des V-TEC-Kipphebels der des Referenzkipphebels entsprach. Ich konnte nun mit Sicherheit sagen, dass dieser neue Kipphebel meine Erwartungen hinsichtlich der Belastbarkeit erfüllte.
Verschiedene Montagewerkzeuge und Prüfgeräte
Um eine präzise Montage der Kipphebel und Halterungen zu gewährleisten, mussten verschiedene Messgeräte und Prüfvorrichtungen hergestellt werden.
Montagewerkzeug für die Supports
Torquing the screw after correct alignment
Torquing the screw after correct alignment
Torquing the screw after correct alignment
Einpressen des Rollenstifts
Testing structure
Preload test of the roller pin
Test failed / Rejected part
Testing structure
Springcap-Kalibrierungswerkzeug
Sturcture
Calibration process
calibration mandrels
Sturcture
Biegewerkzeug für Ausrichtungsblech
Bending the stopps
alignment sheet
function view
Bending the stopps
Zusammenstellung gemäß Auswahlverfahren
Herbst 2006: Bei der Montage der Kipphebel war es besonders wichtig, die Laufspiele so gering wie möglich zu halten, insbesondere zwischen dem Exzenter im Kipphebelkörper, der Exzenterbohrung und der Hauptwelle sowie zwischen dem Führungsbolzen und der Führungsbolzenführung. Geringe Laufspiele bedeuten geringe Leckverluste und somit einen geringeren Öldruckverlust im Motor. Vor allem bei heißem Öl und Leerlaufdrehzahl (z. B. 600 U/min) darf der Öldruck nicht unter einen Mindestwert fallen. Andernfalls würde das Kipphebelsystem in den Hubmodus schalten, der für den Leerlauf ungeeignet wäre.
Aus diesem Grund wurde jeder einzelne Kipphebel in einem Auswahlprozess selektiert und montiert. Das bedeutet, dass jeder Exzenter, jeder Schaltbolzen, jeder Kipphebelkörper und jede Kipphebelwelle vermessen und nach den Messwerten sortiert wurden.
Optimierung des Schaltvorgangs
Es waren viele Versuche mit verschiedenen Modepin-Federn, Modepin-Dämpfern und Modepin-Anschlägen erforderlich.
Ein wichtiges Ergebnis der Tests war, dass der Einsatz eines Schnellablassventils pro Zylinderbank den Umschaltvorgang deutlich verbesserte (siehe unten für eine Beschreibung des Ventils). Mit diesen Ventilen war es schließlich möglich, die Umschaltung an einem voll ausgestatteten Motor problemlos durchzuführen, selbst bei einer unrealistischen Drehzahl von nahezu 6000 U/min.
Schnellentlüftungsventil (erforderlich für einen sicheren Betrieb und für einen schnellen Wechsel des Betriebsmodus)
Das Schnellentlüftungsventil hat zwei sehr wichtige Funktionen.
Dadurch wird sichergestellt, dass das Kipphebelsystem nicht kontinuierlich in einem Öldruckbereich betrieben werden kann, in dem der Kipphebel nicht genau weiß, ob er umschalten soll oder nicht.
Das Kipphebelsystem sollte entweder im Niedrighubmodus (Modusstift vollständig ausgekuppelt) mit über 1 bar oder im Hochhubmodus (Modusstift vollständig eingekuppelt) mit maximal 0,3 bar betrieben werden. Die Druckschwankungen zwischen diesen beiden Werten sollten so kurz wie möglich sein und nur während des Schaltvorgangs auftreten.
Das Schnellentlüftungsventil gewährleistet zudem einen möglichst schnellen Schaltvorgang. Würde das System ohne dieses Schnellentlüftungsventil betrieben, würden sich die Modusstifte nur langsam in Richtung Exzenter bewegen, entsprechend der Summe aller Leckverluste über alle Spaltabmessungen.
Überarbeitung von Magnetventilen
Im Langzeittest (Motor vollständig mit 16 Kipphebeln auf dem Prüfstand ausgestattet) sollten die Kipphebel 170.000 Schaltvorgänge bei 3500 U/min ohne Zwischenfälle absolvieren, was einer Testdauer von rund 48 Stunden bei einem Schaltvorgang pro Sekunde entspricht.
Beim ersten Testlauf fiel das Magnetventil nach etwa 6 Stunden aus. Ich habe das Ventil ausgetauscht und den Test erneut gestartet. Nach weiteren 6 Stunden trat der Fehler erneut auf.
Beim erneuten Zerlegen des Magnetventils stellte ich fest, dass das Magnetfeld um den Anker feine ferromagnetische Metallabriebpartikel aus dem Motoröl in die Ankerkammer des Ventils zog. Dies war insbesondere im Teillastbetrieb der Fall, wenn das Magnetventil dauerhaft geschaltet ist. Der Abrieb lagerte sich auf dem Anker ab, der aus Eisen besteht und seit dem ersten Schaltvorgang während seiner gesamten Lebensdauer leicht magnetisiert bleibt.
Der Abrieb in der Ankerkammer stammte vom Verschleiß der Nockenwelle, der Ölpumpe und des Verteilergetriebes. Man könnte meinen, diese geringe Abriebmenge sei vernachlässigbar oder würde vom Ölfilter herausgefiltert. Das ist jedoch nicht der Fall. Selbst ein 10-Mikron-Ölfilter kann diesen feinen Abrieb (<1 Mikron) nicht aus dem Öl filtern. Bereits 0,1 mg (Milligramm!) fein gemahlenes Gusseisen in der Ankerkammer des Magnetventils reichen aus, um den Anker im Magnetventil zu blockieren.
Die Lösung bestand darin, die Ankerkammer vom Öl zu trennen (mediengetrenntes Magnetventil). Dies wurde durch Überarbeitung des Ventils und Einsetzen eines O-Rings erreicht. Danach trat das Problem nicht mehr auf.
Eine weitere Überarbeitung bestand darin, eine kleine Bypassbohrung im Ventilkörper einzubauen, die die Schmierung des Kipphebelsystems im Hochhubmodus sicherstellt.
Langzeittest: Test der Umstellung
Das Schnellentlüftungsventil hat zwei sehr wichtige Funktionen.
Dadurch wird sichergestellt, dass das Kipphebelsystem nicht kontinuierlich in einem Öldruckbereich betrieben werden kann, in dem der Kipphebel nicht genau weiß, ob er umschalten soll oder nicht.
Das Kipphebelsystem sollte entweder im Niedrighubmodus (Modusstift vollständig ausgekuppelt) mit über 1 bar oder im Hochhubmodus (Modusstift vollständig eingekuppelt) mit maximal 0,3 bar betrieben werden. Die Druckschwankungen zwischen diesen beiden Werten sollten so kurz wie möglich sein und nur während des Schaltvorgangs auftreten.
Das Schnellentlüftungsventil gewährleistet zudem einen möglichst schnellen Schaltvorgang. Würde das System ohne dieses Schnellentlüftungsventil betrieben, würden sich die Modusstifte nur langsam in Richtung Exzenter bewegen, entsprechend der Summe aller Leckverluste über alle Spaltabmessungen.
V-TEC-Kipphebel für Pontiac Rev. 01... die endgültige Ausführung
Nach erfolgreichen Tests der ersten Kipphebelserie wurden Fertigungsfehler behoben und Verbesserungen am Design vorgenommen. Die Hauptunterschiede zwischen Revision 00 und Revision 01 werden in den folgenden Abbildungen erläutert.
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Bereit für den Marktauftritt
Nachdem die zweite Serie geprüft, sortiert, montiert und gründlich getestet worden war, stellte ich die Kipphebelsätze für den Versand zusammen. Jeder Kipphebelsatz musste sich eine Stunde lang auf dem Prüfstand bewähren. Erst dann wurde er demontiert und verpackt.
Das Set enthielt alles, was für die Montage benötigt wurde. Schläuche, Verbindungsstücke, Klemmen, Magnetventil mit Halterung, Temperaturschalter, elektrische Bauteile, Drehzahlschalter, Relais, Werkzeug und Bedienungsanleitung – alles war dabei. Sogar ein Prüfbericht mit meiner Unterschrift lag bei.
Parallel zur Entwicklung des Kipphebelsystems erstellte ich eine Website, die das Vari-Lift-Kipphebelsystem beschrieb. Damals gab es weder Wix, Jimdo noch IONOS. Ohne Kenntnisse in HTML, XHTML, CSS und JavaScript war es unmöglich, eine Website zu erstellen. Ich konnte mir keinen Webdesigner leisten. Also hieß es für mich: lernen und es selbst umsetzen.
Frühjahr 2007: Ich war nun bereit, das Vari-Lift-Kipphebelsystem auf den Markt zu bringen.
"Das harte Schicksal vieler Erfinder ist es, von der Realität überholt zu werden.“
Frühjahr 2007: Anfrage zur Zusammenarbeit mit Edelbrock
Ich schickte einen Satz Vari-Lift-Kipphebel an Edelbrock in der Hoffnung, dass dieses Produkt ihr Interesse wecken würde. Edelbrock bestätigte auch den Erhalt des Kipphebelsatzes. Einige Tage später wurde ich vom Leiter der Entwicklungsabteilung kontaktiert. Er sagte mir, dass sie sowohl von der Erfindung als auch von der Verarbeitungsqualität des Kipphebelsatzes sehr beeindruckt seien. Leider würde das Produkt nicht in die Produktpalette von Edelbrock passen.
Frühjahr 2007: Veröffentlichungsanfrage im Hot Rod Magazine
Ich kontaktierte Rob Kinnan vom Hot Rod Magazine und erzählte ihm von dem Vari-Lift-Kipphebelsystem. Herr Kinnan sagte mir, dass er sehr interessiert sei und den Kipphebel-Satz testen möchte, um dann einen Bericht über diese Erfindung im Hot Rod Magazine zu veröffentlichen. Also schickte ich ihm einen Kipphebel-Satz.
Dann verging einige Zeit, ohne dass ich etwas vom Hot Rod Magazine hörte. Herr Kinnan teilte mir mehrmals mit, dass sie noch niemanden mit einem geeigneten Motor gefunden hätten.
Also kontaktierte ich David Butler von Butler, erzählte ihm von der Erfindung und fragte ihn, ob er bereit wäre, das Kipphebelsystem in einen Butler-Motor einzubauen und es in Anwesenheit des Hot Rod Magazine zu testen. David Butler zeigte ebenfalls Interesse.
Also schickte ich Butler ebenfalls einen Satz und informierte Herrn Kinnan vom Hot Rod Magazine, dass die Tests bei Butler durchgeführt werden könnten.
Seitdem habe ich keine Antwort mehr von Herrn Kinnan erhalten.
David Butler bestätigte den Erhalt des Kipphebel-Sets und teilte mir mit, dass sie es zusammenbauen und testen würden, sobald sie einen geeigneten Motor bereit hätten. Dann verging die Zeit, und auch bei Butler passierte nichts. Jedes Mal, wenn ich mich erkundigte, wurde mir gesagt, dass sie noch keinen geeigneten Motor zur Verfügung hätten.
Irgendwann wollte ich mehr wissen. Ich bot Butler an, einen kompletten Motor zu kaufen. Ich würde auch zwei Mitarbeiter für zwei Tage Testbankarbeit bezahlen. Ich bat ihn, mir ein Angebot für einen Motor und zwei Tage Testbankarbeit mit zwei Mitarbeitern zu unterbreiten. Ich erhielt keine Antwort von Butler.
Bemerkung: Alle ausgelieferten Kipphebel-Sets wurden an mich zurück gesendet.
Frühjahr 2007: Verkauf auf eBay
Im Frühjahr 2007 wurde der Vari-Lift-Kipphebel-Bausatz erstmals auf eBay USA zum Preis von 2.200 US-Dollar pro Bausatz zum Verkauf angeboten.
Das Produkt wurde in den entsprechenden Foren regelrecht zerrissen.
Es wurde kein einziger Bausatz verkauft.
Oktober 2007: Das Ende des Traums:
Da keine Aussicht auf Erfolg bestand, waren bis zum Herbst 2007 alle Ressourcen erschöpft, sowohl die finanziellen Mittel als auch der Wille und die Kraft, das Projekt fortzusetzen. Ich gab meine Selbstständigkeit auf und nahm im November 2007 eine Stelle als Anlageningenieur für pharmazeutische Verpackungssysteme an.