DE102022117117A1

DE102022117117A1 - Ventilrohling und Ventilbodendeckel sowie innengekühltes Hohlventil

Info

Publication number: DE102022117117A1
Application number: DE102022117117.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Matthias; Olaf Josef; Stefan Kellermann
Original assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Current assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Priority date: 2022-07-08
Filing date: 2022-07-08
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024008626A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilrohling 40 und einen Ventilbodendeckel 20 für ein innengekühltes Hohlventil 60 mit optimierter Reibschweißnaht wobei ein innerer Reibschweißgrat reduziert, in einer Vertiefung 48 aufgenommen oder durch einen Vorsprung verdeckt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilrohling und einen Ventilbodendeckel für ein innengekühltes Hohlventil mit optimierter Reibschweißnaht sowie ein innengekühltes Hohlventil.
Reibschweißen erweist sich im Bereich von zusammengefügten innengekühlten Ventilen als besonders vorteilhaft, da optimale Festigkeitswerte in der Schweißnaht, eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißparameter und ein hoher Qualitätsstandard ermöglicht werden, unterschiedliche Werkstoffkombinationen verschweißt werden können und Stähle mit sehr hohem Kohlenstoffgehalt oder austenitische Stähle problemlos mit sich selbst oder kombiniert verschweißt werden können.
Bei herkömmlichen Reibschweißvorgängen treten Schweißgrate auf, die durch den üblichen Schweißvorgang zwangsläufig entstehen. Beim Reibschweißen werden die spätere Kontaktflächen gegeneinandergepresst und senkrecht zu einer Kontaktoberfläche bewegt, um Reibungswärme zu erzeugen. Durch die Reibungswärme erweichen sich beide Materialien und durch das Gegeneinanderpressen wird erweichtes Material der zu verschweißenden Komponenten verdrängt, und es werden Schweißgrate an allen freiliegenden Rändern einer Reibschweißzone gebildet.
Herkömmlicherweise werden beim Reibschweißen alle Schweißgrate durch eine nachfolgende spanende Bearbeitung entfernt. Dies ist jedoch bei völlig geschlossenen Hohlräumen nicht möglich, weshalb es wünschenswert wäre ein Verfahren zur Verfügung zu haben, das es gestattet negative Effekte von Schweißgraten beim Reibschweißen insbesondere von Hohlventilen zu vermeiden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilbodendeckel für ein innengekühltes Ventil mit einem Hohlraum bereitgestellt, der einen Reibschweißbereich umfasst, der dazu bestimmt ist bei einem Reibschweißvorgang erhitzt oder zumindest deutlich erwärmt zu werden, und bei dem Reibschweißvorgang zumindest teilweise verformt zu werden. Aus dem Reibschweißbereich wird das Material verdrängt, das später den Schweißgrat bildet. Zusätzlich wird eine mechanische Schnittstelle zu einem Reibschweißgerät also einem Futter oder einer Spindel bereitgestellt, mit dem der Ventilbodendeckel mit einem Reibschweißgerät in Eingriff gebracht werden kann oder kraftschlüssig verbunden werden kann. Eine Ausbildung eines Reibschweißgrates an einer Außenseite des Ventilbodendeckels kann dabei toleriert werden, da die mechanische Schnittstelle beim Herstellen eines Hohlventils abgetrennt werden muss, und in diesem Schritt auch ein außen vorliegender Reibschweißgrat abgetrennt werden kann. Der erfindungsgemäße Ventilbodendeckel ist mit einem rotationssymmetrischen Vorsprung versehen, der zwischen dem Reibschweißbereich und einem Oberflächenbereich der nach dem Reibschweißen eine Oberfläche des Hohlraums des Ventils bildet, angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform des Ventilbodendeckels mit dem Vorsprung ist der Vorsprung ausgelegt nur den Reibschweißgrat, der durch das Material des Ventilbodendeckels gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum zu verdecken.
Bei einer Ausführungsform des Ventilbodendeckels ist der Vorsprung ausgelegt den Reibschweißgrat, der durch das Material des Ventilbodendeckels gebildet wird und den Reibschweißgrat, der durch das Material des Ventilrohlings bzw. des Schweißbereichs des Ventilrohlings gebildet gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum zu verdecken.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilbodendeckel für ein innengekühltes Ventil mit einem Hohlraum bereitgestellt. Der Ventilbodendeckel umfasst dabei einen Reibschweißbereich, der dazu bestimmt ist bei einem Reibschweißvorgang erhitzt oder zumindest deutlich erwärmt zu werden, und bei dem Reibschweißvorgang zumindest teilweise verformt zu werden. Aus dem Reibschweißbereich wird das Material verdrängt, das später den Schweißgrat oder die Schweißgrate bildet. Zusätzlich wird eine mechanische Schnittstelle zu einem Reibschweißgerät also einem Futter oder einer Spindel bereitgestellt mit dem der Ventilbodendeckel mit einem Reibschweißgerät in Eingriff gebracht werden kann oder kraftschlüssig verbunden werden kann. Eine Ausbildung eines Reibschweißgrates an einer Außenseite des Ventilbodendeckels kann dabei toleriert werden, da die mechanische Schnittstelle beim Herstellen eines Hohlventils abgetrennt werden muss, und in diesem Schritt auch ein außen vorliegender Reibschweißgrat abgetrennt werden kann. Der erfindungsgemäße Ventilbodendeckel ist mit einer rotationssymmetrischen Vertiefung versehen, die sich an den Reibschweißbereich anschließt und in die sich beim Reibschweißen ein gebildeter Reibschweißgrat hineinerstrecken kann. Die Vertiefung ist rotationssymmetrisch und neben dem Reibschweißbereich angeordnet.
Bei einer Ausführungsform des Ventilbodendeckels ist die Vertiefung ausgelegt nur den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilbodendeckels gebildet wird aufzunehmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodendeckels ist die Vertiefung ausgelegt, den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilbodendeckels gebildet wird und den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilrohlings bzw. des Schweißbereichs des Ventilrohlings gebildet wird aufzunehmen.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilbodendeckels ist dieser auf einer Fläche, die der Ventilbodenfläche gegenüberliegt mit Kühlmittelströmungsleitstrukturen versehen
Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodendeckels ist dieser mit Ausnahme der eventuell vorhandenen Kühlmittelströmungsleitstrukturen und der eventuell nicht rotationssymmetrischen mechanischen Schnittstelle zu dem Reibschweißgerät rotationssymmetrisch ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilrohling mit einem Ventilschaft, der an einem Ende in einen Ventilkopf übergeht, bereitgestellt. Der Ventilrohling umfasst dabei eine Öffnung, die sich von einem Ventilboden in den Ventilkopf erstreckt. Diese Öffnung ist dazu bestimmt zumindest teilweise mit Natrium gefüllt und durch einen Ventilbodendeckel verschlossen zu werden. Der Ventilbodendeckel umfasst im Bereich eines Randes der Öffnung einen Reibschweißbereich, der dazu bestimmt ist bei einem Reibschweißvorgang erhitzt oder zumindest deutlich erwärmt zu werden, und bei dem Reibschweißvorgang zumindest teilweise verformt zu werden. Aus dem Reibschweißbereich wird das Material verdrängt, das später einen oder mehrere Schweißgrate bildet. Als mechanische Schnittstelle zu einem Reibschweißgerät dient hier üblicherweise der Ventilschaft oder eine Außenfläche des Ventilkopfes, der durch ein Spannfutter eingespannt wird. Auch hier kann eine Ausbildung eines Reibschweißgrates an einer Außenseite des Ventilbodendeckels toleriert werden, da die mechanische Schnittstelle beim Herstellen eines Hohlventils an einen verschweißten Ventilbodendeckel abgetrennt werden muss, und in diesem Schritt auch ein außen vorliegender Reibschweißgrat abgetrennt werden kann. Der erfindungsgemäße Ventilrohling ist mit einem rotationssymmetrischen Vorsprung versehen, der sich zwischen dem Reibschweißbereich und einem Oberflächenbereich, der nach dem Reibschweißen eine Oberfläche des Hohlraums des Ventils bildet, befindet.
Bei einer Ausführungsform des Ventilrohlings ist der Vorsprung ausgelegt nur den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilrohlings gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum zu verdecken.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilrohlings ist der Vorsprung ausgelegt den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilrohlings gebildet wird und den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilbodendeckels bzw. des Schweißbereichs des Ventilbodendeckels gebildet gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum zu verdecken.
Gemäß einem anderen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilrohling mit einem Ventilschaft, der an einem Ende in einen Ventilkopf übergeht bereitgestellt. Der Ventilrohling umfasst dabei eine Öffnung, die sich von einem Ventilboden in den Ventilkopf erstreckt. Diese Öffnung ist dazu bestimmt zumindest teilweise mit Natrium gefüllt und durch einen Ventilbodendeckel verschlossen zu werden. Der Ventilbodendeckel umfasst im Bereich eines Randes der Öffnung einen Reibschweißbereich, der dazu bestimmt ist bei einem Reibschweißvorgang erhitzt oder zumindest deutlich erwärmt zu werden und bei dem Reibschweißvorgang zumindest teilweise verformt zu werden. Aus dem Reibschweißbereich wird das Material verdrängt, das später einen oder mehrere Schweißgrate bildet. Als mechanische Schnittstelle zu einem Reibschweißgerät dient hier üblicherweise der Ventilschaft oder eine Außenfläche des Ventilkopfes, der durch ein Spannfutter eingespannt wird. Auch hier kann eine Ausbildung eines Reibschweißgrates an einer Außenseite des Ventilbodendeckels toleriert werden, da die mechanische Schnittstelle beim Herstellen eines Hohlventils an einen verschweißten Ventilbodendeckel abgetrennt werden muss, und in diesem Schritt auch ein außen vorliegender Reibschweißgrat abgetrennt werden kann. Der erfindungsgemäße Ventilrohling ist mit einer rotationssymmetrischen Vertiefung versehen, die zwischen dem Reibschweißbereich und einem Oberflächenbereich der nach dem Reibschweißen eine Oberfläche des Hohlraums des Ventils bildet angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform des Ventilrohlings ist die Vertiefung ausgelegt nur den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilrohlings gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum aufzunehmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilrohlings ist die Vertiefung ausgelegt den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilrohlings gebildet wird und den Reibschweißgrat der durch das Material des Ventilbodendeckels bzw. des Schweißbereichs des Ventilbodendeckels gebildet wird, gegenüber dem späteren Hohlraum des Ventils mit dem Hohlraum zu verdecken.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Ventilbodendeckels und/oder des Ventilrohlings ist weiter eine Rohrfeder und/oder Kegelfeder und/oder Tellerfeder angebracht, die beim Reibschweißvorgang insbesondere bei einer finalen Axialbewegung beim Reibschweißvorgang mit einem Gegenstück in Kontakt kommt.
Die Begriffe „Rohrfeder“ und „Kegelfeder“ sind dabei analog zu einer Tellerfeder zu verstehen, wobei eine Zylindermantelfläche oder Kegelstumpfmantelfläche aus einem Material vorliegt das eine geringe Verformung in Axial- und/oder Radialrichtung ermöglicht. Die hier verwendete Rohrfeder unterscheidet sich also fundamental von einer Rohrfeder wie sie in Barometern verwendet wird und die Kegelfeder unterscheidet sich fundamental von Kegel-Spiralfedern. Eine Rohrfeder wirkt erfindungsgemäß mit einer Kegelfläche mit kleinem Kegelwinkel zusammen, um eine Verformung ohne Schlitze zu ermöglichen. Eine Kegelfeder wirkt hier mit einer Kegelfläche zusammen, weist einen nur gering unterschiedlichen Kegelwinkel zusammen auf und ermöglicht bei Kontakt nur eine geringe Verformung. Eine Tellerfeder wirkt mit einer ebenen Fläche zusammen. Die Rohrfeder und/oder die Kegelfeder und/oder die Tellerfeder dienen eher als Dichtung denn als Feder und sollen hauptsächlich für gute Strömungsbedingungen in dem Hohlraum sorgen. Die durch die Rohr- / Kegel- oder Tellerfeder ausgeübten Kräfte sind als sehr gering auszulegen, um die Schweißnaht nicht unnötig zu belasten. Idealerweise sind die Wandstärken der Federn so gering ausgelegt, dass sie im Rahmen der Positionierungsgenauigkeit beim Reibschweißen so lange nicht mit einer komplementären Fläche in Kontakt treten, bis beim Reibschweißen eine finale Axialbewegung ausgeführt wird. Die Wandstärke der Federn ist jedoch so stark auszulegen, dass eine Bewegung eines Kühlmittels in dem Hohlraum den Kontakt mit der jeweils komplementären Fläche nicht beeinträchtigt.
Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodendeckels oder des Ventilrohlings ist dieser mit Ausnahme bis auf eventuell vorhandene Kühlmittelströmungsleitstrukturen und der eventuell nicht rotationssymmetrischen mechanischen Schnittstelle zu dem Reibschweißgerät rotationssymmetrisch ausgeführt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Innengekühltes Ventil bereitgestellt bei dem einer der vorstehend beschriebenen Ventilrohlings und/oder einer der vorstehend beschriebenen Ventilbodendeckel bei der Herstellung verwendet wurden. Das Ventil weist dabei einen Hohlraum auf, der zumindest teilweise mit Natrium gefüllt ist.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von nicht maßstabsgetreuen schematischen Figuren verdeutlicht.

1A bis 1C stellen jeweils einen Schnitt-Teilansichten herkömmlicher Ventilkomponenten und ein damit hergestelltes Ventil dar.
2A bis 7C stellen jeweils Schnitt-Teilansichten erfindungsgemäßer Ventilkomponenten und ein damit hergestelltes erfindungsgemäßes Ventil dar.

Im Folgenden werden sowohl in den Figuren als auch in der zugehörigen Beschreibung gleiche oder ähnliche Bezugszeichen und Begriffe für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente und Komponenten verwendet.
1A zeigt einen herkömmlichen Ventilbodendeckel 84 in einer Schnitt-Teilansicht, wobei der herkömmliche Ventilbodendeckel 84 als zylindrisches Metallstück ausgeführt ist. Gestrichelte Linien deuten in der 1A einen Überlappungsbereich zwischen einem Ventilrohling und dem Ventilbodendeckel 84 an, in dem sich ein Großteil der späteren Reibschweißnaht befinden wird.
1B zeigt einen herkömmlichen Ventilrohling 82, ebenfalls in einer Schnitt-Teilansicht, wobei der herkömmliche Ventilrohling 82 einen Ventilkopf 56 und einen Ventilschaft 54 umfasst, der jedoch nur teilweise dargestellt ist. Die gestrichelten Linien deuten wie in 1A einen Überlappungsbereich zwischen einem Ventilrohling und dem Ventilbodendeckel 84 an, in dem sich ein Großteil der späteren Reibschweißnaht befinden wird. Ausgehend von der Ventilbodenfläche 52 erstreckt sich eine herkömmliche Öffnung 78 in den Ventilkopf 56.
1C stellt den herkömmlichen Ventilrohling 82 mit dem, durch Reibschweißen angeschweißten Ventilbodendeckel 84 dar. Die gestrichelte Linie in der 1C zeigt die Trennstelle, in der der Bereich des Ventilbodendeckels, der über die Ventilbodenfläche 52 heraussteht abgetrennt werden wird. Es können ebenfalls andere Ventilbodenflächenformen mit leichter Konkavität durch Spanen hergestellt werden. Es wird hier darauf verzichtet den Ventilkopf in seiner Endform darzustellen, da in einer derartigen Darstellung lediglich alle Linien oberhalb der gestrichelten Linie gelöscht würden und die gestrichelten Linien durchgezogen dargestellt werden würden. Um redundante Darstellungen zu vermeiden und die Beschreibung so kurz und prägnant wie möglich zu halten, wird bei allen Ausführungsformen auf eine konkrete Darstellung der Endform des Ventilkopfes verzichtet.
An der Stelle außen am Ventilboden 52 an der der Ventilbodendeckel 84 und der Ventilrohling 82 aufeinandertreffen, haben sich zwei Reibschweißgrate gebildet, der Reibschweißgrat 90 wird hier hauptsächlich durch Material des Ventilbodendeckels 98 gebildet und der Reibschweißgrat 94 wird hier hauptsächlich durch Material des Ventilrohlings 82 gebildet. Bei Reibschweißgraten bilden sich typischerweise immer zwei Reibschweißgrate aus. Die Reibschweißgrate 90 und 94 werden nach dem Verschweißen wie der überstehende Teil des Ventilbodendeckels 84 entlang der gestrichelten Linie abgetrennt. Die Bildung der Reibschweißgrate 90 und 94 erscheint hier weniger kritisch, da sie von außen entfernt werden können.
Durch das Verschließen der Öffnung 78 wurde ein Hohlraum 70 gebildet. Der Hohlraum 70 wurde vor dem Verschweißen mit Natrium 96 als Kühlmittel gefüllt. Die Reibschweißnaht ist ringförmig und bildet damit ein zweifach zusammenhängendes Gebiet, wodurch nicht nur in einem Außenbereich Reibschweißgrate 88, 92 gebildet werden, sondern auch innerhalb des Hohlraums 70. Auch in dem Hohlraum werden zwei Reibschweißgrate gebildet, wobei der Reibschweißgrat 92 hauptsächlich durch Material des Ventilrohlings 82 gebildet wird und der Reibschweißgrat 88 hauptsächlich durch Material des Ventilbodendeckels 84 gebildet wird. Die Reibschweißgrate weisen oft unregelmäßige Oberflächenstrukturen auf und bilden oft Hohlräume während einer axialen Fügebewegung am Ende des Reibschweißvorgangs. Diese Strukturen können die Bewegung des als Kühlmittel dienenden Natriums 96 in dem Hohlraum 70 beeinträchtigen und sich ebenfalls negativ auf eine Wärmübertragung zwischen dem Material des Deckels 84 bzw. des Rohlings 82 und dem Natrium 96 auswirken. Es ist daher wünschenswert eine Möglichkeit zur Verfügung zu haben, die es gestattet, die Auswirkungen der Reibschweißgrate 88, 92 im Hohlraum 70 des Hohlventils 80 zu verringern.
2A zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilbodendeckels 20 in einer Schnitt-Teilansicht, wobei der erfindungsgemäßen Ventilbodendeckel 84 als zylindrisches Metallstück ausgeführt, bei dem an einer Stirnseite ein umlaufender Vorsprung 24 vorgesehen ist. Die gestrichelten Linien deuten in der 2A einen Überlappungsbereich zwischen einem Ventilrohling 82 und dem Ventilbodendeckel 20 an, in dem sich ein Großteil der späteren Reibschweißnaht befinden wird. Der umlaufende Vorsprung 24 erstreckt sich später in den Hohlraum des Hohlventils hinein
2B zeigt den herkömmlichen Ventilrohling 82 von 1.
2C stellt den herkömmlichen Ventilrohling 82 mit dem, durch Reibschweißen angeschweißten erfindungsgemäßen Ventilbodendeckel 20 dar. Die gestrichelte Linie in der 2C zeigt die Trennstelle in der der Bereich des Ventilbodendeckels 20 und die äußeren Reibschweißgrate 90, 94 abgetrennt werden können.
Auch hier wurde vor dem Verschließen Natrium 96 als Kühlmittel der Öffnung 78 gefüllt. Die Reibschweißnaht weist auch in dem Hohlraum 70 Reibschweißgrate 88, 92 auf, die sich jedoch aufgrund des umlaufenden Vorsprungs 24 nicht so ausbilden konnten wie in der 1C. Weiterhin verdeckt der Vorsprung 24 die viel kleineren inneren Reibschweißgrate 88 und 92.
3A zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilbodendeckels 20 in einer Schnitt-Teilansicht. Der erfindungsgemäße Ventilbodendeckel 20 ist als zylindrisches Metallstück ausgeführt, das am Rand der Stirnseite mit einer Fase bzw. Abschrägung versehen ist, im Bereich der Fase wurde eine umlaufende Vertiefung 28 durch Drehen hergestellt. Die gestrichelten Linien deuten in der 3A einen Überlappungsbereich zwischen einem Ventilrohling 82 und dem Ventilbodendeckel 20 an. Die umlaufende Vertiefung 24 erstreckt sich später in den Hohlraum nahe der Reibschweißnaht.
3B zeigt den herkömmlichen Ventilrohling 82 von 1B bzw. 2B.
3C stellt den herkömmlichen Ventilrohling 82 mit dem, durch Reibschweißen angeschweißten erfindungsgemäßen Ventilbodendeckel 20 dar. Die gestrichelte Linie in der 3C zeigt auch hier die die Trennstelle in der der Bereich des Ventilbodendeckels 20 und die äußeren Reibschweißgrate 90, 94 abgetrennt werden können.
Auch hier wurde vor dem Verschließen Natrium 96 als Kühlmittel der Öffnung 78 gefüllt. Die Reibschweißnaht weist auch in dem Hohlraum 70 innere Reibschweißgrate auf, die sich beim Reibschweißen so ausgebildet haben, dass sie in der umlaufenden Vertiefung 28 aufgenommen sind. Durch die umlaufende Vertiefung 28 wurde die Ausbildung der inneren Reibschweißgrate verringert, und das durch die Reibung erwärmte und viskose Material wird zu einem größeren Teil in Richtung der äußeren Reibschweißgrate 94, 90 verdrängt.
4A zeigt im Wesentlichen den zeigt den herkömmlichen Ventilbodendeckel 84 von 1A. Zusätzlich ist der Ventilrohling 82 in der 4A mit einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Strömungsleitstruktur 72 versehen, die sich in der Mitte der Stirnseite des Ventilbodendeckel 84 kegelartig erhebt.
4B zeigt einen erfindungsgemäßen Ventilrohling 40, der wie der herkömmliche Ventilrohling einen Ventilkopf 56 aufweist der in einen nur teilweise dargestellten Ventilschaft 54 übergeht. Der Ventilkopf 56 ist an dem Ventilboden 52 mit einer Öffnung 58 versehen, die sich in den Ventilkopf 56 und bis in den Ventilschaft 54 hinein erstreckt. In der Öffnung 58 ist ein Vorsprung 44 vorgesehen der in der Öffnung inner- bzw. unterhalb des Bereichs umläuft, in dem die Reibschweißverbindung entstehen wird. Der Vorsprung 44 ist dazu bestimmt die Ausbildung der inneren Reibschweißgrate zu behindern und eine glattere innere Oberfläche des Hohlraums 70 zu ermöglichen.
4C stellt den erfindungsgemäßen Ventilrohling 40 mit dem, durch Reibschweißen angeschweißten herkömmlichen Ventilbodendeckel 84 dar. Die gestrichelte Linie in der 4C zeigt auch hier die die Trennstelle in der der Bereich des Ventilbodendeckels 20 und die äußeren Reibschweißgrate 90, 94 abgetrennt werden können. Wie in 4A kann auch hier der Ventilbodendeckel innen mit einer Strömungsleitstruktur 72 versehen sein.
Durch den Vorsprung 44 können sich die inneren Reibschweißgrate nicht ausbilden, sondern werden beim Reibschweißvorgang zwischen dem Ventilbodendeckel 84 und dem Vorsprung 44 eingeklemmt bzw. flachgedrückt. Dadurch können Hohlräume hinter den Reibschweißgraten vermindert oder sogar verhindert werden. Hier besteht nur noch ein sehr viel kleinerer Bereich zwischen dem Vorsprung 44 und dem Ventilbodendeckel 84 wodurch ein sehr viel glatterer Hohlraum 70 erreicht werden kann. Auch in der 4C ist der Hohlraum mit Natrium gefüllt.
5A zeigt wie 4A im Wesentlichen einen herkömmlichen Ventilbodendeckel 84 wobei der Ventilbodendeckel 84 an einer Stirnseite mit einer Fase bzw. Abschrägung versehen ist. Durch die Abschrägung soll sowohl der Reibschweißvorgang selber als auch die Bildung insbesondere der inneren Reibschweißgrate beeinflusst werden.
5B zeigt einen erfindungsgemäßen Ventilrohling 40, mit einem Ventilkopf 56 der in einen nur teilweise dargestellten Ventilschaft 54 übergeht. Der Ventilkopf 56 ist an dem Ventilboden 52 mit einer Öffnung 58 versehen die sich von einem Ventilboden 52 aus in den Ventilkopf 56 und weiter bis in den Ventilschaft 54 erstreckt. In der Öffnung 58 ist eine Vertiefung 48 vorgesehen, die in der Öffnung 58 inner- bzw. unterhalb des Bereichs umläuft, in dem die Reibschweißverbindung entstehen wird. Die Vertiefung 48 ist dazu bestimmt die Reibschweißgrate „einzufangen“ und aufzunehmen. Durch die Vertiefung wird der Reibschweißgrat gegenüber
5C stellt den erfindungsgemäßen Ventilrohling 40 mit dem, durch Reibschweißen angeschweißten Ventilbodendeckel 84 von 5A dar. Die gestrichelte Linie in der 5C zeigt auch hier die die Trennstelle in der der Bereich des Ventilbodendeckels 84 und die äußeren Reibschweißgrate 90, 94 abgetrennt werden können. Wie in 4A kann auch hier der Ventilbodendeckel innen mit einer Strömungsleitstruktur 72 versehen sein.
Durch die Vertiefung 48 können sich die inneren Reibschweißgrate nicht frei ausbilden, sondern werden beim Reibschweißvorgang in der Vertiefung 48 aufgenommen. Die Vertiefung liegt in einer ausreichenden Entfernung von dem Reibschweißbereich sodass sich zumindest ein großer Teil der Vertiefung 48 beim Reibschweißen nicht verformen wird. Zusammen mit den geneigten Kontaktflächen für das Reibschweißen d.h. die Fasen am Ventilbodendeckel 84 und dem Ventilrohling kann die Ausbildung der Reibschweißgrate beeinflusst werden. Durch einen definierten Raum, in dem sich die Reibschweißgrate entwickeln können kann ein definierter Hohlraum erreicht werden. Auch in der 5C ist der Hohlraum mit Natrium gefüllt.
6A zeigt den Ventildeckel 20 wie er in der 2A dargestellt ist.
6B zeigt einen Ventilrohling 40 mit Merkmalen die im Wesentlichen denen des Ventilrohlings 40 der 4B entsprechen, wobei insbesondere der Vorsprung 44 kleiner ausgeführt wurde.
6C stellt den erfindungsgemäßen Ventilrohling 40 der 6B dar wie er mit dem Ventilbodendeckel 20 der 6A durch Reibschweißen verbunden wurde. Die beiden Vorsprünge 24 und 44 berühren sich und dienen als Anschlag für eine letzte Bewegung in einer Axialrichtung während des Reibschweißens. Durch die vorliegende Auslegung kann erreicht werden, dass der Vorsprung 44 des Ventilrohling 40 im Wesentlichen nur den Reibschweißgrat abdeckt der beim Reibschweißen durch das Material des Ventilrohlings 40 erzeugt wurde. Hier deckt der Vorsprung 24 des Ventilbodendeckels 20 im Wesentlichen nur den Reibschweißgrat ab, der beim Reibschweißen durch das Material des Ventilbodendeckels 20 erzeugt wurde.
7A zeigt den Ventildeckel 20 wie er im Wesentlichen in der 3A dargestellt ist, wobei die Fase deutlich flacher ausgeführt ist, und der Ventilbodendeckel 20 mit ist zudem mit der Strömungsleitstruktur 72 der Ausführung von 4A versehen. Wie bei dem Ventilbodendeckel 20 der 3A ist auch hier eine umlaufende Vertiefung 28 vorgesehen.
7B zeigt einen Ventilrohling 40 mit Merkmalen die im Wesentlichen dem Ventilrohling 40 der 4B entsprechen. Zusätzlich ist in der Öffnung 58 ein Kegelfederelement 50 angeordnet, dessen Funktion im Wesentlichen dem einer Tellerfeder bzw. Dichtung entspricht. Das Kegelfederelement 50 ist relativ dünn ausgeführt und kann sich unter einer Axiallast in einem geringen Maße elastisch verformen. Der Ventilrohling 40 der 7B weist einen an die Fase des Ventilbodendeckels 20 angepasste Abschrägung auf, um eine Reibschweißverbindung mit einer größeren Fläche zu ermöglichen. Hier wird durch die Kegelflächen eine Reibschweißverbindung mit einer geringeren axialen Bewegung ermöglicht.
7C stellt den erfindungsgemäßen Ventilrohling 40 der 7B dar, wie er mit dem Ventilbodendeckel 20 der 7A durch Reibschweißen verbunden wurde. Die Beiden Vertiefungen 28 und 48 liegen gegenüber und haben die jeweiligen inneren Reibschweißgrate 88 und 92 aufgenommen. Die Kegelfederelement 50 liegt auf der Innenfläche des Ventilbodendeckels 20 auf. Durch den üblichen Bewegungsablauf des Reibschweißens bei dem die Reibpartner zuerst leicht zusammengepresst und senkrecht zu einer Kontaktfläche gegeneinander bewegt werden um durch eine so erzeuge Reibungswärme die Kontaktfläche der Reibpartner zu erweichen, wird üblicherweise die Drehbewegung gestoppt und dann die beiden zu verschweißenden Komponenten mit einer reinen Axialbewegung zusammengeschoben. Bei dieser letzten Bewegung in Axialrichtung setzt das Kegelfederelement 50 auf der Innenfläche des Ventilbodendeckels 20 auf und dichtet die beiden Vertiefungen 28 und 48 gegen den Hohlraum 70 ab. Somit kann ein definierter Hohlraum erreicht werden, der zu einem definierten Teil mit einem Kühlmittel wie Natrium gefüllt sein kann. Die bekannten Maße und der relativ große Abstand des Kegelfederelements 50 zu der Schweißverbindung gestattet es die beiden Komponenten so zu verschweißen dass das Kegelfederelement 50 bei dem Schweißvorgang nicht beschädigt wird, und die Vertiefungen abdichten kann. Die Kegelfederelement 50 und die Strömungsleitstruktur 72 gestatten es einen besonders strömungsgünstigen Hohlraum zu fertigen.
Bezugszeichenliste

20: Ventilbodendeckel
22: Reibschweißbereich des Ventilbodendeckels
24: Vorsprung des Ventilbodendeckels, rotationssymmetrisch
26: Reibschweißgrat des Ventilbodendeckels
28: Vertiefung des Ventilbodendeckels, rotationssymmetrisch
30: Oberflächenbereich
40: Ventilrohling bzw. Hohlventilrohling
42: Reibschweißbereich des Ventilrohlings
44: Vorsprung des Ventilrohling, rotationssymmetrisch
46: Reibschweißgrat des Ventilrohlings
48: Vertiefung des Ventilrohling, rotationssymmetrisch
50: Rohrfeder- / Kegelfeder- / Tellerfederelement
52: Ventilboden
54: Schaft
56: Ventilkopf
58: Öffnung
60: innengekühltes Ventil
70: Hohlraum
72: Strömungsleitstruktur
78: herkömmliche Öffnung
80: herkömmliches Ventil
82: herkömmlicher Ventilrohling
84: herkömmlicher Ventilbodendeckel
86: herkömmliche Reibschweißnaht
88: innerer Reibschweißgrat des Ventilbodendeckels
90: äußerer Reibschweißgrat des Ventilbodendeckels
92: innerer Reibschweißgrat des Ventilrohlings
94: äußerer Reibschweißgrat des Ventilrohlings
96: Natrium

Claims

Ventilbodendeckel (20) für ein innengekühltes Hohlventil (60) mit einem Hohlraum (70), das einen Reibschweißbereich (22) umfasst, und eine mechanische Schnittstelle für ein Reibschweißgerät, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbodendeckel (20) einen rotationssymmetrischen Vorsprung (24) aufweist, der zwischen dem Reibschweißbereich (22) und einem Oberflächenbereich (30) angeordnet ist, der eingerichtet ist einen Teil einer Oberfläche eines Hohlraums (70) des Hohlventils (60) zu bilden, wobei der Vorsprung (24) eingerichtet ist mindestens einen Reibschweißgrat (26) nach einem Verschweißen mit einem Hohlventilrohling zu verdecken.
Ventilbodendeckel (20) nach Anspruch 1 wobei der Vorsprung (24) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (26) der durch ein Material des Ventilbodendeckels (20) gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) zu verdecken.
Ventilbodendeckel (20) nach Anspruch 1 wobei der Vorsprung (24) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (26) der durch ein Material des Ventilbodendeckels (20) gebildet und einen Reibschweißgrat (46), der durch ein Material eines Ventilrohlings (40) gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) zu verdecken.
Ventilbodendeckel (20) für ein innengekühltes Hohlventil (60) mit einem Hohlraum (70), das einen Reibschweißbereich (22) umfasst, und eine mechanische Schnittstelle für ein Reibschweißgerät, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbodendeckel eine rotationssymmetrische Vertiefung (28) aufweist die zwischen dem Reibschweißbereich (22) und einem Oberflächenbereich (30) angeordnet ist, der eingerichtet ist einen Teil einer Oberfläche eines Hohlraums (70) des Hohlventils (60) zu bilden, wobei die Vertiefung (28) eingerichtet ist mindestens einen Reibschweißgrat (26) nach einem Verschweißen mit einem Hohlventilrohling aufzunehmen.
Ventilbodendeckel (20) nach Anspruch 4, wobei die Vertiefung (28) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (26), der durch ein Material des Ventilbodendeckels (20) gebildet wird, gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) aufzunehmen.
Ventilbodendeckel (20) nach Anspruch 4, wobei die Vertiefung (28) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (26) der durch ein Material des Ventilbodendeckels (20) gebildet ist und einen Reibschweißgrat (46), der durch ein Material eines Ventilrohlings (40) gebildet ist, aufzunehmen.
Ventilbodendeckel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Ventilbodendeckel auf dem Oberflächenbereich (30) mit einer Kühlmittelströmungsleitstruktur (72) versehen ist.
Ventilbodendeckel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ventilbodendeckel (20) abgesehen von eventuell vorhandenen Kühlmittelströmungsleitstrukturen und der eventuell nicht rotationssymmetrischen mechanischen Schnittstelle zu dem Reibschweißgerät rotationssymmetrisch ausgeführt ist.
Ventilrohling (40) für ein innengekühltes Hohlventil (60) mit einem Hohlraum (70), mit einem Ventilschaft (54), der an einem Ende in einen Ventilkopf (56) übergeht, wobei der Ventilkopf (56) eine Öffnung (58) aufweist die sich von einem Ventilboden (52) in den Ventilkopf (56) erstreckt, und die dazu bestimmt ist, von einem Ventilbodendeckel verschlossen zu werden, wobei der Ventilkopf (56) im Bereich eines Randes der Öffnung (58) einen Reibschweißbereich (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilrohling (40) einen rotationssymmetrischen Vorsprung (44) aufweist, der innerhalb der Öffnung (58) neben dem Reibschweißbereich (46) verläuft, wobei der Vorsprung (44) eingerichtet ist mindestens einen Reibschweißgrat nach einem Verschweißen mit einem Ventilbodendeckel zu verdecken.
Ventilrohling (40) nach Anspruch 9, wobei der Vorsprung (44) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (46) der durch ein Material des Ventilrohlings (40) gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) zu verdecken.
Ventilrohling (40) nach Anspruch 9 wobei der Vorsprung (44) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (46) der durch ein Material des Ventilrohlings (40) gebildet ist und einen Reibschweißgrat (26), der durch ein Material eines Ventilbodendeckels (20) gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) zu verdecken.
Ventilrohling (40) für ein innengekühltes Hohlventil (60) mit einem Hohlraum (70), mit einem Ventilschaft (54), der an einem Ende in einen Ventilkopf (56) übergeht, wobei der Ventilkopf (56) eine Öffnung (58) aufweist, die sich von einem Ventilboden (52) in den Ventilkopf (56) erstreckt, und die dazu bestimmt ist von einem Ventilbodendeckel verschlossen zu werden, wobei der Ventilkopf (56) im Bereich eines Randes der Öffnung (58) einen Reibschweißbereich (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilrohling (40) eine rotationssymmetrische Vertiefung (48) aufweist, die innerhalb der Öffnung (58) neben dem Reibschweißbereich (46) verläuft, wobei die Vertiefung (48) eingerichtet ist mindestens einen Reibschweißgrat nach einem Verschweißen mit einem Ventilbodendeckel aufzunehmen.
Ventilrohling (40) nach Anspruch 12,wobei der Vorsprung (44) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (46), der durch ein Material des Ventilrohlings (40) gebildet wird aufzunehmen bzw zu verdecken.
Ventilrohling (40) nach Anspruch 12, wobei der Vorsprung (44) eingerichtet ist einen Reibschweißgrat (46), der durch ein Material des Ventilrohlings (40) gebildet wird und einen Reibschweißgrat (26), der durch ein Material eines Ventilbodendeckels (20) gebildet wird gegenüber dem späteren Hohlraum (70) des Hohlventils (60) zu verdecken.
Ventilbodendeckels (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, oder Ventilrohling (40) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Rohrfeder- und/oder Kegelfeder- und/oder Tellerfederelement (50) die an dem Vorsprung oder neben der Vertiefung angeordnet ist, und die eingerichtet ist beim Reibschweißvorgang insbesondere bei einer finalen Axialbewegung beim Reibschweißvorgang mit einem Oberfläche eines jeweiligen Gegenstücks in Kontakt zu treten.
Ventil, hergestellt durch Verschweißen eines Ventilbodendeckels (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 15 mit einem Ventilrohling, durch Verschweißen eines Ventilrohlings (40) nach einem der Ansprüche 9 bis 15 mit einem Ventilbodendeckel, oder durch Verschweißen eines Ventilbodendeckels (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 15 mit einem Ventilrohling (40) nach einem der Ansprüche 9 bis 15.
Ventil, nach Anspruch 15, wobei der Hohlraum (70) in dem Ventilkopf einen Durchmesser aufweist der größer ist als ein Schaftdurchmesser des Ventilschafts.
Ventil, nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Hohlraum (70) auf der zumindest teilweise mit Natrium gefüllt ist.