-
Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit Verbrennungsmotoren, insbesondere
für Kraftfahrzeuge.
-
Hierbei
ist unter anderen die erreichbare Drehzahl des Verbrennungsmotors
von Bedeutung, weil die maximale Motorleistung meist damit zusammenhängt. Die
Möglichkeit
die Motordrehzahl zu erhöhen,
ist oft von der Eigenfrequenz der zum Öffnen und Schließen der
Ventile eingesetzten Ventilfedern abhängig. Die Eigenfrequenz der
Ventilfedern wäre am
höchsten
bei einer über
das gesamte Volumen gleichmäßig verteilte
Belastung. Bei herkömmlichen bekannten
zylindrischen Ventilfedern, die aus einem Volldraht mit runden Querschnitt
gefertigt sind, ist das nicht der Fall. Die durch Torsion verursachte
Schubspannung ist nahe dem Zentrum des Drahtquerschnittes geringer
als in der Nähe
der Oberfläche. Der
innere Bereich des Drahtes wird wenig belastet und trägt dadurch
zur Federsteifigkeit nur geringfügig und
zur Federmasse überproportional
bei und reduziert damit die Eigenfrequenz der Feder, wobei diese Aussagen
nur für
die Torsionsbelastung, nicht für
die gleichzeitig auftretende Federbelastung durch Schubkraft bzw.
Querkraft, gelten.
-
Ziel
der Überlegungen
ist damit, eine zylindrische Feder mit einer höheren Eigenfrequenz zu schaffen,
wobei bisher lediglich bekannt ist, das zum Öffnen und Schließen von
Ventilen in Verbrennungsmotoren nur Ventilfedern verwendet werden,
die aus einem Volldraht aus Federstahl bestehen.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilfeder
bereit zu stellen, welche die Mindestzeit des Ventilöffnungs-
und Schließvorganges
reduziert und damit hohe Drehzahlen des Verbrennungsmotors ermöglicht und
trotzdem dabei zuverlässig
arbeitet.
-
Die
Lösung
besteht darin, dass eine Feder verwendet wird, die im Querschnitt
ein Hohlprofil aufweist.
-
Bei
der Belastung einer erfindungsgemäß verwendeten Hohlfeder kann – im Gegensatz
zur Feder aus massiven Draht – keine
Schubspannung im mittelpunktnahen Bereich des Federquerschnittes aufgebracht
werden, wodurch die erzeugte Schubspannung ausschließlich in
der Wand des hohlen Federdrahts entsteht. Als Folge wird der gesamte
Federwerkstoff zumindest annähernd
gleichmäßig belastet
und werkstoffmäßig effektiv
genutzt, so dass diese für
wesentlich höhere
Belastungsfrequenzen als die im Stand der Technik bekannten Ventilfedern geeignet
sind. Hinzu kommt, dass die Federmasse der erfindungsgemäßen Ventilfeder
deutlich verringert ist. Dies trägt
auch vorteilhaft zur Verminderung der Trägheitskräften und dadurch der Flächenpressungen
zwischen den verschiedenen Teilen im Ventiltrieb bei.
-
In
letzter Konsequenz kann mit dieser erfinderischen Maßnahme die
Motordrehzahl bei einer Verminderung der Beanspruchung von Teilen
des Ventiltriebes erhöht
werden, wodurch auch ihre Zuverlässigkeit
wird.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Vorzugsweise
wird eine Feder in Form einer zylindrischen oder kegeligen Schraubendruckfeder verwendet.
Diese Feder kann eine konstante Wanddicke aufweisen.
-
Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass eine Feder mit
einer variablen Wanddicke verwendet wird. Hierbei ist eine Ausgestaltung besonders
geeignet, bei der im Innenbereich und im Außenbereich der Federwindungen
unterschiedliche Wanddicken vorgesehen sind.
-
Eine
spezifische Ausgestaltung besteht darin, dass im Innenbereich der
Federwindungen eine größere Wanddicke
als im Außenbereich
der Federwindungen vorgesehen ist. Dies ergibt sich aus der folgenden Überlegung:
Die auf den Federdraht einwirkende Schubspannung wird einerseits
von der Torsionsschwingung und andererseits von der auf die Feder
wirkenden Schubkraft erzeugt. Im Innenbereich der Federwindung addieren
sich diese beiden Komponenten, während
sie im Außenbereich
der Federwindung entgegengesetzt gerichtet sind. Wenn der hohle
Federdraht entlang der Innenseite der Federwindung eine größere Wanddicke
aufweist als entlang der Außenseite
der Federwindung, wird eine gleichmäßigere Werkstoffbelastung erreicht.
-
Erfindungsgemäß kann eine
Feder aus einem im Querschnitt kreisrunden, elliptischen, quadratischen
oder rechteckigen Federdraht verwendet werden. Auch auf diese Weise
kann den oben beschriebenen unterschiedlichen Belastungen der Wandbereiche
des Federdrahts Rechnung getragen werden. Der Hohlraum der Feder
kann mit einem flüssigen
oder pastösen
Werkstoff gefüllt
sein. Dies kann für
die Fertigung und/oder den Betrieb vorteilhaft sein; bspw. kann
die Festigkeit der Feder verbessert werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäß verwendeten
Feder aus einem hohlen Federdraht in einer schematischen, nicht
maßstabsgetreuen
Darstellung;
-
2 ein
Diagramm zur Darstellung des Einflusses des Verhältnisses von Innen- zu Außendurchmesser
des verwendeten hohlen Federdrahts auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Feder
gemäß 1.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
einer geeigneten Feder 10 ist in 1 schematisch
dargestellt. Es handelt sich um eine Feder 10 aus einem
hohlen Federdraht 11. Der Hohlraum 12 des Federdrahts 11 kann
mit einem flüssigen
oder pastösen
Werkstoff gefüllt
sein. Die Wand 13 des Federdrahts 11 ist im Ausführungsbeispiel
gleichmäßig dick.
Eine gleichmäßigere Belastung
der Wand 13 des Federdrahts 11 kann aber erreicht
werden, wenn der Federdraht 11 entlang der Innenseite 14 der
Federwindung eine größere Wanddicke
aufweist als entlang der Außenseite 15 der
Federwindung. Die auf den Federdraht einwirkende Schubspannung wird
einerseits von der Torsionsschwingung und andererseits von der auf
die Feder wirkenden Schubkraft erzeugt. Im Innenbereich der Federwindung
addieren sich diese beiden Komponenten, während sie im Außenbereich
der Federwindung entgegengesetzt gerichtet sind.
-
Die
Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei der
Belastung einer erfindungsgemäß verwendeten
Feder 10 aus einem hohlen Federdraht 11 keine
Schubspannung im mittelpunktnahen Bereich aufgebracht werden kann.
Die gesamte erzeugte Schubspannung entsteht in der Wand 13 des
hohlen Federdrahts 11. Daraus folgt, dass der Werkstoff
der erfindungsgemäß verwendeten
Feder 10 über
den Querschnitt der Wand 13 des hohlen Federdrahts 11 zumindest
annähernd
gleichmäßig belastet
wird.
-
Die
Eigenfrequenz einer zylindrischen Feder, wie sie bisher in Stand
der Technik bekannt ist, ergibt sich aus der Formel (II). c = (d × G) : (k2 × 64 × i × r3) (II)mit
- c
- Federsteifigkeit
- G
- Schubmodul
- d
- Durchmesser des Federdrahts
- r
- Federradius
- i
- Windungszahl der Feder
- k2
- Faktor, abhängig von
da/2r, wobei k2 ≈ 1 bei kleinem
r/d
-
Für eine erfindungsgemäß verwendete
Feder 10 aus einem hohlen Federdraht gilt entsprechend
die folgende Formel (I) c
= [(da 4 – di 4) × G] : (k2 × 64 × i × r3) (I)mit
- c
- Federsteifigkeit
- G
- Schubmodul
- da
- Außendurchmesser des Federdrahts
- di
- Innendurchmesser des
Federdrahts
- r
- Federradius
- i
- Windungszahl der Feder
- k2
- Faktor, abhängig von
da/2r, wobei k2 ≈ 1 bei kleinem
r/d
-
2 zeigt
ein Diagramm, welches den Einfluss des Verhältnisses von Innendurchmesser
zu Außendurchmesser
des hohlen Federdrahts 11 auf den Außendurchmesser und die Eigenfrequenz
der Feder 10 zeigt. Dabei ist die Eigenfrequenz der Feder aus
Volldraht gleich 100% gesetzt. Bei einer zylindrischen Rohrfeder,
bei der das Verhältnis
von Innendurchmesser zu Außendurchmesser
bspw. 0,7 beträgt,
d.h. bei der der Innendurchmesser 70% des Außendurchmessers beträgt, ist
die Eigenfrequenz um 31 % gegenüber
der Eigenfrequenz einer Feder aus Volldraht erhöht (siehe Kurve mit runden
Punkten). Dabei ist zu beachten, dass die Steifigkeit der Feder 10 aus
einem hohlen Federdraht 11 gegenüber einer Feder aus Volldraht
mit gleichem Außendurchmesser
verringert ist. Wenn man nun die gleiche Federsteifigkeit beibehalten
will, muss der Außendurchmesser
des hohlen Federdrahtes um 7% vergrößert werden (siehe Kurve mit
rautenförmigen
Punkten).
-
Typische
Ventilfedern eines PKW-Motors können
bspw. aus einem hohlen Federdraht mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm bestehen.
Der Innendurchmesser beträgt
dann bei dem obigen Ausführungsbeispiel
70% hiervon, also 3,5 × 0,7
= 2,45 mm. Die Wandstärke
beträgt
dementsprechend 0,55 mm.