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Die
Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung mit einem Grundkörper, einem
Deckel, welcher relativ zu dem Grundkörper um eine Drehachse verdrehbar
und axial verschiebbar ist, und einer Verdreheinrichtung zum Verdrehen
des Grundkörpers relativ
zum Deckel um die Drehachse.
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Derartige
Ventildrehvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE-AS 1 293 789 ,
US 2,827,886 ,
DE-OS 2 757 455 oder der
DE-OS 30 04 320 bekannt.
Diese Ventildrehvorrichtungen werden bei Verbrennungsmotoren, insbesondere
großen
Dieselmotoren eingesetzt, da dort der Ventilsitz und der Ventilschaft
einem relativ starken Verschleiß ausgesetzt
sind. Eine Ventildrehvorrichtung dient einer gleichmäßigen thermischen
Belastung und somit Abnutzung des Ventiles und sorgt zusätzlich für eine Reinigung
des Ventilsitzes von Ölkohle.
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Bei
herkömmlichen
Ventildrehvorrichtungen ist der Deckel über eine scheibenförmige Tellerfeder drehbar
gelagert, welche unmittelbar auf Kugeln des Grundkörpers aufliegt.
Die Kugeln sind in Kugeltaschen mit geneigten Kugellaufbahnen in
Umfangsrichtung verteilt im Grundkörper angeordnet, wobei die
Kugeln mittels Tangentialfedern an einem oberen Punkt der geneigten
Kugellaufbahnen gehalten werden.
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Wird
das Ventil geöffnet,
so drückt
die Tellerfeder auf die Kugeln und diese rollen bis zum tiefsten Punkt
der geneigten Kugellaufbahn im Grundkörper. Dabei dreht sich die
Tellerfeder. Die Tangentialfedern werden zusammengedrückt. Die
Drehbewegung der Tellerfeder wird über den Deckel, die Ventilfeder,
den oberen Federteller und mittels Klemmstücken auf das Ventil übertragen.
Schließt
das Ventil, wird die Tellerfeder entlastet. Die Kugeln werden von
den Tangentialfedern ohne zu rollen wieder in die Ausgangslage zurückgeschoben.
Es ergibt sich eine Drehung also nur während des Öffnens des Ventils, während beim
Schließen
keine Rückdrehung
erfolgt. Bei einer obenliegenden Ventildrehvorrichtung kann sich
der Grundkörper über eine
Ventilfeder auch am Motorblock abstützen.
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Bei
diesen bekannten Ventildrehvorrichtungen wird zwar eine gute Verdrehung
erreicht. Allerdings ist die Standzeit dieser bekannten Ventildrehvorrichtungen
begrenzt. Denn an der Verdreheinrichtung entsteht sowohl an den
Kugeln als auch an den Kugellaufbahnen in den Kugeltaschen ein erheblicher
Verschleiß,
welcher als Pitting-Bildung bezeichnet wird.
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Bei
der Ventildrehvorrichtung nach der WO 01/73270 wird eine deutliche
Verschleißminderung und
damit eine entsprechende Erhöhung
der Standzeit erreicht. Doch wird auch bei dieser verbesserten Ventildrehvorrichtung
die eigentliche Verdrehbewegung über
in Axialrichtung geneigten Kugellaufbahnen und Kugeln bewirkt, welche
durch die axiale Ventilkraft in die Kugeltaschen gedrückt werden.
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Aus
der
US 1,414,499 und
der
US 1,479,169 sind
Verdrehvorrichtungen bekannt, bei denen die Verdrehbewegung in Art
einer mechanischen Kurvensteuerung erzeugt wird. Ein Stift ist dabei
in einer sprialförmigen
Nut einer Büchse
geführt.
Zur Übertragung
der Verdrehbewegung nur in einer Hubrichtung ist eine Axialkupplung
mit zwei sich gegenüberliegenden
Zahnringen vorgesehen. Dabei wird ein Teil der Hubbewegung des Ventilschaftes
als Kuppelbewegung zum Kuppeln und Entkuppeln benötigt und steht
für die
Verdrehbewegung nicht zur Verfügung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventildrehvorrichtung
anzugeben, welche bei einem einfachen und kompakten Aufbau eine
gute Verdrehbewegung bei einer hohen Standzeit ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Ventildrehvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Verdreheinrichtung einen Freilauf
aufweist, und dass der Freilauf in einer Drehrichtung um die Drehachse
drehfest mit dem Deckel oder dem Grundkörper verbunden ist, während in
der entgegengesetzten Drehrichtung der Freilauf drehbar gegenüber dem
Deckel bzw. dem Grundkörper
ist. Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die bisher bekannten
Kugeltaschen im Grundkörper
mit darin angeordneten Kugeln einzusparen. Dies wird erfindungsgemäß durch
die Verwendung eines Freilaufes, also einer richtungsgeschalteten
Kupplung erreicht. Mittels des Freilaufes, welcher einerseits mit
dem Deckel und andererseits mit dem Grundkörper in Wirkverbindung steht,
kann zum Grundkörper
oder dem Deckel bei einer Drehbewegung in einer Richtung eine drehfeste
Verbindung erzeugt werden, während
in der entgegengesetzten Richtung keine Drehmomentübertragung
vom Freilauf auf den Grundkörper
bzw. den Deckel erfolgt. Je nach Anwendungsfall können einfache
oder aufwendigere Freiläufe,
wie Klinkenfreiläufe,
Klemmfreiläufe,
Klemmrollenfreiläufe
oder Zahnfreiläufe
etc. eingesetzt werden.
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Durch
den Wegfall der Kugeltaschen und der darin befindlichen Kugeln im
Grundkörper
entfallen auch die damit verbundenen Verschleißeffekte, insbesondere die
Pitting-Bildung. Die Herstellung des Grundkörpers in der gesamten Ventildrehvorrichtung wird
hierdurch vereinfacht, wobei Freiläufe auch als Fertigteil bezogen
werden können.
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Weiter
ist es erfindungsgemäß, dass
die Verdreheinrichtung mindestens ein Verdrehelement aufweist, durch
welches bei einer Axialverschiebung zwischen Deckel und Grundkörper eine
Verdrehung des Freilaufes gegenüber
dem Deckel oder dem Grundkörper
bewirkbar ist. Das Verdrehelement bewirkt bei einer relativen Axialbewegung
zwischen Deckel und Grundkörper
eine Ablenkung in Umfangsrichtung um die Drehachse. Es wird also
in mechanisch einfacher Weise eine Verdrehung erreicht.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform besteht
darin, dass das Verdrehelement ein Stift ist, welcher an einer Seite
des Freilaufes angeordnet ist und in eine schräg zur Drehachse verlaufende
Nut an dem Deckel oder dem Grundkörper eingreift. Die Nut dient
also als eine Kulisse, welche entsprechend ihrem Neigungswinkel
gegenüber
der Drehachse den Verdrehwinkel vorgibt. Wenn die Nut linear ist,
ergibt sich ein entsprechende gleichmäßige Verdrehbewegung. Die Nut
kann jedoch auch in Form einer beliebigen gekrümmten Kurve verlaufen, so dass
nahezu jede gewünschte
Drehbewegung zwischen Deckel und Grundkörper einstellbar ist. Beispielsweise
kann zu Beginn und/oder zum Ende der Drehbewegung eine Beschleunigung
oder Verlangsamung erfolgen, wodurch ein besonders Ventil schonendes Öffnungs- und
Schließverhalten
oder ein zusätzlicher
Reinigungseffekt eingestellt werden kann.
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Um
bei dieser Kulissensteuerung der Drehbewegung ein besonders verschleißarmes Verhalten zu
erreichen, ist es erfindungsgemäß, dass
der Stift mit einem Gleitlager oder einem Wälzlager versehen ist. Grundsätzlich ist
bereits ein einzelnes Verdrehelement für eine gewünschte Verdrehung ausreichend.
Es können
aber auch zwei oder mehr Verdrehele mente vorgesehen sein, so dass
sich die Belastung an den einzelnen Verdrehelementen entsprechend
verringert.
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Eine
alternative Möglichkeit
besteht nach der Erfindung darin, dass das Verdrehelement eine Verzahnung
an dem Freilauf ist, welche mit einer entsprechenden Verzahnung
am Deckel oder dem Grundkörper
zusammenwirkt. Die Verzahnung stellt dabei eine Schrägverzahnung
dar, welche einen vorgegebenen Schrägungswinkel gegenüber der
Drehachse aufweist.
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Grundsätzlich können auch
noch andere positiv und/oder negativ ausgebildete Verdrehelemente eingesetzt
werden, beispielsweise im Querschnitt halbkreisförmige Nuten an den gegenüberliegenden Teilen,
in welchen Kugeln entsprechend einer Kugelumlaufspindel geführt sind.
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Eine
besonders zuverlässige
Kuppelbarkeit des Freilaufes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der
Freilauf mindestens ein Kupplungselement aufweist, welches in einer
senkrecht zur Drehachse gerichteten Ausnehmung verschiebbar zwischen
einer Klemmposition und einer Freilaufposition gelagert ist.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, dass das Kupplungselement eine Walze oder eine Kugel
ist. Hierdurch werden Reibungseffekte im Freilauf weiter vermindert.
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Grundsätzlich sind
die Kupplungselemente im Freilauf so angeordnet, dass deren Klemmwirkung
im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Ventildrehvorrichtung
gerichtet ist.
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Durch
diese Anordnung werden die Kupplungselemente durch die axial wirkenden
Ventilkräfte praktisch
nicht belastet, was sich positiv auf deren Standzeit auswirkt.
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Für einen
besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist es
vorgesehen, dass der Freilauf ringscheibenförmig ausgebildet ist, an dessen
einer Stirnseite mindestens ein Kupplungselement und an der anderen
Stirnseite mindestens ein Verdrehelement angeordnet ist. Kupplungselemente
können
an der innenseitigen Stirnseite angeordnet sein, während die
Verdrehelemente an der außenseitigen
Stirnseite befestigt sind. Für
die Anordnung einer besonders großen Vielzahl von Kupplungselementen
können
diese aber auch an der Ringaußenseite
in Ausklinkungen vorgesehen sein, während die Verdrehelemente an
der Ringinnenseite positioniert sind.
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Nach
der Erfindung werden Reibungseffekte in der Ventildrehvorrichtung
dadurch vermindert, dass der Freilauf über ein Wälzlager drehbar und axial fest
an dem Grundkörper
oder dem Deckel gelagert ist. Durch ein Axiallager kann der Freilauf
relativ dünn
ausgebildet werden, da er durch den anliegenden Grundkörper bzw.
den anliegenden Deckel axial versteift ist.
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Um
den Deckel vom Grundkörper
auseinanderzudrücken,
wenn diese durch die Ventilkraft zusammengedrückt wurden, ist erfindungsgemäß eine Axialfedereinrichtung
vorgesehen, welche zwischen dem Deckel und dem Grundkörper angeordnet
ist.
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Dabei
ist es für
einen kompakten Aufbau bevorzugt, dass die Axialfedereinrichtung
sich auf dem Freilauf abstützt.
Die Axialfedereinrichtung ist damit an einer Seite zusammen mit
dem Freilauf drehbar gelagert. Auch an der gegenüberliegenden Seite der Axialfedereinrichtung
kann ein Axiallager, etwa ein Nadellager, vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
weiter beschrieben, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt
sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht
durch eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung;
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2 eine vergrößerte Detailansicht
von 1;
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3 eine alternative Ausführung gemäß der Ansicht
von 2:
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4 eine weitere alternative
Ausführung gemäß der Ansicht
von 2;
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5 eine schematische vergrößerte Draufsicht
auf einen Freilauf für
eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung;
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6 eine Teilquerschnittsansicht
des Freilaufes von 5;
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7 eine vergrößerte Detailansicht
einer Ausklinkung des Freilaufes von 5;
und
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8 eine schematische Querschnittsansicht
eines Deckels für
eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung.
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In
der Zusammenbauzeichnung von 1 ist
eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung 10 mit
einem zweiteiligen Grundkörper 12 dargestellt, welcher
aus einem hülsenförmigen Teil 12a und
einem scheibenförmigen
Teil 12b zu sammengesetzt ist. Der Grundkörper 12 kann
mit einem Ventilschaft verbunden werden, während ein gegenüber dem Grundkörper 12 drehbar
und axial verschiebbar gelagerter Deckel 14 sich über eine
Ventilfeder am Motorblock abstützen
kann. Zwischen dem zylinderschalenförmigen Deckel 14 und
dem Grundkörper 12 ist ein
Tellerfederpaket als eine Axialfedereinrichtung 18 angeordnet.
Diese stützt
sich einerseits am Deckel 14 und andererseits an einem
Freilauf 40 ab, welcher über ein Lager 20,
insbesondere ein Nadellager, am Grundkörper 12 axial fest,
jedoch drehbar gegenüber einer
Drehachse 16 gelagert ist.
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Der
ringscheibenförmige
Freilauf 40 steht über
schematisch angedeutete Kupplungselemente 46 mit der Außenseite
des hülsenförmigen Grundkörpers 12a in
Wirkverbindung. Über
diese Kupplungselemente 46 an der inneren Ringstirnseite
kann der Freilauf 40 in einer Drehrichtung fest mit dem
Grundkörper 12 verbunden
werden, während
in der anderen Drehrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Freilauf 40 und
dem Grundkörper 12 möglich ist. An
der anderen außenliegenden
Stirnseite des ringförmigen
Freilaufes 40 sind als Verdrehelement Stifte 50 befestigt,
welche sich radial nach außen
erstrecken und in Nuten in dem Deckel 40 hineinragen. Diese
Anordnung ist in 2 nochmals
in vergrößerter Detailansicht
dargestellt.
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Eine
alternative Ausgestaltung dieser Anordnung eines Stiftes 50 als
Verdrehelement ist in 3 gezeigt,
wobei zur Reibungsminderung am freien Ende des Stiftes ein Wälzlager 54 befestigt
ist. Der Stift 50 mit oder ohne Wälzlager 54 dient als
ein Verdrehelement, welches in eine in 8 schematisch dargestellte Nut 52 im
Deckel 14 eingreift. Die Nut 52 ist gegenüber der
Drehachse 16 um einen definierten Winkel α angestellt,
welcher vorzugsweise zwischen 5° und
45° beträgt. Für spezielle
Anwendungen sind auch größere oder
kleinere Winkel möglich.
Bei einem axialen Zusammendrücken
des Deckels 14 relativ zum Grundkörper 12 wird durch
die schräggestellte
Nut 52 der Stift 50 entsprechend einer mechanischen
Kurvensteuerung in Umfangsrichtung abgelenkt und kann so eine Drehung
des Freilaufes 40 bewirken. Wenn in dieser Drehrichtung
der Freilauf 40 mit dem Grundkörper 12 drehfest gekuppelt
ist, dreht sich dieser mit dem Freilauf 40. Es ergibt sich
also eine Relativdrehung zwischen Deckel 14 und Grundkörper 12.
Werden durch die Axialfedereinrichtung 18 der Deckel 14 und
der Grundkörper 12 wieder
axial auseinandergedrückt,
dreht sich der Freilauf 40 wieder zurück. Aufgrund der entgegengesetzten
Drehrichtung wird diese Rückdrehung
aber nicht auf den Grundkörper 12 übertragen.
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Eine
derartige mechanische Kurvensteuerung kann alternativ auch durch
die Ausführungsform gemäß 4 erreicht werden, bei welcher
an der Ringaußenseite
des Freilaufes 40 eine erste Verzahnung 56 ausgebildet
ist, welche in eine korrespondierende Innenverzahnung 58 eingreift.
Die Verzahnungen sind als Schrägverzahnungen
mit einem Schrägungswinkel
gegenüber
der Drehachse 16 ausgebildet, so dass sich bei einer Axialbewegung
eine entsprechende Bewegung in Umfangsrichtung ergibt.
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In
den 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel
für einen
ringscheibenförmigen
Freilauf 40 dargestellt. An seiner Ringinnenseite sind
im gleichmäßigen Winkelabstand
von 120° Ausklinkungen 44 eingebracht,
welche eine etwa tangentialverlaufende Auflagefläche aufweisen. Auf dieser Auflagefläche ist als
ein Kupplungselement eine Kugel 46 angeordnet, welche über eine
Druckfeder 48 etwa tangential zur Ringinnenseite gedrückt wird.
Bei einer Drehung des Freilaufes 40 im Uhrzeigersinn ergibt
sich bei der Anordnung gemäß 5 eine Klemm- oder Kupplungswirkung,
die eine drehfeste Verbindung zwischen dem Freilauf 40 und
beispielsweise dem Grundkörper 12 bewirkt.
In entgegengesetzter Drehrichtung hingegen werden die kugelförmigen Kupplungselemente 46 in
die hintere Ausnehmung der Ausklinkung 44 gedrückt, so
dass eine freie Drehung des Grundkörpers gegenüber dem Freilauf 40 möglich ist.
Gemäß 6 ist an der Außenseite
des Freilaufes 40 eine Bohrung 47 zur Aufnahme
des stiftförmigen
Verdrehelementes vorgesehen.