DE10029299C2 - Mehrteilig zusammengesetztes Ventil für Hubkolbenmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem mehrteilig zusammengesetzten Ventil für Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1, wie es beispielsweise aus der US-PS 2 136 690 als bekannt hervorgeht.

Die EP 296 619 A1 zeigt ein mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil, dessen bauliche Komponenten aus unterschied­ lichen Werkstoffen bestehen. Der kegelförmige, massive Ventil­ teller soll bevorzugt aus der intermetallischen Phase Titan­ aluminid bestehen, wobei auch mehrere Metalle zur Bildung ei­ ner ternären intermetallischen Phase vorgesehen werden können. Als drittes Metall wird eines aus der Gruppe Nickel, Niob, Wolfram, Vanadium, Mangan und Bor vorgeschlagen. Der Ventil­ teller kann aus dem gewählten Werkstoff u. a. durch Präzisions­ gießen hergestellt werden. Daneben wird auch Schmieden, Extru­ dieren oder isostatisches Heißpressen eventuell in Verbindung mit einer Wärmebehandlung und einer spangebenden Bearbeitung erwähnt. Der fertige Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des tellerseitigen Schaftendes versehen, das in der Sacklochbohrung durch Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten, durch eine mechanische Verbindung oder durch Kombinationen dieser Verbindungstechniken befestigt sein kann. In einem dort zeichnerisch dargestellten Fall ist die Leibung der Sacklochbohrung gewellt ausgebildet, wobei die endseitige Wandung des Schaftrohres unter dem Einfluß von Druck und örtlicher Erwärmung aufgeweitet werden und sich da­ bei formschlüssig in die bohrungsseitigen Wellen einlegen soll. Für den rohrförmigen Ventilschaft wird als Werkstoff insbeson­ dere Chrom-Molybdän-Stahl vorgeschlagen. Mehr beiläufig ist in diesem Zusammenhang auch erwähnt, daß der Ventilschaft aus dem gleichen Werkstoff wie der Ventilteller bestehen kann, wobei in diesem Fall für beide als Werkstoff die Titan-Basislegie­ rung Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo empfohlen wird. Das mit einem kleinen Zapfen in den rohrförmigen Ventilschaft hineinragende Schaft­ endstück stützt sich über eine Schulter am Rohrende ab. Die Verbindung zwischen Schaftendstück und Ventilschaft kann von gleicher Art wie die Verbindung zum Ventilteller sein. Als Werkstoff für das Schaftendstück wird neben einer Keramik vor allem ein temperaturbeständiger martensitischer Stahl vorge­ schlagen.

Nachteilig an dem aus der EP 296 619 A1 bekannten Hohlventil ist, daß die nicht geschweißte Verbindung zwischen Ventil­ schaft und Ventilteller unter den sowohl in thermischer als auch in mechanischer Hinsicht erheblichen statischen und dyna­ mischen Belastungen nicht ausreichend haltbar ist. Es können Temperaturschwankungen von -20°C bis etwa 900°C auftreten, die z. T. in kurzer Zeit durchlaufen werden und wobei die hohen Temperaturen u. U. über lange Zeit wirken können. Zum anderen ist die Verbindungsstelle zugleich hohen dynamischen und sta­ tischen Belastungen auch in Zugrichtung ausgesetzt. Dieses Be­ lastungskollektiv kann nach relativ kurzer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine zu einem Lösen der Verbindung zwischen Ven­ tilschaft und Ventilteller führen, was für die Brennkraftma­ schine einen sofortigen Ausfall und eine völlige Zerstörung zu Folge haben würde. Deshalb haben sich derartige gebaute, aus nicht unmittelbar verschweißbaren Komponenten zusammengesetzte Ventile nach dem Kenntnisstand der Anmelderin in der Praxis bisher nicht bewährt.

Bei dem aus der EP 898 055 A1 bekannten, dreiteilig zusammen­ gesetzten Leichtbauventil bestehen die drei Ventilteile aus unterschiedlichen Stählen, nämlich aus einem ferritisch- martensitischen Stahl für das ventiltrieb-seitige Schaftende und aus einem tiefziehfähigen austenitischen, d. h. bei hohen Temperaturen korrosionsbeständigen Stahl für den Schaftteil. Für den Ventilteller wird zwar kein Werkstoff genannt, jedoch soll das tellerseitig trompetenförmig aufgeweitete Schaftende am Außenrand des Ventiltellers mit einer Schmelzschweißung verschweißt werden. Der Ventilteller muß also mit dem au­ stenitischen Stahl des Schaftteils ohne weiteres schmelz­ schweißbar sein, weshalb anzunehmen ist, daß auch der Ventil­ teller funktionsbedingt aus einem bei hohen Temperaturen kor­ rosionsbeständigen, also austenitischen Stahl besteht. Der bei der Schmelzschweißung zugegebene Schweißwerkstoff dient zu­ gleich als Panzerungswerkstoff für den tellerseitigen Ventil­ sitz. Das axial teilweise hohlgebohrte Schaftende wird durch eine Reibschweißung mit dem anderen Ende des hohlen Ventil­ schaftes verschweißt, wobei der innenseitige Schweißwulst dazu ausgenutzt wird, die Ventilhöhlung an der Schweißstelle abzu­ schließen, um einen ungehinderten Wärmeaustausch bis zum Schaftende zu unterbinden und die dort am Ventilschaft glei­ tenden Öldichtungen thermisch zu entlasten. Hier wird - abge­ sehen von den Fertigungsvorteilen einer Reibschweißung - der bei einer Reibschweißung entstehende Schweißwulst geschickt für Funktionszwecke des Ventils ausgenutzt.

Nachteilig an dem aus der EP 898 055 A1 bekannten Leichtbau­ ventil ist neben dem spezifisch schweren Stahl auch der hohe Umformgrad des Schaftwerkstoffes, der - selbst wenn man von einem Rohr als Vorprodukt des Schaftteiles ausgeht - eine Durchmesseraufweitung etwa auf das sechsfache erfordert, wobei die Wandstärke nicht - oder höchstens nur unwesentlich - redu­ ziert werden und darüber hinaus selbstverständlich auch nicht einreißen darf. Wird hingegen der Schaftteil - was aufgrund des Wortlautes der gewürdigten Literaturstelle eher nahelegt ist - aus einem ebenen Blech durch Tiefziehen hergestellt, so sind die Umformgrade noch viel höher. Solche hohen Umformgrade sind prozeßtechnisch nur mit sehr hohem Aufwand beherrschbar und lassen geringe Produktionskosten nicht erwarten.

Die eingangs genannte US-PS 2 136 690 zeigt u. a. ein mehrtei­ lig zusammengesetztes Vollschaftventil, bei dem der Ventilsitz mit einem verschleißfesten Werkstoff gepanzert ist. Die Panze­ rung besteht aus einer vorgefertigten, zentrisch gelochten und am Außenrand angefasten Scheibe aus einem widerstandsfähigen und gut wärmeleitenden Verbundwerkstoff. Die Panzerungsscheibe ragt bis zum Rand des Ventiltellers und bildet die tellersei­ tige Dichtfläche. Der Verbundwerkstoff ist durch eine Matrix aus einem zähen und leitfähigen, vorzugsweise Kupfer enthal­ tenden Metall gebildet, in die fein verteilt Partikel eines extrem harten und widerstandsfähigen Werkstoffs wie z. B. Wolf­ ram fest haftend eingelagert sind. Diese Hartpartikel sollen nicht nur die Matrix schützen, sondern auch eine Zerstörung der Ventil-Dichtflächen verhindern oder zumindest verzögern. Bei dem vorbekannten Ventil ist die der Panzerung dienende Scheibe gemeinsam mit einer brennraumseitig aufgelegten Stütz­ scheibe aus herkömmlichen Ventilwerkstoff an das tellerseitige Ende des Ventilschaftes angenietet, wobei der Schaftwerkstoff als Niet dient. Zur axialen Abstützung des aus Panzerungs­ scheibe und Stützscheibe bestehenden Ventiltellers ist am Ven­ tilschaft eine Schulter angeschmiedet. Das tellerseitige Ende des Ventilschaftes ragt mit einem als Nietschaft dienenden Zapfen durch die zentrische Öffnung der beiden Scheiben hin­ durch, wobei das äußerste Ende dieses Zapfens zu einem in ei­ ner Ansenkung der Stützscheibenöffnung sich erstreckenden Nietsenkkopf umgeformt ist. Zwar ist der Ventilteller aufgrund der in beiden Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug - formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden und somit die Fü­ gestelle durch die im Motorbetrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen schadlos und dauerhaft belastbar. Nachteilig an dem vorbekannten Ventil ist jedoch zum einen sein hohes, auf den Vollschaft zurückzuführendes Gewicht. Der Vollschaft seinerseits ist durch die Verbindungstechnik be­ dingt. Nachteilig ist ferner, daß an den Ventilschaft eine ra­ dial relativ breite Schulter angestaucht werden muß, deren ra­ diale Breite bei dem im Stand der Technik dargestellten Aus­ führungsbeispiel etwa ein drittel des Schaftdurchmessers ent­ spricht. Die angestauchte Schulter übernimmt nicht nur die Funktion einer axialen Abstützung des mehrlagigen, flach­ scheibenförmigen Ventiltellers, sondern aufgrund des fließen­ den Überganges vom Schaftquerschnitt auf den Schulterumfang auch die Funktion eines Strömungsleitkörpers auf der umström­ ten Oberseite des Ventiltellers.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegeleg­ te Ventil in der Weise als Leichtbauventil auszugestalten, daß es sowohl bezüglich seiner einzelnen Komponenten als auch ins­ gesamt nicht nur kostengünstig und rationell herstellbar ist, sondern daß es auch den im Motorbetrieb auftretenden thermi­ schen und mechanischen Belastungen dauerhaft standzuhalten vermag.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Leichtbauventils erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Aufgrund der neuartigen Ausgestaltung der Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft ist es möglich, den Ventilteller auch an einen hohlen Ventilschaft bezüglich beider Wirk­ richtungen der Axialkraft - Druck und Zug - formschlüssig zu verbinden, so daß die Fügestelle die im Motorbetrieb auftre­ tenden thermischen und mechanischen Belastungen schadlos und dauerhaft zu ertragen vermag. Durch die Verwendung von Rohr­ halbzeugen für den Ventilschaft kann der sonst übliche be­ trächtliche Aufwand für das Hohlbohren eines zunächst massiven Ventilschaftes entfallen. Das Erzeugen einer so langen und schlanken Bohrung - etwa 12 cm lang und etwa 3,5 mm im Durch­ messer - in einem zähen Werkstoff ist nämlich zeit- und ko­ stenintensiv. Außerdem sind bei Einsatz von Rohrhalbzeugen ge­ ringere Wandstärken realisierbar als durch Bohren, was nicht nur dem Endgewicht des Leichtbauventils zugute kommt, sondern auch der Wärmeabfuhr im Falle eines z. B. durch Natrium gekühl­ ten Ventils. Die gesonderte Fertigung von Ventilteller einer­ seits und Ventilschaft andererseits erlaubt diesbezüglich nicht nur eine jeweils beanspruchungsorientiert gezielte und optimierte Werkstoffwahl für jedes dieser Teile, sondern es können auch die für die jeweiligen Teil-Werkstücke optimalen Halbzeuge und Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Die dazu erforderlichen Füge- und Umformvorgänge sind rationell und prozeßsicher durchführbar, so daß ein solches mehrteiliges Leichtbauventil in einer Serienfertigung bei geringen Kosten herstellbar ist. Es darf ohne weiteres als realistisch angese­ hen werden, daß die Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen Leichtbauventils bei höherer Prozeßsicherheit höchstens gleich hoch, eher geringer sind, als die für die Herstellung eines herkömmlichen Stahlventils in Vollquerschnitt-Ausführung. Beim erfindungsgemäßen Leichtbauventil wird der Ventilteller als kompaktes, flaches Einzelteil gesondert hergestellt, was auch bei nur schwierig bearbeitbaren oder verarbeitbaren Werkstof­ fen problemlos möglich ist. Demgegenüber muß bei der konven­ tionellen Ventilproduktion ein T-förmig sperriges Teil mit einseitiger Massenkonzentration hergestellt werden, was schon mit einem üblichen Ventilstahl nicht ganz einfach und billig ist. Es muß nämlich dabei an eine Stange endseitig eine Ver­ dickung für den Ventilteller schmiedetechnisch angestaucht werden, was zumindest bei einer hochproduktiven Massenferti­ gung wegen der in engen Grenzen einzuhaltenden Prozeßparameter prozeßtechnisch nicht ganz einfach zu beherrschen ist und des­ halb immer wieder zu Ausschuß führt. Der meßtechnische Überwa­ chungsaufwand ist dabei sehr groß. Dieses Anstauchen eines Tellerrohlings an einen Schaftrohling und die damit einherge­ henden Probleme entfallen bei der Herstellung des erfindungs­ gemäßen Leichtbauventiles. Im übrigen sind die Teil-Werkstücke für sich sehr einfach, nämlich stab- bzw. scheibenförmig, aus­ gebildet und aufgrund dieser Einfachform für sich einfacher herstellbar als ein vergleichsweise sperrig T-förmiges und mit einseitiger Massenkonzentration versehenes Komplett-Ventil. Der beim erfindungsgemäß ausgebildeten Leichtbauventil zwar zusätzlich erforderliche Montagevorgang von Schaft und Ventil­ teller ist jedoch in allen Phasen prozeßtechnisch einfach und rationell durchführbar sowie prozeßsicher beherrschbar.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnitt-Ansicht durch bzw. auf ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestaltenen Leichtbauventils,

Fig. 2 eine partielle Schnitt-Ansicht durch bzw. auf ein zwei­ tes Ausführungsbeispiel eines Leichtbauventils, bei dem die Schafterweiterung auf der Flachseite des Ventiltel­ lers und im übrigen eine Dehnstrecke zur Kompensation unterschiedlicher Temperaturausdehnungen zwischen den verbundenen Bauteilen und/oder zur Aufrechterhaltung eine axialen Vorspannung zwischen ihnen vorgesehen ist,

Fig. 3a bis 3c drei verschiedene Phasen beim Fügen von Ventil­ schaft und Ventilteller durch ein Reibschweißverfahren und

Fig. 4a bis 4d vier verschiedene Phasen beim Fügen von Ventil­ schaft und Ventilteller durch Einpressen und Einschwei­ ßen einer Kugel als Stützkörper.

Vorab sei kurz auf die Gemeinsamkeit der verschiedenen, in den Fig. 1, 2, 3c oder 4d dargestellten Ausführungsbeispiele von Leichtbauventilen (Bezugszahlen 1 bis 4) für Hubkolbenma­ schinen eingegangen. Sie alle sind mehrteilig zusammengesetzt und weisen einen massiven Ventilteller 10, 10', 10" mit einer Mittenöffnung 20 zur formschlüssigen Aufnahme des tellerseiti­ gen Endes des zugehörigen Ventilschaftes 11, 11', 11", 12, 12' auf. Am oberseitigen Ende sind die rohrförmigen Ventilschäfte mit einem Ventilschaftendstück 18 verschlossen, was jedoch nur in Fig. 1 dargestellt ist. Die genannten Ventilteile sind dauerhaft miteinander verbunden.

Nachdem die Ventilschäfte und Ventilschaftendstücke aus einem schweißbaren Werkstoff bestehen, sind diese beiden Teile durch eine Umfangsnaht 19 miteinander verschweißt, was bevorzugt durch eine Laserschweißung erfolgt. Auch andere bekannte Schweißungen oder Hartlötungen sind hier denkbar, z. B. Elek­ tronenstrahschweißung. Es ist insbesondere auch eine Reib­ schweißung möglich, wobei hierfür allerdings der Übergang vom Ventilschaftendstück zum rohrförmigen Ventilschaft reib­ schweißgerecht, d. h. ohne oder mit einem nur sehr kurzen Zen­ trierzapfen oder mit einem rohrförmigen Ansatz, gestaltet sein müßte. Auswahlkriterien für das einzusetzende Schweißverfahren ist zum einen die Prozeßsicherheit des Verfahrens und der Schweißqualität, die Automatisierbarkeit des Schweißverfahrens und die stückbezogenen Produktionskosten.

Unabhängig von der Verwendung des Leichtbauventils als ther­ misch weniger belastetes Einlaßventil oder als thermisch höher belastetes Auslaßventil sind zumindest das obere Ende des Ven­ tilschafts und das Ventilschaftendstück thermisch nicht extrem belastet. Deshalb ist die Verbindung zwischen diesen beiden genannten Teilen als weniger kritisch anzusehen. Hier treten im wesentlichen hohe mechanische, dynamische Belastungen durch das rasche periodische Öffnen und Schließen des Ventils auf. Bei "gebauten" Ventilen anderer Ausgestaltung haben sich be­ kannte Schweißtechniken am oberen Ventilschaftende bewährt und können auch bei der vorliegenden Leichtbauform durchaus er­ folgversprechend eingesetzt werden. Auch sind an dieser Stelle die für die Verwendung in Ventilen bekannte Stähle mit Erfolg einsetzbar.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß der Hohlraum von Leichtbauventilen häufig mit einem Kühlmedium, vorzugsweise mit Natrium, partiell gefüllt wird, zumindest wenn sie als thermisch stärker beanspruchte Auslaßventile eingesetzt wer­ den. Auf diese Kühlmittelfüllung kommt es jedoch vorliegend nicht wesentlich an, weshalb nachfolgend nicht weiter darauf eingegangen zu werden braucht. Nachdem bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Leichtbauventil das Verschließen der tellersei­ tigen Öffnung des rohrförmigen Schaftendes zusammen mit dem Montagevorgang von Teller und Schaft, also in einem relativ frühen Stadium der Fertigstellung des Leichtbauventils er­ folgt, das Kühlmittel gegebenenfalls jedoch in einem möglichst späten Fertigungsstadium eingebracht werden soll, wird man zweckmäßigerweise das Kühlmittel am tellerabgewandten Schaft­ ende einführen und das Ventilendstück 18 als letztes Teil in das entstehende Leichtbauventil einfügen. Auf eine Besonder­ heit der vorliegenden Erfindung sei im übrigen in diesem Zu­ sammenhang besonders hingewiesen: Die Erfindung ermöglicht oh­ ne weiteres die Herstellung eines natrium-gekühlten Keramik­ tellerventils, was nach Wissen der Anmelderin absolut unge­ wöhnlich ist.

Für den Ventilschaft eines thermisch stärker beanspruchten Auslaßventils wird z. B. als duktiler Werkstoff ein hochwarmfe­ ster Chrom/Nickel-Stahl empfohlen. In diesem Zusammenhang wird vor allem an einen Ventilstahl mit der Bezeichnung 1.4571 oder X6CrNiMo_17_12_2 gedacht, der aus 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Molybdän und Rest Ei­ sen besteht.

Für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil wird als Schaftwerkstoff ein korrosionsbeständiger Stahl emp­ fohlen, z. B. ein Stahl (A) mit der Bezeichnung 1.4006 oder X10Cr13, ein Stahl (B) mit der Bezeichnung 1.4113 oder X6CrMo171 oder ein Stahl (C) mit der Bezeichnung 1.4301 oder XBCrni18_10. Die genannten Stähle sind Eisenbasislegierungen, die im wesentlichen folgende Gehalte an Nicht-Eisen-Komponenen in Gewichtsprozent haben:
Stahl (A): 0,10% Kohlenstoff, 13% Chrom.
Stahl (B): 0,06% Kohlenstoff, 17% Chrom, 1% Molybdän.
Stahl (C): 0,08% Kohlenstoff, 18% Chrom, 10% Nickel.

Diese Werkstoffempfehlungen gelten im Prinzip auch für das Ventilendstück 18, wobei hier in der Tendenz ein thermisch zwar weniger stark, dafür aber tribologisch stärker bean­ spruchbarer Werkstoff zu wählen ist, beispielsweise der kon­ ventionelle Ventilstahl X45CrSi9_3 mit 0,45 Gew.-% Kohlen­ stoff, 9 Gew.-% Chrom, 3 Gew.-% Silizium und Rest Eisen.

Kritischer als die bereits erwähnte Verbindung der Ventilteile im Bereich des Schaftendes ist die Werkstoffwahl und die Ver­ bindung der Teile des "gebauten" Ventils im Bereich des Ven­ tiltellers 10, weil dieser Bereich zusätzlich erheblichen thermischen und in soweit auch stark wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, insbesondere wenn das Leichtbauventil als thermisch höher beanspruchtes Auslaßventil eingesetzt werden soll. Aus diesem Grund sind für den unteren Teil des Leicht­ bauventils mehrere Varianten - z. T. im Zusammenhang mit Bil­ derfolgen für Fügeverfahren - dargestellt, auf welche Ventil­ varianten nachfolgend näher eingegangen werden soll.

Zunächst seien vorab die Übereinstimmungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele erläutert: Die erfindungsgemäße Fügetech­ nik des "gebauten" Leichtbauventils schafft eine Freizügigkeit bezüglich der Werkstoffauswahl, insbesondere hinsichtlich des Ventiltellers 10, 10', 10". Es kann sich dabei um einen nicht schweißbaren Werkstoff oder um einen solchen handeln, der nicht mit dem Werkstoff des Ventilschafts verschweißbar ist. Auf die Werkstoffauswahl gehen die verschiedenen, zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiele nicht ein, weshalb die für den Ventilteller in Frage kommenden Werkstoffe hier näher auf­ geführt werden sollen. Zunächst kommt grundsätzlich auch Ven­ tilstahl für den Ventilteller in Betracht. In diesem Zusammen­ hang sei für den Ventilteller eines thermisch höher bean­ spruchten Auslaßventils ein Ventilstahl (E) mit der Bezeich­ nung X50CrMnNiNb21_9 oder 1.4882 und für ein Einlaßventil ein Ventilstahl (F) mit der Bezeichnung X45CrSi9_3 oder 1.4718 er­ wähnt, die sich - abgesehen von Eisen - folgendermaßen zusam­ mensetzen (Angaben in Gewichtsprozent):
Stahl (E): 0,5% C, 21% Cr, 9% Mn, 4% Ni, je 2% Nb und W.
Stahl (F): 0,45% Kohlenstoff, 9% Chrom, 3% Silizium.

Daneben ist es für thermisch weniger stark beanspruchte Ein­ laßventile denkbar, den Ventilteller aus einer Titan-Basisle­ gierung herzustellen. Alle die bisher genannten Werkstoffe sind nicht nur umformbar, spangebend bearbeitbar und schweiß­ bar, sondern auch in allen möglichen Halbzeugformen lieferbar. Titan-Basislegierungen sind überdies gießbar.

Die Verwendung von Stahl für den Ventilteller ist trotz seines vergleichsweise hohen spezifischen Gewichts sowohl unter Ge­ wichts- als auch unter Fertigungsaspekten durchaus erwägens­ wert. Die Gewichtseinsparung wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Leichtbauventils dann allein durch den hohlen Ventilschaft erreicht, was auch schon beachtlich ist. Fertigungsmäßig ist aber bei Stahl/Stahl-Ausführung des gebau­ ten Leichtbauventils von Vorteil, daß durch diese Technologie nicht nur das prozeßtechnisch problematische und kostspielige Stauchen des Ventiltellers, sondern auch das kostenträchtige und zeitraubende Längsbohren des Ventilschaftes entfällt. Diese Vorteile gelten zwar auch für alle anderen Tellerwerkstof­ fe, zeigen sich aber eben auch bei Stahl als Tellerwerkstoff.

Neben den erwähnten Werkstoffen ermöglicht die erfindungsgemä­ ße Ausgestaltung der Leichtbauventile vor allem die Wahl von thermisch und mechanisch hoch belastbaren Leichtbauwerkstof­ fen, die entweder nicht schweißbar oder nicht oder nur mit un­ verhältnismäßig hohem Aufwand umformbar sind. In diesem Zusam­ menhang seien Keramik, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), so­ wie die intermatallische Phase Titanaluminid (TiAl) erwähnt. Diese Werkstoffe sind im Sinterverfahren oder im Feingußver­ fahren endformnah zu Formkörpern verarbeitbar. Abgesehen von dem erfreulich geringen spezifischen Gewicht (SiC ca. 3,1 g/cm³; TiAl ca. 3,6 g/cm³) dieser hochfesten und temperaturbe­ ständigen Leichtbaustoffe bieten sie auch den Vorteil einer extremen Verschleißbeständigkeit, so daß bei Ventiltellern aus diesen Stoffen auf eine Panzerung des tellerseitigen Ventil­ sitzes verzichtet werden kann. Eine solche Panzerung wäre bei den heutigen Erwartungen bezüglich der Ventil-Lebensdauer bei Stahl-Tellern oder solchen aus einer Titanlegierung erforder­ lich. Dieser Panzerungsvorgang ist aufgrund des aufzutragenden Werkstoffes und der prozeßsicher auftragbaren Werkstoffmengen nur sehr zeitraubend und nur mit vergleichsweise hohen Kosten durchführbar. Keramikventile würden über diesen Kostenvorteil bei der Fertigung aufgrund ihrer besonders hohen Verschleißbe­ ständigkeit auch noch den späteren Gebrauchsvorteil bieten, daß bei Motoren mit manuell einstellbarem Ventilspiel - heute überwiegend Motoren für Lastwagen, Busse oder Baumaschinen - die Spieleinstell-Intervalle deutlich vergrößert werden könn­ ten oder daß bei Motoren mit selbsttätigem Ventilspielaus­ gleich - heute überwiegend Motoren für Personenwagen - die nicht ganz billigen und zahlreichen Spielausgleichselemente (meist vier Stück je Zylinder) u. U. entbehrlich sind und ein­ gespart werden könnten.

Die zur Befestigung des Ventilschaftes dienende, weitestgehend zylindrische Mittenöffnung 20 des Ventiltellers geht axial durch den ganzen Ventilteller 10, 10', 10" hindurch. Soweit die Ventilteller endformnah im Sinterverfahren oder im Fein­ gußverfahren hergestellt werden, ist die Mittenöffnung 20 im Ventilteller zumindest angenähert zylindrisch ausgebildet und diesbezüglich im Sinne eines gußtechnischen Anzuges leicht ko­ nisch ausgebildet, wobei sich die Konizität der Mittenöffnung zur Flachseite 22 hin verjüngt. Am schaftseitigen Ende ist die Mittenöffnung durch eine rotationssymmetrische, achssenkrechte Schulter 21 begrenzt, an der der Ventilschaft mit einem Bund druckübertragend anliegt. Auf der vom Ventilschaft abgewandten Brennraumseite 22 des Ventiltellers ist am Ende der Mittenöff­ nung eine rotationssymmetrische Begrenzungskontur vorgesehen, die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen als eingesenk­ te Erweiterung in Form eines Konus 23 (Fig. 1 oder 3a-3c) oder tulpenförmig (Vertiefung 23", Fig. 4a-4d) ausgebildet ist. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die brennraumseitige Begrenzungskontur der Mittenöffnung lediglich als Kantenverrundung 23' ausgebildet.

Der in die Mittenöffnung 20 unter radialer Vorspannung einge­ steckte rohrförmige Ventilschaft besteht - wie erwähnt - aus einem korrosionsbeständigen, duktilen und schweißbaren Werk­ stoff. Er weist seinerseits einen die Einstecktiefe begrenzen­ den, an der tellerseitigen Schulter 21 anliegenden, achssenk­ rechten Bund oder eine axial am Schaft fixierte Buchse mit ei­ ner achssenkrechten Stirnseite 25 auf. Hierauf soll weiter un­ ten im Zusammenhang mit den einzelnen Figuren noch näher ein­ gegangen werden.

Das tellerseitige Ende des in die Mittenöffnung 20 eingesteck­ ten Ventilschaftes ist am brennraumseitigen Ende der Mitten­ öffnung in einer die Erweiterung formschlüssig ausfüllenden oder die Flachseite 22 übergreifenden Weise aufgeweitet, der­ art daß der Ventilschaft gegen axiales Herausziehen aus dem Ventilteller formschlüssig gesichert ist. Durch Einschweißen - u. U. kommt auch ein hartes Einlöten in Betracht - eines form­ angepaßten, metallenen Stützkörpers 27 in das aufgeweitete En­ de des rohrförmigen Ventilschaftes ist die Aufweitung in ihrer Form dauerhaft stabilisiert und der rohrförmige Ventilschaft tellerseitig gasdicht verschlossen. Durch eine solche Verbin­ dungstechnik wird der Ventilteller 10 formschlüssig am Ventil­ schaftende dauerhaft befestigt, wobei die Befestigung sowohl in thermischer als auch in mechanischer Hinsicht ohne weiteres dynamisch stark belastet werden kann.

Bei diesem Fügen und Befestigen der Teile werden nur prozeß­ technisch unproblematische, d. h. sicher beherrschbare sowie rasch, einfach und kostengünstig durchführbare Verfahrens­ schritte eingesetzt, nämlich ein Steck- und Einpreßvorgang (Schaftende in Mittenbohrung), ein Reibschweißvorgang, eine in der Reibschweißmaschine integrierte Drehoperation (Fig. 3a-­ 3c) oder ein lokal eng begrenztes Erwärmen, ein Einpressen ei­ ner Kugel in ein Rohr und ein Laserschweißvorgang (Fig. 4a-­ 4d). Hierauf soll weiter unten im Zusammenhang mit den einzel­ nen Ausführungsbeispielen der Herstellungsverfahren noch ein­ mal eingegangen werden.

Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen, nämlich freie und jeweils gesonderte Wahl des Werkstoffs für die beteiligten Teilwerkstücke, Reduzierung des Fertigungsaufwandes und pro­ zeßsicher beherrschbare, einfache Fügetechniken bietet die er­ findungsgemäße Ausgestaltung des Leichtbauventils den weiteren Vorteil eines ungestörten Werkstoffverlaufes des Ventilschaf­ tes im Bereich des Überganges vom Schaft in den Ventilteller. Insbesondere ist an dieser festigkeitsmäßig etwas kritischen Übergangsstelle keine Schweißverbindung angeordnet. Vielmehr ist die im Zusammenhang mit der Verbindung von Schaft und Tel­ ler vorgesehene Schweißnaht an einer für die Festigkeit des Gesamtbauteiles völlig unkritischen Stelle vorhanden, nämlich im Bereich der Flachseite des Ventiltellers.

Zur weiteren Verbesserung der dynamischen Belastbarkeit der Verbindung ist in den Ventilschaft eine Dehnstrecke 29 inte­ griert, die unterschiedliche Temperaturausdehnungen zwischen dem Ventilschaft einerseits und dem Ventilteller 10 anderer­ seits kompensiert und/oder die eine axiale Vorspannung zwi­ schen beiden Teilen zumindest teilweise aufrecht erhält. Auch hierauf soll weiter unten im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen näher eingegangen werden.

Nachdem die Gemeinsamkeiten der verschiedenen, abgebildeten Ausführungsbeispiele vorgestellt wurden, sollen die Figuren bezüglich des übrigen Offenbarungsgehaltes nachfolgend jeweils für sich erläutert werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Leichtbauventil 1 ist der Bund 24 des Ventilschaftes 11 durch spangebendes Abtragen ei­ ner größeren Wanddicke herausgearbeitet - Materialzugabe 28. Dieser Bund liegt druckübertragend an der tellerseitigen Schulter 21 an. Die zunächst zylindrische Mittenöffnung 20 des Ventiltellers erweitert sich am Ende konisch zur Flachseite 22 hin. In diese konische Erweiterung 23 greift das entsprechend aufgeweitete Ende des rohrförmigen Schaftes 11 formschlüssig hinein. Die Aufweitung 26 des Schaftendes ihrerseits ist durch einen konischen Stützkörper 27 in ihrer Form stabilisiert, der mittels einer der konischen Form der gegenseitigen Berührungs­ fläche folgenden Ringschweißung 41 in der Aufweitung stoff­ schlüssig fixiert ist. Die Dehnstrecke 29 zur Kompensation un­ terschiedlicher Temperaturdehnungen und Aufrechterhaltung ei­ ner axialen Vorspannung ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf die kurze Einstecklänge des Schaftes 11 innerhalb der Mit­ tenöffnung 20 beschränkt.

In Fig. 2 sind im oberen Teil links und rechts zwei verschie­ dene Varianten eines Ventilschaftes 12 bzw. 12' und somit zwei verschiedene Leichtbauventile 2, 2' dargestellt, die jedoch im Tellerbereich und bezüglich der Befestigung miteinander über­ einstimmen.

Beim Leichtbauventil 2 nach Fig. 2 (linke Schaftvariante) ist an den Ventilschaft 12 ein Absatz 24' angearbeitet, der jedoch gegenüber der Einbaulage der Axialposition der tellerseitigen Schulter 21 axial zurückversetzt ist. Auf den Ventilschaft 12 ist eine Dehnbüchse 33 von entsprechender Länge spielfrei auf­ geschoben, deren Stirnseite 25 die Funktion des druckübertragenden Bundes übernimmt. Der Ventilteller 10' bzw. dessen Schulter 21 stützen sich also mittelbar unter Zwischenfügung der Dehnbüchse 33 an dem Absatz 24' des Ventilschaftes 12 ab. Durch die Dehnbüchse und den konzentrisch in ihr steckenden, endseitigen Teil des Ventilschaftes ist eine "gefaltete" Dehnstrecke 29' von größerer Länge gebildet. Durch die Länge der Dehnbüchse 33 kann die Länge der Dehnstrecke 29' beein­ flußt werden.

Die in Fig. 2 in der rechten Bildhälfte dargestellte Variante eines Ventilschaftes 12' (Leichtbauventil 2') stellt eine Wei­ terentwicklung des links in Fig. 2 gezeigten Schaftes 12 in soweit dar, als für diesen Ventilschaft 12' als Ausgangsmate­ rial ein zunächst glattes Rohr verwendet wird, auf das zur Schaffung der Funktion eines Bundes - Stirnseite 25 - außen­ seitig an einer definierten Axialposition mittels Ringschweiß­ naht 34 eine Dehnbüchse 33' angeschweißt ist. Dadurch wird - ähnlich wie bei der in Fig. 2 linksseitig dargestellten Vari­ ante - ebenfalls eine relativ lange, "gefaltete" Dehnstrecke 29' gebildet.

Der untere Teil von Fig. 2 ist einheitlich für beide Schaft­ varianten; dort ist ein Ausführungsbeispiel zur formschlüssi­ gen Befestigung des Ventilschaftes 12, 12' am Ventilteller 10' gezeigt. Und zwar ist die endseitig auf der Brennraumseite 22 angeordnete, rotationssymmetrische Begrenzungskontur der Mit­ tenöffnung 20 des Ventiltellers 10' lediglich durch eine Kan­ tenverrundung 23' des Übergangs von der Bohrungsleibung in die Flachseite 22 gebildet. Das zunächst über die Flachseite 22 überstehende Ende des in die Mittenöffnung eingesteckten Ven­ tilschaftes ist über die Kantenverrundung und die Flachseite napfartig aufgeweitet. In diese Aufweitung 26' des Schaftendes ist ein scheibenartiger Stützkörper 27' eingelegt und am Um­ fang mit der Wandung der Aufweitung durch eine Ringschweißnaht 41' verschweißt. Bei dieser Ausgestaltung der Befestigung des Ventilschaftes am Ventilteller ist außerhalb desselben ein an der Flachseite 22 anliegender, langzeitstabiler Kopf, beste­ hend aus der napfförmigen Aufweitung 26' und dem eingeschweißten Stützkörper 27', gebildet, der den Ventilschaft gasdicht verschließt und das Schaftende formschlüssig und dynamisch stabil am Ventilteller fixiert. Diese Befestigungsart sei hier jedoch nur beiläufig und der Vollständigkeit halber erwähnt, weil die anderen, im Ventilteller versenkt liegenden Befesti­ gungen nicht nur platzsparender, sondern auch leichter sind und deshalb bevorzugt empfohlen werden.

Nachfolgend sollen noch anhand der Bilderfolgen der Fig. 3a bis 3c bzw. Fig. 4a bis 4d zwei verschiedene Verfahren zur Befestigung des Ventiltellers am Ventilschaft erläutert wer­ den, wobei die Ausgestaltung des Leichtbauventiles 3 bzw. 4 selber sich jeweils eng an das Vorbild des Leichtbauventiles 1 nach Fig. 1 anlehnt. Diese beiden Verfahrensbeispiele zeigen zwei unterschiedliche, rasch durchführbare Schweißverfahren zum Fixieren des Stützkörpers in der schaftseitigen Erweite­ rung, nämlich das Reibschweißen (Fig. 3a bis 3c) oder das Laserschweißen (Fig. 4a bis 4d). Lediglich der Vollständig­ keit halber sei auch das harte Einlöten des Stützkörpers in die schaftseitige Erweiterung erwähnt, wobei das Einlöten ge­ genüber dem Einschweißen jedoch weder unter Fertigungsaspekten noch bezüglich der Haltbarkeit vorteilhaft im Vergleich zum Schweißen ist.

Im Zusammenhang mit den beiden zeichnerisch in verschiedenen Phasen angedeuteten Verfahrensvarianten sei erwähnt, daß die beiden darin für die erforderlichen Fügevorgänge eingesetzten Schweißverfahren - Reibschweißen bzw. Laserschweißen - jeweils hochrationelle Schweißverfahren sind, die sich gut in eine Massenfertigung integrieren lassen und die auch mit hoher Pro­ zeßsicherheit beherrschbar sind. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß zur Erhöhung der Produktivität Sonderma­ schinen eingesetzt werden können, die in Rundtakt- (stehend) oder in Revolverbauart (liegend) ausgebildet sein können. Die­ se weisen verschiedene Arbeitsstationen auf, die um eine Mit­ tenachse herum angeordnet sind. Durch solche hochproduktiven Sondermaschinen lassen sich nicht nur die Nebenzeiten wie Ein­ spannen oder Entnehmen des Werkstückes, sondern auch andere notwendige Vorgänge wie Abdrehen des Stangenmaterials (Fig. 3b), Erwärmen des Schaftendes (Fig. 4a) oder Einpressen einer Kugel (Fig. 4c) in den unterschiedlichen Arbeitsstationen gleichzeitig mit anderen Arbeitsoperationen durchführen und so die Taktzeit insgesamt deutlich reduzieren.

Bei dem durch die Bilderfolge der Fig. 3a bis 3c veran­ schaulichten Verfahren wird ein Reibschweißverfahren einge­ setzt. Demzufolge muß man sich die Teile in einer Reibschweiß­ maschine eingespannt vorstellen. Auf der einen Seite - in den Fig. 3a bis 3c links dargestellt - ist der Ventilschaft 11' mit dem endseitig unter radialer Vorspannung aufgesteckten Ventilteller 10 als vormontiertes Teil in ein drehbar gelager­ tes und drehantreibbares, aber axial feststehendes Ventil- Spannfutter eingespannt. Axial gegenüberliegend und koaxial fluchtend dazu - in den Fig. 3a bis 3c rechts dargestellt - ist ein stangenförmiges Rundmaterial (Stützmaterial-Stange 36) in ein nicht drehbares Stangen-Spannfutter 35 eingespannt, welches aber axial mit vorgebbarer Kraft und vorgebbarem Hub verschiebbar ist. Das im Ausgangszustand mehrere Meter lange Stangenmaterial besteht aus einem mit dem Werkstoff des Ven­ tilschaftes ähnlichen oder u. U. sogar übereinstimmenden Werk­ stoff. Die nach rechts jenseits des Stangen-Spannfutters über­ stehende Stützmaterial-Stange 36 muß durch mehrere, axial be­ abstandete Lünetten so abgestützt werden, daß die Stützmateri­ al-Stange beim Abtrennen des fertigen Werkstücks vom Vorrats­ material 36 durch eine spanabhebende Drehoperation bei geöff­ netem Stangen-Spannfutter mit dem Werkstück annähernd unwucht­ frei mitlaufen kann. Zur Bewerkstelligung der genannten Dreho­ peration sind in der Reibschweißmaschine ferner zwei separate Werkzeugschlitten integriert, die die von ihnen jeweils getra­ genen Drehwerkzeuge (Abstech-Drehmeißel 37 und Formdrehmeißel 37') exakt nach einem voreingebbaren Bewegungsprogramm automa­ tisiert verfahren können.

Bei dem in den Fig. 3a bis 3c dargestellten Verfahrensbei­ spiel ist für einen neuen Schweißvorgang an das werkstück-zu­ gekehrte Ende der Stützmaterial-Stange 36 ein kurzer Zentrierzapfen angearbeitet, der dem Innendurchmesser des Ventilschaf­ tes 11' entspricht. Das in die Mittenöffnung 20 des Ventiltel­ lers eingesteckte Ventilschaftende steht an der Flachseite 22 axial um ein gewisses Maß über. Dieser Überstand dient als Mo­ dellierwerkstoff zum Auffüllen der in den Ventilteller axial eingesenkten, konischen Erweiterung 23 der Mittenöffnung.

Zum Reibschweißen wird das vorbereitete Ende der vom Stangen- Spannfutter 35 verdrehfest aber axialbeweglich gehaltenen Stützmaterial-Stange 36 axial in das ortsfest rotierende Ende des Ventilschaftes 11' mit zunächst noch mäßiger Axialkraft eingepreßt, wobei der nahe der Kontaktzone liegende Werkstoff beider Teile sich reibungsbedingt erwärmt und dabei erweicht - Zustand gemäß Fig. 3a. Unter der axialen Anpreßkraft gibt vor allem das erweichte rohrförmige Ende des Ventilschaftes nach, weil hier massebedingt die Erwärmung und Erweichung stärker ist als auf Seiten der Stützmaterial-Stange 36, die axial et­ was weniger nachgibt. Bei dem axialen Nachgeben wird die zu­ nächst stufenförmig ausgebildete Kontaktzone der Teile mehr und mehr in eine konische Verlaufsform verwischt und dabei der Werkstoff des rohrförmigen Schaftendes gestaucht und vor allem radial nach außen gedrängt, wobei die konische Erweiterung 23 zumindest partiell ausgefüllt wird. Ist dann eine für das Schweißen geeignete Temperatur und in der Kontaktzone der Tei­ le ein teigiger Zustand erreicht, so wird der rotierende Ven­ tilschaft sehr rasch stillgesetzt und zugleich die Axialkraft erhöht und die Stützmaterial-Stange um einen gewissen Axialhub in den Ventilschaft hineingepreßt. Dabei verschweißen die Tei­ le an der Kontaktzone innig miteinander. Zugleich wird die ko­ nische Erweiterung 23 durch das radial verdrängte Material un­ ter Bildung einer Aufweitung des Schaftendes und eines einge­ schweißten Stützkörpers 27" vollständig ausgefüllt - Zustand gemäß Fig. 3b.

Allgemein gilt für das Reibschweißen, daß ein Reibschweißvor­ gang zum einen in sehr kurzer Taktzeit durchführbar ist, daß zum anderen durch das Reibschweißen sehr unterschiedliche Paa­ rungen von Werkstoffen zuverlässig verbunden werden können und daß vor allem - wenn einmal die auf einen konkreten Anwen­ dungsfall bezogenen Prozeßparameter durch vorherige Optimie­ rungsversuche gefunden und an der Reibschweißmaschine einge­ stellt sind - dieser Schweißvorgang mit hoher Zuverlässigkeit und Prozeßsicherheit auch bezüglich der Schweißqualität und der Maßhaltigkeit der Fügestelle reproduziert werden kann.

Beim Reibschweißvorgang wird das Ventilschaftende sehr schnell auf Schweißtemperatur angewärmt, wobei die Wärme u. a. auch in die Rohrwandung des in der Mittenöffnung steckenden Ventil­ schaftendes hineinfließt, so daß auch dieser Teil des Ventil­ schaftes auf relativ hohe Temperaturen erwärmt wird. Demgegen­ über bleibt der vom Ventilschaft durch einen Fügespalt ge­ trennte Ventilteller relativ kühl, weil der Fügespalt eine Barriere für den Wärmefluß darstellt. Nach Beendigung der Reibschweißung ist also das Ventilschaftende sehr heiß, woge­ gen der Ventilteller vergleichsweise kühl ist. Durch die Ab­ kühlung nach dem Schweißen schrumpft das Ventilschaftende thermisch, wodurch sich in der Fügestelle eine hohe axiale Vorspannung aufbaut, was im Sinne eines sicheren Festhaltens des Ventiltellers am Schaftende trotz unterschiedlicher Erwär­ mungen und/oder unterschiedlicher Temperaturdehnungen der be­ teiligten Fügepartner durchaus erwünscht ist. Diese axiale Vorspannung zwischen Ventilteller und Schaftende kann dadurch noch erhöht werden, daß der Ventilteller während des Reib­ schweißens in der Spannvorrichtung unter hoher axialer Drucks­ pannung gehalten wird.

Nach Fertigstellung der Reibschweißverbindung muß die Stützma­ terial-Stange noch von dem entstandenen Leichtbauventil 3 ab­ getrennt werden, was durch die in die Reibschweißmaschine in­ tegrierten Drehwerkzeuge bzw. die zugehörigen Werkzeugschlit­ ten erfolgt, wobei die in Fig. 3b strichpunktiert angedeutete Kontur spanabhebend erzeugt wird. Für diese Drehoperation wird das Stangen-Spannfutter 35 geöffnet und axial von dem Ventil­ teller weggerückt, so daß die Schweißstelle frei liegt und für die Drehwerkzeuge 37, 37' zugänglich ist. Dieses Freigeben der Schweißstelle und In-Bereitschaft-Fahren der Drehmeißel geht sehr rasch vor sich, so daß die Drehoperation noch vor einem Abkühlen der Schweißstelle einsetzen kann. Dadurch wird die Prozeßwärme des Schweißvorganges, also ein gewisser Erwei­ chungszustand des Materials, für die Drehoperation ausgenützt, was zum einen einen erheblich höheren Vorschub als bei kaltem Werkstoff und somit kürzere Drehzeiten ermöglicht und was zum anderen höhere Standzeiten für die Schneiden der Drehmeißel eröffnet.

Das in diesem Stadium (Fig. 3b) aus Ventilschaft 11', Ventil­ teller 10 und Stützmaterial-Stange 36 bestehende Zwischen- Werkstück wird von dem drehantreibbaren und axial ortsfesten Ventil-Spannfutter in Drehung versetzt, wobei die mitrotieren­ de Stützmaterial-Stange in den erwähnten Lünetten gehalten ist. Durch den Abstech-Drehmeißel 37 wird zunächst der Umfang eines neuen Zentrierzapfens am neuen Ende der Stützmaterial- Stange bearbeitet und anschließend in einem axial benachbart liegenden Radialhub des Abstech-Drehmeißels die Stützmaterial- Stange von dem Leichtbauventil getrennt, wobei zunächst ein kantiger Stumpf im Zentrum der Flachseite 22 zurückbleibt. Die vom Ventil-Werkstück getrennte Stützmaterial-Stange wird wie­ der in dem Stangen-Spannfutter festgeklemmt, wobei - z. B. un­ ter Mitwirkung eines der Drehwerkzeuge - eine definierte Axi­ alposition des bearbeiteten Stangenendes herbeigeführt wird. Der zentrisch an der Flachseite des Ventiltellers zurückge­ bliebene Stumpf kann durch den Formdrehmeißel 37' linsenförmig überdreht werden - Zustand gemäß Fig. 3c. Das fertige Leicht­ bauventil 3 kann der Reibschweißmaschine entnommen und eine neue vormontierte Einheit eingesetzt werden, so daß ein neuer Reibschweißvorgang beginnen kann.

Der Vollständigkeit halber sei noch eine Variante des vorauf­ gehend geschilderten Verfahrens erwähnt. Und zwar ist es denk­ bar, anstelle einer langen Stützmaterial-Stange nacheinander für jeden Reibschweißvorgang jeweils einen neuen kurzen Roh­ ling für einen Stützkörper in das Stangen-Spannfutter 35 ein­ zusetzen, wobei die Länge dieses Stützkörper-Rohlings ausrei­ chend groß sein muß, um ihn sicher im Spannfutter festhalten und die aufzubringenden Axialkräfte schlupffrei übertragen zu können. Die aus Gründen des sicheren Festspannens erforderli­ che Überlänge des Rohlings kann nach dem Reibschweißen wie in dem oben geschilderten Verfahren mit dem Abstech-Drehmeißel 37 vom Ventil-Werkstück in einer Drehoperation abgetrennt und der zurückbleibende Stumpf mit dem Formdrehmeißel 37' linsenförmig überdreht werden.

In den Fig. 4a bis 4d sind vier Phasen eines weiteren Füge­ verfahrens für ein zusammengesetztes Leichtbauventil 4 darge­ stellt, bei dem ein kugelförmiger Stützkörper 27''' verwendet wird und dementsprechend die im Ventilteller 10" bzw. in der Mittenöffnung 20 endseitig angebrachte Erweiterung 23" tulpen­ förmig mit einem zunächst kugelförmigen und einem axial an­ schließenden zylindrischen Abschnitt ausgebildet ist. Statt des Zylinders ist hier auch eine leicht konische Erweiterung denkbar. Das in die Mittenöffnung unter radialer Vorspannung eingesteckte Ende des Ventilschaftes 11" steht gegenüber der Flachseite 22 des Ventiltellers etwas zurück und ist zur bes­ seren Einführung und Zentrierung der Kugel 27''' nach innen ko­ nisch angesenkt.

Die Vorrichtung zur Ausübung des Fügeverfahrens nach der Bil­ derfolge der Fig. 4a bis 4d ist im Prinzip eine Laser­ schweißmaschine, in die eine kleine, automatisierbare Presse integriert ist oder umgekehrt eine Presse mit integrierter La­ serschweißeinrichtung. In einem Tisch der Vorrichtung ist ein drehantreibbares Spannfutter zur stehenden Aufnahme einer vor­ montierten, aus Ventilschaft 11" und Ventilteller 10" beste­ henden Werkstückeinheit angeordnet, in welchem dieses bei de­ finierter Axialposition und axial formschlüssiger Abstützung gehaltert wird. Durch das Spannfutter brauchen während des Fü­ gevorganges keine großen Drehmomente übertragen zu werden, weshalb hier eine einfache elastische Klemmung des Ventil­ schaftes bei genauer Zentrierung in Betracht kommen kann. Zur Steigerung der Produktivität ist auch die Verwendung eines Folgewerkzeuges mit mehreren Arbeitsstationen in der verfah­ rensausübenden Vorrichtung oder eine Rundtaktmaschine denkbar.

Vorbereitend für einen Fügevorgang wird das in die tulpenför­ mige Erweiterung 23" hineinragende Ende des Ventilschaftes 11" auf Umform- oder Schmiedetemperatur erwärmt, wofür bei dem in Fig. 4a dargestellten Ausführungsbeispiel ein Brenner 38 ein­ gesetzt ist. Statt dessen kann das Erwärmen auch mit einem de­ fokussierten Laserstrahl oder - im Fall eines magnetisierbaren Schaftwerkstoffes - auf induktive Weise mittels eines an die Flachseite 22 angelegten Induktors erfolgen. Durch den Brenner wird der Ventilschaft endseitig nicht nur relativ rasch auf Umformtemperatur erwärmt, sondern der übrige in der Mittenöff­ nung steckende Endbereich wird durch metallische Wärmeleitung ebenfalls relativ stark erwärmt, wobei sich dieser Teil ther­ misch dehnt. Demgegenüber bleibt der Ventilteller 10" aufgrund des Kontaktspaltes relativ kühl. Während der Erwärmung des Schaftendes wird die Werkstückeinheit 10"/11" bei mäßiger Ge­ schwindigkeit gedreht, so daß die eingeleitete Wärmeenergie gleichmäßig über den Umfang verteilt wird.

Sobald die Umformtemperatur in dem frei in die tulpenförmige Erweiterung 23" hineinragenden Teil des Schaftendes erreicht ist, wird eine Kugel 27''' gleichachsig zum Ventilschaft in Be­ reitschaft gebracht (Fig. 4b) und durch einen Pressenstempel in das erwärmte und erweichte Schaftende eingepreßt. Aufgrund der nach innen gerichteten konischen Anschrägung der Stirnsei­ te des Schaftendes wird die Kugel zentriert und gleitet auf­ grund der Einpreßkraft unter Aufweitung des rohrförmigen Schaftendes in dieses hinein. Dabei wird die Wandung in Um­ fangsrichtung gedehnt und im übrigen im Querschnitt in die der Erweiterung 23" und der Kugelform entsprechende tulpenförmige Aufweitung 26" umgeformt (Fig. 4c). Anschließend wird in ei­ nem weiteren in Fig. 4d angedeuteten Schritt der kugelförmige Stützkörper 27''' durch eine ringförmige Laserschweißnaht 41" in der tulpenförmige Aufweitung langzeitstabil und dynamisch be­ lastbar fixiert. Bei dem Schweißvorgang wird das Leichtbauven­ til 4 langsam um 360° oder etwas mehr gedreht und dadurch die Schweißnaht 41" an dem ortsfesten Laserschweißkopf 39 entlang­ geführt.

Die sich durch den Einsatz von Leichtbauventilen der erfin­ dungsgemäßen Art in Verbrennungskraftmaschinen ergebenden Ge­ brauchsvorteile sind folgende: Aufgrund des geringeren Ventil­ gewichtes können schwächere Ventilfedern verwendet werden, so daß aufgrund dieser beiden Kriterien sich die Ventile mit we­ sentlich geringerem Kraftaufwand betätigen lassen. Dies äußert sich darin, daß der Motor nicht nur leiser läuft, sondern auch weniger Kraftstoff verbraucht (ca. 0,2 Ltr./100 km), und daß der Motor drehfreudiger ist und dadurch bei der maximal mögli­ chen Drehzahl etwas mehr Leistung entfaltet.

Claims (22)

1. Mehrteilig zusammengesetztes Ventil für Hubkolbenmaschinen, mit einem Ventilschaft aus einem schweißbaren und warmfesten Werkstoff und einem Ventilteller, welche Ventilteile sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung auf rein formschlüssige Weise dauerhaft miteinander verbunden sind, indem der Ventilteller mit einer axial durchgehenden Mittenöffnung zur Aufnahme des tellerseitigen Ventilschaftendes und mit einem Bund oder einer ringförmigen Anlagefläche des Mittenöffnungrandes versehen ist, welcher Bund an einer die Einstecktiefe begrenzenden Schulter des in die Mittenöffnung eingesteckten Ventilschafts anliegt, indem ferner das tellerseitige Ende des Ventilschaf­ tes an oder in der brennraumseitigen Begrenzungskontur der Mittenöffnung in einer die Begrenzungskontur formschlüssig übergreifenden und/oder ausfüllenden Weise aufgeweitet ist, gekennzeichnet durch eine Leichtbauweise des Ventils mit einem massiven Ventilteller (10, 10', 10") und einem aus einem Rohrhalbzeug gebildeten, rohrförmigen Ventil­ schaft (11, 11', 11", 12, 12'), der an dem dem Ventilteller (10, 10', 10") gegenüberliegenden Ende durch ein angeschweiß­ tes Ventilschaftendstück (18) einerends verschlossen ist, wo­ bei die tellerseitige Aufweitung (26, 26', 26") des Endes des rohrförmigen Ventilschaftes (11, 11', 11", 12, 12') durch ei­ nen in die Aufweitung (26, 26', 26") eingeschweißten oder hart eingelöteten, formangepaßten Stützkörper (27, 27', 27", 27''') in ihrer Form dauerhaft stabilisiert sowie fixiert und der rohrförmige Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') tellerseitig gasdicht verschlossen ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') in die Mittenöffnung (20) des Ventiltellers (10, 10', 10") unter ra­ dialer Vorspannung eingesteckt ist.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die brennraumseitige Begrenzungskontur (23, 23', 23") der Mit­ tenöffnung (20) als rotationssymmetrische Erweiterung des brennraumseitigen Endes der Mittenöffnung (20) ausgebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (23) der Mittenöffnung (20) konisch ausgebil­ det ist.

5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (23") der Mittenöffnung (20) tulpenförmig mit einem zunächst kugelförmigen und einem axial anschließenden zylindrischen oder konischen Abschnitt ausgebildet ist.

6. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Erweiterung (23) der Mittenöffnung (20) einge­ schweißte Stützkörper (27, 27') kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

7. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Erweiterung (23") der Mittenöffnung (20) einge­ schweißte Stützkörper (27''') als Kugel ausgebildet ist.

8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an der tellerseitigen Schulter (21) anliegende, achssenk­ rechte Bund (24) des rohrförmigen Ventilschaftes (11) aus dem Vollen einer größeren Wandstärke spanabhebend herausgearbeitet ist (Materialabtrag 28).

9. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') eine unterschied­ liche Temperaturausdehnungen zwischen dem Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') einerseits und dem Ventilteller (10, 10', 10") andererseits kompensierende und/oder eine axiale Vorspan­ nung zwischen beiden Teilen zumindest teilweise aufrechterhal­ tende Dehnstrecke (29, 29') integriert ist.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnstrecke (29') durch eine rohrförmige, axial zwischen der tellerseitigen Schulter (21) und einer axialen, schaft­ seitigen Abstützung (Bund 24') oder Befestigung (Schweißnaht 34) zwischengefügte Dehnbüchse (33, 33') gebildet ist.

11. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10, 10', 10") aus einer Keramik besteht, insbesondere wenn das Leichtbauventil (1-4) als thermisch höher beanspruchtes Auslaßventil verwendet werden soll.

12. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10, 10', 10") aus der intermatallischen Pha­ se Titanaluminid (TiAl) besteht, insbesondere wenn das Leicht­ bauventil (1-4) als thermisch höher beanspruchtes Auslaßven­ til verwendet werden soll.

13. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10, 10', 10") aus einem Ventilstahl, vor­ zugsweise einem solchen der Bezeichnung X50CrMnNiNb21_9 oder 1.4882 mit 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 21 Gew.-% Chrom, 9 Gew.-% Mangan, 4 Gew.-% Nickel, je 2 Gew.-% Niob sowie Wolfram und Rest Eisen besteht, insbesondere wenn das Leichtbauventil (1-­ 4) als thermisch höher beanspruchtes Auslaßventil verwendet werden soll.

14. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10, 10', 10") aus einer Titan-Basislegierung besteht, insbesondere wenn das Leichtbauventil (1-4) als thermisch weniger beanspruchtes Einlaßventil verwendet werden soll.

15. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil bestimmte Ventilteller (10, 10', 10") aus einem Stahl, vor­ zugsweise einem solchen der Bezeichnung 1.4718 oder X45CrSi9_3 mit 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 9 Gew.-% Chrom, 3 Gew.-% Silizium und Rest Eisen besteht.

16. Ventil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenöffnung (20) im Ventilteller (10, 10', 10") in dem axial zwischen der Anlageschulter (21) und der Erweiterung (23, 23', 23") liegenden Teil im Sinne eines gußtechnischen Anzuges leicht konisch ausgebildet ist, wobei die Öffnung sich zur Flachseite (22) des Ventiltellers (10, 10', 10") hin ver­ jüngt.

17. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch stärker beanspruchtes Auslaßventil be­ stimmte Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem hoch­ warmfesten Chrom/Nickel-Stahl besteht.

18. Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem Ventilstahl der Bezeichnung 1.4571 oder X6CrNiMo_17_12_2 mit 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Mo­ lybdän und Rest Eisen besteht.

19. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil bestimmte Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem kor­ rosionsbeständigen Stahl besteht.

20. Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4006 oder X10Cr13 mit 0,10 Gew.-% Kohlenstoff, 13 Gew.-% Chrom und Rest Eisen besteht.

21. Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4113 oder X6CrMo171 mit 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 1 Gew.-% Molybdän und Rest Eisen besteht.

22. Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (11, 11', 11", 12, 12') aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4301 oder X8Crni18_10 mit 0,08 Gew.-% Kohlen­ stoff, 18 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Nickel und Rest Eisen be­ steht.