DE102013223571A1 - Ventil für eine Ventilvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ventil (1), insbesondere für ein Hubkolbenventil, – mit einem Ventilschaft (2), welcher in einer axialen Richtung (A) in einen radial nach außen vom Ventilschaft (2) abstehenden Ventilteller (3) übergeht, – mit einer an einem vom Ventilteller (3) abgewandten axialen Endabschnitt (5) des Ventilschafts (2) angebrachten Ventilkappe (4) aus einem Metall, welche den axialen Endabschnitt (5) des Ventilschafts (2) umhüllt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Ventil sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventil. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventils.
- Einlassventile von Brennkraftmaschinen ermöglichen das Einbringen von Luft oder eines Luft-Kraftstoffgemisches in die Brennkammer der Brennkraftmaschine und sind während des Betriebs der Brennkraftmaschine gleichermaßen hohen thermischen als auch mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Als besonders verschleißgefährdet gelten dabei Ventilkörper aus leichtgewichtigen Materialien, wie sie in modernen, kraftstoffsparenden Brennkraftmaschinen in zunehmendem Maße zum Einsatz kommen. Geeignete Materialien für solche, gewichtsoptimierte Ventilkörper sind beispielsweise Aluminium oder Titan, welche jedoch nicht die Festigkeit von herkömmlichen Ventilkörpern, etwa aus Stahl, erreichen. Insofern stellt sich bei Einlassventilen mit Ventilkörpern aus Leichtmetall oftmals das Problem einer gegenüber konventionellen Ventilen in nicht unerheblichem Maße herabgesetzten Lebensdauer. Als für einen erhöhten Verschleiß besonders anfällig wird dabei gemeinhin das dem Ventilteller abgewandte axiale Ende eines Ventilschafts des Ventilkörpers angesehen, welches zur Lagerung des gesamten Ventilkörpers am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine dient.
- Die
US 2002/033465 A1 - Die
EP 0911 493 A2 beschreibt ein Ventil mit einem Ventilteller und einem hohlförmigen Ventilschaft, wobei auf letzterem axial endseitig eine Ventilkappe aufgeschweißt ist. - Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Ventil mit erhöhter Verschleißbeständigkeit zu schaffen. Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventil bereitzustellen. Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennkraftmaschine bereitzustellen. Schließlich stellt sich die Erfindung die vierte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ventils anzugeben.
- Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein Ventil mit einem Ventilschaft, welcher in einer axialen Richtung in einen radial nach außen vom Ventilschaft abstehenden Ventilteller übergeht, mit einer am Ventilschaft axial endseitig angebrachten Ventilkappe aus einem Metall zu versehen, und zwar derart, dass diese den dem Ventilteller gegenüberliegenden axialen Endabschnitt des Ventilschafts mindestens teilweise umhüllt und dabei die vom Ventilteller abgewandte Stirnseite des Ventilschafts abdeckt. Eine derart ausgebildete Kappe folgt dem Wirkprinzip einer Schutzkappe, welche die im Betrieb in besonderem Maße starken thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzten Bereiche des Ventilschafts vor übermäßigem Verschleiß zu schützen vermag. Um zu verhindern dass der Ventilschaft beim Aufbringen der Ventilkappe auf unerwünschte Weise verformt wird, kann dieser zumindest im Bereich der Ventilkappe hohlraumfrei, also massiv, ausgebildet sein.
- Ein besonders guter Schutz vor Verschleiß wird erzielt, wenn die Ventilkappe den axialen Endabschnitt vollständig umhüllt.
- Für einen dauerhaften Verschleißschutz ist es erforderlich, besagte Schutzkappe mechanisch hochstabil am Ventilschaft zu befestigen. Hierzu empfiehlt es sich, die Ventilkappe sowie den betroffenen axialen Endabschnitt des Ventilschafts derart auszugestalten, dass eine Clipverbindung gebildet wird. Eine solche Clipverbindung erlaubt eine fertigungstechnisch vorteilhafte Herstellung der Ventilkappe, indem deren geometrische Form durch einen plastischen Formgebungsprozess direkt am Ventilschaft erzeugt wird. Hierzu ist es denkbar, als Ausgangsbauteil ein Blechteil heranzuziehen, aus welchem durch plastisches Rollen auf den axialen Endabschnitt des Ventilschafts in einem einfachen Prozessschritt die gewünschte Ventilkappe hergestellt wird.
- Eine besonders vorteilhafte Fügeverbindung ergibt sich, wenn die Ventilkappe durch ein elektromagnetisches Pulsverfahren umgeformt wird, so dass sich eine Clipverbindung zwischen Kappe und Ventilschaft direkt auf dem Bauteil ergibt. Eine derartige Clipverbindung ist besonders kostengünstig herzustellen. Beim elektromagnetischen Pulsverfahren werden elektromagnetische Effekte ausgenutzt, um für einen kurzen Zeitraum eine impulsartige Umfromkraft zu erzeugen, die das Metall der Ventilkappe dauerhaft plastisch umformt und somit eine feste Verbindung mit dem Ventilschaft erzeugt. Mittels des elektromagnetischen Pulsverfahrens kann eine zumindest lokale Verschweißung der Ventilkappe mit dem Schaftende erreicht und somit eine besonders feste und vorteilhafte Fügeverbindung hergestellt werden. Mittels eines solchen Fügeverfahrens lassen sich somit auch sonst nur schwer miteinander verschweißbare Stahl- und Leichtmetall-Werkstoffe miteinander verbinden.
- Eine besonders leistungsfähige Clipverbindung ergibt sich, wenn auf einer Mantelfläche des axialen Endabschnitts wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Umfangsnut vorgesehen wird, in welche die Ventilkappe nach deren Aufbringen auf dem Ventilschaft endseitig eingreifen kann. Hinsichtlich der konkreten geometrischen Ausgestaltung dieser Umfangsnut eröffnen sich für den Fachmann verschiedene Optionen, so beispielsweise die Realisierung einer vollumfänglichen Umfangsnut oder aber, alternativ dazu, einer Umfangsnut, welche sich nur abschnittsweise entlang der Umfangsrichtung erstreckt.
- Als besonders zweckmäßig für den Eingriff in eine am Ventilschaft vorgesehene Umfangsnut erweist sich eine topfartige Ausführung der Ventilkappe mit einem Topfboden und einer integral an diesem ausgeformten Topfwand. Zur Ausbildung besagter Clipverbindung mit dem Ventilschaft empfiehlt es sich in diesem Fall, am Ventilschaft eine komplementär zu Umfangsnut ausgebildete Erhebung vorzusehen, die in einem am Ventilschaft montierten Zustand der Ventilkappe in die wenigstens eine Umfangsnut eingreift. Diese mag etwa an einer radial innen liegenden Innenseite der Topfwand vorgesehen sein und sich entlang der Umfangsrichtung des Ventilschafts erstrecken.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung der Clipverbindung, welche eine besonders stabile Fixierung der Ventilkappe am Ventilschaft ermöglicht, lässt sich mit Hilfe gleich zweier, am Ventilschaft axial beabstandet zueinander angeordneter Umfangsnuten realisieren. Entsprechend sind an der Ventilkappe dann zwei zu den beiden Umfangsnuten komplementäre Erhebungen anzubringen.
- Die Clipverbindung kann dabei derart ausgeführt sein, das der Endabschnitt des Ventilschafts vollständig von der Ventilkappe umhüllt wird oder, alternativ dazu, in Form mindestens dreier einzelner Laschen realisiert ist, die den besagten Endabschnitt nur teilweise umhüllen. Durch die Verwendung mindestens dreier einzelnen Laschen lässt sich die Herstellung der Clipverbindung in erheblichem Maße vereinfachen. Demgegenüber gestattet eine vollständig umhüllende Clipverbindung eine mechanisch besonders stabile Befestigung der Kappe am Schaft. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn durch die Ventilkappe ein Rollenstößel eines Ventiltriebs seitlich geführt werden soll.
- Alternativ oder zusätzlich bietet es sich an, die Ventilkappe mit einer von der Innenseite der Topfwand radial nach innen abstehenden Befestigungslasche auszustatten, die in eine auf der Mantelfläche des Ventilschafts vorgesehene Aufnahmenut eingreifen kann.
- Ein besonders leichtgewichtiger Aufbau, wie er für die Verwendung in besonders kraftstoffsparenden Brennkraftmaschinen angestrebt wird, ergibt sich, wenn Ventilschaft und Ventilteller aus Aluminium, aus Titan, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Titanlegierung hergestellt werden.
- Eine hohe Verschleißbeständigkeit für die Ventilkappe ergibt sich entsprechend, wenn als Metall für die Ventilkappe ein Vergütungsstahl, insbesondere C45 oder 42CrMo4, gewählt wird.
- Die Erfindung betrifft weiterhin eine Ventilvorrichtung, insbesondere ein Hubkolbenventil, mit einem Ventilsitz und einem verstellbar am Ventilsitz gelagerten Ventil mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale.
- Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer solchen Ventilvorrichtung.
- Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines Ventils mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale. Gemäß dem Verfahren wird die Ventilkappe zunächst auf den Endabschnitt des Ventilschafts aufgesetzt und anschließend mittels eines elektromagnetischen Pulsverfahrens derart umgeformt, dass sich auf der Innenseite der Topfwand mindestens eine Erhebung bildet, die in eine komplementäre, am Ventilschaft vorgesehene Umfangsnut eingreift.
- Vorzugsweise erfolgt die Anwendung des elektromagnetischen Pulsverfahrens derart, dass zumindest teilweise eine Verschweißung zwischen Ventilkappe und Mantelfläche entsteht.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
- Es zeigen, jeweils schematisch
-
1 ein Beispiel eines Ventil für ein Hubkolbenventil in einem Längsschnitt, -
2 eine Detailansicht der1 in einer abgeschnittenen Draufsicht, -
3 eine erste Variante des Beispiels der1 , -
4 eine zweite Variante des Beispiels der2 , -
5 eine dritte Variante des Beispiels der1 in einer abgeschnittenen Draufsicht. -
1 illustriert in einem Längsschnitt ein Ventil1 mit einem Ventilschaft2 , welcher in einer axialen Richtung A in einen radial nach außen vom Ventilschaft2 abstehenden Ventilteller3 übergeht. Am Ventilschaft2 ist eine Ventilkappe4 aus einem Stahlwerkstoff wie etwa C45, 42CrMo4 oder einem vergleichbaren Vergütungsstahl angebracht. Alternativ dazu kann aber auch ein anderes geeignetes Metall gewählt werden. Die Ventilkappe2 umhüllt einen dem Ventilteller3 gegenüberliegenden axialen Endabschnitt5 des Ventilschafts2 und deckt die vom Ventilteller3 abgewandte Stirnseite13 des Ventilschafts2 ab. Der Kappendurchmesser der Ventilkappe4 kann dabei wahlweise kleiner oder größer gewählt werden als der Schaftdurchmesser des Ventilschafts2 . Insbesondere kann der Schaftdurchmesser des Ventilschafts2 im Bereich des axialen Endabschnitts5 um einen Betrag reduziert sein, welcher einer Wandstärke der Topfwand9 der Ventilkappe4 entspricht. Die Außenseite der Topfwand9 fluchtet in diesem Fall mit der Außenseite des Ventilschafts2 in dessen zum axialen Endabschnitt5 komplementären axialen Bereich. -
2 zeigt nun eine Detailansicht des Ventilschafts2 einschließlich der Ventilkappe4 im Bereich des axialen Endabschnitts5 . Die Ventilkappe4 besitzt einen Topfboden8 , der in axialer Richtung A in die Topfwand9 übergeht, und wirkt auf den in besonderem Maße verschleißgefährdeten axialen Endabschnitt5 des Ventilschafts2 in der Art einer Schutzkappe. - Ein besonders leichtgewichtiger Aufbau, wie er für die Verwendung in besonders kraftstoffsparenden Brennkraftmaschinen angestrebt wird, ergibt sich, wenn Ventilschaft
2 und Ventilteller3 wenigstens teilweise aus Aluminium, aus Titan, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Titanlegierung hergestellt sind. Der Ventilschaft kann dabei bevorzugt folgende Materialien enthalten: Silizium mit einem Volumenanteil von 23% bis 27%, Eisen mit einem Volumenanteil von 3% bis 4%, Nickel mit einem Volumenanteil von 2,5% bis 3,5 %, Magnesium mit einem Volumenanteil von 0,3 bis 0,7%, Mangan mit einem Volumenanteil von 0,3 bis 0,7%, Titan mit einem Volumenanteil von maximal 0,5%, Zirkonium mit einem Volumenanteil von maximal 0,5%, und Chrom mit einem Volumenanteil von maximal 0,5%. Für den verbleibenden Vol.-% Anteil wird Aluminium verwendet. - Eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit für die Ventilkappe
4 wird demgegenüber erzielt, wenn als Metall der Ventilkappe4 C45, 52CrMo4 oder ein vergleichbarer Vergütungsstahl gewählt wird. - Um zu verhindern dass der Ventilschaft
2 beim Aufbringen der Ventilkappe4 auf unerwünschte Weise verformt wird, kann dieser vorzugsweise zumindest im Bereich des axialen Endabschnitts5 hohlraumfrei, also massiv ausgebildet werden. - Die Ventilkappe
4 und der axiale Endabschnitt5 sind nun derart ausgestaltet, dass die Ventilkappe4 mittels einer Clipverbindung am axialen Endabschnitt5 des Ventilschafts2 befestigt werden kann. Eine solche Clipverbindung gestattet neben einer dauerhaften Fixierung der Ventilkappe4 am Ventilschaft2 auch ein fertigungstechnisch vorteilhaftes Herstellungsverfahren der Ventilkappe4 durch plastisches Ausformen der Ventilkappe4 aus einem Rohling, etwa in Gestalt eines Blechteils, direkt am Ventilschaft2 . - Zur Ausbildung besagter Clipverbindung ist auf der Mantelfläche
6 des axialen Endabschnitts5 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Umfangsnut7 vorgesehen, in welche die Ventilkappe4 nach deren Aufschieben auf den Ventilschaft2 eingreifen kann. Hierzu ist an einer Innenseite11 der Topfwand9 eine komplementär zur Umfangsnut7 gestaltete Erhebung10 vorgesehen, die sich entlang der Umfangsrichtung der Ventilkappe4 erstreckt. Sowohl die Umfangsnut7 als auch die Erhebung10 können jeweils vollumfänglich oder, alternativ dazu, nur abschnittsweise entlang der Umfangsrichtung vorgesehen sein. -
3 illustriert nunmehr eine Variante der Clipverbindung, welche eine besonders stabile Fixierung der Ventilkappe4 am Ventilschaft2 erlaubt. Dies geschieht mit Hilfe zweier, am Ventilschaft2 in axialer Richtung A beabstandet zueinander angeordneter Umfangsnuten7a ,7b , in welche zwei an der Ventilkappe4 vorgesehene, ebenfalls axial im Abstand zueinander platzierte Erhebungen10a ,10b eingreifen. Selbstverständlich kann die in2 gezeigte Ventilkappe4 mit einer einzigen Erhebung10 auch mit dem in3 gezeigten Ventilschaft2 mit zwei Umfangsnuten7a ,7b kombiniert werden. -
4 zeigt eine Variante, bei welcher die Ventilkappe4 mit einer von der Innenseite11 der Topfwand9 radial nach innen abstehenden Befestigungslasche12 versehen ist, die in eine auf der Mantelfläche6 des Ventilschaft2 vorgesehene, komplementäre Aufnahmenut7c eingreift. -
5 zeigt schließlich eine Variante, bei welcher die Ventilkappe4 die vom Ventilteller3 abgewandte Stirnseite13 des Ventilschafts2 abdeckt und der Endabschnitt5 nur teilweise von drei Befestigungsclips14 umhüllt wird, die die Ventilkappe4 auf dem Ventilschaft2 fixieren. Dabei greifen die Befestigungsclips14 jeweils in eine am Ventilschaft2 vorgesehene, komplementäre Aufnahmenut7 ein und fixieren so die Ventilkappe4 . - Zur Herstellung der vorangehend erörterten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventils
1 kann auch ein sog. elektromagnetisches Pulsverfahren zum Einsatz kommen. Im Zuge dieses Verfahrens wird zunächst die Ventilkappe4 auf den axialen Endabschnitt5 des Ventilschafts2 aufgesetzt und anschließend mittels eines dem Fachmann im Bereich Werkstoffkunde geläufigen elektromagnetischen Pulsverfahrens derart umgeformt, dass sich mindestens eine Erhebung10 ,10a ,10b bildet, die in mindestens eine am Ventilschaft2 vorgesehene Umfangsnut7 ,7a ,7b eingreift. - Vorzugsweise erfolgt die Anwendung des elektromagnetischen Pulsverfahrens derart, dass zumindest teilweise eine Verschweißung zwischen Ventilkappe
4 und Mantelfläche des Ventilschafts2 ausgebildet wird. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2002/033465 A1 [0003]
- EP 0911493 A2 [0004]
Claims (13)
- Ventil (
1 ), insbesondere für ein Hubkolbenventil, – mit einem Ventilschaft (2 ), welcher in einer axialen Richtung (A) in einen radial nach außen vom Ventilschaft (2 ) abstehenden Ventilteller (3 ) übergeht, – mit einer an einem vom Ventilteller (3 ) abgewandten axialen Endabschnitt (5 ) des Ventilschafts (2 ) angebrachten Ventilkappe (4 ) aus Metall, welche eine vom Ventilteller (3 ) abgewandte Stirnseite (13 ) des Ventilschafts abdeckt und den axialen Endabschnitt (5 ) des Ventilschafts (2 ) mindestens teilweise umhüllt. - Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Ventilkappe (
4 ) den axialen Endabschnitt (5 ) vollständig umhüllt. - Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Ventilkappe (
4 ) mittels einer Clipverbindung am axialen Endabschnitt (5 ) des Ventilschafts (2 ) befestigt ist. - Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Mantelfläche (
6 ) des axialen Endabschnitts (5 ) wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Umfangsnut (7 ,7a ,7b ) vorgesehen ist. - Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ventilkappe (
4 ) topfartig mit einem Topfboden (8 ) und einer integral an diesem ausgeformten Topfwand (9 ) ausgebildet ist, – an einer radial innen liegenden Innenseite (11 ) der Topfwand (9 ) wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende und komplementär zur am Ventilschaft (2 ) vorgesehenen Umfangsnut (7 ,7a ,7b ) ausgebildete Erhebung (11 ,11a ,11b ) vorgesehen ist, die in einem am Ventilschaft (2 ) montierten Zustand der Ventilkappe (4 ) in die wenigstens eine Umfangsnut (7 ,7a ,7b ) eingreift. - Ventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Umfangsnut (
7 ,7a ,7b ) vollumfänglich oder abschnittsweise entlang der Umfangsrichtung der Mantelfläche (6 ) des Ventilschafts (2 ) erstreckt. - Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Mantelfläche (
6 ) des Ventilschafts (2 ) axial beabstandet zwei Umfangsnuten (7a ,7b ) vorgesehen sind und/oder auf der Innenseite (11 ) der Topfwand (9 ) axial beabstandet zwei Erhebungen (11a ,11b ) vorgesehen sind. - Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkappe (
4 ) eine von der Innenseite (11 ) der Topfwand (9 ) radial nach innen abstehenden Befestigungslasche (12 ) umfasst, die in eine auf der Mantelfläche (6 ) des Ventilschafts (2 ) vorgesehene Aufnahmenut (10c ) eingreift. - Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass Ventilschaft (
2 ) und Ventilteller (3 ) wenigstens teilweise aus Aluminium, aus Titan, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Titanlegierung hergestellt sind. - Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Ventilkappe (
4 ) einen Vergütungsstahl, insbesondere C45 oder 42CrMo4, umfasst. - Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Ventil (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. - Verfahren zum Herstellen eines Ventils (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkappe (4 ) auf den Endabschnitt (5 ) aufgesetzt wird und mittels eines elektromagnetischen Pulsverfahrens derart umgeformt wird, dass sich auf der Innenseite (11 ) der Topfwand (9 ) mindestens eine Erhebung (10 ,10a ,10b ) bildet, die in eine komplementäre, am Ventilschaft (2 ) vorgesehene Umfangsnut (7 ,7a ,7b ) eingreift. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines elektromagnetischen Pulsverfahrens zumindest teilweise eine Verschweißung zwischen Ventilkappe (
4 ) und der Mantelfläche (6 ) ausgebildet wird.
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