DE10209026A1 - Ventilbetätigungsvorrichtung mit Stoßdämpfung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungsvorrichtung, umfassend eine Betätigungsstange (5), die derart gelagert ist, daß sie entlang einer Schiebeachse (X) des Ventils verschoben werden kann, wobei das Ventil eine Spindel (1) mit einem Ende hat, das einem Ende der Betätigungsstange (5) gegenüberliegt, wobei ein elastischer Puffer (9) zwischen zwischen zwei Anlageorganen (8, 10) gelagert ist, die fest mit der Betätigungsstange (5) bzw. der Ventilspindel (1) verbunden sind, wobei mindestens eines der Anlageorgane (8) relativ zu einer Endfläche des Endes, mit dem es fest verbunden ist, zurückgesetzt ist, wobei der elastische Puffer (9) so angeordnet ist, daß er einen direkten Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Enden während eines Stauchens des elastischen Puffers (9) ermöglicht, und wobei mindestens eines der Anlageorgane an einer Endfläche des elastischen Puffers (9) anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungsvorrichtung mit Stoß­ dämpfung.

Insbesondere aus dem Dokument FR-A-2 792 679 ist eine Ventilbetätigungs­ vorrichtung bekannt, die eine Betätigungsstange enthält, die derart gelagert ist, daß sie entlang einer Schiebeachse des Ventils verschoben werden kann, wobei die Betätigungsstange ein Ende hat, das dem Ende der Ventilspindel gegenüber­ liegt.

Während des Betriebs der Vorrichtung wird die Betätigungsstange durch ein Be­ tätigungsorgan alternierend verschoben, um das Öffnen und das Schließen des Ventils zu steuern. In der Schließstellung des Ventils kommt der Ventilteller durch eine dazugehörige Rückstellfeder auf dem Ventilsitz zur Auflage, und die Betäti­ gungsstange ist in einer relativ zum Ende der Ventilspindel maximal zurück­ gezogenen Stellung. In dieser Stellung sind folglich die beiden Enden zueinander mit einem axialen Spiel beabstandet, das als Ventilsteuerungsspiel bezeichnet wird. Dieses Spiel ist dazu bestimmt, die Auflage des Ventiltellers auf seinem Sitz sicherzustellen, und dies trotz möglicher dimensionaler Veränderungen, die dieser Auflage entgegenwirken können, wobei diese Veränderungen im wesentlichen auf die Ausdehnung der Teile unter der Wirkung der Temperaturveränderungen wäh­ rend des Betriebs des Motors zurückzuführen sind, in dem das Ventil installiert ist.

Um das Öffnen des Ventils zu steuern, wird die Betätigungsstange durch das Be­ tätigungsorgan in Richtung des Ventils verschoben, derart, daß die Betätigungs­ stange nach der Beseitigung des axialen Spiels mit der Ventilspindel oder mit einem Zwischenstück, das mit dieser verbunden ist, in Kontakt kommt, wodurch es zu einem Stoß kommt, der hart sein kann. Der Stoß stellt eine Betriebslärm­ quelle und eine Quelle der Beschädigung der Teile dar, die aneinanderstoßen.

Zum Dämpfen der Stöße zwischen zwei beweglichen, mit einem Spiel gelagerten Elementen sind hydraulische Stößel bekannt, die zwischen den beiden bewegli­ chen Elementen angeordnet werden, wobei diese Stößel einen Kolben enthalten, der verschiebbar in einem Zylinder gelagert ist und durch das Öl des unter Druck stehenden Schmierölkreislaufes verschoben wird, um den Zwischenraum zwi­ schen den beiden beweglichen Elementen auszufüllen. Die hydraulischen Stößel haben zwar einen hohen Wirkungsgrad, aber ihre nicht unerhebliche Masse kommt zu der der bewegten Teile hinzu, mit der Gefahr, daß das dynamische Verhalten der Betätigungsvorrichtung beeinträchtigt wird. Darüber hinaus haben die hydraulischen Stößel den Nachteil, daß sie kostspielig sind und viel Raum be­ anspruchen.

Zum Dämpfen dieser Stöße lehrt das Dokument DE 199 47 848 die Verwendung eines elastischen Puffers, der Wülste hat, die in Nuten der Betätigungsstange und der Ventilspindel eingefügt werden und die fest mit der Betätigungsstange bzw. der Ventilspindel verbundenen Anlageorgane bilden, so daß während der Ver­ ringerung des Spiels der elastische Puffer zusammengedrückt wird und die Ge­ schwindigkeit des Endes der Betätigungsstange relativ zum Ende des Ventils fort­ schreitend verringert. Der Stoß des Endes der Stange auf die Ventilspindel wird folglich gedämpft, und dies trägt dazu bei, daß der während des Stoßes erzeugte Lärm reduziert wird.

Um jedoch zu vermeiden, daß die Wülste des elastischen Puffers während des Betriebs der Betätigungsvorrichtung aus den Nuten heraustreten, ist es erforder­ lich, Klemmringe vorzusehen, um den elastischen Puffer im Bereich jeder Wulst festzuklemmen, und dies führt zu Schwierigkeiten bei der Montage.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung der vorgenannten Art vorgesehen, die einen elastischen Puffer enthält, der zwischen zwei Anlageorganen gelagert ist, die fest mit der Betätigungsstange bzw. der Ventilspindel verbunden sind, wobei mindestens eines der Anlageorgane relativ zu einer Endfläche des Endes, mit dem es fest verbunden ist, zurückgesetzt ist, wobei der elastische Puffer so ange­ ordnet ist, daß er einen direkten Kontakt zwischen den gegenüberliegenden En­ den während eines Stauchens des elastischen Puffers ermöglicht, und wobei mindestens eines der Anlageorgane an einer Endfläche des elastischen Puffers anliegt.

Während der Montage reicht es folglich aus, den elastischen Puffer und das Anla­ georgan aneinanderzusetzen, um einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad des elastischen Puffers zu erhalten.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt hat der elastische Puffer einen zentralen Ka­ nal, der einen abgeschlossenen Bereich zwischen dem fest mit der Betätigungs­ stange verbundenen Anlageorgan und dem fest mit dem Ventil verbundenen An­ lageorgan begrenzt.

Die Minderung des Volumens des abgeschlossenen Bereichs während des Ver­ ringerns des Spiels führt daher zu einer Kompression des in dem abgeschlos­ senen Bereich enthaltenen Fluids. Diese Kompression verursacht eine zusätzliche Verlangsamung der Betätigungsstange, wodurch die Intensität des Stoßes im Au­ genblick des Kontaktes zwischen der Betätigungsstange und der Ventilspindel weiter herabgesetzt wird.

Ferner umgibt der abgeschlossene Bereich den Kontaktbereich zwischen den Elementen, die aneinanderstoßen, und wirkt der Ausbreitung des durch den Stoß erzeugten Lärms über die Luft entgegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der folgenden Beschreibung eines besonderen, die Erfindung nicht einschränkenden Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur deutlich, die einen Teil­ längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung zeigt.

Die hier beschriebene Ventilbetätigungsvorrichtung ist dazu bestimmt, ein Ventil zu betätigen, von dem in der Figur nur die Spindel 1 gezeigt ist.

Auf an sich bekannte Art ist das Ventil entlang einer Achse X verschiebbar gela­ gert und wird durch eine Rückstellfeder 2 zurückgezogen, die über einen Feder­ teller 3, der mit Hilfe von Keilen 4 fest mit der Spindel 1 verbunden ist, auf die Ventilspindel 1 einwirkt. Eine Anlagescheibe 10, die üblicherweise als Einstell­ plättchen des Ventilsteuerungsspiels bezeichnet wird, ist auf dem Ende der Spin­ del 1 angebracht.

Die Betätigungsvorrichtung enthält eine Betätigungsstange 5, von der in der Figur nur das untere Ende gezeigt ist, das eine ausgebauchte Endfläche hat. Die Betä­ tigungsstange 5 ist derart gelagert, daß sie koaxial zur Ventilspindel 1 verschoben werden kann. Die Betätigungsstange 5 wird durch ein Betätigungsorgan verscho­ ben, das eine Feder 6 enthält, die über einen Federteller 7 mit der Betätigungs­ stange 5 verbunden ist, wobei der Federteller durch relativ zur Endfläche zurück­ gesetzte Keile 8 mit der Betätigungsstange 5 verbunden ist.

Bei der in der Figur gezeigten Stellung liegt der Ventilteller auf seinem Sitz auf, und die Betätigungsstange 5 ist von der Scheibe 10 um ein axiales Spiel, das in der Figur mit J bezeichnet ist, beabstandet.

Erfindungsgemäß wird ein elastischer Puffer 9 aus einem Elastomer zwischen den Keilen 8 und der Scheibe 10 angeordnet. Der elastische Puffer 9 hat einen zylin­ drischen Körper 11 mit einem zentralen Kanal 16, der den elastischen Puffer 9 durchsetzt. Der untere Teil des Kanals 16 begrenzt mit der Scheibe 10 eine Kammer 12 zwischen dem unteren Ende der Betätigungsstange 5 und der Ober­ seite der Scheibe 10. An seinem oberen Ende ist der zylindrische Körper 11 mit einer Kappe 17 aus Metall versehen, deren Seitenwand die Außenfläche des Kör­ pers 11 über einen Teil seiner Höhe überdeckt. Die obere Endfläche des elasti­ schen Puffers 9 ist daher in Anlage an dem Anlageorgan, das unter Zwischenlage der Kappe 17 aus den Keilen 8 gebildet ist.

Der elastische Puffer hat an seiner Unterseite einen zum zylindrischen Körper 11 koaxialen Flansch 13, wobei sich die Unterseite des Flansches 13 radial erstreckt, um die Scheibe 10 zu überdecken. Der Flansch 13 hat eine Umfangsmulde 14, die mittels Verbindungskanälen 15, von denen in der Figur nur einer gezeigt ist, mit der Kammer 12 in Verbindung steht. Der Flansch 13 ist mit einer Kappe 18 aus Metall versehen, deren Seitenwand die Außenfläche des Flansches 13 über­ deckt. Die untere Endfläche des elastischen Puffers 9 ist daher in Anlage an dem Anlageorgan, das unter Zwischenlage der Kappe 18 aus der Anlagescheibe 10 gebildet ist.

Die Mulde 14 dient als Sammelbecken für das Schmieröl, das von einem Ab­ fließen des Öls entlang der Betätigungsstange 5 stammt. In der in der Figur ge­ zeigten Stellung wird das Öl durch die Kanäle 15 geleitet, die an der Unterseite der Kammer 12 nahe der Scheibe 10 münden.

Vor der Montage hat der zylindrische Körper eine Höhe, die leicht über dem ma­ ximalen Abstand zwischen der Anlagefläche der Keile 8 und der gegenüber­ liegenden Fläche der Scheibe 10 liegt, und der zentrale Kanal 16 hat einen Durchmesser, der leicht unter dem Durchmesser der Betätigungsstange 5 liegt. Während der Montage wird der elastische Puffer mit Kraft auf die Betätigungs­ stange 5 aufgepreßt, wodurch ein Herunterfallen oder eine schlechte Positionie­ rung des elastischen Puffers während der Positionierung der Betätigungsstange 5 gegenüber der Ventilspindel 1 vermieden werden kann. Nach der Montage ist der zylindrische Körper 11 leicht zwischen den Keilen 8 und der Scheibe 10 zusam­ mengedrückt, derart, daß die Kappen 17, 18 unabhängig von der relativen Entfer­ nung zwischen der Betätigungsstange 5 und der Scheibe 10 ständig mit dem ent­ sprechenden Anlageorgan in Kontakt bleiben.

Während des Betriebs der Betätigungsvorrichtung wird die Betätigungsstange 5 in eine Hin- und Herbewegung entlang der Achse X versetzt. Ausgehend von der in der Figur gezeigten Stellung, die einer Schließstellung des Ventils entspricht, er­ gibt sich, während einer Bewegung der Betätigungsstange 5, die darauf gerichtet ist, das Ventil zu öffnen, zuallererst ein Verringern des Spiels J.

Während des Verringerns des Spiels J wird der elastische Puffer 9 zusammen­ gedrückt und widersetzt sich dem Annähern der Betätigungsstange 5 und der Scheibe 10. Folglich wird die Intensität des Stoßes zwischen den beiden Ele­ menten herabgesetzt, wodurch der durch den Stoß erzeugte Lärm gedämpft wer­ den kann. Die Kappen 17, 18 verhindern die radiale Ausdehnung der äußeren Teile des elastischen Puffers 9, die sie überdecken, und tragen so zu einer Er­ höhung der axialen Steifigkeit des elastischen Puffers 9 und folglich des Wider­ standes bei, den der elastische Puffer 9 seiner Kompression entgegensetzt. Die Betätigungsstange 5 hat einen Aussteifungseffekt, der dem der Kappen 17, 18 ähnlich ist, indem sie die radiale Ausdehnung des elastischen Puffers 9 nach in­ nen in seinem auf die Betätigungsstange 5 aufgepreßten Abschnitt während der Kompression verhindert.

Während des Verringerns des Spiels J führt die Kompression des elastischen Puffers 9 ferner zu einer Verminderung des Volumens der Kammer 12, und dies hat ein Ausstoßen des in der Kammer 12 enthaltenen Öls durch die Verbindungs­ kanäle 15 zur Folge. Gleichzeitig verringert sich der Querschnitt der Verbindungs­ kanäle 15 aufgrund des Stauchens des elastischen Puffers 9, so daß sich die Verbindungskanäle 15 dem Durchtritt des Öls widersetzen, wobei der Widerstand mit der Kompression des elastischen Puffers 9 zunimmt. Dieser Widerstand trägt ebenso zu einem Abbremsen der Betätigungsstange 5 und folglich zu einer weite­ ren Reduzierung der Intensität des Stoßes zwischen der Betätigungsstange 5 und der Scheibe 10 bei.

Dazu wird angemerkt, daß die ausgebauchte Form der Endfläche der Betäti­ gungsstange 5 eine ringförmige Kammer bildet, wenn die Betätigungsstange 5 mit der Scheibe 10 in Kontakt kommt. Das Öl kann folglich weiterhin ausströmen, selbst wenn der elastische Puffer nur einen einzigen Kanal 15 hat, der in den zentralen Kanal 16 mündet. Es wird angemerkt, daß während der Hin- und Her­ bewegung der Betätigungsstange 5 Öl in die Kammer 12 gepumpt und an­ schließend aus dieser ausgestoßen wird. Das Öl hat folglich nicht nur die Wir­ kung, die Intensität des Stoßes der Betätigungsstange 5 auf die Scheibe 10 zu minimieren, sondern auch den Kontaktbereich zwischen dem Ende der Betäti­ gungsstange 5 und der Scheibe 10 zu schmieren. Diese Schmierung ermöglicht ein Abführen der durch die Stöße erzeugten Wärme durch das Öl und senkt so die Gefahr einer lokalen Beschädigung der aneinanderstoßenden Teile. In dieser Hinsicht ermöglicht die ausgebauchte Form des Endabschnittes der Betätigungs­ stange ein Abfließen des Öls auf dem kürzesten Weg vom Stoßbereich.

Darüber hinaus bildet die Kammer 12 um den Stoßbereich zwischen dem Ende der Betätigungsstange 5 und der Scheibe 10 herum einen abgeschlossenen Be­ reich mit Schallisolierung, der folglich der Ausbreitung des Stoßlärms über die Luft entgegenwirkt, und der elastische Puffer 9 trägt zu einer Dämpfung der Schwingungen der Scheibe 10 bei, die von dem Stoß erzeugt werden, und folglich zu einem Verringern der Ausbreitung des Stoßlärms durch die Scheibe 10.

In dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ermöglicht die stän­ dige Vorspannung des elastischen Puffers 9 den Erhalt einer kontinuierlichen Verformung des Puffers ohne Stoß, wodurch dessen Dauerfestigkeit beträchtlich erhöht wird. Darüber hinaus unterliegt der elastische Puffer 9 nicht der Gesamtheit der Stoßkraft der Betätigungsstange 5, sondern nur dem Bruchteil dieser Kraft, der zum Zusammendrücken des elastischen Puffers 9 für das Spiel J erforderlich ist. Während des Betriebs unterliegt der elastische Puffer 9 folglich einer Bean­ spruchung, die alternierend zwischen der ursprünglichen Beanspruchung durch die Vorspannung und einer Druckbeanspruchung mit vorgegebener und be­ grenzter Intensität variiert, und dies erweist sich als günstig für das Ermüdungs­ verhalten des elastischen Puffers 9.

Die Erfindung ist nicht auf das soeben beschriebene, besondere Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern umfaßt vielmehr jede Ausführungsvariante, die im Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen festgelegt ist, liegt.

Obgleich angegeben wurde, daß der elastische Puffer aus einem Elastomer her­ gestellt ist, kann man insbesondere jedes verformbare Material verwenden, das eine Druckfestigkeit aufweist. Dazu wird angemerkt, daß die Vorspannkraft sowie die auf den elastischen Puffer ausgeübte Kraft vorzugsweise ausreichend gering gegenüber den Rückstellkräften sind, die von den Federn 2 und 6 ausgeübt wer­ den, um nicht das dynamische Verhalten der Betätigungsvorrichtung zu verän­ dern.

Auch wenn angegeben wurde, daß die Anlageorgane zur Anlage am elastischen Puffer im vorliegenden Fall aus den Keilen der Betätigungsstange und der Scheibe gebildet sind, können die Anlageorgane aus jedem Ansatz oder ange­ setzten Teil gebildet sein, das zur Anlage am elastischen Puffer dienen kann.

Obwohl ein elastischer Puffer als rotationssymmetrischer Körper beschrieben wurde, kann dieser jede durch die Form der Betätigungsstange oder des Ventils oder durch die Suche nach optimalen Kompressionseigenschaften vorge­ schriebene Form haben.

Auch wenn angegeben wurde, daß die Scheibe im vorliegenden Fall gleichzeitig als Anlageorgan für den elastischen Puffer und als Anschlag für das Ende der Betätigungsstange gegenüber dem Ventil verwendet wird, können diese beiden Funktionen getrennt voneinander ausgebildet sein. Bei einer Betätigungs­ vorrichtung, die keine Scheibe 10 hat, kann beispielsweise der elastische Puffer auf dem Federteller 3 zur Anlage kommen, während die Betätigungsstange 5 di­ rekt auf der Endfläche der Ventilspindel anstößt. In diesem Fall muß der Kanal 15 in einem Bereich in den zentralen Kanal 16 münden, welcher der Position des Spiels J entspricht. Um die Verbindung mit dem Kanal 15 zu begünstigen, kann man in der den Kanal 16 begrenzenden Fläche eine ringförmige Nut vorsehen.

Obwohl angegeben wurde, daß der elastische Puffer mit Kraft auf die Betäti­ gungsstange aufgepreßt wird, kann der elastische Puffer auf das Ende des Ventils aufgepreßt werden oder auch einen zentralen Kanal aufweisen, der nicht auf eines der vorgenannten Enden aufgepaßt wird. In diesem letzten Fall kann der elastische Puffer auf einem der beiden Enden mittels einer Lippe gehalten wer­ den, die in den zentralen Kanal des elastischen Puffers hineinragt und in einer Nut des dazugehörigen Endes untergebracht ist. Ferner kann der zentrale Kanal Öff­ nungen, wie z. B. Längsschlitze, aufweisen.

Auch wenn angegeben wurde, daß die Kappen 17, 18 aus Metall sind, kann man diese Kappen aus jedem Material herstellen, das ausreichend steif ist, um die ra­ diale Ausdehnung des elastischen Puffers während seines Stauchens zu verhin­ dern.

Obgleich angegeben wurde, daß das Öl von einem Abfließen um die Betätigungs­ stange herum stammt, um die Mulde zu versorgen, kann man eine Düse des Schmierölkreises vorsehen, die dazu bestimmt ist, diese Funktion zu überneh­ men. Ferner kann man Kanäle vorsehen, die in dem elastischen Puffer ausge­ bildet sind und sich entlang des Abschnittes des elastischen Puffers erstrecken, der auf die Betätigungsstange aufgepreßt ist, um das Öl, das um die Betätigungs­ stange herum fließt, direkt in der Kammer 12 aufzufangen.

Claims (10)

1. Ventilbetätigungsvorrichtung, umfassend eine Betätigungsstange (5), die derart gelagert ist, daß sie entlang einer Schiebeachse (X) des Ventils verschoben werden kann, wobei das Ventil eine Spindel (1) hat, die ein Ende hat, das dem Ende der Betätigungsstange (5) gegenüberliegt, wobei die Vorrichtung einen elastischen Puffer (9) enthält, der zwischen zwei Anlageorganen (8, 10) gelagert ist, die fest mit der Betätigungsstange (5) bzw. der Ventilspindel (1) verbunden sind, wobei mindestens eines der Anlageorgane (8) relativ zu einer Endfläche des Endes, mit dem es fest verbunden ist, zurückgesetzt ist, und wobei der elastische Puffer (9) so angeordnet ist, daß er einen direkten Kontakt zwischen den gegenüber­ liegenden Enden während eines Stauchens des elastischen Puffers (9) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Anlage­ organe an einer Endfläche des elastischen Puffers (9) anliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elasti­ sche Puffer (9) einen zentralen Kanal (16) hat, der einen abgeschlos­ senen Bereich (12) zwischen dem fest mit der Betätigungsstange (5) ver­ bundenen Anlageorgan (8) und dem fest mit dem Ventil verbundenen Anlageorgan (10) begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Puffer (9) auf mindestens einem der Enden der Betäti­ gungsstange (5) und der Ventilspindel (1) in Position gehalten wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elasti­ sche Puffer (9) dadurch in Position gehalten wird, daß er mit Kraft auf das Ende aufgepreßt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Puffer (9) eine Umfangsmulde (14) und einen Verbindungskanal (15) enthält, der sich zwischen dem zentra­ len Kanal (16) und der Mulde (14) erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe (10) zwischen dem elastischen Puffer (9) und der Ventilspindel (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (14) an ein Ende des elastischen Puffers angrenzt, das an der Scheibe zur Anlage kommt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Betätigungsstange ausgebaucht ist, und der Verbindungskanal (15) nahe der Scheibe (10) in den zentralen Kanal (16) mündet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des elastischen Puffers von einer Kappe (17, 18) umschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Puffer (9) in einem komprimierten Zustand ist, unabhängig von der relativen Entfernung zwischen der Betä­ tigungsstange (5) und dem Ventil.