DE10038332A1 - Mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilschaft und einem massiven Ventilteller, welcher mit einer Mittenöffnung zur formschlüssigen Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes verbunden ist. DOLLAR A Um ein mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil für Brennkraftmaschinen so auszubilden, daß es den im Motorbetrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten vermag, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Ventilteller mit dem Ventilschaft durch Warmstauchen verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrteilig zusammengesetztes Leicht­ bauventil für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Die EP 0 296 619 A1 zeigt ebenfalls ein mehrteilig zusammenge­ setztes Leichtbauventil für Brennkraftmaschinen, welches einen Ventilteller und einen Ventilschaft aufweist. Der Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des tel­ lerseitigen Schaftendes versehen, das in der Sacklochbohrung durch Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten, durch eine mecha­ nische Verbindung oder durch Kombination dieser Verbindungs­ techniken befestigt sein kann. In einem dort zeichnerisch dar­ gestellten Fall ist die Leibung der Sacklochbohrung gewellt ausgebildet, wobei die endseitige Wandung des Schaftrohres un­ ter dem Einfluß von Druck und örtlicher Erwärmung aufgeweitet wird und sich dabei formschlüssig in die bohrungsseitigen Wel­ len einlegen soll.

Nachteilig an dem aus der EP 0 296 619 A1 bekannten Leichtbau­ ventil ist, daß die Verbindung zwischen Ventilschaft und Ven­ tilteller unter den sowohl in thermischer Hinsicht als auch in mechanischer Hinsicht erheblichen statischen und dynamischen Belastungen nicht ausreichend haltbar ist. Es können Tempera­ turschwankungen 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 Verbin­ dungsstelle zugleich hohen dynamischen und statischen Belastun­ gen auch in Zugrichtung ausgesetzt. Dieses Belastungskollektiv kann nach relativ kurzer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine zu einem Lösen der Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventil­ teller führen, was für die Brennkraftmaschine einen sofortigen Ausfall und eine völlige Zerstörung zur Folge haben würde.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbauventil da­ hingehend zu verbessern, daß es den im Motorbetrieb auftreten­ den thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten ver­ mag.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Abkühlung nach dem Stauchen hohe, in Ventillängsachsenrich­ tung wirkende also axiale Vorspannungen in dem tellerseitigen Ende des Ventilschaftes entstehen, die den Teller am Ventil­ schaft sehr stark fixieren insbesondere stärker als beim Schweißen. Das heißt die Schwingfestigkeit wird höher als bei­ spielsweise bei einem geschweißten Ventil. Aufgrund der in bei­ den Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug - formschlüssi­ gen Verbindung des Ventilschaftes mit dem Ventilteller ist die Fügestelle durch die im Motorbetrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen schadlos und dauerhaft belastbar. Im übrigen bewirkt diese Fügetechnik eine Reduzierung des Fer­ tigungsaufwandes nämlich auf einen Steckvorgang (Schaftende in Mittenbohrung), einen Stauchvorgang und evtl. einen Schleifvor­ gang (tellerseitiges Schaftende).

Die erfindungsgemäße Fügetechnik des mehrteiligen Leichtbauven­ tils schafft eine Freizügigkeit bezüglich der Werkstoffauswahl, insbesondere hinsichtlich des Ventiltellers. Es kann sich dabei um einen nicht schweißbaren Werkstoff oder um einen solchen handeln, der nicht mit dem Werkstoff des Ventilschafts ver­ schweißbar ist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von drei Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1a eine Schnitt-Ansicht durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Leichtbau­ ventils vor dem Stauchen,

Fig. 1b das Leichtbauventil des ersten Ausführungsbeispiels nach dem Stauchen,

Fig. 2a eine Schnitt-Ansicht durch ein zweites Ausführungsbei­ spiels eines Leichtbauventils vor dem Stauchen, wobei ein Hartlotring zwischen Ventilteller und Ventilschaft eingelegt ist,

Fig. 2b das Leichtbauventil des zweiten Ausführungsbeispiels nach dem Stauchen,

Fig. 3a eine Schnitt-Ansicht durch ein drittes Ausführungsbei­ spiels eines Leichtbauventils vor dem Stauchen, wobei der Ventilschaft rohrförmig ausgebildet ist und

Fig. 3b das Leichtbauventil des dritten Ausführungsbeispiels nach dem Stauchen.

Vorab sei kurz auf die Gemeinsamkeiten der verschiedenen, in den Fig. 1a, 2a und 3a dargestellten Ausführungsbeispiele von Leichtbauventilen (Bezugszahlen 1 bis 3) für Brennkraftma­ schinen eingegangen, wobei die Fig. 1b, 2b und 3b die Leichtbauventile 1 bis 3 nach dem Stauchen darstellen. Die Leichtbauventile 1 bis 3 sind alle mehrteilig zusammengesetzt und weisen einen massiven Ventilteller 4 mit einer Mittenöff­ nung 5 zur formschlüssigen Aufnahme des tellerseitigen Endes des zugehörigen massiven Ventilschaftes 6 (Fig. 1 und 2) oder rohrförmigen Ventilschaftes 7 (Fig. 3) auf. Die genannten Ventilteile sind dauerhaft miteinander verbunden, wobei die Fü­ getechnik (Warmstauchen/Elektrostauchen) für alle drei Ven­ tilvarianten einheitlich ist.

Die zur Befestigung des Ventilschaftes 6, 7 dienende, weitest­ gehend zylindrische Mittenöffnung 5 des Ventiltellers 4 geht axial durch den ganzen Ventilteller 4 hindurch. Die Mittenöff­ nung 5 im Ventilteller 4 ist zunächst zylindrisch ausgebildet und erweitert sich zu einer brennraumseitigen Flachseite 8 des Ventiltellers 4 hin in Form einer rotationssymmetrischen Be­ grenzungskontur 9, die bei den dargestellten Ausführungsbei­ spielen als eingesenkte Erweiterung in Form eines Konus ausge­ bildet ist. Am schaftseitigen Ende ist die Mittenöffnung 5 durch eine rotationssymmetrische, achssenkrechte Schulter 10 begrenzt, an der der Ventilschaft 6, 7 mit einem Bund 11 druck­ übertragend anliegt.

Der Ventilschaft 6, 7 wird in die Mittenöffnung 5 eingesteckt, wobei sein die Einstecktiefe begrenzender, achssenkrechter Bund 11 an der tellerseitigen Schulter 10 der Mittenöffnung 5 an­ liegt.

Das tellerseitige Ende des in die Mittenöffnung 5 eingesteckten Ventilschaftes 6, 7 ist am brennraumseitigen Ende der Mit­ tenöffnung 5 durch im folgenden näher erläutertes Elektrostau­ chen in einer formschlüssig ausfüllenden Weise in die Begren­ zungskontur 9 eingebracht, derart daß der Ventilschaft 6, 7 ge­ gen axiales Herausziehen aus dem Ventilteller 4 formschlüssig gesichert ist.

Beim Elektrostauchen wird eine Spannung an den Ventilschaft 6, 7 angelegt, wodurch der Ventilschaft 6, 7 an der Stelle seines kleinsten Querschnittes, d. h. des in die Mittenöffnung 5 einge­ steckten Schaftbereiches, auf ca. 1000 bis 1200° Grad erhitzt wird. Anschließend wird der Ventilschaft 6, 7 unter Druck ge­ staucht, wodurch das tellerseitige Ende des Ventilschaftes 6, 7 in formschlüssig ausfüllender Weise in die Begrenzungskontur 9 eingebracht wird. Nach Beendigung des Stauchvorgangs ist das Ende des Ventilschaftes 6, 7 sehr heiß, wohingegen der Ventil­ teller 4 vergleichsweise kühl ist. Durch die Abkühlung nach dem Elektrostauchen schrumpft das Ende des Ventilschaftes 6, 7 im Bereich der Einstecklänge thermisch, wodurch sich im Ventil­ schaft 6, 7 über die gesamte Einstecklänge innerhalb der Mit­ tenöffnung 5 eine sehr hohe axiale Vorspannung aufbaut, was im Sinne eines sicheren Festhaltens des Ventiltellers 4 am Ende des Schaftes 6, 7 trotz unterschiedlicher Erwärmungen und/oder unterschiedlicher Temperaturdehnungen der beteiligten Fügepart­ ner durchaus erwünscht ist, wobei der Teller 4 stärker fixiert wird als bei einer Schweißverbindung.

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

Als Sicherung insbesondere für thermisch höher belastete Aus­ laßventile kann vor dem Elektrostauchen gemäß den Fig. 2a und 2b ein Hartlotring 12 in die Mittenöffnung 5 eingelegt wer­ den, wobei der Ring 12 an der Begrenzungskontur 9 der Mit­ tenöffnung 5 und dem massiven Ventilschaft 6 im wesentlichen anliegt. Der Ventilschaft kann im vorliegenden Fall auch rohr­ förmig ausgebildet sein. Direkt beim Elektrostauchen entsteht somit eine Lötverbindung zwischen Ventilteller 4 und Ventil­ schaft 6, welche den Ventilschaft 6 stoffschlüssig zusätzlich gegen radiales Verdrehen und axiales Spiel aus dem Ventilteller 4 sichert. Der Ventilteller wird vor dem Fügen auf bis zu 1000°C vorgewärmt, damit das Lot optimal in die Verbindungsfuge zwischen Teller und Schaft fließen kann. Alternativ oder in Kombination mit der Lötsicherung kann ein Formschluß durch Längsrillen/Längsprofilierung der axialen Mittenöffnung 5 des Ventiltellers 4 zwischen Ventilteller 4 und Ventilschaft 6, 7 realisiert werden auch zum Zwecke der radialen Verdrehsicherung des Tellers 4 gegenüber dem Schaft 6 und 7.

Gemäß den Fig. 3a und 3b ist der rohrförmige Schaft 7 an seinem dem Ventilteller 4 gegenüberliegenden Ende mit einem Ventilschaftendstück 13 und an seinem tellerseitigen Ende durch eine Schmelzschweißung gasdicht verschlossen. Ferner sei er­ wähnt, daß der Hohlraum des Leichtbauventiles 3 mit einem Kühl­ medium, vorzugsweise Natrium, gefüllt sein kann, zumindest wenn es als thermisch stärker beanspruchtes Auslaßventil eingesetzt wird. Zweckmäßigerweise wird man in diesem Fall das Kühlmittel am tellerabgewandten Schaftende einfüllen und das Ventilend­ stück 13 als letztes Teil in das Leichtbauventil 3 einfügen.

Claims (10)

1. Mehrteilig zusammengesetztes Leichtbauventil (1, 2, 3) für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilschaft (6, 7) und einem massiven Ventilteller (4), welcher mit einer Mittenöffnung (5) zur formschlüssigen Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes (6, 7) versehen ist, wobei die Ventil­ teile (4, 6, 7) dauerhaft miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (4) mit dem Ventilschaft (6, 7) durch Warmstauchen verbunden ist.

2. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (4) mit dem Ventilschaft (6, 7) durch Elektrostauchen verbunden ist, wobei der Ventilschaft (6, 7) vor dem Stauchvorgang durch Anlegen einer Spannung erwärmt wird.

3. Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittenöffnung (5) des Ventiltellers (4) axial durch den ganzen Ventilteller (4) hindurch verläuft, wobei die Mittenöffnung (5) auf der Schaftseite durch eine rotati­ onssymmetrische, vorzugsweise achssenkrechte Schulter (10) und auf der vom Ventilschaft (6, 7) abgewandten brennraum­ seitigen Flachseite (8) des Ventiltellers (4) durch eine ro­ tationssymmetrische Begrenzungskontur (9) axial begrenzt ist und
daß der in die Mittenöffnung (5) eingesteckte Ventil­ schaft (6, 7) einen die Einstecktiefe begrenzenden, ringför­ migen und an der Schulter (10) des Ventiltellers (4) anlie­ genden Bund (11) aufweist und
daß das tellerseitige Ende des Ventilschaftes (6, 7) durch Stauchen an oder in der brennraumseitigen Begrenzungs­ kontur (9) der Mittenöffnung (5) in einer formschlüssig aus­ füllenden Weise in die Begrenzungskontur (9) eingebracht ist.

4. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Stauchen ein aus Hartlot bestehender Ring (12) zwischen die Begrenzungskontur (9) und den Ventilschaft (6, 7) eingelegt wird.

5. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (4) aus Keramik oder Titanaluminid (TiAl) besteht.

6. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (6, 7) aus einem warmfesten oder einem hochwarmfesten Stahl besteht.

7. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (6) massiv ausgebildet ist.

8. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (7) rohrförmig ausgebildet ist.

9. Leichtbauventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das tellerseitige Ende des Ventilschaftes (7) an oder in der brennraumseitigen Begrenzungskontur (9) der Mit­ tenöffnung (5) in einer die Begrenzungskontur (9) form­ schlüssig ausfüllenden Weise aufgeweitet ist, derart, daß der Ventilschaft (7) gegen axiales Herausziehen aus dem Ven­ tilteller (4) gesichert ist und
daß die endseitige Aufweitung des rohrförmigen Ventil­ schaftes (7) durch Schmelzschweißung gasdicht verschlossen ist.

10. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (9) der Mittenöffnung (5) konisch ausgebildet ist.