DE10354076B4 - Leichtbauventil - Google Patents
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Abstract
Leichtbauventil
(1) mit einem Ventilschaft (3), einem hohlen Ventilkegel (5) sowie
einem den Ventilkegelhohlraum auf einer Seite verschließenden Ventilteller
(7), wobei die Anordnung der Fügestelle
zwischen Ventilteller (7) und Ventilschaft (3) so gewählt ist,
dass die Fügestelle
zwischen Ventilteller (7) und Ventilschaft (3) im Betrieb des Leichtbauventils
(1) frei von auf den Ventilteller (7) und/oder den Ventilschaft
(3) wirkenden Biegekräften ist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass der Ventilteller (7) ein Schaftverbindungsglied (21) aufweist, das einstückig mit dem Ventilteller (7) ausgebildet ist und an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft (3) verbunden ist,
– und dass die Fügestelle zwischen Schaftverbindungsglied (21) und Ventilschaft (3) sich innerhalb des Ventilkegelhohlraums befindet.
dadurch gekennzeichnet,
– dass der Ventilteller (7) ein Schaftverbindungsglied (21) aufweist, das einstückig mit dem Ventilteller (7) ausgebildet ist und an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft (3) verbunden ist,
– und dass die Fügestelle zwischen Schaftverbindungsglied (21) und Ventilschaft (3) sich innerhalb des Ventilkegelhohlraums befindet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Leichtbauventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
- 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. - Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbauventil der eingangs genannten Art zu schaffen, dass diesen Nachteil nicht aufweist.
- 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.
- Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Leichtbauventils ergeben sich aus Kombinationen der in der Beschreibung und in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen erstes Ausführungsbeispiels eines Leichtbauventils für Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung; -
2 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Fügestelle zwischen einem Ventilteller und einem Ventilschaft. -
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mehrteilig ausgebildeten Leichtbauventils1 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 Leichtbauventils1 entsprechend gewählt wird. - Das in
1 dargestellte Leichbauventil1 umfasst einen Ventilschaft3 , einen von einem Blechbauteil gebildeten, hohlen Ventilkegel5 sowie einen den Ventilkegel5 verschließenden Ventilteller7 . - Der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilschaft
3 weist einen durchmessergrößeren Längsabschnitt9 auf, an den sich ein durchmesserkleinerer Längsabschnitt11 anschließt, wodurch an der Ventilschaft-Außenumfangsfläche13 eine umlaufende, ringförmige Anlageschulter gebildet ist. Alternativ kann der Ventilschaft3 aus Gründen der Gewichtsreduzierung auch einen Hohlraum aufweisen. Der Ventilschaft3 kann beispielsweise von einem präzisionsgezogenen Rohr aus Stahl, beispielsweise X45, gebildet sein, das an seinem nicht dargestellten Ende mittels eines Ventilschaftendstücks/-fußes verschlossen. - Der Ventilkegel
5 ist von einem separaten Blechteil gebildet und weist eine nur geringe Wandstärke auf. Der einstückige Ventilkegel5 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 Ventilschaft3 mit seinem durchmesserkleineren Längsabschnitt11 im zusammengefügten Zustand hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung ist gleich groß wie oder größer als der Außendurchmesser des Längsabschnitts11 , so dass dieser die Durchgangsöffnung entweder mit Spiel durchgreift oder eine Kraftschlussverbindung zwischen Ventilschaft3 und Ventilkegel5 gebildet ist. Beim Aufstecken des Ventilkegels5 auf den Längsabschnitt11 beziehungsweise beim Einführen des Längsabschnitts11 in den Ventilkegel5 erfolgt selbsttätig eine Ausrichtung/Zentrierung dieser Teile zueinander. - Der Ventilteller
7 ist auf seiner im Betrieb des Leichtbauventils1 dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Flachseite mit einer Vertiefung15 versehen, in die der Ventilkegel7 mit seinem durchmessergrößeren Ende hineinragt, wie aus1 ersichtlich. Die Vertiefung15 ist dabei so ausgebildet, dass der Übergang zwischen dem Ventilteller7 und dem Ventilkegel5 in deren Anbindungsbereich stufenlos ist. Mittels des Ventiltellers7 wird der Hohlraum des Ventilkegels5 verschlossen. - Der Ventilteller
7 ist scheibenförmig ausgebildet und weist einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt17 mit gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden, kegligen zweiten Längsabschnitt19 auf, wobei der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts19 gleich groß wie der Kegelwinkel des Ventilkegels7 an seinem durchmessergrößeren Ende ist, wodurch ein stufenloser Übergang im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisiert ist, wie in1 dargestellt. - Der Ventilteller
7 weist auf seiner die Vertiefung15 aufweisenden Flachseite ein Schaftverbindungsglied21 auf, das einstückig mit dem Ventilteller7 ausgebildet ist und sich in dessen Mitte befindet. Das Schaftverbindungsglied21 ist an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft3 verbunden, was beispielsweise durch Reib-, Strahl-, Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen realisierbar ist. Dabei stößt die Stirnfläche des Schaftverbindungsglieds21 gegen die Stirnfläche des Ventilschaft-Längsabschnitts11 . Die Fügestelle zwischen Ventilschaft und Ventilteller befindet sich bei dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gedachten, quer zur Längsmittelachse des Leichtbauventils1 verlaufenden Ebene E1. Die Länge des Schaftverbindungsglieds21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass bei zusammengesetztem Leichtbauventil1 die Fügestelle zwischen Schaftverbindungsglied21 und Ventilschaft3 innerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist. - Der Ventilkegel
5 liegt mit seiner an seinem durchmesserkleineren Ende befindlichen Stirnfläche an der durch den Durchmessersprung gebildeten Anlageschulter am Ventilschaft an. Wie aus1 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. - Der Ventilkegel
5 wird im Bereich des Führungs- und Zentrierabschnitts mit dem Ventilschaft3 und in dem im Bereich der Vertiefung15 liegenden Anbindungsbereich mit dem Ventilteller7 verschweißt und zwar vorzugsweise mittels Reib-, Strahl- oder Schmelzschweißverfahren. - Das anhand der
1 beschriebene Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils1 zeichnet sich durch geringe Wandstärken der einzelnen Teile, insbesondere des Ventilkegels5 , und somit durch ein nur geringes Gewicht aus. Die im Betrieb des Leichtbauventils1 auf den Ventilteller7 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter Weise über das mittig angeordnete Schaftverbindungsglied21 direkt in den Ventilschaft3 eingeleitet. Auf Grund des vorstehend genannten konstruktiven Aufbaus des Leichtbauventils1 werden die auf den Ventilteller7 wirkenden Gaskräfte nicht oder nur in unschädlichem Maße in den sehr dünnwandigen Ventilkegel5 eingeleitet. Eine unzulässig hohe Verformung des Ventilkegels5 kann daher mit Sicherheit ausgeschlossen werden. - Besonders hervorzugeben ist weiterhin, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller
7 beziehungsweise dem Schaftverbindungsglied21 und dem Ventilschaft3 zumindest im Wesentlichen frei von auf den Ventilteller7 und/oder den Ventilschaft3 wirkenden Biegekräften ist. Dies wird dadurch erreicht, dass sich die Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft innerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist und dass der Ventilkegel, auf Grund seines Eingriffs in die Vertiefung15 im Ventilteller7 und seiner stirnseitigen Abstützung an der Anlageschulter des Ventilschafts3 ein Verkippen des Ventiltellers7 verhindert. - Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Leichtbauventils
1 befindet sich die Fügestelle zwischen Ventilteller7 beziehungsweise Schaftverbindungsglied21 und dem Ventilschaft in der Ebene E2, also im Anbindungsbereich des Ventilkegels5 an den Ventilschaft3 . Gemäß einer dritten Ausführungsvariante des Leichtbauventils1 ist die Fügestelle zwischen dem mit dem Ventilteller7 einstückig ausgebildeten oder daran befestigten Schaftverbindungsglied21 und dem Ventilschaft3 in einer gedachten, dritten Ebene E3 angeordnet, die innerhalb einer in1 lediglich schematisch angedeuteten Ventilführung23 liegt. Gemäß einer vierten Ausführungsvariante des Leichtbauventils1 befindet sich die Fügestelle zwischen dem Schaftverbindungsglied21 und dem Ventilschaft3 oberhalb der Ventilführung23 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 Vertiefung15 , 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. -
2 zeigt eine Ausführungsvariante zum Verbinden des Schaftverbindungsglieds21 und des Ventilschafts3 , nämlich mittels einer Zapfen-Loch-Verbindung, wobei Schaftverbindungsglied und Ventilschaft zusätzlich noch miteinander ver schweißt werden können. Das Schaftverbindungsglied21 weist an seiner Stirnfläche25 ein Sackloch27 auf, während der Ventilschaft3 mit einem seine Stirnfläche29 durchdringenden Hohlraum31 versehen ist. Im Sackloch27 und dem Hohlraum31 ist ein Verbindungszapfen33 vorgesehen. Wie in2 angedeutet, kann sich die Fügestelle in jeder der vorstehend beschriebenen Ebenen1 bis4 befinden. - Festzuhalten bleibt noch, dass der Ventilschaft
3 , der Ventilteller7 sowie das Schaftverbindungsglied21 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. - 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 Ventilteller 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.
- 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. - Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils ist der als Blechbauteil ausgebildete Ventilkegel
5 aus unlegiertem Baustahl, insbesondere St-52, oder niedrig legierter Stahl, insbesondere Xl0Cr13, hergestellt. Der Ventilkegel5 kann kostengünstig in einem Tiefziehverfahren hergestellt werden.
Claims (4)
- Leichtbauventil (
1 ) mit einem Ventilschaft (3 ), einem hohlen Ventilkegel (5 ) sowie einem den Ventilkegelhohlraum auf einer Seite verschließenden Ventilteller (7 ), wobei die Anordnung der Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) so gewählt ist, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) im Betrieb des Leichtbauventils (1 ) frei von auf den Ventilteller (7 ) und/oder den Ventilschaft (3 ) wirkenden Biegekräften ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ventilteller (7 ) ein Schaftverbindungsglied (21 ) aufweist, das einstückig mit dem Ventilteller (7 ) ausgebildet ist und an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft (3 ) verbunden ist, – und dass die Fügestelle zwischen Schaftverbindungsglied (21 ) und Ventilschaft (3 ) sich innerhalb des Ventilkegelhohlraums befindet. - Leichtbauventil (
1 ) mit einem Ventilschaft (3 ), einem hohlen Ventilkegel (5 ) sowie einem den Ventilkegelhohlraum auf einer Seite verschließenden Ventilteller (7 ), wobei die Anordnung der Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) so gewählt ist, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) im Betrieb des Leichtbauventils (1 ) frei von auf den Ventilteller (7 ) und/oder den Ventilschaft (3 ) wirkenden Biegekräften ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) im eingebauten Zustand des Leichtbauventils (1 ) innerhalb einer Führung (23 ) für den Ventilschaft (3 ) angeordnet ist. - Leichtbauventil (
1 ) mit einem Ventilschaft (3 ), einem hohlen Ventilkegel (5 ) sowie einem den Ventilkegelhohlraum auf einer Seite verschließenden Ventilteller (7 ), wobei die Anordnung der Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) so gewählt ist, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller (7 ) und Ventilschaft (3 ) im Betrieb des Leichtbauventils (1 ) frei von auf den Ventilteller (7 ) und/oder den Ventilschaft (3 ) wirkenden Biegekräften ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ventilteller (7 ) ein Schaftverbindungsglied (21 ) aufweist, das einstückig mit dem Ventilteller (7 ) ausgebildet ist und an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft (3 ) verbunden ist, – und dass die Fügestelle zwischen Schaftverbindungsglied (21 ) und Ventilschaft (3 ) sich im Anbindungsbereich des hohlen Ventilkegels (5 ) an den Ventilschaft (3 ) befindet. - Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung des Ventilkegels (
5 ) an den Ventilteller (7 ) so ausgeführt ist, dass der Ventilteller (7 ) bei Beaufschlagung mit im Betrieb des Leichtbauventils (1 ) auftretenden Kräften vom Ventilkegel (5 ) abgestützt ist.
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