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Die Erfindung betrifft eine Druckfeder, insbesondere eine Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Druckfeder.
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Ventilfedern bei Verbrennungsmotoren halten üblicherweise ein Ventil für den Einlass von Treibstoff-Luft-Gemisch oder für den Auslass von Verbrennungsabgas und -rückständen in seinem Sitz. Die Ventilfeder bewirkt das Schließen des Ventils. Gegen diese Feder arbeitet die Nockenwelle, gegebenenfalls über Kipphebel oder dergleichen an, um das jeweilige Ventil zum richtigen Zeitpunkt zu öffnen. Derartige Ventilfedern nehmen einen Teil eines Ventils auf, und sie sind in einem zylinderkopfseitigen Bauraum angeordnet.
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Der zur Verfügung stehende Bauraum für solche Ventilfedern ist in der Regel sehr begrenzt, und demzufolge dürfen auch die Ventilfedern eine dadurch vorgegebene Blocklänge nicht überschreiten. Es besteht daher ein Bedarf nach Druckfedern mit einer möglichst geringen Blocklänge.
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DE 40 19 072 A1 zeigt ein Federsystem mit einer Schraubenfeder, das zur Anwendung bei Ventilfedern für Einlassventile oder Abgasventile bei Verbrennungsmotoren mit hinundhergehenden Kolben geeignet ist.
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US 6 776 401 B2 zeigt eine Ventilfeder mit mehreren Windungen, wobei der Durchmesser der Windungen über eine Länge der Ventilfeder gleich bleibt. Die Windungen weisen zudem eine abgeflachte Oberseite und eine abgeflachte Unterseite auf.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckfeder mit einer möglichst kurzen Blocklänge anzugeben, die aber gleichzeitig günstige Federeigenschaften wie eine günstige Federkennlinie, eine gute Dauerfestigkeit und ein günstiges dynamisches Verhalten innehat.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Ventilfeder umfasst einen Federdraht mit einer Vielzahl von Windungen. Ein Teilbereich der Windungen weist einen Querschnitt mit einer abgeflachten Oberseite und mit einer abgeflachten Unterseite auf, so dass die Windungen in diesem Teilbereich eine niedrigere Höhe aufweisen als die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder. Die Ventilfeder ist als eine Druckfeder ausgebildet. Die Windungen, deren Querschnitt eine abgeflachte Oberseite und eine abgeflachte Unterseite aufweist, breiter ausgebildet sind als die Windungen in dem übrigen Bereich der Ventilfeder. Die Begriffe Oberseite und Unterseite des Federdrahts sind dabei bezüglich der Federachse zu verstehen. Die Windungen in diesem Teilbereich, die einen Querschnitt mit einer abgeflachten Oberseite und mit einer abgeflachten Unterseite aufweisen, werden nachfolgend zur Verkürzung auch als Windungen mit abgeflachtem Querschnitt bezeichnet.
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Eine derartige Druckfeder eignet sich für beliebige Einsatzzwecke und kann insbesondere als Schraubenfeder ausgeführt sein. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine solche Druckfeder als Ventilfeder für einen Vebrennungsmotor ausgebildet ist.
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Durch den flacheren Querschnitt der Windungen in dem Teilbereich der Druckfeder kann die Gesamtlänge der Feder reduziert werden. In praktischen Versuchen konnte die Gesamtlänge der Druckfeder bereits um 5 bis 10 Prozent reduziert werden, eine weitere Reduzierung der Gesamtlänge der Druckfeder ist möglich. Je mehr Windungen mit einem abgeflachten Querschnitt ausgebildet werden, desto größer ist das Potential der Längenverkürzung der Druckfeder.
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Die Erfinder haben des Weiteren herausgefunden, dass durch das Vorsehen eines Teilbereichs der Windungen mit einem abgeflachten Querschnitt nicht nur die Gesamtlänge der Druckfeder reduziert werden kann, sondern gleichzeitig auch die Kraft-Weg-Kennlinie der Druckfeder und somit die wirkenden Kräfte beibehalten werden, und ohne dass sich die auftretenden statischen Oberspannungen erhöhen. Die Spannungen werden vielmehr nur in dem wenig belasteten Teilbereich der angelegten Windungen erhöht. Die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt beeinträchtigen die Dauerfestigkeit der Feder nicht.
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Ebenso ist es möglich, aufgrund einer derartigen Verkürzung der Gesamtlänge der Druckfeder durch Ausbilden von Windungen in einem Teilbereich mit einer abgeflachten Oberfläche und mit einer abgeflachten Unterseite die Druckfeder mit mehr Windungen auszustatten, um so die Federeigenschaften, insbesondere die Federrate zu verbessern. Es können bei gleicher Gesamtlänge der Druckfeder mehr angelegte Windungen zur Dämpfung untergebracht werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Teilbereich derjenigen Windungen, deren Querschnitt eine abgeflachte Oberseite und eine abgeflachte Unterseite aufweist, bei dem unbewegten oberen oder unteren Endbereich der Druckfeder, bei einer Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor insbesondere an der Zylinderkopfseite angeordnet. Druckfedern für dynamische Anwendungen, insbesondere Ventilfedern für einen Verbrennungsmotor, weisen in aller Regel eine progressive Kennlinie auf, die sich dadurch ergibt, dass Windungen aneinander angelegt werden. An dieser Stelle ist die Kraft-Weg-Kennlinie der Druckfeder nicht linear, sondern macht einen Sprung und steigt an. Die derart angelegten Windungen werden deutlich weniger belastet als die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder, welche nicht oder später angelegt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass es möglich ist, die Windungen in diesem Teilbereich mit einem abgeflachten Querschnitt auszubilden, ohne dass dies die anderen Federeigenschaften wie die Kraft-Weg-Kennlinie, die Dauerfestigkeit oder das dynamische Verhalten der Druckfeder beeinträchtigt.
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In dem nicht zusammengedrückten Zustand der Druckfeder sind die jeweils benachbarten Windungen des Federdrahts sowohl in dem Teilbereich, in dem die Windungen einen abgeflachten Querschnitt aufweisen, als auch in dem übrigen Teilbereich jeweils beabstandet zueinander, beim Zusammendrücken der Druckfeder legen sich die Windungen in dem Teilbereich, die einen abgeflachten Querschnitt aufweisen, zuerst an.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine Windung der Druckfeder an demjenigen Ende der Druckfeder, das dem Teilbereich der Windungen mit abgeflachten Querschnitt gegenüberliegt, einen geringeren Durchmesser auf. Dies ist insbesondere bei Ventilfedern für einen Verbrennungsmotor der Fall.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Windungen in dem übrigen Bereich als dem Teilbereich der Windungen mit abgeflachtem Querschnitt einen im Wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf. Alternativ dazu können die Windungen in dem übrigen Bereich als dem Teilbereich der Windungen mit abgeflachtem Querschnitt einen beliebigen geschlossenen Querschnitt, insbesondere einen MultiArc-Querschnitt, also eine Aneinanderreihung verschiedener Radien, einen Querschnitt eines Fuchsprofils, also eine Kombination von Kreis und Ellipse, oder einen Querschnitt eines harmonischen Profils aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung haben die Windungen in dem Teilbereich mit abgeflachten Querschnitt und die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder den gleichen Außendurchmesser. Dadurch wird gewährleistet, dass die Druckfeder in einen vorgegebenen, im Wesentlichen zylindrischen Bauraum eingebracht werden kann, wie dies häufig bei Ventilfedern für Verbrennungsmotoren und dem zylinderkopfseitigen Bauraum der Fall ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung haben die Windungen des Teilbereichs mit einem abgeflachten Querschnitt einen geringeren Innendurchmesser als die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder.
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Wenn die Windungen in dem Teilbereich mit abgeflachten Querschnitt gleichzeitig den gleichen Außendurchmesser wie die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder aufweisen, so haben die Windungen in dem Teilbereich mit abgeflachtem Querschnitt also eine größere Breite als die Windungen in dem übrigen Bereich der Druckfeder. Eine derartige Druckfeder lässt sich vorteilhafter Weise aus dem gleichen Roh-Federdraht herstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Abstand und der Steigungsaufbau der Windungen der Druckfeder so ausgebildet, dass sich die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt bei einem Zusammendrücken der Druckfeder zuerst anlegen.
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Der abgeflachte Querschnitt der Windungen in dem Teilbereich der Druckfeder kann auf beliebige Weise hergestellt werden. Als eine Herstellungsvariante ergibt sich das Flachwalzen oder Zusammenpressen eines runden oder elliptischen Federdrahts in diesem Bereich. Der Federdraht kann aber auch einen nicht-kreisförmigen oder nicht-elliptischen Querschnitt haben.
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Als eine weitere Herstellungsvariante kann der Querschnitt auch flachgeschliffen werden. Dies hat den Vorteil, das dabei keine Verbreiterung des Querschnitts auftritt und der ursprüngliche Bauraum der Feder erhalten bleibt.
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Die Erfinder haben des Weiteren herausgefunden, dass die Charakteristik der Federrate durch Anpassung des Steigungsaufbaus erhalten werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Steigungsaufbau in dem Teilbereich der Druckfeder mit abgeflachtem Querschnitt geringer als der Steigungsaufbau der übrigen Windungen.
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Die erfindungsgemäßen Druckfedern können aus einem beliebigen flexiblen Material hergestellt sein, als besonders vorteilhaft hat sich vergüteter Druckfederstahl bewährt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Druckfeder, insbesondere einer Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor, das den Schritt des Flachwalzens, des Zusammendrückens oder des Flachscheifens des Federdrahts in einem Teilbereich, insbesondere in einem unbewegten Endbereich der Druckfeder aufweist, so dass in diesem Teilbereich die Windungen einen Querschnitt mit einer abgeflachten Oberseite und mit einer abgeflachten Unterseite aufweisen und sodass die Windungen, deren Querschnitt eine abgeflachte Oberseite und eine abgeflachte Unterseite aufweist, breiter ausgebildet sind als die Windungen in dem übrigen Bereich der Ventilfeder. Dadurch kann auf einfache Weise eine Druckfeder mit den oben beschriebenen Vorteilen hergestellt werden.
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Sämtliche oben mit Bezug auf die Druckfeder angegebenen Ausführungsformen und die sich daraus ergebenden Vorteile können auch, in jeweils verfahrensmäßiger Ausgestaltung, bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwirklicht werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Ausführungsformen und die damit verbundenen Vorteile nicht noch einmal mit Bezug auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ventilfeder gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 zeigt eine perspektivische vergrößerte Detailansicht eines Ausschnitts der Ventilfeder aus 1;
- 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Windung der Ventilfeder entlang der Schnittlinie A-A in 2; und
- 4 zeigt anhand einer Teilfigur 4(a) eine Schnittansicht der Ventilfeder aus 1 in einem ersten partiell zusammengedrückten Zustand und anhand ihrer Teilfigur 4(b) eine Schnittansicht der Ventilfeder aus 1 in einem zweiten zusammengedrückten Zustand.
- 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ventilfeder 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Ventilfeder 2 ist dabei insbesondere als Bienenkorbfeder für einen Ventiltrieb ausgebildet, und sie ist für die Einbringung in einen entsprechenden, nicht gezeigten Bauraum eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors bestimmt. Das nicht gezeigte Ventil erstreckt sich dabei von oben nach unten durch die Ventilfeder 2 und schaut unten heraus, von oben greift die Nockenwelle an.
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In 1 ist die Ventilfeder 2 in nicht mit einer Druckkraft beaufschlagten Zustand gezeigt. Die jeweils benachbarten Windungen sind nicht zusammengedrückt und weisen jeweils einen Abstand zueinander auf. Die exemplarisch dargestellte Ventilfeder 2 umfasst acht Federdraht-Windungen, wobei sich diese Windungen in einen oberen Teilbereich 6, der in etwa 75 Prozent der Gesamtlänge der Ventilfeder 2 ausmacht, und in einen unteren Teilbereich 4 gliedern. In dem oberen Teilbereich 6 haben die Windungen des Federdrahts einen runden Querschnitt, und der Außendurchmesser der obersten beiden Windungen ist gegenüber den übrigen Windungen in dem oberen Teilbereich 6 etwas verringert.
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In dem unteren Teilbereich 4, der von den untersten zweieinhalb bis drei Windungen des Federdrahts der Ventilfeder 2 gebildet wird, haben die Windungen einen flacheren Querschnitt.
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2 zeigt eine perspektivische vergrößerte Detailansicht eines Ausschnitts der Ventilfeder 2.
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Dabei sind die untersten fünf Windungen des Federdrahts der Ventilfeder 2 in einer Ansicht von schräg von oben gezeigt, wobei das linke Ende dieser Windungen sowie ein Teilbereich der untersten und der obersten dieser fünf Windungen abgeschnitten ist. Es ist gut zu erkennen, dass die beiden obersten Windungen des oberen Teilbereichs 6 einen runden Querschnitt aufweisen, die drei unteren Windungen des ersten Teilbereichs 4 jedoch an ihrer Oberseite abgeflacht sind.
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Durch eine exemplarische Windung 8, die in 2 als die zweitunterste Windung des unteren Teilbereichs 4 ausgebildet ist, verläuft eine Schnittlinie A-A und zwar in einer Ebene senkrecht zur Verlaufsrichtung des Federdrahts.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung der exemplarischen Windung 8 der Ventilfeder 2 entlang der Schnittlinie A-A in 2.
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Diese Schnittdarstellung entspricht dem Querschnitt der exemplarischen Windung 8. Wie aus der Schnittdarstellung A-A ersichtlich ist, hat die exemplarische Windung 8 eine abgeflachte Oberseite 10 und eine abgeflachte Unterseite 12 sowie eine runde linke Seite 14 und eine runde rechte Seite 16.
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Diese Schnittdarstellung A-A ist mittels der finiten Elementenmethode FEM erzeugt worden, und die Kästchen innerhalb des Querschnitts visualisieren das zusammengedrückte Material des Federdrahts.
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Diese Querschnittsdarstellung ist exemplarischer Natur. Wie ersichtlich ist, lässt sich der Querschnitt der exemplarischen Windung 8 in ein gedachtes Rechteck einpassen.
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Die exemplarische Windung 8 ist durch Zusammendrücken oder durch Flachwalzen aus einem runden Federdraht entstanden. Gegenüber dem runden Federdraht hat die exemplarische Windung 8 eine vergrößerte Breite und eine verringerte Höhe.
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4 zeigt anhand einer Teilfigur 4(a) eine Schnittansicht der Ventilfeder 2 in einem ersten partiell zusammengedrückten Zustand und anhand ihrer Teilfigur 4(b) eine Schnittansicht der Ventilfeder 2 in einem zweiten zusammengedrückten Zustand.
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Beide Schnittdarstellungen sind entlang einer Ebene, die durch die Federachse verläuft, geschnitten, mit Blickrichtung von vorne. Das Ventil und der Zylinderkopf sind dabei zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.
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Gemäß der Schnittdarstellung in 4(a) ist die Ventilfeder 2 mit einer Kraft in Federachsenrichtung nach unten zusammengedrückt, wobei die Kraft einen Zustand zu Beginn des Druckzyklus von Nockenwelle über Einspritzventil auf die Ventilfeder 2 entspricht.
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Gemäß 4(a) ist gut zu erkennen, dass die Windungen in dem unteren Teilbereich 4 mit abgeflachtem Querschnitt aneinander anliegen, während die Windungen mit rundem Querschnitt in dem oberen Teilbereich 6 in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt im unteren Teilbereich 4 der Ventilfeder 2 legen sich bei einer Druckbeanspruchung zuerst an.
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Des Weiteren ist gut zu erkennen, dass die dritte Windung von unten einen Übergang ihres Querschnitts von abgeflacht zu rund aufweist und dass sie mit ihrem in 4(a) rechts dargestellten Bereich mit abgeflachtem Querschnitt auf der darunterliegenden Windung mit abgeflachtem Querschnitt aufliegt, und dass sie in ihrem in 4(a) links dargestelltem Bereich einen, wenn auch geringen, Abstand zu der darunter liegenden Windung mit abgeflachtem Querschnitt aufweist.
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Gemäß 4(b) ist die Ventilfeder 2 in einem Zustand der maximalen Druckbeanspruchung gezeigt, wie sie über die Nockenwelle und über das Ventil auf die Ventilfeder 2 ausgeübt wird.
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Wie bei der 4(a), so liegen auch bei der 4(b) die Windungen des unteren Teilbereichs 4 mit abgeflachtem Querschnitt aneinander an, und die Windungen in dem darüberliegenden oberen Teilbereich 6 sind beabstandet voneinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen den jeweils benachbarten Windungen des oberen Teilbereichs 6 deutlich geringer ausgeprägt ist, als dies bei der Schnittdarstellung gemäß 4(a) der Fall ist.
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Die Länge der Ventilfeder 2 ist gegenüber einer konventionellen Ventilfeder um etwa 10 Prozent verringert. Dadurch lässt sich die Ventilfeder 2 auch in kürzere Bauräume des Zylinderkopfs einbringen, was das Einsatzspektrum der Ventilfeder 2 erhöht. Des Weiteren kann auch der zylinderkopfseitig zur Verfügung zu stellende Einbauraum reduziert werden, was Kostenersparnisse mit sich bringt.
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Alternativ dazu kann die Ventilfeder 2 mit mehr Windungen ausgebildet werden, um so eine gegebenenfalls erforderliche niedrigere Federrate oder die gleiche Federrate mit größerem Drahtquerschnitt und verringerter Spannung darzustellen.
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Die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt in dem unteren Teilbereich 4 sind am unbewegten Ende der Ventilfeder 2 angeordnet. Diese Windungen werden deutlich geringer belastet als die federnden Windungen im oberen Teilbereich 6. Die Erfinder haben herausgefunden, dass diese Windungen beispielsweise durch Flachwalzen, durch Zusammenpressen oder durch Flachschleifen mit einem abgeflachtem Querschnitt ausgebildet werden können, ohne dass dadurch die Dauerfestigkeit der Druckfeder beeinträchtigt wird.
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Gleichzeitig sind die übrigen Federeigenschaften nämlich, insbesondere die Federrate, die Federkennlinie, die Dauerfestigkeit und das dynamische Verhalten gegenüber einer konventionellen Ventilfeder unverändert.
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Es hat sich gezeigt, dass die Charakteristik der Federrate einschließlich der progressiven Kennlinie, die sich aus dem Anlegen von benachbarten Windungen ergibt, bei der Ventilfeder 2 beibehalten wird.
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Die durch den Federdraht mit abgeflachtem Querschnitt veränderten Drahtquerschnitte, Außendurchmesser und Windungsabstände können durch Anpassen des Steigungsaufbaus kompensiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt im unteren Teilbereich 4 eine geringere Steigung als die Windungen mit rundem Querschnitt im darüberliegenden Teilbereich 6 auf.
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In der Schnittdarstellung gemäß 4(a) sind mittels in der Zeichenebene waagrecht verlaufenden Pfeilen unterhalb der Schnittansicht der Ventilfeder 2 mittels dl1 der Innendurchmesser der Windungen mit dem abgeflachtem Querschnitt des unteren Teilbereichs 4, mittels dl2 der Innendurchmesser der Windungen des oberen zylindrischen Teilbereichs 6 und mittels dA der für alle Windungen im oberen Teilbereich 6 und im unteren Teilbereich 4 konstanten Außendurchmesser dargestellt.
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Durch den konstanten Außendurchmesser sowohl für die Windungen mit abgeflachtem Querschnitt im unteren Teilbereich 4 als auch für die Windungen mit rundem Querschnitt im oberen Teilbereich 6 ist gewährleistet, dass die Ventilfeder 2 passgenau in einen vorgegebenen zylinderkopfseitigen Bauraum eingebracht werden kann.
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Die auftretenden Spannungen bei der Ventilfeder 2 sind bei den angelegten Windungen mit abgeflachtem Querschnitt in dem unteren Teilbereich 4 in den 4(a) und 4(b) sehr niedrig und in den federnden Windungen mit rundem Querschnitt in dem oberen Teilbereich 6 demgegenüber deutlich höher. Naturgemäß sind diese Spannungen im Zustand der maximalen Druckbeanspruchung gemäß 4(b) am höchsten. Diese erhöhten Spannungen sind durch die dunkle Farbhinterlegung in den federnden Windungen in dem oberen Teilbereich 6 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventilfeder
- 4
- unterer Teilbereich
- 6
- oberer Teilbereich
- 8
- exemplarische Windung
- 10
- abgeflachte Oberseite
- 12
- abgeflachte Unterseite
- 14
- runde linke Seite
- 16
- runde rechte Seite
- dl1
- erster Innendurchmesser
- dl2
- zweiter Innendurchmesser
- dA
- konstanter Außendurchmesser
