DE102006061127B4

DE102006061127B4 - Metallisches Leichtbauventil eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102006061127B4
Application number: DE102006061127.6A
Authority: DE
Inventors: Marcus Abele; Alexander Müller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: DE102006061127A1

Abstract

Metallisches Leichtbauventil eines Verbrennungsmotors mit einem Ventilschaft (1), einem Ventilkegel (2) und einem Ventilteller (3), bei dem – zwischen Ventilteller (3) und Ventilkegel (2) ein Hohlraum vorliegt, – eine Stütze (5) den Hohlraum zwischen Ventilteller (3) und Ventilkegel (2) längs der Ventilachse durchgreift, die einenends mit dem Ventilteller (3) kraftschlüssig verbunden ist und anderenends mit dem Ventilschaft (1) kraftschlüssig verbunden ist oder einstückig mit diesem ausgebildet ist, – der Ventilkegel (2) in seinem radial innenliegenden Endbereich mit dem Ventilschaft (1) und in seinem radial außenliegenden Endbereich mit dem Ventilteller (3) jeweils verschweißt ist, – der Ventilkegel (2) in der Form eines umgeformten Blechteiles vorliegt, gekennzeichnet durch die Merkmale, – die Dicke des Ventilkegelmantels variiert über dessen axiale Höhe mit einem Minimum zwischen den axialen Enden und zu den axialen Enden hin zunehmenden Werten, – die Unterschiede der Ventilkegelmanteldicke beruhen auf einem unterschiedlichen Verpressungsgrad der unterschiedlich dicken Ventilkegelmantelbereiche bei der Umformung des Ausgangs-Blechteiles.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Leichtmetallventil eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Leichtbauventil ist aus EP 1 053 388 B1 bekannt.
Die DE 10 2004 063 518 A1 zeigt ein Leichtbauventil mit einem Ventilteller und einem Ventilkegel, die einen Hohlraum begrenzen, wobei der Ventilkegel aus einem Blechteil hergestellt ist. Ein Ventilschaft des Ventils greift in den Hohlraum und ist endseitig mit dem Ventilteller verschweißt. Der Ventilschaft ist zudem mit dem Ventilkegel verschweißt.
Aus der DE 10 2005 027 130 A1 ist ein Ventil mit einem Ventilteller und einem Ventilkegel bekannt, die einen Hohlraum begrenzen. Im Hohlraum ist eine Stütze angeordnet, die endseitig am Verntilteller angebracht ist. Am gegenüberliegenden Ende ist die Stütze mit einem separaten Ventilschaft verschweißt.
Bei einem solchen Leichtbauventil beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, die Festigkeit der Schweißverbindungen, und zwar insbesondere diejenige zwischen dem Ventilkegel und dem Ventilschaft zu verbessern.
Gelöst wird dieses Problem alternativ durch Maßnahmen der jeweils kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1, 5 oder 6.
Die hierzu jeweils abhängigen Ansprüche betreffen besonders vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Festigkeit der Schweißverbindungen zu erhöhen. Bei der Ausführung nach Anspruch 1 wird eine solche Festigkeitssteigerung dadurch erreicht, dass die Wanddicke des Ventilkegels jeweils zu den Schweißstellen hin erhöht wird. Erreicht wird diese Dickenerhöhung durch ein Verpressen des aus einem Flachmaterial, insbesondere einem Blechteil, durch Kalt- oder Warmumformung herzustellenden Ventilkegels. Das Verpressen erfolgt durch flächengezielt eingesetztes Verdrücken des Blechmaterials durch Drückwalzen, das heißt eines insoweit im Stand der Technik allgemein bekannten Bearbeitungsverfahrens.
Bei der alternativen Lösung nach Anspruch 5 wird die Festigkeit der Schweißverbindungen durch folgende Maßnahmen erhöht. Die Festigkeit der Schweißverbindung zwischen dem Ventilkegel und dem Schaft ist unter anderem von dem Maß einer möglichen, radial außen erfolgenden Aufwölbung des Ventiltellers im Motorbetrieb abhängig. Ist ein relativ großer Umfangsbereich des Ventiltellers, der außerhalb des Anbindungsbereiches des Schaftes an dem Ventilteller liegt, vorhanden, so ergibt sich hieraus eine relativ große Aufwölbneigung für den äußeren Ventiltellerbereich. Die durch eine solche Aufwölbung entstehenden Aufwölbkräfte müssen von der Schweißverbindung zwischen Ventilkegel und Ventilschaft aufgenommen werden. Sind diese Aufwölbkräfte besonders groß, so liegt eine entsprechend hohe Rissgefahr bei dieser Schweißverbindung vor. Um das Maß einer möglichen Aufwölbung des radialen Außenbereiches des Ventiltellers möglichst gering zu halten, wird versucht, die Schweißverbindung zwischen dem Schaft und dem Ventilteller umfangsmäßig möglichst weit nach radial außen zu legen. Hierdurch wird die Verwölbungssteifigkeit des Ventiltellers erhöht, wodurch das Maß einer möglichen Verwölbung am Außenumfang des Ventiltellers entsprechend gering gehalten werden kann. Bei einem hohlen Ventilschaft mit einem außerhalb des Ventilkegels relativ geringen Schaftaußendurchmesser wird der dem Ventilteller zugewandte Schaftbereich trompetenförmig aufgeweitet, um hierdurch eine möglichst weit nach radial außen liegende Schweißverbindungsnaht zwischen Schaftende und Ventilteller erreichen zu können. Das Maß einer trompetenförmigen Aufweitung ist durch die Materialfestigkeit begrenzt, das heißt eine trompetenförmige Aufweitung kann nur in einem solchen Maße erfolgen, in dem das aufgeweitete Material an dem Schaftende noch nicht reißt. Mit der erfindungsgemäßen, in Anspruch 5 vorgeschlagenen Maßnahme, nach dem der Endbereich des Schaftes gebördelt beziehungsweise gesickt ausgeführt wird, lässt sich das Aufweitungsmaß, bis zu dem noch keine Rissgefährdung vorliegt, erheblich erhöhen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch einen derart gesickten Endbereich des Schaftes die Schweißfläche des Schaftendbereiches erheblich gegenüber einem ungesickten Schaftauslauf erhöht wird. Ein erfindungsgemäß gesickter Auslauf des Schaftes zu dem Ventilteller hin erhöht damit die Steifigkeit des sich aus Ventilteller, Ventilkegel und Ventilschaft zusammensetzenden Bauteiles.
Die gleichen Aspekte wie bei der Lösung nach Anspruch 5 sind die Grundlage für die Lösung nach Anspruch 6. Auch bei dieser alternativen Lösung geht es darum, den Umfangsbereich, in dem der Ventilteller mit dem der Schaft verschweißt wird, möglichst weit nach radial außen zu legen, um hierdurch eine stabile Bauteilkonstruktion zu erhalten.
Vorteilhafte und zweckmäßige, nachstehend noch näher erläuterte Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt.
In dieser zeigen
1 einen Radialschnitt durch einen Ventilkegel,
2 einen Radialschnitt durch den mit dem Ventilteller zu verschweißenden Endbereich eines Ventilschaftes,
3 einen Radialschnitt durch ein Ventil mit einer eingeschweißten Stütze zwischen einerseits dem Ventilteller und andererseits dem Ventilschaft einschließlich Ventilkegel.
In der Zeichnung sind bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils diejenigen Bauteile, die für das jeweilige Ausführungsbeispiel der Erfindung in erster Linie von Bedeutung sind, in durchgehenden Linien dargestellt, während die übrigen Bauteile lediglich durch strichpunktierte Linien zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes angedeutet sind.
Ausführung nach Fig. 1
Ein erfindungsgemäßes Leichtbauventil umfasst als miteinander verschweißte Bauelemente einen hohlen Ventilschaft 1, einen Ventilkegel 2 sowie einen Ventilteller 3. Diese drei Teile sind miteinander verschweißt und zwar in den in der Zeichnung durch jeweils schwarze Markierungen gekennzeichneten Bereichen.
Bei der Ausführung nach 1 besteht der Ventilkegel 2 aus einem umgeformten Blech. Vor, bei oder nach der Umformung ist das Material des Ventilkegels 2 derart verpresst, dass der zwischen den Schweißverbindungsbereichen liegende Bereich eine gegenüber den Schweißverbindungsbereichen geringere Wanddicke aufweist. Die unterschiedlichen Wanddicken können durch ein an sich bekanntes Drückwalzen-Bearbeitungsverfahren erzeugt werden.
Konkret kann ein Ventilkegel 2 mit den in 1 dargestellten unterschiedlichen Wanddicken wie folgt hergestellt werden.
Eine Blechronde als Rohteil wird durch eine Pinole gegen einen rotierenden Dorn gespannt, der bereits die Kontur des fertigen Werkstücks aufweist und mittels einer oder mehrerer Walzen stufenweise auf die Endkontur verformt. Dabei werden die gezeichneten Wanddickenunterschiede durch Drückwalzen erzeugt. Die Umformung erfolgt partiell unter Druckspannungen, die durch radial geführte Druckwalzen eingebracht werden. Das Material fließt und nimmt in einem Walzenüberlauf die Kontur des innenliegenden Druckfutters an. Dadurch sind diverse Wanddickenübergänge an entsprechend verformten Bauteilen realisierbar. Um besonders große Wanddickenübergänge erreichen zu können, lässt sich ein solches Umformverfahren mit einem thermischen Verfahren, für das beispielsweise eine Laserstrahlbehandlung eingesetzt werden kann, kombinieren. Das Material kann demnach also vor dem Druckwalzen lokal aufgeheizt werden, um auf diese Weise bessere Fließeigenschaften zu erhalten.
Ausführung nach Fig. 2
Das hier erfindungsgemäß bedeutende, in durchgezogenen Linien gezeichnete Bauteil ist der Ventilschaft 1 in dessen an den Ventilteller 3 angrenzendem Bereich. Der Bereich, in dem der Ventilschaft 1 mit dem Ventilteller 3 verschweißt wird, soll mit Bezug auf den Ventilteller 3 radial möglichst weit außen liegen. Hierdurch kann eine hohe Bauteilstabilität des betreffenden Ventilbereiches erreicht werden, durch die eine Rissgefährdung der Schweißverbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen vermindert beziehungsweise vollständig ausgeräumt werden kann.
Die Maßnahme nach diesem Ausführungsbeispiel in 2 besteht in einem Auslauf des hohlen Ventilschaftes in Richtung des Ventiltellers 3 über eine Sicke 4. Die Sicke 4 ragt über den trompetenförmig erweiterten Endbereich des Ventilschaftes 1 nach radial außen ab. Das Schaftende bildet bei diesem sickenartigen Auslauf einen von radial außen nach radial innen horizontal, das heißt senkrecht zu der Achse des Ventilschaftes 1 verlaufenden Ringabschnitt 6. Dieser Ringabschnitt 6 besitzt eine radiale Breite, die wesentlich über die Wanddicke des Ventilschaftes 1 hinausragt und damit für die Schweißverbindung mit dem Ventilteller 3 eine erheblich vergrößerte Schweißfläche bildet. Eine derart erreichbare, flächenmäßig vergrößerte Schweißverbindung bewirkt eine erhöhte Verbindungsfestigkeit.
Hergestellt wird ein Ventilschaft 1 mit einem erfindungsgemäß sickenartig zu dem Ventilteller 3 hin auslaufenden Ende wie folgt.
Ein zunächst als ein zylindrisches Rohr mit im wesentlichen gleichem Rohrdurchmesser bestehender Ventilschaft wird an demjenigen Ende, über das mit dem Ventilteller 3 verschweißt werden soll, trompetenförmig aufgeweitet.
Dabei wird mit einem Rollierkopf einer Sickenrollmaschine eine Sicke 4 an das Schaftende angeformt. Bekannt ist ein solches Sicken-Anformverfahren beispielsweise zur Erzeugung von Dichtungssicken an einem Rohrende.
Durch die erfindungsgemäße Sickenanordnung an dem, dem Ventilteller 3 zugewandten Ende des Ventilschaftes 1 kann eine Aufweitung des Außendurchmessers um mindestens 100% gegenüber einem zylindrischen Grunddurchmesser des Ventilschaftes 1 ohne jegliche Rissgefährdung des betreffenden Schaftendes einfach erzielt werden. Über diesen Vorteil hinaus wird eine Schweißflächenvergrößerung in dem Verbindungsbereich zwischen Ventilschaft 1 und Ventilteller 3 geschaffen. Beide vorgenannten Maßnahmen tragen zu einer Festigkeitserhöhung der den Ventilteller 3 und den Ventilkegel 2 umfassenden Bauteilkonstruktion bei.
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
Die erfindungsgemäße Maßnahme besteht hier wieder in dem in der Zeichnung in durchgezogenen Linien dargestellten Bauteil, nämlich einer im wesentlichen rohrförmigen Stütze 5. Diese rohrförmige Stütze 5 erweitert sich zu demjenigen axialen Ende hin, an dem die Stütze 5 mit dem Ventilteller 3 verschweißt ist, konisch. An dem gegenüberliegenden axialen Ende kann die Stütze 5 in den dort angrenzenden Ventilschaft 1, mit dem sie verschweißt ist, auslaufen. Gezeichnet ist allerdings ein dort vorliegender, teilweiser Verschluss durch einen Ringabschnitt 6. Die Stütze 5 ist durch Tiefziehen aus einer Blechronde herstellbar. Das Einschweißen einer Stütze 5 zwischen den Ventilschaft 1 und den Ventilteller 3 hat den Vorteil, dass durch die Herstellbarkeit der Stütze 5 als Tiefziehteil eine durchmessermäßig äußerst hohe, rissungefährdete Aufweitung in Richtung des Ventiltellers 3 erfolgen kann. Der Bereich, in dem die Stütze 5 mit dem Ventilschaft 1 verschweißt ist, kann mit Bezug auf die Anbindung des Ventilkegels 2 zu beiden Seiten des Ventilkegels 2 beabstandet liegen oder entsprechend der gezeichneten Ausführung in einem Bereich, in dem eine gemeinsame Verschweißung zwischen Ventilschaft 1, Ventilkegel 2 und Stütze 5 erfolgt. Der Ventilschaft 1 kann in demjenigen Bereich, in dem er an die Stütze 5 angrenzt, trompetenförmig aufgeweitet sein.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein.

Claims

Metallisches Leichtbauventil eines Verbrennungsmotors mit einem Ventilschaft (1), einem Ventilkegel (2) und einem Ventilteller (3), bei dem – zwischen Ventilteller (3) und Ventilkegel (2) ein Hohlraum vorliegt, – eine Stütze (5) den Hohlraum zwischen Ventilteller (3) und Ventilkegel (2) längs der Ventilachse durchgreift, die einenends mit dem Ventilteller (3) kraftschlüssig verbunden ist und anderenends mit dem Ventilschaft (1) kraftschlüssig verbunden ist oder einstückig mit diesem ausgebildet ist, – der Ventilkegel (2) in seinem radial innenliegenden Endbereich mit dem Ventilschaft (1) und in seinem radial außenliegenden Endbereich mit dem Ventilteller (3) jeweils verschweißt ist, – der Ventilkegel (2) in der Form eines umgeformten Blechteiles vorliegt, gekennzeichnet durch die Merkmale, – die Dicke des Ventilkegelmantels variiert über dessen axiale Höhe mit einem Minimum zwischen den axialen Enden und zu den axialen Enden hin zunehmenden Werten, – die Unterschiede der Ventilkegelmanteldicke beruhen auf einem unterschiedlichen Verpressungsgrad der unterschiedlich dicken Ventilkegelmantelbereiche bei der Umformung des Ausgangs-Blechteiles.
Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Ventilkegelmanteldicken durch ein Drückwalzen des Ventilkegelmaterials erzeugt sind.
Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddickenunterschiede zwischen den Minimal- und Maximalwerten von dem Minimalwert aus betrachtet mindestens 70% betragen.
Leichtbauventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (2) seine größte Wanddicke in seinem Anschlussbereich an den Ventilschaft (1) aufweist.
Leichtbauventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem der mit dem Ventilteller (3) verschweißte Ventilschaft (1) hohl ausgebildet ist und in seinem, an den Ventilteller (3) angrenzenden Bereich in Richtung des Ventiltellers (3) trompetenförmig durch mechanische Verformung aufgeweitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Ventilteller (3) direkt angrenzende Bereich des Ventilschaftes (1) gebördelt ausgeführt ist, wobei das axiale Ende von einem nach radial innen senkrecht zu der Ventilschaftachse verlaufenden Ringsteg (6) einer nach radial außen angeformten Sicke (4) gebildet ist.
Leichtbauventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei, – die Stütze (5) innerhalb des Hohlraumes zwischen Ventilteller (3) und Ventilkegel (2) als ein eigenständiges Bauteil ausgebildet ist, das einenends zumindest mit dem Ventilschaft und anderenends mit dem Ventilteller (3) verschweißt ist, – die Stütze (5) koaxial rohrförmig zu dem Ventilschaft (1) ausgeführt ist, – das mit dem Ventilteller (3) verschweißte Ende der Stütze (5) einen gegenüber dem größten Durchmesser des Ventilschaftes (1) größeren Durchmesser aufweist. dadurch gekennzeichnet, dass das sich an den Ventilschaft (1) anschließende Ende der rohrförmigen Stütze (5) zumindest teilweise verschlossen ausgebildet ist.
Leichtbauventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütze (5) aus einem Blechteil geformt ist.