DE10031927A1 - Mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Hubkolbenmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Hubkolbenmaschinen, mit einem massiven Ventilteller und einem rohrförmigen Ventilschaft. Um das Leichtbauventil nicht nur kostengünstig und rationell herstellen zu können, sondern es auch gegenüber den im Motorbetrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen dauerhaft stabil zu machen, ist der vorzugsweise aus Titanaluminid bestehende Ventilteller mit dem rohrfärmigen Stahlschaft erfindungsgemäß durch eine Reibschweißung verbunden. Die vorzugsweise kegelförmige Reibschweißfuge ist zumindest teilweise außerhalb des Übergangsbereiches vom Ventilschaft in den Ventilteller angeordnet.

Description

Die Erfindung geht aus von einem mehrteilig zusammengesetzten Leichtbauventil für Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der EP 296 619 A1 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 wird und sich dabei 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 mechanisch gefügte 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, zusammengesetzten Leichtbauventil bestehen die drei Ventilteile aus unterschied­ lichen Stählen, nämlich aus einem ferritisch-martensitischen Stahl für das ventiltrieb-seitige Schaftendstück und aus einem tiefziehfähigen austenitischen, d. h. bei hohen Temperaturen korrosionsbeständigen Stahl für den Schaftteil. Für den Ven­ tilteller wird zwar kein Werkstoff genannt, jedoch soll das trompetenförmig aufgeweitete Schaftende am Außenrand des Ventiltellers mit einer Schmelzschweißung verschweißt werden. Der Ventilteller muß also mit dem austenitischen Stahl des Schaft­ teils ohne weiteres schmelzschweißbar sein, weshalb anzunehmen ist, daß auch der Ventilteller funktionsbedingt aus einem bei hohen Temperaturen korrosionsbeständigen, also austenitischen Stahl besteht. Der bei der Schmelzschweißung zugegebene Schweißwerkstoff dient zugleich als Panzerungswerkstoff für den tellerseitigen Ventilsitz. Das axial teilweise hohlgebohr­ te Schaftendstück wird durch eine Reibschweißung mit dem ande­ ren Ende des hohlen Ventilschaftes verschweißt, wobei der in­ nenseitige Schweißwulst dazu ausgenutzt wird, die Ventilhöh­ lung an der Schweißstelle abzuschließen, um einen ungehinder­ ten Wärmeaustausch bis zum Schaftende zu unterbinden und die dort am Ventilschaft gleitenden Öldichtungen thermisch zu ent­ lasten. Hier wird - abgesehen von den Fertigungsvorteilen ei­ ner Reibschweißung - der bei einer Reibschweißung entstehende Schweißwulst geschickt für Funktionszwecke des Ventils ausge­ nutzt.

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 und noch viel weniger mit Einrissen versehen werden darf. Wird hingegen der Schaftteil - was aufgrund des Wortlau­ tes 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegeleg­ te Leichtbauventil dahingehend zu verbessern, daß es sowohl bezüglich seiner einzelnen Komponenten als auch insgesamt nicht nur kostengünstig und rationell herstellbar ist, sondern daß es auch den im Motorbetrieb auftretenden thermischen 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 Reibschweißver­ bindung zwischen Ventilschaft und Ventilteller ist diese Füge­ stelle in beiden Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug - ohne weiteres durch die im Motorbetrieb auftretenden, hohen thermischen und mechanischen Belastungen schadlos und dauer­ haft belastbar. Die zur Herstellung der Reibschweißverbindung erforderlichen Arbeitsoperationen sind rationell und prozeßsi­ cher durchführbar, so daß ein solches mehrteiliges Leichtbau­ ventil in einer Serienfertigung bei geringen Kosten herstell­ bar ist. Die gesonderte Fertigung von Ventilteller einerseits 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. Im übrigen sind die Teil-Werkstücke für sich sehr einfach, nämlich stab- bzw. scheibenförmig ausgebildet und aufgrund dieser Einfachform für sich einfacher herstellbar als ein vergleichsweise sperrig T- förmiger und mit einseitiger Massenkonzentration versehener Rohling für ein Komplett-Ventil. Der beim erfindungsgemäß aus­ gebildeten Leichtbauventil zwar zusätzlich erforderliche Reib­ schweißvorgang von Schaft und Ventilteller ist jedoch prozeß­ technisch einfach und rationell durchführbar sowie prozeßsi­ cher beherrschbar.

Es darf ohne weiteres als realistisch angesehen werden, daß die Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen Leichtbauven­ tils bei höherer Prozeßsicherheit höchstens gleich hoch, eher geringer sind, als die für die Herstellung eines herkömmlichen Stahlventils in Vollquerschnitt-Ausführung. Beim erfindungsge­ mäßen Leichtbauventil wird der Ventilteller als kompaktes, flaches Einzelteil gesondert hergestellt, was selbst bei nur schwierig bearbeitbaren oder verarbeitbaren Werkstoffen problemlos möglich ist. Demgegenüber muß bei der konventionellen 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 Verdickung für den Ventilteller schmiedetechnisch angestaucht werden, was zumin­ dest bei einer hochproduktiven Massenfertigung wegen der in engen Grenzen einzuhaltenden Prozeßparameter prozeßtechnisch nicht ganz einfach zu beherrschen ist und deshalb immer wieder zu Ausschuß führt. Der meßtechnische Überwachungsaufwand ist dabei sehr groß. Dieses Anstauchen eines Tellerrohlings an ei­ nen Schaftrohling und die damit einhergehenden Probleme ent­ fallen bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauven­ tiles. Um ein Ventil mit hohlem Schaft auf konventienellem Weg herzustellen, muß im übrigen der zunächst massive Ventilschaft hohlgebohrt werden. Auch 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 Zeit- und kosteninten­ siv. Bei Einsatz eines Rohrhalbzeuges für den gesondert herzu­ stellenden Ventilschaft entfällt dieser Arbeitsschritt. Im üb­ rigen sind durch die Verwendung von Rohrhalbzeugen für den Ventilschaft geringere Wandstärken realisierbar als durch Boh­ ren, was nicht nur dem Endgewicht des Leichtbauventils zugute kommt, sondern auch der Wärmeabfuhr im Falle eines z. B. durch Natrium gekühlten Ventils.

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 gefügten Leichtbau­ ventils mit ringförmigen, stumpf zusammengeschweißten Fügeflächen und einer in einer achssenkrechten Ebene liegenden Schweißfuge,

Fig. 1a die Ausbildung der Fügepartner nach Fig. 1 vor dem Reibschweißen,

Fig. 2 und 2a eine partielle Schnitt-Ansicht durch bzw. auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leichtbauventils mit kegelstumpfförmigen, zur Tellerseite hin spitz zu­ laufenden Fügeflächen (Fig. 2) bzw. die dazu erforder­ liche Ausbildung der Fügepartner vor dem Reibschweißen (Fig. 2a),

Fig. 2b eine alternative zu dem im oberen Teil von Fig. 2a dargestellten, für das Reibschweißen gemäß Fig. 2a präparierten, durch Massivumformung vorbereiteten Ende des Ventilschaftrohlings,

Fig. 3 und 3a eine partielle Schnitt-Ansicht durch bzw. auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines Leichtbauventils mit kegelstumpfförmigen, zur Schaftseite hin spitz zu­ laufenden Fügeflächen (Fig. 3) bzw. die dazu erforder­ liche Ausbildung der Fügepartner vor dem Reibschweißen (Fig. 3a),

Fig. 3b eine Alternative zu dem im oberen Teil von Fig. 3a dargestellten Ende des Ventilschaftrohlings und

Fig. 4 und 4a ein viertes Ausführungsbeispiel ebenfalls mit kegelstumpfförmiger Erhebung auf der Schaftseite des Ventiltellers und konisch angesenktem Ende des Ventil­ schaftes (Fig. 4) bzw. die entsprechende Ausbildung der Fügepartner vor dem Reibschweißen (Fig. 4a).

Vorab sei kurz auf die Gemeinsamkeit der verschiedenen, in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele von Leicht­ bauventilen (Bezugszahlen 1 bis 4) für Hubkolbenmaschinen ein­ gegangen. Sie alle sind mehrteilig zusammengesetzt und weisen einen massiven Ventilteller 10 bis 13 auf, der zentrisch mit einer Formgebung zum Reibschweißen des tellerseitigen Endes des zugehörigen Ventilschaftes 14 bis 17 versehen ist. Am oberseitigen Ende sind die rohrförmigen Ventilschäfte mit ei­ nem Ventilschaftendstück 21 verschlossen, was jedoch nur in Fig. 1 dargestellt ist.

Nachdem die Ventilschäfte 14-17 und Ventilschaftendstücke 21 aus einem ohne weiteres miteinander verschweißbaren Werkstoff bestehen, sind diese beiden Teile durch eine Umfangsnaht 22 miteinander verschweißt, was bevorzugt durch eine Laserschwei­ ßung erfolgt. Auch andere bekannte Schweißungen oder Hartlö­ tungen sind hier denkbar, z. B. Elektronenstranschweißung. Es ist insbesondere auch eine Reibschweißung möglich, wobei hier­ für allerdings der Übergang vom Ventilschaftendstück zum rohr­ förmigen Ventilschaft reibschweißgerecht, d. h. ohne oder mit einem nur sehr kurzen Zentrierzapfen oder mit einem rohrförmi­ gen Ansatz, gestaltet sein müßte. Auswahlkriterien für das einzusetzende Schweißverfahren ist zum einen die Prozeßsicher­ heit des Verfahrens und der Schweißqualität, die Automatisier­ barkeit des Schweißverfahrens und die stückbezogenen Produkti­ onskosten.

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 14-17 und das Ventilschaftendstück 21 thermisch nicht extrem belastet. Deshalb ist die Verbindung zwischen diesen beiden genannten Teilen als weniger kritisch anzusehen. Hier treten im wesentlichen hohe mechanische, dynamische Bela­ stungen durch das rasche periodischen Öffnen und Schließen des Ventils auf. Bei "gebauten" Ventilen anderer Ausgestaltung ha­ ben sich bekannte Schweißtechniken am oberen Ventilschaftende bewährt und können auch bei der vorliegenden Leichtbauform durchaus erfolgversprechend 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 Verschweißen des Ventiltel­ lers 10-13 mit dem rohrförmigen Ventilschaft 14-17 in ei­ nem relativ frühen Stadium der Fertigstellung des Leichtbau­ ventils erfolgt, das Kühlmittel gegebenenfalls jedoch in einem möglichst späten Fertigungsstadium eingebracht werden soll, wird man zweckmäßigerweise das Kühlmittel am tellerabgewandten Schaftende einführen und das Ventilendstück 21 als letztes Teil in das entstehende Leichtbauventil einfügen. Es kommt hinzu, daß im Falle einer Kühlmittelfüllung der innenseitige Reibschweißgrat 32' zumindest beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 z. B. durch einen Bohrvorgang abgetragen werden muß, damit das Kühlmittel bis zum wärmebeaufschlagten Ventilteller 10-13 ungehindert vordringen kann. Auch dies macht es erfor­ derlich, das Ventilendstück 21 als letztes in das Leichtbau­ ventil 1-4 einzufügen.

Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen, nämlich freie und jeweils gesonderte Wahl des Werkstoffs für die beteiligten Teilwerkstücke bzw. Rohlinge, Reduzierung des Fertigungsauf­ wandes und prozeßsicher beherrschbare, einfache Fügetechnik bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leichtbauventils den weiteren Vorteil eines ungestörten Werkstoffverlaufes des Ventilschaftes im Bereich des Überganges vom Schaft in den Ventilteller. Die Schweißverbindung ist vorzugsweise außerhalb der in festigkeitsmäßiger Hinsicht etwas kritischen Übergangs­ bereiches 6 angeordnet. Der bevorzugte, außerhalb des Über­ gangsbereiches 6 liegende Bereich für die Positionierung der Schweißnaht ist entweder durch den zylindrischen Bereich 5 des Ventilschaftes 14-17 oder durch einen um wenigstens etwa 20% größeren Außendurchmesser der Schweißfuge gekennzeichnet - er­ weiterter Bereich 7. Soweit die Schweißfuge 19, 20, 20' ko­ nisch ausgebildet ist und sich demgemäß über eine gewisse axi­ ale Distanz erstreckt, sollte zumindest ein axial überwiegen­ der Teil der Schweißfuge außerhalb des Übergangsbereiches 6 liegen. Dieser ist nicht genau definiert, jedoch soll zur kla­ ren Abgrenzung hier unterstellt werden, daß der Übergangsbe­ reich zum Ventilschaft hin durch das Ende der Zylindrizität (zylindrischer Bereich 5) und zum Ventilteller hin durch einen Durchmesser D von etwa 120% des Schaftdurchmessers d begrenzt ist. Jenseits des Übergangsbereiches 6 liegt tellerseitig dann der erweiterte Bereich 7.

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 21, 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 10-13, 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. Für diese im unteren Teil des Leichtbauventils vorgese­ hene Reibschweißverbindung sind mehrere Varianten dargestellt, auf welche nachfolgend näher eingegangen werden soll.

Zunächst seien vorab die Übereinstimmungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele erläutert: Das mehrteilig zusammengesetz­ te, "gebaute" Leichtbauventil 1-4 schafft eine Freizügigkeit bezüglich der Werkstoffauswahl, insbesondere hinsichtlich des Ventiltellers 10-13. Es kann sich dabei um einen Werkstoff handeln, der üblicherweise nicht mit dem Werkstoff des Ventil­ schafts verschweißbar ist. Auf die Werkstoffauswahl gehen die verschiedenen, zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiele nicht ein, weshalb die für den Ventilteller in Frage kommenden Werkstoffe hier näher aufgeführt werden sollen. Zunächst kommt grundsätzlich auch Ventilstahl für den Ventilteller in Be­ tracht. In diesem Zusammenhang sei für den Ventilteller eines thermisch höher beanspruchten Auslaßventils ein Ventilstahl (E) mit der Bezeichnung X50CrMnNiNb21_9 oder 1.4882 und für ein Einlaßventil ein Ventilstahl (F) mit der Bezeichnung X45CrSi9_3 oder 1.4718 erwähnt, die sich - abgesehen von Eisen - folgendermaßen zusammensetzen (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 bisher genannten Werkstoffe sind nicht nur umformbar, spangebend bearbeitbar und schweißbar, sondern auch in allen möglichen Halbzeugformen lieferbar. Ti­ tan-Basislegierungen sind überdies gießbar.

Die Verwendung von Stahl für den Ventilteller ist trotz seines vergleichsweise hohen spezifischen Gewichts nicht nur aus Ge­ wichtsgründen, vor allem aber unter Fertigungsaspekten erwä­ genswert. Die Gewichtseinsparung wird bei der erfindungsgemä­ ßen Ausgestaltung eines Leichtbauventils unter Verwendung eines Stahltellers allein durch den hohlen Ventilschaft er­ reicht, was auch schon beachtlich ist. Fertigungsmäßig ist aber bei Stahl/Stahl-Ausführung des gebauten Leichtbauventils von Vorteil, daß durch diese Technologie nicht nur das prozeß­ technisch problematische und kostspielige Stauchen des Ventil­ tellers, sondern auch das kostenträchtige und zeitraubende Längsbohren des Ventilschaftes entfällt. Diese Vorteile gelten zwar auch für alle anderen Tellerwerkstoffe, zeigen sich aber eben auch bei Stahl als Tellerwerkstoff.

Neben den erwähnten Werkstoffen ermöglicht die erfindungsgemä­ ße Ausgestaltung der Leichtbauventile vor allem die Wahl eines thermisch und mechanisch hoch belastbaren Leichtbauwerkstof­ fes, der üblicherweise nicht mit Stahl verschweißbar und dar­ über hinaus nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand umformbar ist, nämlich die intermatallische Phase Titanalumi­ nid (TiAl). Dieser Werkstoff ist im Feingußverfahren end­ formnah zu Formkörpern verarbeitbar. Abgesehen von dem erfreu­ lich geringen spezifischen Gewicht (ca. 3,6 g/cm³) dieses hochfesten und temperaturbeständigen Leichtbauwerkstoffes bie­ tet er auch den Vorteil einer extremen Verschleißbeständig­ keit, so daß bei Ventiltellern aus diesem Stoff auf eine Pan­ zerung des tellerseitigen Ventilsitzes verzichtet werden kann. Eine solche Panzerung wäre bei den heutigen Erwartungen bezüg­ lich der Ventil-Lebensdauer bei Stahl-Tellern oder solchen aus einer Titanhegierung erforderlich. Dieser Panzerungsvorgang ist aufgrund des aufzutragenden Werkstoffes und der prozeßsi­ cher auftragbaren Werkstofmengen nur sehr zeitraubend und nur mit vergleichsweise hohen Kosten durchführbar.

Der mit dem Ventilteller 10-13 verbundene, rohrförmige Ven­ tilschaft 14-17 besteht - wie erwähnt - aus einem korrosi­ onsbeständigen, duktilen und schweißbaren Werkstoff. Durch Reibschweißen des tellerseitigen Endes des rohrförmigen Ven­ tilschaftes mit dem Ventilteller sind diese Teile dauerhaft miteinander verbunden, wobei die Befestigung sowohl in thermi­ scher als auch in mechanischer Hinsicht ohne weiteres dyna­ misch stark belastet werden kann. Bei diesem Fügen und Befestigen der Teile werden nur prozeßtechnisch unproblematische, d. h. sicher beherrschbare sowie rasch, einfach und kostengün­ stig durchführbare Verfahrensschritte eingesetzt, nämlich ein Reibschweißvorgang und eine vorzugsweise in der Reibschweißma­ schine integrierte Drehoperation.

Das Reibschweißen ist ein hochrationelles Schweißverfahren, das sich gut in eine Massenfertigung integrieren läßt und auch mit hoher Prozeßsicherheit beherrschbar ist. Allgemein gilt für das Reibschweißen, daß ein Reibschweißvorgang zum einen in sehr kurzer Taktzeit durchführbar ist, daß zum anderen durch das Reibschweißen sehr unterschiedliche Paarungen von Werk­ stoffen zuverlässig verbunden werden können und daß vor allem - wenn einmal die auf einen konkreten Anwendungsfall bezogenen Prozeßparameter durch vorherige Optimierungsversuche gefunden und an der Reibschweißmaschine eingestellt sind - dieser Schweißvorgang mit hoher Zuverlässigkeit und Prozeßsicherheit auch bezüglich der Schweißqualität und der Maßhaltigkeit der Fügestelle reproduziert werden kann.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß zur Erhöhung der Produktivität Sondermaschinen eingesetzt werden können, die in Rundtakt- (stehend) oder in Revolverbauart (liegend) ausgebildet sein können. Diese weisen verschiedene Arbeitssta­ tionen auf, die um eine Mittenachse herum angeordnet sind. Durch solche hochproduktiven Sondermaschinen lassen sich nicht nur die Nebenzeiten wie Einspannen oder Entnehmen des Werk­ stückes, sondern auch andere notwendige Vorgänge wie z. B. das Überdrehen des äußeren Reibschweißgrates 32 in den unter­ schiedlichen Arbeitsstationen gleichzeitig mit anderen Ar­ beitsoperationen durchführen und so die Taktzeit insgesamt deutlich reduzieren.

Zum Reibschweißen wird z. B. der Vetiltellerrohling 10'-13' verdrehfest aber axialbeweglich in der Reibschweißmaschine ge­ halten, wogegen der Ventilschaftrohling 14'-17' ortsfest ro­ tierend gelagert und angetrieben ist. Zunächst wird der Ven­ tilteller mit anfänglich noch mäßiger Axialkraft axial an das Ventilschaftende angepreßt, wobei der nahe der Kontaktzone liegende Werkstoff beider Teile sich reibungsbedingt erwärmt und dabei erweicht. Ist dann eine für das Schweißen geeignete Temperatur und in der Kontaktzone der Teile ein teigiger Zu­ stand erreicht, so wird der rotierende Ventilschaft sehr rasch stillgesetzt und zugleich die Axialkraft des Ventiltellers er­ höht und dieser um einen gewissen Axialhub in den Ventilschaft hineingepreßt. Dabei verschweißen die Teile an der Kontaktzone innig miteinander. Schon während der Erwärmungsphase, aber vor allem in der Erweichungs- und der Preßphase, die ja auch noch unter wenn auch nachlassender Relativdrehung stattfindet, wer­ den radial außerhalb und radial innerhalb der verschweißten Rohteile die im Querschnitt komma-förmigen, für das Reib­ schweißen typischen Reibschweißgrate 32 bzw. 32' gebildet, wo­ bei Material aus der Schweißzone unter axialem Nachgeben der Teile herausgequetscht wird.

Nachfolgend sollen die Reibschweißverbindungen von Ventiltel­ ler und Schaft noch anhand der einzelnen Figurenpaare 1, 1a; 2, 2a, 2b; 3, 3a, 3b und 4, 4a näher erläutert werden:

Bei dem in den Fig. 1 und 1a dargestellten Ausführungsbei­ spiel eines Leichtbauventils 1 sind der Ventilteller 10 und der Ventilschaft 14 entlang einer ebenen, achssenkrecht lie­ genden Reibschweißfuge 18 miteinander Verschweißt. Der Ventil­ tellerrohling 10' weist auf der Schaftseite einen axial abra­ genden, rohrförmigen Ansatz 27 mit einer zentrischen Mit­ tenöffnung 23 auf. Der rohrförmige Ansatz entspricht im Quer­ schnitt dem des rohrförmigen Ventischaftrohlings 14' und ragt axial bis in den zylindrischen Bereich 5 des fertigen Ventil­ schaftes 14 mit dem Durchmesser d hinein. Die axiale Länge des rohrförmigen Ansatzes 27 ist also so groß bemessen, daß die Schweißfuge 18 außerhalb des Übergangsbereiches 6 vom Ventil­ schaft 14 in den Ventilteller 10 zu liegen kommt, d. h. eindeu­ tig innerhalb des zylindrischen Teils 5 des Ventilschaftes 14 positioniert ist, wo die Schweißfuge aus Festigkeitsgründen eher toleriert werden kann, als in dem diesbezüglich kriti­ scheren Übergangsbereich 6.

Zur Kompensation des axialen Nachgebens der im erweichten Zu­ stand insbesondere am Ende des Reibschweißvorganges axial zu­ sammengepreßten Teile weisen sowohl der Ventilschaftrohling 14' als auch der rohrförmige Ansatz 27 am Tellerrohling 10' jeweils eine axial Materialzugabe 33 bzw. 33' auf. Mit Rück­ sicht auf die größere Härte und Warmbeständigkeit des hier aus Titanaluminid angenommenen Tellerrohlings 10' braucht teller­ seitig eine nur geringere axiale Materialzugabe 33' vorgehal­ ten zu werden als auf Seiten des Schaftrohlings 14' mit der größeren Materialzugabe 33.

Außen auf dem Schaftrohling 14' und dem rohrförmigen Ansatz 27 ist ferner jeweils eine radiale Materialzugabe 31 vorgehalten, die es erlaubt, den äußeren Reibschweißgrat 32 sauber durch eine spanabhebende Drehoperation abtragen zu können. Die ra­ diale Stärke dieser Materialzugabe ist in den Zeichnungen je­ doch übertrieben groß dargestellt. Der innenseitige Reib­ schweißgrat 32' stört dann nicht, wenn das Leichtbauventil nicht durch ein eingefülltes Kühlmedium gekühlt zu werden braucht. Im anderen Fall müßte auch der innenseitige Reib­ schweißgrat z. B. durch einen kurzen Bohrvorgang abgespant wer­ den, zumindest dann, wenn er - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - relativ groß und vom Grund der Mittenöffnung axial beabstandet ist.

Das Abspanen der radialen Materialzugabe 31 und des äußeren Reibschweißgrates 32 zumindest in dem freiliegenden, tellerna­ hen, nicht durch die Schafteinspannung überdeckten Bereich kann durch in der Reibschweißmaschine integrierten Drehwerk­ zeuge bzw. zugehörige Werkzeugschlitten erfolgen. Das dazu er­ forderliche In-Bereitschaft-Fahren der Drehmeißel geht sehr rasch vor sich, so daß die Drehoperation noch vor einem Abküh­ len der Schweißstelle einsetzen kann. Dadurch kann die Prozeß­ wärme des Schweißvorganges, also ein gewisser Erweichungszu­ stand des Materials, für die Drehoperation ausgenützt werden, 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.

Es ist auch möglich, einen relativen rotatorischen Stillstand der zu verschweißenden Teile dadurch herbeizuführen, daß der zunächst stillstehend gehaltene Ventilteller bzw. das zugehö­ rige - drehbar gelagerte und festbremsbare - Spannfutter aus der Festbremsung gelöst wird, so daß das Spannfutter und der Ventilteller durch Schleppreibung von dem Ventilschaft mitge­ nommen werden und schließlich mit ihm synchron mitrotieren. Wenn die rotierende Masse des Spannfutters klein ist, wird dieses währen der Einpreßphase mit erhöhter Axialkraft durch die Schleppreibung sehr rasch beschleunigt. Da das Werkstück bei Beendigung des Reibschweißvorganges rotiert, kann unmit­ telbar anschließend der Zerspanungsvorgang des Reibschweißgra­ tes einsetzen. Auf diese Weise kann die Übergangszeit von der Beendigung des Reibschweißvorganges bis zum Beginn des Zerspa­ nens des Reibschweißgrates und der Materialzugabe also beson­ ders kurz gestaltet, nämlich praktisch auf Null reduziert wer­ den. Darin liegt nicht nur ein Taktzeitgewinn, sondern der Wärmeverlust der zu überdrehenden Schweißstelle ist minimal, so daß die restliche Schweißwärme für ein rasches Abspanen op­ timal ausgenutzt werden kann.

Es ist ohne weiteres denkbar, daß außer dem genannten Abspanen des äußeren Reibschweißgrates auch noch weitere spangebende Arbeitsgänge in der Reibschweißmaschine vorgenommen werden, zumindest dann, wenn diese entsprechend ausgerüstet ist, wo­ durch die Ventilfertigung erheblich rationalisiert werden könnte. Es wurde schon auf die Sondermaschinen in Revolver- oder Rundtaktbauform hingewiesen. Aus der Technik der Drehau­ tomaten ist es ferner bekannt, rotationssymmetrische Drehteile von einer u. U. mehrere Meter langen Vorratstange, spanabhebend abzuarbeiten, wobei die Vorratsstange in dem rückwärtig aus dem Spannfutter herausragenden Teil in mehreren axial beab­ standeten Stützlünetten vibrationsfrei drehgelagert ist, aber axial darin verschoben werden kann. Jedesmal wenn ein fertig bearbeitetes Drehteil von der Vorratsstange abgetrennt wird, wird die Vorratsstange im Spannfutter gelöst, um eine für ein neues Drehteil erforderliche, durch Anschläge definierte Länge von hinten her vorgeschoben und erneut im Spannfutter festge­ spannt; die spangebende Drehbearbeitung eines weiteren Dreh­ teiles kann dann erneut beginnen. Wenn die Arbeitsspindeln ähnlich wie bei einer Bohrmaschine vertikal angeordnet sind, kann das axiale Vorschieben der in den Arbeitsspindeln befind­ lichen Vorratsstangen allein durch deren Schwerkraft nach Lö­ sen des Spannfutters - durch freien Fall bis zu einem axialen Begrenzungsanschlag - erfolgen. Um das Spannfutter herum sind mehrere mit Drehmeißeln bestückte Werkzeugschlitten angeord­ net, die nach voreingebbaren Programmen exakt verfahrbar sind und automatisiert das gewünschte Drehteil von dem aus dem Spannfutter herausragenden Teil der Vorratsstange abarbeiten.

Unter der Voraussetzung, daß eine Reibschweißmaschine in die­ ser Weise nach dem Vorbild eines Drehautomaten zusätzlich aus­ gerüstet ist, könnten beispielsweise noch folgende Drehopera­ tionen innerhalb der Reibschweißmaschine durchgeführt werden:

• - Vorschieben der Vorratsstange mit dem vorne angeschweißten Ventilteller um eine Ventillänge gegen einen Anschlag. Der Anschlag kann vorteilhafter Weise zugleich als eine rotie­ rende Zentrierglocke zur zentrierenden und drehbaren Aufnah­ me des angeschweißten Ventiltellers ausgebildet sein.
• - Soweit erforderlich: Zylindrisches Abspanen der radialen Ma­ terialzugabe 31 des Ventilschaftes im übrigen Schaftbereich bis zur Trennstelle, d. h. bis zum Ende des neuen Ventil­ schaftrohlings hin.
• - Abtrennen des geschweißten Ventils von der Vorratsstange vorzugsweise durch einen Abstechdrehmeißel.
• - Erforderlichenfalls (Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2a oder 4a) Andrehen einer Fase, eines Konus' oder einer An­ senkung an die innere oder äußere Endkontur des neuen Endes der Vorratsstange.
• - Ersatzweise (Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2b oder 3b): Massivumformung des neuen Endes der Vorratsstange - u. U. in einem durch Induktionserwärmung oder durch eine Autogenflamme erzeugten Warmzustand - durch einen Rollvorgang z. B. mittels kleiner Keramikrollen.

Einer solcherart aufgerüsteten, kombinierten, automatisierten Dreh- und Reibschweißmaschine in Revolver- oder Rundtaktbauart brauchen dann nur noch in einer Einlegestation die vorgefer­ tigten Ventilteller-Rohlinge 10' taktweise zugeführt und in ein Spannfutter eingespannt zu werden. Die als Schüttgut in einem Bunker bereitgestellten Tellerrohlinge können daraus über eine Rüttelstrecke ausgerichtet, einem Magazin selbsttä­ tig zugeführt und daraus in die Einlegestation bzw. das ent­ sprechende Spannfutter übergeben werden. Im übrigen muß für einen bedarfsgerechten Nachschub neuer rohrförmiger Vorrats­ stangen in diese Sondermaschine gesorgt werden, was ebenfalls automatisiert aus einem gebunkerten Stangenvorrat erfolgen kann. Einer solchen aus Sondermaschine mit geeigneten Periphe­ rie-Geräten bestehenden Fertigungsanlage kann, nachdem sie für alle Arbeitsoperationen bedarfsgerecht programmiert ist, nach jedem nur wenige Sekunden dauernden Arbeitstakt ein neuer aus Ventilschaft und Ventilteller bestehender Rohling eines Leichtbauventils mit hohlem Ventilschaft und Leichmaterial- Teller entnommen werden. Dies bedeutet eine hochproduktive Fertigung unter Einsatz von sicher beherrschbaren Arbeitspro­ zessen bei relativ geringem Fertigungsaufwand und Investiti­ onskosten.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer ebenen Schweißfuge 18 weisen die in den übrigen Fi­ guren dargestellten Varianten eine konische Schweißfuge 19, 20, 20' auf, die breiter als die ebene Schweißfuge 18 ist und die sich im übrigen über eine gewisse axiale Länge erstreckt. Dadurch ist die Schweißverbindung höher belastbar.

Bei den in den Fig. 2, 2a und 2b gezeigten bzw. angedeute­ ten Ausführungsvarianten eines reibgeschweißten Leichtbauven­ tils 2 ist am Ventilteller 11 bzw. Tellerohling 11' zentrische eine Mittenöffnung 24 vorgesehen, deren konischer Rand ent­ sprechend einem Kegel ausgebildet ist, der zur Tellerflachseite 25 hin spitz zuläuft. Der Ventilschaftrohling 15' (Fig. 2a) bzw. 15" (Fig. 2b) ist in gleicher Weise am tellerseiti­ gen Ende mit einer konischen Zuspitzung 28 bzw. 28' versehen. Im Fall nach Fig. 2a ist die Zuspitzung 28 durch einen span­ abhebenden Drehvorgang aus der Rohrwandung herausgearbeitet, wogegen bei der in Fig. 2b angedeuteten Variante die Zuspit­ zung 28' durch eine Massivumformung, vorzugsweise im Warmzu­ stand, erzeugt wurde. Durch das rotierende Einpressen des zu­ gespitzten Schaftrohlings in die konische Mittenöffnung 24 des Tellerrohlings 11' während des Reibschweißens entsteht eine konische Schweißfuge 19. Der äußere Reibschweißgrat 32 wird anschließend durch einen spanabhebenden Drehvorgang, bei dem die radiale Materialzugabe 31 abgetragen wird, vom Ventil­ schaft 15 entfernt. Der innere, im Bodenbereich der Mittenöff­ nung anstehende Grat 32' stört auch bei einem gekühlten Ventil kaum und kann stehenbleiben. Im Gegenteil würde ein kleiner Innengrat den Wärmeübergang sogar begünstigen.

Der Vollständigkeit halber sei im Zusammenhang mit den Fig. 2a und 2b erwähnt, daß es auch denkbar ist, einen stumpf endi­ genden, außen höchsten leicht angefasten Ventilschaftrohling während des Reibschweißvorganges mit seinem tellerseitigen En­ de rotierend in die konische Mittenöffnung 24 hinein zu pres­ sen, wobei sich nach einer reibungsbedingten Erweichung des Schaftendes dieses selbsttätig der Form der Mittenöffnung an­ paßt. Diese Vorgehensweise, die schaftseitig einen vorberei­ tenden Arbeitsgang erspart, erscheint bei Einsatz von hoch­ warmfestem Titanaluminid als Tellerwerkstoff möglich, weil Ti­ tanaluminid bis zu seiner Erweichung ohnehin stärker als Stahl erwärmt werden muß und während der Erwärmungsphase den schaft­ seitigen Stahlwerkstoff stärker strapaziert. Eine solche Um­ formphase des Endes des Schaftrohlings in die in Fig. 2b dar­ gestellte Form erscheint daher bei der Werkstoffpaarung Stahl/­ Titanaluminid nicht nur möglich, sondern im Hinblick auf die Ausübung einer größeren und länger andauernden Axialkraft sei­ tens des Schaftrohlings prozeßtechnisch auch durchaus vorteil­ haft. Außerdem würden bei diesem Vorgehen auch die Rohrstirn­ seiten des Schaftrohlings mit dem Tellerwerkstoff verschweißen, was die radiale Länge der Schweißverbindung und somit de­ ren Belastbarkeit verbessert. Insbesondere wenn mit einem stumpf endigenden Schaftrohling gearbeitet wird, kann - wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1, 1a geschildert - auch hier der Ven­ tilschaftrohling in der Reibschweißmaschine taktweise von ei­ ner in der Arbeitsspindel befindlichen, längeren Vorratsstange abgelängt werden, was die Fertigung besonders rationell macht.

Die in den Fig. 3, 3a, 3b zum einen und in den Fig. 4, 4b zum anderen dargestellten Ausführungsbeispiele von Leicht­ bauventilen 3 bzw. 4 weisen ebenfalls eine konische Schweißfu­ ge 20, 20' auf, die sich jedoch zur Tellerflachseite 25 hin erweitert, und somit tendenziell der Außenkontur des jeweili­ gen Ventiltellers 12 bzw. 13 folgt. Bei beiden Varianten weist der Ventiltellerrohling 12', 13' mittig jeweils eine konische Erhebung 26 bzw. 26' auf. Der zugehörige Schaftrohling 16" oder 17' ist - vorbereitend für die Reibschweißung - mit einer entsprechend konisch gestalteten Erweiterung 29 oder 29' ver­ sehen. In beiden Fällen (Fig. 3a bzw. 4a) ist die Erhebung 26, 26' jeweils von einer kreisförmig verlaufenden, im Quer­ schnitt V-förmigen Rille 30, 30' mit etwa rechtwinklig zuein­ ander stehenden Rillenflanken umgeben, die das Ende des rohr­ förmigen Ventilschaftes 16 bzw. 17 aufnimmt und die später auch ein Teil der Schweißfuge ausbildet.

Bei der in Fig. 3a gezeigten Variante des Schaftrohlings 16' wird die strichpunktiert angedeutete, konische Erweiterung 29 erst während des Reibschweißvorganges in erweichtem Zustand des Rohrendes durch die sich in das Rohrende "hineinbohrende" Erhebung 26 erzeugt. Diese Ausführung ist bei einer Werkstoff­ paarung Stahl/Titanaluminid sinnvoll, bei der sehr viel Rei­ bungsenergie in den aus dem hochwarmfesten Titanaluminid be­ stehenden Tellerrohling 12' hineingetragen werden muß und die Umformenergie des Schaftendes dazu mit ausgenutz werden kann. Bei einer Paarung Stahl/Titanlegierung, bei der der Schaft­ werkstoff der härtere oder thermisch höher beanspruchbare Partner sein könnte, erscheint eher die Variante nach Fig. 3b die zweckmäßigere, bei der die konische Erweiterung 29 in ei­ nem gesonderten Arbeitsgang durch Massivumformung des Rohren­ des erzeugt wurde. Während das nach Fig. 3a ausgebildete stumpfe Schaftende es erlaubt, eine sehr hohe Wärmemenge in den Tellerrohling hineinzutragen, obwohl der Schaftwerkstoff thermisch weniger resistent ist, ist dem Schaftende nach Fig. 3b bereits annähernd die endgültige Form im zusammengeschweiß­ ten Ventil gegeben, so daß hier keinerlei Umformarbeit in die Wärmebillanz mit eingeht. Bei Verwendung eines stumpf endigen­ den, innenseitig höchsten leicht angefasten Schaftrohlings 16' kann auch hier - wie weiter oben bereits in anderem Zusammen­ hang erwähnt - in rationeller Weise von der Stange gearbeitet werden, wenn die Reibschweißmaschine entprechend ausgerüstet ist. Aber auch das Anformen einer konischer Erweiterung könnte u. U. in der nach Art eines Drehautomaten aufgerüsteten Reib­ schweißmaschine durch einen Rollvorgang an dem neuen, vorzugs­ weise erwärmten Ende der Vorratsstange z. B. mittels kleiner Keramikrollen durchgeführten werden.

Die in den Fig. 4, 4a gezeigte Variante eines Leichtbauven­ tils 4 ist eine zwischen den Gestaltungen nach Fig. 3a einer­ seits und 3b andererseits vermittelnde Ausführung. Dort ist die konische Erweiterung 29 durch eine spangebende Ansenkung des Endes Ventilschaftrohlings 17' erzeugt, wobei die Wand­ stärke des Schaftrohres zum Ende hin relativ dünnwandig aus­ läuft. In diesem Bereich bietet der Schaftrohling keinen hohen mechanischen Widerstand und hat lokal nur eine geringe Masse. Deshalb kann sich des äußerste Rohrende durch die mechanische Reibung rasch erwärmen und erweichen und kann sich leicht der Form der Erhebung 26 anpassen. Es kommt hier also eine geringe Umformung des Schaftendes, also eine gewisse Verformungsener­ gie mit einer normalen Reibungserwärmung zusammen. Wegen der am axial äußersten Ende geringen Wandstärke des endseitig an­ gesenkten Schaftrohlings 17' ist die dieses Ende aufnehmende Rille 30' im Querschnitt kleiner ausgebildet, als die entspre­ chende Rille beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a.

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 der geringeren Ventilmasse und der geringeren Fe­ derkräfte sich die Ventile mit wesentlich geringerem Kraftauf­ wand betätigen lassen. Dies äußert sich darin, daß der Motor nicht nur leiser läuft, sondern daß er auch (ca. 0,2 Ltr./100 km) weniger Kraftstoff verbraucht, und daß der Motor drehfreu­ diger ist und dadurch bei der maximal möglichen Drehzahl etwas mehr Leistung entfaltet.

Claims (18)

1. Mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Hubkolben­ maschinen, mit einem massiven Ventilteller, mit einem rohrför­ migen, aus einem Stahl bestehenden Ventilschaft und mit einem massiven Ventilschaftendstück, welche Ventilteile dauerhaft miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10-13) mit dem rohrförmigen Ventilschaft (14-17) durch eine Reibschweißung verbunden ist.

2. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißfuge (18, 19, 20, 20') zumindest teilweise außer­ halb des Übergangsbereiches (6) vom Ventilschaft (14-17) in den Ventilteller (10-13), d. h. entweder innerhalb des zylin­ drischen Teils (5) des Ventilschaftes (14-17) oder in einem sich zum Ventilteller (10-13) erweiternden Bereich (7) ange­ ordnet ist, wo der größte Durchchmesser (D) der Schweißfuge (19, 20, 20') um wenigstens 20% größer als der Durchmesser (d) des Ventilschaftes (14-17) ist.

3. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltellerrohling (10') auf der Schaftseite einen axial abragenden, rohrförmigen Ansatz (27) aufweist, der im Quer­ schnitt dem des rohrförmigen Ventischaftrohlings (14') ent­ spricht und der axial bis in den zylindrischen Bereich (5) des Ventilschaftes (14) hinein ragt.

4. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotationssymmetrische Schweißfuge entlang einer Kegelflä­ che (19, 20, 20') verläuft.

5. Leichtbauventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltellerrohling (11') auf der Schaftseite mit einer geschlossenen Mittenöffnung (24) versehen ist, die zumindest in ihrem Randbereich konisch, d. h. zur flachen Brennraumseite (25) des Ventiltellers (11) hin sich verjüngend ausgebildet ist, daß ferner das tellerseitige Ende des rohrförmigen Ven­ tilschaftrohlings (15', 15") im gleichen Sinne konisch ausge­ bildet, d. h. kegelstumpfförmig zugespitzt ist (28, 28') und daß beide Teile (11', 15' oder 11', 15") entlang einer koni­ schen, zur flachen Brennraumseite (25) des Ventiltellers (11) hin sich verjüngenden Schweißfuge (19) miteinander verschweißt sind.

6. Leichtbauventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltellerrohling (12', 13') auf der Schaftseite mit ei­ ner kegelstumpfförmigen Erhebung mit geraden Mantellinien oder einer kegelstumpf-ähnlichen Erhebung (26, 26') mit konkaven Mantellinien versehen ist, wobei die Spitze der Erhebung (26, 26') wenigstens geringfügig axial in das Ende des rohrförmigen Ventilschaftrohlings (16', 16", 17') einführbar ist.

7. Leichtbauventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das tellerseitige Ende des rohrförmigen Ventilschaftrohlings (16', 16", 17') im gleichen Sinne konisch ausgebildet, d. h. angesenkt (29') oder konisch aufgeweitet (29) ist und daß bei­ de Teile (12', 16' oder 12', 16" oder 13', 17') entlang einer konischen, zur flachen Brennraumseite (25) des Ventiltellers (12, 13) hin sich erweiternden Schweißfuge (20, 20') miteinan­ der verschweißt sind.

8. Leichtbauventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (26, 26') von einer kreisförmig verlaufenden, im Querschnitt V-förmigen, das Ende des rohrförmigen Ventilschaf­ tes (16, 17) aufnehmenden Rille (30, 30') mit etwa rechtwink­ lig zueinander stehenden Rillenflanken umgeben ist, entlang welcher ebenfalls die Schweißfuge verläuft.

9. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Feingußteil hergestellte Ventilteller (10-13) aus der intermetallischen Phase Titanaluminid (TiAl) besteht, ins­ besondere wenn das Leichtbauventil als thermisch stärker bean­ spruchtes Auslaßventil eingesetzt ist.

10. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise als Feingußteil hergestellte Ventilteller (10 -13) aus einer Titanbasislegierung besteht, insbesondere wenn das Leichtbauventil als thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil eingesetzt ist.

11. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (10-13) aus einem Ventilstahl, vorzugsweise 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.

12. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil bestimmte Ventilteller (10-13) aus einem Stahl, vorzugsweise einem solchen der Bezeichnung 1.4718 oder X45CrSi9_3 mit 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 9 Gew.-% Chrom, 3 Gew.-% Silizium und Rest Eisen besteht.

13. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch stärker beanspruchtes Auslaßventil be­ stimmte Ventilschaft (14-17) aus einem hochwarmfesten Chrom/­ Nickel-Stahl besteht.

14. Leichtbauventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14-17) aus einem Ventilstahl der Bezeich­ nung 1.4571 oder X6CrNiMo_17_12_2 mit 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Molybdän und Rest Eisen besteht.

15. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlaßventil bestimmte Ventilschaft (14-17) aus einem korrosionsbeständi­ gen Stahl besteht.

16. Leichtbauventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14-17) aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4006 oder X10Cr13 mit 0,10 Gew.-% Kohlenstoff, 13 Gew.-% Chrom und Rest Eisen besteht.

17. Leichtbauventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14-17) aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4113 oder X6CrMo171 mit 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 1 Gew.-% Molybdän und Rest Eisen besteht.

18. Leichtbauventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14-17) aus einem Stahl der Bezeichnung 1.4301 oder X8Crni18_10 mit 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, 18 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Nickel und Rest Eisen besteht.