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Die
Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung mit einem Grundkörper, einem
Deckel, der aus einer Ausgangsposition in eine relativ zum Grundkörper verdrehte
Endposition bewegt werden kann, in welcher der Abstand zum Grundkörper verringert
ist, mindestens einer Laufbahn im Grundkörper, einem Wälzkörper, der
auf dieser Laufbahn aus einer Ausgangsstellung am Anfang der Laufbahn
in eine Belastungsstellung am Ende der Laufbahn abrollen kann, und
einer Tellerfeder, die zwischen dem Grundköper und dem Deckel angeordnet
ist und an der sich der Wälzkörper abstützt.
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Eine
solche Ventildrehvorrichtung wird heutzutage überwiegend bei Großmotoren
eingesetzt, um eine Zwangsdrehung eines Einlaß- oder Auslaßventils
zu bewirken. Durch die Zwangsdrehung wird eine ausgeglichene Temperatur
am Kopf des Ventils gewährleistet,
und es werden Ablagerungen am Ventilsitz verhindert.
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Die
Funktionsweise einer Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten
Art wird nachfolgend kurz anhand der 1 und 2 beschrieben.
Der Grundkörper 10 der
Ventildrehvorrichtung ist drehfest mit einem (nicht dargestellten)
Motorventil verbunden, das konzentrisch mit der Mittelachse M der
Ventildrehvorrichtung angeordnet ist. Im Grundkörper 10 sind mehrere
Taschen 12 ausgebildet, deren Boden jeweils eine schräge Laufbahn 14 für einen Wälzkörper 16 bildet.
Als Wälzkörper werden
meist Kugeln verwendet. Die Wälzkörper 16 stützen sich
auf ihrer von der Laubahn 14 abgewandten Seite an einer
Tellerfeder 18 ab, die zwischen dem Grundkörper 10 und
einem Deckel 20 angeordnet ist. Dabei liegt der äußere Rand
der Tellerfeder 18 am Deckel 20 an, während der
innere Rand der Tellerfeder 18 am Grundkörper 10 geführt ist.
Am Grundkörper 10 ist ein
Sprengring 22 angeordnet, der verhindert, daß sich der
Deckel 20 vom Grundkörper 10 löst.
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Wenn
das Motorventil geschlossen ist, befindet sich die Ventildrehvorrichtung
in dem in 1 gezeigten Ausgangszustand.
Die Tellerfeder 18 hält
dabei den Grundkörper 10 und
den Deckel 20 im Abstand voneinander. Wenn das Motorventil
geöffnet werden
soll, wird die zum Öffnen
des Ventils erforderliche Kraft auch auf die Ventildrehvorrichtung übertragen.
Dabei gibt die Tellerfeder 18 nach, so daß der Grundkörper 10 näher zum
Deckel 20 gedrückt
wird. Bei dieser Bewegung rollen die Wälzkörper 16 auf den schräg angeordneten
Laufbahnen 14 ab, wodurch sie entgegen der Wirkung einer
Rückstellfeder 24 aus
der in 2 gezeigten Ausgangsstellung am Anfang einer Laufbahn
in eine gestrichelt gezeigte Belastungsstellung 16' am Ende der
Laufbahn abrollen (siehe 2). Die Drehbewegung der Wälzkörper wird
dabei auch auf die Tellerfeder 18 übertragen, wobei die Drehbewegung
der Tellerfeder dem doppelten Rollweg eines Wälzkörpers entspricht. Durch die
Abstützung
auf den Wälzkörpern wird
der Druck der Tellerfeder 18 auf den inneren Rand des Grundkörpers 10 verringert,
so daß hier
ein Gleiten stattfindet. Hingegen ist die Tellerfeder 18 mit
dem Deckel 20 durch einen Reibschluß drehfest verbunden. Durch
die Abrollbewegung der Wälzkörper 16 auf
der Tellerfeder 18 wird also insgesamt eine Relativdrehung
zwischen dem Deckel 20 und dem Grundkörper 10 erzeugt, der
wiederum auf das Motorventil übertragen
wird. Wenn das Motorventil geschlossen wird, wird die Tellerfeder 18 entlastet,
wodurch auch die Wälzkörper 16 entlastet
werden. Diese werden dann, ohne abzurollen, von den Rückstellfedern 24 wieder in
ihre Ausgangsstellung zurückgeschoben.
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Um
die Hertzsche Pressung zwischen den Wälzkörpern 16 und der Tellerfeder 18 nicht übermäßig groß werden
zu lassen, ist auf der den Wälzkörpern 16 zugewandten
Seite der Tellerfeder eine Tellerfederrille 26 (siehe 4)
ausgebildet, in der die Wälzkörper 16 normalerweise
abrollen. Die Tellerfederrille 26 ist konzentrisch zur
Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung angeordnet; ihr Radius entspricht dem
Mittelradius R der Taschen 12 (siehe auch 2).
Allerdings hat sich herausgestellt, daß die Tellerfederrille 26 zu
einigen Nachteilen führt.
In der Ausgangsstellung der Ventildrehvorrichtung (siehe 1)
ist die den Wälzkörpern 16 zugewandte
Seite der Tellerfeder 18 geneigt. Hieraus resultiert, daß die Wälzkörper 16 nicht
mehr optimal in der Tellerfederrille 26 liegen können, sondern
an den inneren Rand der Tellerfederrille 26 gedrückt werden
(siehe 4). Erst wenn die Tellerfeder vollständig zusammengedrückt ist
und ihre Oberfläche
senkrecht zur Belastungsrichtung der Wälzkörper 16 ist, liegen
die Wälzkörper 16 wieder
optimal am Boden der Tellerfederrille 26. Aus der Schrägstellung
der Tellerfeder 18 zu Beginn des Öffnens des Motorventils, also
wenn sich die Ventildrehvorrichtung in der Ausgangsstellung befindet,
resultiert eine schlechtere Laufruhe der Ventildrehvorrichtung sowie
ein höherer
Verschleiß der
Tellerfeder. Außerdem
ergibt sich ein Verlust hinsichtlich der Drehung des Motorventils,
die von der Ventildrehvorrichtung bei einmaliger Betätigung hervorgerufen
wird. Wenn die Ventildrehvorrichtung aus der Ausgangsposition belastet
wird und sich die Wälzkörper 16 in
der in 4 gezeigten Stellung befinden, führt das
Zusammendrücken
der Ventildrehvorrichtung anfangs nur dazu, daß die Wälzkörper 16 auf den Boden
der Tellerfederrille 26 rutschen, anstatt auf der Laufhahn
in den Taschen 12 abzurollen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventildrehvorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich eine
verbesserte Laufruhe, ein geringerer Verschleiß sowie ein besserer Wirkungsgrad
beim Umsetzen der translatorischen Relativbewegung zwischen Grundkörper und
Deckel in eine rotatorische Relativbewegung ergibt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die
Laufbahn an ihrem Anfang einen anderen Abstand von der Mittelachse
der Ventildrehvorrichtung hat als an ihrem Ende. Die Erfindung beruht
auf der Erkenntnis, daß die
Wälzkörper 16 idealerweise,
um über
den gesamten Betätigungsweg
der Ventildrehvorrichtung am Grund der Tellerfederrille 26 abrollen
zu können,
eine spiralförmige
Bewegung ausführen.
Dies wird zur Verdeutlichung wieder anhand von 4 erläutert. In
der Ausgangsstellung der Ventildrehvorrichtung müßte der Wälzkörper 16, um am Boden
der Tellerfederrille 26 zu liegen, radial betrachtet weiter
außen
liegen; er müßte sich
in einem Abstand von der Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung
befinden, der größer ist
als der Radius R der Tellerfederrille 26 und der Taschen 12.
Wenn gedanklich der Wälzkörper 16 in
den 3 und 4 weiter nach „außen" versetzt wird, also nach
rechts, würde
der Wälzkörper auf
dem Boden der Tellerfederrille 26 aufliegen. Allerdings
gilt dies nur, solange die Tellerfeder 18 eine kegelstumpfförmige Gestalt
hat. Wenn die Tellerfeder 18 vollständig flachgedrückt ist,
liegt die Tellerfederrille 26 wieder mittig unterhalb der
Wälzkörper. Der
Abstand der Wälzkörper 16 von
der Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung sollte dann wieder gleich
dem Radius R sein, auf dem sich die Tellerfederrille 26 befindet.
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Idealerweise
verläuft
die Laufbahn in den Taschen spiralförmig. Dieser Verlauf ergibt
sich geometrisch aufgrund der variablen Ausrichtung der Tellerfederrille 26 relativ
zu den Wälzkörpern 16 während des
Zusammendrückens
der Ventildrehvorrichtung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
vorgesehen, daß die
Laufbahn gerade verläuft. Auf
den ersten Blick ist es überraschend,
daß eine gerade
Laufbahn in den Taschen verwendet wird, während die Tellerfederrille,
in der die Wälzkörper laufen,
kreisförmig
ist. Allerdings hat sich herausgestellt, daß eine gerade Laufbahn, wenn
sie richtig ausgerichtet ist, eine hinreichend gute Annäherung an
den theoretisch optimalen, spiralförmigen Verlauf darstellt, der
noch dazu den Vorteil bietet, daß er fertigungstechnisch sehr
große
Vorteile bietet.
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Eine
spiralförmige
Laufbahn kann nur mit sehr hohem Aufwand auf numerisch gesteuerten Fräsmaschinen
fertigen lassen. Außerdem
würde sich
bei einem spiralförmigen
Verlauf der Laufbahn und damit auch der Taschen eine starke Biegebelastung
der Rückstellfeder 24 ergeben,
was ungünstig wäre.
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Wenn
die Wälzkörper sich
auf der Außenseite
der Tellerfeder abstützen,
muß der
Anfang der Laufbahn einen größeren Abstand
von der Mittelachse der Ventildrehvorrichtung haben als das Ende. Dies
ist oben bereits mit Bezug auf die 3 und 4 erläutert worden.
Für den
Fall, daß die
Tellerfeder umgekehrt verwendet wird, also sich die Wälzkörper auf
der Innenseite der Tellerfeder abstützen, muß der Anfang der Laufbahn einen
kleineren Abstand von der Mittelachse der Ventildrehvorrichtung haben
als das Ende.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen beschrieben, die
in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Ventildrehvorrichtung;
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2 eine
Unteransicht eines Grundkörpers 10 einer
Ventildrehvorrichtung nach dem Stand der Technik;
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3 in
vergrößertem Maßstab den
rechten Wälzkörper der
Ventildrehvorrichtung von 1 zusammen
mit der rechten Seite der Tellerfeder;
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4 in
vergrößertem Maßstab den
Ausschnitt IV von 3;
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5 in
vergrößertem Maßstab einen
Ausschnitt der Unteransicht eines Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung;
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6 eine
Ansicht entsprechend derjenigen von 3 bei einer
erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung;
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7 in
vergrößertem Maßstab den
Ausschnitt VII von 6;
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8 in
einer Ansicht entsprechend derjenigen von 5 einen
Grundkörper
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung; und
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9 eine
weitere Variante des in 8 gezeigten Grundkörpers.
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Anhand
der 5 bis 7 wird nun die Anordnung einer
Laufbahn 14 einer Tasche 12 im Grundkörper 10 erläutert, mit
der die Wälzkörper 16 auf
der theoretisch perfekten Bahn geführt werden, um optimal in der
Tellerfederrille 26 abrollen zu können. Gestrichelt ist der Verlauf
der Tellerfederrille (und damit auch der Verlauf der Laufbahn 14 im Stand
der Technik) angedeutet. Mit dem Bezugszeichen I ist dagegen der
ideale Verlauf der Laufbahn 14 der Tasche 12 gezeigt.
Mit „A" ist der Anfang der Laufbahn 14 bezeichnet,
also der Punkt, an dem der entsprechende Wälzkörper 16 die Laufbahn 14 berührt, wenn
sich die Ventildrehvorrichtung in der Ausgangsposition befindet,
und mit „E" das Ende der Laufbahn.
Hinter dem Ende E der Laufbahn ist noch ein Widerlager 30 für die Rückstellfeder 24 ausgebildet.
Vergleicht man den Verlauf der Laufbahn 14 im Stand der
Technik mit dem in 5 gezeigten, idealen Verlauf,
ist zu sehen, daß die
Laufbahn 14 erfindungsgemäß spiralförmig und nicht mehr kreisbogenförmig verläuft. Dieser
Kreisbogen ist so „verdreht", daß der Anfang
A der Laufbahn 14 radial weiter außen liegt als das Ende E. Genauer
gesagt liegt der Anfang A auf einem Radius, der größer ist
als der Radius R der Tellerfederrille 26, während das
Ende E der Laufbahn etwa auf dem Radius R liegt. Vergleicht man
die Position des Wälzkörpers 16 bezüglich der Tellerfederrille 26,
wie sie sich bei der in 5 gezeigten Anordnung der Laufbahn 14 ergibt,
mit der im Stand der Technik sich ergebenden Position (siehe die 4),
ist zu sehen, daß der
Wälzkörper 16 sich nun
am Boden der Tellerfederrille 26 befindet, da er in der
Ausgangsstellung radial weiter außen liegt als im Stand der
Technik. Wenn die Ventildrehvorrichtung zusammengedrückt wird,
wandert der Wälzkörper 16 bei
seiner Abrollbewegung auf der Laufbahn 14 radial weiter
nach innen, bis er schließlich
bei flach zusammengedrückter
Tellerfeder 18 auf dem Radius R der Tellerfederrille 26 liegt.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform gezeigt.
Der Unterschied zu der in den 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsform
besteht darin, daß die
Laufbahn 14 hier gerade verläuft. Zur Verdeutlichung ist
hier verlängert
mit dem Bezugszeichen 14' bezeichnet
der Verlauf der Laufbahn 14 angedeutet. Die Laufbahn 14 selber
ist nicht bloß eine
Tangente an einen Radius R, der durch das Ende E der Laufbahn 14 verläuft. Wie
in 8 zu sehen ist, ist der Verlauf 14' der Laufbahn 14 gegenüber einer
Tangente T an den Verlauf der Tellerfederrille 26 im Endpunkt
E um den Winkel α nach „außen" verdreht; der Anfang
A ist also noch weiter nach außen
verdreht, als dies bei einem tangentialen Verlauf der Laufbahn 14 der
Fall wäre.
Ein solcher Verlauf der Laufbahn 14 stellt eine sehr gute
Annäherung
an den idealen, spiralförmigen
Verlauf dar, wie er in 5 gezeigt ist. Allerdings ist
eine Tasche 12 mit gerade verlaufender Laufbahn 14 sehr
viel einfacher zu fertigen als eine spiralförmige Tasche mit spiralförmiger Laufbahn.
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In 9 ist
eine Ausführungsvariante
gezeigt, die sich von der in 8 gezeigten
Ausführungsform
dadurch unterscheidet, daß die
Tasche 12 hinter dem Ende E der Laufbahn 14 und
im Bereich des Widerlagers 30 für die Rückstellfeder 24 mit
einer Verengung 32 ausgeführt ist. Die Verengung verhindert,
daß der
entsprechende Wälzkörper 16 über das Ende
E der Laufbahn 14 hin zum Widerlager 30 bewegt
werden kann und dadurch die Rückstellfeder 24 übermäßig stark
zusammendrückt.
Außerdem
ergibt sich so eine bessere Führung
für die
Rückstellfeder 18.