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Die
Erfindung betrifft ein Leichtbauventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen,
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Leichtbauventile
der hier angesprochenen Art sind bekannt (
DE 198 04 053 A1 ). Sie
werden unter anderem als Ein- und Auslassventile für Verbrennungsmotoren
eingesetzt und umfassen einen Ventilschaft, an den sich ein trichter-/trompetenförmiger Ventilkegel
anschließt.
Der Ventilkegel ist zum Zwecke der Gewichtsreduzierung hohl und
weist eine nur geringe Wandstärke
auf. Der Ventilkegel ist an seinem durchmessergrößeren Ende mittels eines Ventiltellers
verschlossen. Gemäß einer
Ausführungsvariante
ist der Ventilkegel von einem separaten Blechbauteil gebildet, das
mit dem Ventilschaft und dem Ventilkegel verschweißt ist.
Das bekannte Leichtbauventil weist den Nachteil auf, dass im Betrieb
des Leichtbauventils auf die Fügestelle
zwischen Ventilschaft und Ventilteller hohe Biegekräfte wirken.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbauventil der eingangs genannten
Art zu schaffen, dass diesen Nachteil nicht aufweist.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Leichtbauventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgeschlagen. Die Fügestelle
zwischen Ventilteller und Ventilschaft ist im Betrieb des Leichtbauventils
dadurch frei oder im Wesentlichen frei von auf den Ventilteller
beziehungsweise den Ventilschaft wirkenden Biegekräften gehalten,
indem die Anordnung der Fügestelle
zwischen Ventilteller und Ventilschaft und zusätzlich oder alternativ die
Ausgestaltung der Anbindung des Ventilkegels an den Ventilschaft und/oder
an den Ventilteller entsprechend ausgestaltet ist.
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Besonders
vorteilhafte Ausführungsbeispiele des
Leichtbauventils ergeben sich aus Kombinationen der in der Beschreibung
und in den Unteransprüchen
genannten Merkmale.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
erstes Ausführungsbeispiels
eines Leichtbauventils für
Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung;
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2 in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Fügestelle
zwischen einem Ventilteller und einem Ventilschaft und
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3 in
schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Fügestelle
zwischen Ventilteller und Ventilschaft.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines mehrteilig ausgebildetem Leichtbauventils 1 für Verbrennungsmotoren.
Dieses kann als thermisch weniger belastetes Einlassventil oder
als thermisch höher belastetes
Auslassventil eingesetzt werden, wobei das Material der einzelnen
Teile in Abhängigkeit
der Verwendung des Leichtbauventils 1 entsprechend gewählt wird.
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Das
in 1 dargestellte Leichbauventil 1 umfasst
einen Ventilschaft 3, einen von einem Blechbauteil gebildeten,
hoh len Ventilkegel 5 sowie einen den Ventilkegel 5 verschließenden Ventilteller 7.
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Der
einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisende Ventilschaft 3 weist einen durchmessergrößeren Längsabschnitt 9 auf,
an den sich ein durchmesserkleinerer Längsabschnitt 11 anschließt, wodurch an
der Ventilschaft-Außenumfangsfläche 13 eine
umlaufende, ringförmige
Anlageschulter gebildet ist. Alternativ kann der Ventilschaft 3 aus
Gründen
der Gewichtsreduzierung auch einen Hohlraum aufweisen. Der Ventilschaft 3 kann
beispielsweise von einem präzisionsgezogenen
Rohr aus Stahl, beispielsweise X45, gebildet sein, das an seinem
nicht dargestellten Ende mittels eines Ventilschaftendstücks/-fußes verschlossen.
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Der
Ventilkegel 5 ist von einem separaten Blechteil gebildet
und weist eine nur geringe Wandstärke auf. Der einstückige Ventilkegel 5 weist
einen Grundkörper
in Form einer Tellerfeder auf, an dessen durchmesserkleineren Ende
ein kragenförmiger
Führungs-
und Zentrierabschnitt angeformt ist, welcher von einer Durchgangsöffnung durchdrungen
ist, durch die der Ventilschaft 3 mit seinem durchmesserkleineren
Längsabschnitt 11 im
zusammengefügten Zustand
hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung ist gleich groß wie oder
größer als
der Außendurchmesser
des Längsabschnitts 11,
so dass dieser die Durchgangsöffnung
entweder mit Spiel durchgreift oder eine Kraftschlussverbindung
zwischen Ventilschaft 3 und Ventilkegel 5 gebildet
ist. Beim Aufstecken des Ventilkegels 5 auf den Längsabschnitt 11 beziehungsweise
beim Einführen
des Längsabschnitts 11 in
den Ventilkegel 5 erfolgt selbsttätig eine Ausrichtung/Zentrierung
dieser Teile zueinander.
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Der
Ventilteller 7 ist auf seiner im Betrieb des Leichtbauventils 1 dem
Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Flachseite mit einer
Vertiefung 15 versehen, in die der Ventilkegel 7 mit
seinem durchmessergrößeren Ende
hineinragt, wie aus 1 ersichtlich. Die Vertiefung 15 ist
dabei so ausgebildet, dass der Übergang
zwischen dem Ventilteller 7 und dem Ventilkegel 5 in
deren Anbindungsbereich stufenlos ist. Mittels des Ventiltellers 7 wird
der Hohlraum des Ventilkegels 5 verschlossen.
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Der
Ventilteller 7 ist scheibenförmig ausgebildet und weist
einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt 17 mit
gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden,
kegligen zweiten Längsabschnitt 19 auf,
wobei der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts 19 gleich
groß wie
der Kegelwinkel des Ventilkegels 7 an seinem durchmessergrößeren Ende
ist, wodurch ein stufenloser Übergang
im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisiert ist, wie
in 1 dargestellt.
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Der
Ventilteller 7 weist auf seiner die Vertiefung 15 aufweisenden
Flachseite ein Schaftverbindungsglied 21 auf, das einstückig mit
dem Ventilteller 7 ausgebildet ist und sich in dessen Mitte
befindet. Das Schaftverbindungsglied 21 ist an seinem freien Ende
mit dem Ventilschaft 3 verbunden, was beispielsweise durch
Reib-, Strahl-, Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen realisierbar
ist. Dabei stößt die Stirnfläche des
Schaftverbindungsglieds 21 gegen die Stirnfläche des
Ventilschaft-Längsabschnitts 11.
Die Fügestelle
zwischen Ventilschaft und Ventilteller befindet sich bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
in einer gedachten, quer zur Längsmittelachse
des Leichtbauventils 1 verlaufenden Ebene E1. Die Länge des
Schaftverbindungsglieds 21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
so gewählt,
dass bei zusammengesetztem Leichtbauventil 1 die Fügestelle
zwischen Schaftverbin dungsglied 21 und Ventilschaft 3 innerhalb
des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist.
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Der
Ventilkegel 5 liegt mit seiner an seinem durchmesserkleineren
Ende befindlichen Stirnfläche an
der durch den Durchmessersprung gebildeten Anlageschulter am Ventilschaft
an. Wie aus 1 ersichtlich, ist der Übergang
zwischen Ventilkegel und Ventilschaft an deren Fügestelle, die in einer gedachten,
parallel zur ersten Ebene E1 verlaufenden zweiten Ebene E2 liegt,
stufenlos.
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Der
Ventilkegel 5 wird im Bereich des Führungs- und Zentrierabschnitts
mit dem Ventilschaft 3 und in dem im Bereich der Vertiefung 15 liegenden Anbindungsbereich
mit dem Ventilteller 7 verschweißt und zwar vorzugsweise mittels
Reib-, Strahl- oder Schmelzschweißverfahren.
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Das
anhand der 1 beschriebene Ausführungsbeispiel
des Leichtbauventils 1 zeichnet sich durch geringe Wandstärken der
einzelnen Teile, insbesondere des Ventilkegels 5, und somit
durch ein nur geringes Gewicht aus. Die im Betrieb des Leichtbauventils 1 auf
den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter
Weise über
das mittig angeordnete Schaftverbindungsglied 21 direkt
in den Ventilschaft 3 eingeleitet. Auf Grund des vorstehend
genannten konstruktiven Aufbaus des Leichtbauventils 1 werden
die auf den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte nicht
oder nur in unschädlichem
Maße in
den sehr dünnwandigen
Ventilkegel 5 eingeleitet. Eine unzulässig hohe Verformung des Ventilkegels 5 kann daher
mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
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Besonders
hervorzugeben ist weiterhin, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller 7 beziehungsweise
dem Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft 3 zumindest
im Wesentli chen frei von auf den Ventilteller 7 und/oder
den Ventilschaft 3 wirkenden Biegekräften ist. Dies wird dadurch
erreicht, dass sich die Fügestelle
zwischen Ventilteller und Ventilteller innerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet
ist und dass der Ventilkegel, auf Grund seines Eingriffs in die
Vertiefung 15 im Ventilteller 7 und seiner stirnseitigen
Abstützung
an der Anlageschulter des Ventilschafts 3 ein Verkippen
des Ventiltellers 7 verhindert.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Leichtbauventils 1 befindet sich
die Fügestelle
zwischen Ventilteller 7 beziehungsweise Schaftverbindungsglied 21 und
dem Ventilschaft in der Ebene E2, also im Anbindungsbereich des
Ventilkegels 5 an den Ventilschaft 5. Gemäß einer
dritten Ausführungsvariante
des Leichtbauventils 1 ist die Fügestelle zwischen dem mit dem Ventilteller 7 einstückig ausgebildeten
oder daran befestigten Schaftverbindungsglied 21 und dem
Ventilschaft 3 in einer gedachten, dritten Ebene E3 angeordnet,
die innerhalb einer in 1 lediglich schematisch angedeuteten
Ventilführung 23 liegt.
Gemäß einer
vierten Ausführungsvariante
des Leichtbauventils 1 befindet sich die Fügestelle
zwischen dem Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft 3 oberhalb der
Ventilführung 23 in
einer gedachten, vierten Ebene E4. Gemäß einer vierten Ausführungsvariante,
bei der der Ventilteller kein Schaftverbindungsglied aufweist und
der Ventilschaft den Ventilteller direkt abstützt, befindet sich die Fügestelle
unmittelbar am Ventilteller beziehungsweise im Grund der Vertiefung 15,
sofern eine Vertiefung vorgesehen ist. Bei allen der vorstehend
beschriebenen Ausführungsvarianten
ist sichergestellt, dass die Fügestelle
zwischen Ventilteller/Schaftverbindungsglied und Ventilschaft zumindest
im Wesentlichen frei von Biegekräften
ist.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsvariante zum
Verbinden des Schaftverbindungsglieds 21 und des Ventilschafts 3,
nämlich
mittels einer Zapfen-Loch-Verbindung, wobei Schaftverbindungsglied und
Ventilschaft zusätzlich
noch miteinander verschweißt
werden können.
Das Schaftverbindungsglied 21 weist an seiner Stirnfläche 25 ein
Sackloch 27 auf, während
der Ventilschaft 3 mit einem seine Stirnfläche 29 durchdringenden
Hohlraum 31 versehen ist. Im Sackloch 27 und dem
Hohlraum 31 ist ein Verbindungszapfen 33 vorgesehen.
Wie in 2 angedeutet, kann sich die Fügestelle in jeder der vorstehend
beschriebenen Ebenen 1 bis 4 befinden.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsvariante zum
Verbinden des Schaftverbindungsglieds 21 und des Ventilschafts 3,
bei der der Verbindungszapfen 33 einstückig am Ventilschaft 3 ausgebildet
ist. Das Sackloch 27, in das der Verbindungszapfen 33 eingreift,
befindet sich hier in einem aus Vollmaterial bestehenden, den Ventilkegel 5 und
den Ventilteller 7 bildenden Bauteil. Anders als bei den
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist kein Schaftverbindungsglied vorgesehen.
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Festzuhalten
bleibt noch, dass der Ventilschaft 3, der Ventilteller 7 sowie
das Schaftverbindungsglied 21 aus dem gleichen Material
oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass der Ventilteller mit dem gegebenenfalls daran vorgesehenen
Schaftverbindungsglied aus der intermetallischen Phase Titanaluminid (TiAl)
oder einer TiAl-Legierung durch Gießen hergestellt ist. Dieser
Ventilteller weist ein nur geringes Gewicht auf und ist zudem extrem
verschleißfest.
Nach einer anderen Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass der Ventil teller aus Stahl, insbesondere Werkzeugstahl
besteht und durch Schmieden hergestellt ist. Nach einer dritten
Ausführungsvariante
wird der Ventilteller mittels eines Pulvermetallurgie-Herstellungsverfahren
gefertigt, insbesondere aus einem Werkzeugstahl, welcher extrem
verschleißfest
ist.
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Bezüglich der
für den
Ventilschaft und den Ventilteller verwendbaren Materialien wird
auch auf die
DE 100
29 299 C2 verwiesen, deren Inhalt bezüglich der eingesetzten Materialien
Gegenstand dieser Beschreibung ist.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Leichtbauventils ist der als Blechbauteil ausgebildete Ventilkegel
aus unlegiertem Baustahl, insbesondere St-52, oder niedrig legierter Stahl,
insbesondere X10Cr13, hergestellt. Der Ventilkegel kann kostengünstig in
einem Tiefziehverfahren hergestellt werden.