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Die
Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung für Auslassventile
von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Schiffsdieselmotoren,
welche in einem Ventilgehäuse für eine Ventilspindel
zwischen einem ersten Antriebselement zum Öffnen des Ventils
und einem zweiten Antriebselement zum Schließen des Ventils
abgestützt ist, mit einer Freilaufeinrichtung, die eine
Drehung der Ventilspindel während deren Schließbewegung
oder deren Öffnungsbewegung überträgt
und in der Gegenrichtung freigibt und wobei zur Übertragung
der Drehbewegung auf die Ventilspindel eine Schrägverzahnung
vorgesehen ist.
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Eine
derartige bekannte Vorrichtung (
DE 10 2004 020 754 A1 ) besitzt einen Hydraulikzylinder
als oberes Antriebselement und einen Druckluftzylinder als unteres
Antriebselement. Ein Stützzylinder ist fest mit dem Hydraulikzylinder
verbunden, während ein Drehzylinder über eine
Freilaufeinrichtung mit dem Druckluftzylinder verbunden ist. Drehzylinder
und Stützzylinder stehen über eine Schrägverzahnung miteinander
im Eingriff. Während der Schließbewegung des Ventils überträgt
die Freilaufeinrichtung die Drehbewegung des Drehzylinders auf die
Ventilspindel, bis deren Sitz drehend gegen ein feststehendes Sitzelement
im Ventilgehäuse auffährt. Infolge der Drehbewegung
der Ventilspindel kommt es zu einem erwünschten gegenseitigen
Einschleifen des Sitzbereichs auf dem Ventilteller mit dem gehäuseseitigen Sitzelement.
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Bei
der bekannten Ventildrehvorrichtung weist der Stützzylinder
eine über seine gesamte Länge durchgehende Innenschrägverzahnung
auf, welche in axialer Richtung wenigstens der Länge des Öffnungshubs
der Ventilspindel zuzüglich der Mindesteingriffslänge
der Schrägverzahnung entspricht. Der Drehzylinder besitzt
eine Außenschrägverzahnung, welche in axialer
Richtung etwa um die Länge des Öffnungshubs kürzer
ist als die Innenschrägverzahnung des Stützzylinders.
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Dem
gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, an einer Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten
Art den Herstellungsaufwand zu reduzieren und einen universelleren
Einsatz der Vorrichtung, zum Beispiel auch bei Viertaktmotoren zu
gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, dass am Ventilschaft der
Ventilspindel eine Außenschrägverzahnung und an
einem über die Freilaufeinrichtung abgestützten
Innenring die zugehörige Innenschrägverzahnung
vorgesehen ist.
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Diese
erfindungsgemäße Konstruktion einer völlig
neuartigen Ventildrehvorrichtung, bei welcher die Außenschrägverzahnung
auf Seiten der Ventilspindel vorgesehen ist, ermöglicht
einerseits eine drastische Reduzierung des Verzahnungsaufwands, nämlich
indem der nach der Hublänge bemessene Verzahnungspartner
als Außenschrägverzahnung ausgebildet ist, während
die in der Herstellung erheblich aufwendigere Innenschrägverzahnung
im wesentlichen nur der Mindesteingriffslänge der Schrägverzahnung
entspricht.
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Dadurch,
dass der Ventilschaft selbst als Verzahnungspartner für
die Außenschrägverzahnung in Frage kommt, kann
die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung außerdem
mit einer geringeren Zahl von Bauelementen verglichen mit der bekannten
Ventildrehvorrichtung verwirklicht werden.
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Die
erfindungsgemäße Neukonstruktion ermöglicht
ferner eine einfache Anpassung für ihre Anwendung an Viertaktmotoren
mit Nockenbetätigung der Ventilspindel, wobei deren Schließen
durch Federelemente bewerkstelligt wird.
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Bei
großen Schiffsantrieben, insbesondere mit Zweitakt-Dieselmotoren,
kann es zweckmäßig sein, dass das erste Antriebselement
durch einen Hydraulikzylinder zum Steuern des Öffnungshubs
der Ventilspindel und das zweite Antriebselement durch den Druckluftkolben
eines Druckluftzylinders zum Steuern der Schließbewegung
der Ventilspindel gebildet ist.
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Für
einen Viertaktmotor, bei welchem das obere Antriebselement durch
einen Ventilnocken zum Steuern des Öffnungshubs der Ventilspindel
gebildet ist, besteht das untere Antriebselement vorteilhaft aus
einem Federelement zum Steuern der Schließbewegung der
Ventilspindel.
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Dabei
ist es zweckmäßig, dass ein am Ende des Ventilschafts
befestigter Stützring über ein Kugellager gegen
eine Endscheibe des Federelements drehbar abgestützt ist.
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Erfindungsgemäß ist
die Außenschrägverzahnung vorteilhaft auf einem
Abschnitt des Ventilschafts zwischen seiner Führung im
Ventilgehäuse und dem Schaftende vorgesehen.
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Die
Außenschrägverzahnung kann dabei auf einer hohlzylindrischen
Hülse ausgebildet sein, welche durch Aufschrumpfen mit
ihrem Innenumfang auf einem entsprechenden Sitz des Ventilschafts
befestigt ist. An einem Ende kann die hohlzylindrische Hülse
stirnseitig verschlossen sein, indem sie das Ende des Ventilschafts
kappenartig übergreift.
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Alternativ
kann die Außenschrägverzahnung auch direkt an
den Ventilschaft angeformt sein, so dass eine hohlzylindrische Hülse
als gesondertes Bauteil vermieden werden kann.
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Die
Länge der Außenschrägverzahnung entspricht
dabei in ihrer axialen Erstreckung wenigstens der Länge
des Öffnungshubs des Ventils zuzüglich der Mindesteingriffslänge
der Schrägverzahnung.
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Dem
gegenüber genügt für die Innenschrägverzahnung
ein in axialer Richtung wesentlich kürzerer Verzahnungsabschnitt,
welcher wenigstens der Mindesteingriffslänge der Schrägverzahnung
entspricht.
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Eine
derartige Innenschrägverzahnung kann an einem relativ kurzen
Innenring auf einfache Weise durch spanabhebende Bearbeitung erzeugt
werden. Vorteilhaft ist der Innenring an seinem Außenumfang auf
einem Axialkugellager innerhalb einer Ausdrehung eines Gehäusedeckels
des Ventilgehäuses gelagert und weist an seinem Außenumfang eine
Ratschenverzahnung auf, die mit Ratschenelementen der Freilaufeinrichtung
zusammenwirkt.
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Als
Gehäusedeckel kommt bei einer vorteilhaften Ausführungsform
ein den Hydraulikzylinder und den Druckluftzylinder umfassendes
Deckelteil des Ventilgehäuses in Frage; alternativ dazu
kann aber auch ein besonders schlanker Gehäusedeckel ausreichend
sein, welcher den zugeordneten Abschnitt des Ventilschafts eng umfasst.
Er kann daher beim Viertaktmotor vorteilhaft auch innerhalb der
beschriebenen Federelemente angeordnet werden, z. B. besonders vorteilhaft
innerhalb von Ventilfedern, welche die Form von Spiralfedern aufweisen.
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Die
Freilaufeinrichtung umfasst vorteilhaft eine Ringscheibe, in deren
Innenumfang die Ratschenelemente jeweils federbelastet gelagert
sind, wobei die Ringscheibe mit dem Axialkugellager innerhalb am
Gehäusedeckel befestigt ist.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung erläutert; es zeigt
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1 einen
teilweisen Axialschnitt durch ein Ventilgehäuse für
einen Zweitaktdieselmotor mit Ventildrehvorrichtung,
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2 einen
Abschnitt von 1 in vergrößerter
Darstellung,
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3 einen
Querschnitt gemäß III-III der 1,
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4 einen
Axialschnitt durch ein Ventilgehäuse für einen
Viertaktdieselmotor,
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5 einen
vergrößerten Abschnitt von 4,
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6 einen
Querschnitt gemäß VI-VI der 5,
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7 einen
axialen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform
eines Ventilgehäuses für einen Viertaktdieselmotor,
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8 einen
Abschnitt von 7 in vergrößerter
Darstellung,
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9 einen
Querschnitt gemäß IX-IX der 8,
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10 einen
axialen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines Ventilgehäuses für einen Viertaktdieselmotor,
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11 einen
vergrößerten Abschnitt von 10 und
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12 einen
Querschnitt gemäß XII-XII der 11.
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1 zeigt
einen Axialschnitt durch einen Abschnitt eines Ventilgehäuses
eines Zweitaktdieselmotors für einen Schiffsantrieb im
Bereich des oberen Endes der Ventilspindel 1 in ihrer Schließstellung. Auf
einem Ventilgehäuse 2 ist ein Ventilgehäusedeckel 4 aufgesetzt.
Der Ventilschaft 3 ist in einem (nicht dargestellten) Gleitlager
eines Ventilgehäuses gelagert.
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Auf
dem (nicht dargestellten) Ventilgehäuse sitzt ein Druckluftzylinder 5,
in welchem ein Druckluftkolben 18 geführt ist.
Der Ventilschaft ist in einer Mittelbohrung des Druckluftkolbens 18 mittels
eines Klemmteils in Form einer Konushülse 48 drehfest und
axial formschlüssig über eine nach innen vorspringende
Wulst 55 der Konushülse 48 aufgenommen.
Die Wulst 55 greift in eine Ringnut des Ventilschafts 3 der
Ventilspindel 1 ein. Die Konushülse 48 ist
mittels eines Verschlussrings 44 über dessen Verschraubung
mit dem Druckluftkolben 18 axial gesichert.
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Ein
gegenüber dem übrigen Ventilschaft 3 abgedrehtes
Ventilschaftende 24 besitzt eine darauf aufgepresste hohlzylindrische
Hülse 23. Deren unteres zylindrisches Ende 12 sitzt
spaltfrei auf einer ringförmigen Anschlagfläche 46,
welche durch eine stirnseitige Eindrehung des Ventilschafts 3 gebildet
ist, auf.
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Das
obere Ende der Hülse 23 ist bis auf eine Montagebohrung 47 geschlossen.
Ihre Stirnseite 49 liegt in der gezeigten geschlossenen
Stellung der Ventilspindel 1 gegen eine im Hydraulikkolben 21 des Hydraulikzylinders 6 aufgenommene
Druckplatte 70 an, welche über eine Spiralfeder 54 mit
einer Steuerhülse 52 zusammenwirkt. Die Steuerhülse 52 steht unter
dem Druck des Hydrauliköls aus der Öldruckleitung 22.
Während des Öffnungshubs der Ventilspindel 1 wird
diese mit Beaufschlagung des Hydraulikkolbens 21 zusammen
mit dem Druckluftkolben 18 nach unten befördert,
bis der Öldruck im Zylinderraum 26 dem Druck im
Druckluftzylinder entspricht. Das Schließen der Ventilspindel 1 besorgt
dann die Druckluft im Zylinderraum 25 des Druckluftzylinders 5,
wobei der Druckluftkolben 18 zusammen mit der Ventilspindel 1 wieder
nach oben gefahren wird, bis sie die in 1 dargestellte
oberste Stellung erreicht.
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Eine
in den 2 und 3 näher beschriebene
Freilaufeinrichtung wirkt mit einer Ratschenverzahnung 57 am
Außenumfang eines Innenrings 13 zusammen, der
an seinem Innenumfang eine Innenschrägverzahnung 14 aufweist.
Die Innenschrägverzahnung 14 wirkt mit einer Außenschrägverzahnung 16 am
Außenumfang der Hülse 23 zusammen.
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Während
die Innenschrägverzahnung 14 in axialer Richtung
wenigstens ihrer Mindesteingriffslänge mit der Außenschrägverzahnung 16 entspricht, erstreckt
sich letztere darüber hinaus noch wenigstens um die Länge
des Öffnungshubs der Ventilspindel 1.
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Die
Freilaufeinrichtung ist so eingerichtet, dass sie eine Drehung der
Ventilspindel 1 entweder während deren Schließbewegung
oder deren Öffnungsbewegung überträgt
und in der jeweiligen Gegenrichtung die Drehung des Innenrings 13 freigibt. Im
Falle einer Bewegung der Ventilspindel 1 bei gesperrtem
Innenring 13 in Richtung der Schließbewegung der
Ventilspindel, also gemäß 1 nach oben hin,
ergibt sich eine Drehung der Ventilspindel entsprechend der Schrägverzahnung
und somit ein Einschleifen der Ventilsitze während es zum
Schließen des Ventils kommt; im umgekehrten Fall entsteht
diese Schleifwirkung im Moment des Öffnens der Ventilspindel 1 bis
diese den Ventilsitz verlassen hat. Beide Fälle unterscheiden
sich in konstruktiver Hinsicht lediglich in der Wahl der Sperrrichtung
der Ratschenverzahnung 57 gegen die darauf einwirkenden
Ratschenelemente 41, welche in einer gehäusefesten Ringscheibe 38 der
Freilaufeinrichtung gelagert sind.
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Die
Schmierölversorgung der Schrägverzahnung und der
Freilaufeinrichtung wird durch ein System von Schmierölbohrungen 34, 53 im
Ventilgehäusedeckel 4 sichergestellt. Das abfließende
Schmieröl gelangt über einen Ringraum 27 zwischen
dem Ventilgehäusedeckel 4 und dem Luftdruckzylinder 5 durch
eine Auslassbohrung 28 in der Zylinderwand des Ventilgehäusedeckels 4 nach
außen.
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2 zeigt
als vergrößerten Abschnitt aus 1 das
untere Ende der Hülse 23, welches auf der Ringfläche 46 der
Ventilspindel 1 aufsitzt. An ihrer äußeren
Umfangsfläche besitzt die Hülse 23 eine
Außenschrägverzahnung 16, welche mit
der Innenschrägverzahnung 14 des Innenrings 13 zusammenwirkt.
Der Innenring 13 besitzt eine zentrale Ausnehmung 56,
welche sicherstellt, dass das Schmieröl ungehindert den
Verzahnungsbereich der Schrägverzahnung versorgen kann.
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Der
Innenring 13 besitzt an seinem Außenumfang eine
Ratschenverzahnung 57, deren Zähne mit Ratschenelementen 41 zusammenwirken,
deren acht über den Umfang verteilt in einer Ringscheibe 38 der
Freilaufeinrichtung gelagert sind (vgl. 3). Jedes
Ratschenelement 41 wird mit seiner Sperrklinke von einem
mit einer Ratschenfeder 42 belasteten Druckstempel 43 in
der Sperrstellung gehalten. Diese Sperrstellung verhindert eine
Verdrehung des Innenrings 13 gegenüber der Ringscheibe 38 in
einer Drehrichtung gemäß Pfeil P1 mit der Folge,
dass die Ventilspindel entsprechend der Schrägverzahnung der
Gegenrichtung gemäß Pfeil P2 gedreht wird. Jedoch
ist andererseits eine Drehung des Innenrings 13 in der
entgegengesetzten Richtung, nämlich gemäß Pfeil
P2 gegen die Federwirkung der Druckstempel 43 der Ratschenelemente 41 möglich,
d. h. die Freilaufeinrichtung gibt die Drehung des Innenrings 13 frei,
wobei eine Verdrehung der Ventilspindel während ihrer Hubbewegung
unterbleibt.
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Handelt
es sich dabei um eine durch den Hydraulikkolben 21 nach
unten in Öffnungsrichtung der Ventilspindel angetriebene
Hubbewegung, so bewirkt die Schrägverzahnung eine Verdrehung
des Innenrings 13 gemäß Pfeil P2, während
sich die Ventilspindel geradlinig nach unten bewegt, so dass sich
der Ventilteller in Öffnungsrichtung vom Ventilsitz entfernt.
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Wenn
umgekehrt nach dem Druckloswerden des Hydraulikzylinders und unter
der Wirkung des Druckluftkolbens 18 die Ventilspindel 1 nach
oben in Richtung Schließstellung bewegt wird, so bewirkt
die Schrägverzahnung eine entgegen der Drehrichtung gemäß Pfeil
P2 gerichtete Drehung der Ventilspindel 1, da hierbei eine
Drehung des Innenrings 13 durch die Freilaufeinrichtung
gesperrt wird, d. h. die Ventilspindel dreht sich entgegen Pfeil
P1 in der Richtung gemäß Pfeil P3. Diese Drehung
bewirkt im Moment des Erreichens des Ventilsitzes ein Einschleifen
des Sitzbereichs des Ventiltellers gegen den gehäuseseitigen
Ventilsitz, wobei sich die Sitzflächen gegenseitig in erwünschter
Weise abschleifen. Die den Ventilsitz bildenden beiderseitigen Ventilsitzflächen
werden dabei geglättet, so dass ein Ventilsitz mit hoher Flächenauflage
erreicht wird.
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Soll
hingegen eine Drehung der Ventilspindel nicht beim Schließen
des Ventils sondern in umgekehrter Richtung beim Öffnen
des Ventils bewirkt werden, so kann dies ohne Änderung
der Schrägverzahnung auf einfache Weise dadurch bewirkt
werden, dass eine Freilaufeinrichtung mit entgegengesetzten Wirkungsrichtungen
eingesetzt wird.
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Die 4 bis 6 zeigen
eine abgeänderte Ausführungsform eines Ventilgehäuses 2 mit
Gehäusedeckel 4.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 ist
das obere Antriebselement anstelle eines Hydraulikzylinders durch
einen nicht gezeichneten Ventilnocken zum Steuern des Öffnungshubs
der Ventilspindel 1 und das untere Antriebselement anstelle
eines Luftdruckzylinders durch ein Federelement aus spiralförmigen
Ventilfedern 58 gebildet, welche zwischen der Oberseite 71 des
Ventilgehäuses 2 und der Unterseite eines am oberen Ende
des Ventilschafts 3 befestigten Stützrings 59 unter
Druckvorspannung eingesetzt sind. Um eine Drehung der Ventilspindel 1 nicht
zu behindern, ist zwischen dem Stützring 59 und
einer Endscheibe 61 der Ventilfedern 58 ein Kugellager 60 angeordnet.
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Der
untere Abschnitt des Gehäusedeckels 4 ist in 5 vergrößert
dargestellt. Die Außenschrägverzahnung 16 ist
direkt auf dem Ventilschaft 3 ausgebildet, z. B. durch
ein spanendes Bearbeitungsverfahren. Der Innenring 13 mit
der Innenschrägverzahnung 14 sitzt auf einem Axialkugellager 62,
welches andererseits gegenüber einer Führungsbuchse 63 des
Ventilgehäuses 2 abgestützt ist. Die
Ratschenelemente 41 der Freilaufeinrichtung sitzen in entsprechenden
Ausnehmungen des Gehäusedeckels 4, wie in 6 gezeigt.
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Wie
in 6 dargestellt, trägt der Innenring 13 an
seinem Außenumfang die Ratschenverzahnung 57,
an seinem Innenumfang die Innenschrägverzahnung 14.
Die Außenschrägverzahnung 16 ist direkt
auf dem Schaft 3 der Ventilspindel eingeschnitten.
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In
den 7 bis 9 ist eine weitere Ausführungsform
dargestellt, welche jener gemäß den 4 bis 6 sehr ähnlich
ist. Ein Unterschied besteht allerdings darin, dass das Axialkugellager 62 zur
Lagerung des Innenrings 13 über der Freilaufeinrichtung
sitzt und auf der oberen Stirnfläche 64 der Führungsbuchse 63 abgestützt
ist. Im übrigen bezeichnen die übereinstimmenden
Bezugsziffern gleiche Gegenstände wie zur Ausführungsform
nach den 4 bis 6.
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Die
in 9 gezeigte Freilaufeinrichtung entspricht der
Ansicht gemäß Schnittebene IX-IX der 8,
d. h. die Drehrichtungen für Sperren (Pfeil P1) und Durchratschen
(Pfeil P2) verlaufen in gegensätzlicher Richtung. Diese
ergibt sich daraus, dass bei der Ausführungsform gemäß 5 der
Querschnitt VI-VI in 6 in der Draufsicht dargestellt
ist, während bei der 8 der Querschnitt
IX-IX der 9 in der Ansicht von unten dargestellt
ist.
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In 9 ist
außerdem der in 7 dargestellte Schnittverlauf
gemäß der abgewinkelten Schnittebene VII-VII dargestellt. Ähnlich
abgewinkelte Schnittebenen zeigen auch die 1 und 4; lediglich
nach 10 verläuft die Schnittebene ungebrochen,
wie einem Vergleich der 11 und 12 entnehmbar
ist.
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Die
Ausführungsform gemäß den 10 bis 12 unterscheidet
sich von den beiden Ausführungsformen gemäß den 4 bis 9,
welche ebenfalls jeweils mit Nocken und Ventilfedern betätigte
Ventilsteuerungen für Viertaktdieselmotoren zeigen, im
wesentlichen dadurch, dass die Freilaufeinrichtung am oberen Ende
des Gehäusedeckels 4 untergebracht ist. Wie bei
der Variante gemäß den 7 bis 9 ist
das Axialkugellager 62 über der Freilaufeinrichtung
angeordnet. Die Abstützung des Axialkugellagers 62 erfolgt – abweichend
von den beiden vorbeschriebenen Viertaktvarianten -jedoch gegenüber
dem Gehäusedeckel 4. Auch zur vorliegenden Variante
sind mit allen anderen Varianten vergleichbare Bauteile mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet.
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11 zeigt
die Besonderheit, dass der Sitzring 59 durch eine verzahnte
Hülse 64 nach unten verlängert ist. Die
verzahnte Hülse 64 trägt an ihrem Außenumfang
die Außenschrägverzahnung 16; die Übertragung
des Drehmoments von der Hülse 64 auf den Ventilschaft 3 erfolgt über
die Konushülse 48.
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Über
den Gehäusedeckel 4 ist noch eine zylindrische
Hülse 65 aufgezogen, welche oben mit einem Innenflansch 66 endet,
um damit das Axialkugellager 62 zu fixieren und welche
unten einen Außenflansch 67 für eine
Schraubverbindung mit dem Gehäusedeckel 4 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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