DE19804053A1 - Leichtbauventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauventil insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit einem Schaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller, wobei Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden und die Wandstärken von Ventilteller und Ventilkegel relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen.

Derartige Ventile sind z. B. aus der DE-OS 19 60 331, der EP-OS 091 097, der US 2,731,708 oder der US 1,294,416 be­ kannt.

Bei der Entwicklung moderner Motoren wird verstärkt auch an eine elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische An­ steuerung des Ventiltriebs gedacht. Die für derartige Ven­ tiltriebe aufzubringende Antriebsleistung wächst exponen­ tiell mit dem Gewicht der oszillierenden Massen, d. h. der Ventile. Daraus ergibt sich die Forderung, Leichtbauventile bezüglich des Gewichts weiter zu optimieren, d. h. insbe­ sondere die Wandstärken weiter zu minimieren.

Bei den meisten bekannten Leichtbauventilen wird durch das Bestreben, im Innern des Ventils einen möglichst großen Hohlraum zu schaffen, eine relativ große, nicht unterstütz­ te Bodenfläche zum Brennraum hin gebildet, die im Betrieb - insbesondere bei minimierten Wandstärken - durch den Ver­ brennungsdruck deformiert wird. Die durch diese Verformun­ gen entstehenden Verschiebungen an der Umfangsfläche des Ventilsitzes tragen zu einem vorzeitigen Verschleiß des Sitzes und zur zusätzlichen Beanspruchung des Ventils bei. Außerdem bewirken diese Verformungen eine zusätzliche Bean­ spruchung im Bereich der Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilkegel mit der Gefahr eines Aufplatzens der Ver­ bindung.

Eine Abstützung des Ventiltellers ist an sich aus der US 2,439,240 bekannt. Die dort dargestellte Lösung ist jedoch bedingt durch die Ausbildung der Abstützung herstellungs­ technisch aufwendig.

Ein weiterer Lösungsansatz ist aus der US 2,371,584 be­ kannt. Dort wird der Ventilteller mittig abgestützt, wobei die von der Abstützung aufgenommenen Kräfte über ein inner­ halb des Schafts angeordnetes Rohrstück in das Schaftende eingeleitet werden. Diese Anordnung ist aufwendig und er­ zielt nur teilweise den erwünschten Effekt einer minimalen Verformung des Ventilkopfes unter Last. Insbesondere ergibt sich aufgrund des Kraftflusses über den Schaft für diesen Lösungsansatz bei gleichen geometrischen Verhältnissen so­ gar eine Verschlechterung der Verformungswerte verglichen mit z. B. dem aus der EP-OS 091 097 bekannten Ventil.

Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei einem Leichtbauventil auf einfache Art und Weise die Stei­ figkeit des Ventilkopfes zu erhöhen.

Dieses Problem wird bei gattungsgemäßen Ventilen gelöst durch eine Ausbildung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 8 bzw. 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit erfindungsgemäßen Ventilen lassen sich Verformungswerte realisieren, die im Bereich der Werte von Ventilen mit ei­ nem Ventilkopf aus Vollmaterial liegen.

Dabei stellt die Ausführung nach Anspruch 1 eine weitgehen­ de Abkehr von der bisher üblichen Bauform für Leichtbauven­ tile dar, da der Ventilkegel nicht mehr einstückig mit dem Ventilschaft ist, sondern als Einzelteil hergestellt wird und der Ventilschaft sich - ggfs. mit einem Zwischenstück oder mit vergrößertem Durchmesser - zum Ventilteller hin fortsetzt.

Bei der Ausführung nach Anspruch 8 oder 9 wird die konven­ tionelle Bauform beibehalten und es wird der Ventilteller durch eine zusätzliche oder eine angeformte Hülse oder ein etwa zylindrisches Stück Vollmaterial gegen den Schaft ab­ gestützt.

Bei beiden Ausführungen ist der Schaft vorzugsweise als ge­ zogenes oder geschweißtes Rohr ausgeführt oder besteht aus Vollmaterial.

Die Fixierung des Ventilkegels am Schaft erfolgt vorzugs­ weise durch Löten oder Schweißen.

Unter "radial innen" ist zu verstehen: entfernt vom Außen­ durchmesser des Ventiltellers.

Durch das erfindungsgemäße Ventil wird ein Leichtbauventil geschaffen, das auch noch bei sehr dünnen Wandstärken und entsprechend geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit auf­ weist.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte durch Abstützung des Ven­ tiltellers gegen den Schaft oder eine Verlängerung des Schafts aufzunehmen. Durch die Abstützung des Ventiltellers gegen den Ventilschaft - entweder durch Verlängerung des Schafts bis zum Ventilteller oder durch ein Zwischenstück zwischen Schaft und Ventilteller - entsteht in Verbindung mit dem Ventilkegel ein biegesteifes Rotationsflächentrag­ werk mit etwa dreieckförmigem Querschnitt.

Zwar ist aus der US 4,834,036 ein Leichtbauventil bekannt, bei dem der Schaft bis in den Bereich des Ventiltellers durchgeht, bei dem Ventilkopf handelt es sich jedoch um ein leichtes, gegossenes oder geschmiedetes Vollmaterial auf Titanbasis wie Titanaluminid, so daß dieses Ventil gattungs­ gemäß nicht zu den erfindungsgemäßen Hohlventilen gehört.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ventil im Querschnitt

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, Ventilteller und Kegel zweistückig

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer Zentrierung für den Schaftfuß

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer am Ventilteller angeformten Abstützung

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Abstützung des Ventiltellers einstückig mit dem Ventilkegel ist

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit einstückigem Ventilschaft und Ventilkegel, Ventilteller ist mit einer Hülse gegen den Schaft abgestützt

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel, Schaft, Ventilkegel und Ventilteller sind einstückig.

Ein Ventil 1 für einen Verbrennungsmotor besteht aus einem Schaft 2, einem nicht dargestellten Ventilfuß, einem trich­ terförmigen Ventilkegel 3 und einem einstückig mit dem Ven­ tilkegel hergestellten Ventilteller 4. Der Durchmesser des Schafts ist auf Höhe des Ventilkegels 3 erweitert. An sei­ nem unteren Ende ist der Schaft 2 mit dem Ventilteller 4 verschweißt. Der Ventilkegel 3 ist an seinem oberen Ende mit dem Schaft 2 verschweißt. Der Ventilkegel 3, der Ven­ tilteller 4 und das beide verbindende untere, erweiterte Schaftende bilden gemeinsam ein biegesteifes Rotationsflä­ chentragwerk.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung sind Ventiltel­ ler 4 und Ventilkegel 3 nicht einstückig, sondern durch ei­ ne Schweißnaht miteinander verbunden. Der Schaft besteht aus Vollmaterial. Dabei kann der Schaft unterhalb der Schweißnaht auch einen kleineren Durchmesser aufweisen als im Bereich oberhalb der Schweißnaht.

In Fig. 3 sind Ventilteller 4 und Ventilkegel 3 einstückig und im Ventilteller 4 ist eine Zentrierung für das Ende des Schafts 2 vorgesehen. Eine Schweißverbindung ist nur zwi­ schen dem oberen Ende des Ventilkegels 3 und dem Schaft vorgesehen.

In Fig. 4 ist ein Ventilteller (4) mit einer angeformten Abstützung gemäß Anspruch 6 dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind Ventilkegel und Abstützung einstückig. Der Schaft ist im oberen Bereich des Ventilkegels angeschweißt.

In Fig. 6 ist eine Ausführung gemäß Anspruch 8 dargestellt.

Ventilkegel (3) und Schaft (2) sind einstückig, zwischen Ventilteller (4) und Schaftende ist eine Hülse (5) fixiert.

In Fig. 7 ist eine Ausführung gemäß Anspruch 9 dargestellt. Schaft 2, Ventilkegel 3 und die Abstützung des Ventiltel­ lers sind einstückig hergestellt, z. B. durch Metall Injec­ tion Moulding oder durch Drehen.

Claims (9)

1. Leichtbauventil, insbesondere für einen Verbrennungsmo­ tor, mit einem Schaft, einem Ventilkegel und einem Ven­ tilteller, wobei Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden und die Wandstärken von Ventil­ teller und Ventilkegel relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen, gekennzeichnet durch die Merkmale,

• a) der Ventilteller (4) ist in einem radial innen liegenden Bereich gegen den Schaft (2) abge­ stützt,
• b) Ventilkegel (3) und Ventilschaft (2) bestehen aus zwei verschiedenen, miteinander verbunde­ nen Bauteilen, sind also nicht einstückig,
• c) der Ventilkegel (3) ist an seinem oberen Ende am Schaft (2) fixiert.

2. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (2) am Ventilteller (4) fixiert ist.

3. Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (2) auf Höhe des Ventilkegels (3) einen größeren Durchmesser aufweist, als in einem oberhalb des Ventilkegels (3) liegendem Bereich.

4. Leichtbauventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zum größeren Schaftdurchmesser kegel­ förmig so geformt ist, daß sich im verschweißtem Zu­ stand ein bündiger Abschluß mit dem Ventilkegel (3) er­ gibt.

5. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Ventiltellers (4) gegen den Schaft (2) über ein Zwischenstück oder ein mit dem Ven­ tilkegel einstückiges Rohrstück (6) erfolgt.

6. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilteller (4) einstückig mit diesem eine Ab­ stützung angeformt ist, mit der sich der Ventilteller (4) gegen den Ventilschaft (2) abstützt.

7. Leichtbauventil nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilkegel (3) und Ventilteller (4) einstückig sind.

8. Leichtbauventil für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Schaft (2), einem mit dem Schaft einstückigen Ventilkegel (3) und einem Ventilteller (4), wobei Ven­ tilkegel (3) und Ventilteller (4) gemeinsam einen Hohl­ raum bilden und die Wandstärken von Ventilteller (4) und Ventilkegel (3) relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß etwa in Verlängerung des Schafts (2) eine rohrförmi­ ge, etwa den Durchmesser des Schafts (2) aufweisende Hülse (5) oder ein etwa zylindrisches Stück Vollmateri­ al zur Abstützung des Ventiltellers (4) zwischen Ven­ tilteller (4) und unterem Schaftende fixiert ist.

9. Leichtbauventil für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Schaft (2), einem mit dem Schaft einstückigen Ventilkegel (3) und einem Ventilteller (4), wobei Ven­ tilkegel (3) und Ventilteller (4) gemeinsam einen Hohl­ raum bilden und die Wandstärken von Ventilteller (4) und Ventilkegel (3) relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß etwa in Verlängerung des Schafts eine mit dem Ven­ tilkegel (3) und dem Schaft (2) einstückige, ringförmi­ ge Abstützung für den Ventilteller (4) angeformt ist.