DE2730516A1 - Ventil-dreheinrichtung - Google Patents

Description

TRW INC. 6. Juli 1977

23555 Euclid Avenue

Cleveland. Ohio 44117 / V.St. A.

Unser Zeichen: T 2198

Ventil-Dreheinrichtung

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Ventil-Dreheinrichtung mit einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder.

Mit einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder arbeitende Ventildreher zur Herbeiführung einer Ventildrehung sind bekannt. Eine typische Einrichtung dieser Art ist der US-Patentschrift 3 ^21 734 zu entnehmen, auf deren Offenbarungsinhalt hier Bezug genommen wird. Bei diesen Dreheinrichtungen ist die ringförmige Schraubenfeder zwischen einem Federring,

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diesem kreisförmig anliegend, und einem Sitz für die Ventilfeder angeordnet, der eine ringförmige Tasche aufweist, deren Bemessung einen begrenzten Überlagerungskontakt zwischen der ringförmigen Schraubenfeder und dem Federring zuläßt. Beim Gegenstand der US-Patentschrift 3 ^21 73¹J ist beispielsweise eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder 30 vorgesehen, die zwischen einem Federring 33 und einer ringförmigen Tasche 19 in dem Körper 10 wirkt. Der eine Konizität 13 aufweisende Körper 10 wirkt mit dem Ventilschaft 2k zusammen, der eine entsprechend angepaßte Konizität 27 zur Verbindung mit dem Körper 10 sowie zur Aufnahme und Übertragung der Spannung der Ventilfeder 48 auf das Ventil aufweist.

Andere mit in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfedern arbeitende Ventil-Dreheinrichtungen sind in der US-Patentschrift 3 537 325 und in der US-Patentschrift 3 890 9^3 offenbart. Der Aufbau dieser Einrichtungen läßt sich nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls verbessern.

Es wurde ermittelt, daß bei Ventil-Dreheinrichtungen mit seitlich belasteten ringförmigen Schraubenfedern diese einer dynamischen überbeanspruchung ausgesetzt und durch bestimmte Resonanzfrequenzen erregt werden. Die Federn werden darüberhinaus auf Grund ihrer Verdrehung durch die ungleichen Abstände der Federwindungen im Bereich des inneren Taschendurchmessers und im Bereich des äußeren Taschendurchmessers hohen Zugspannungen unterworfen, wie nachfolgend noch erläutert wird. Die in engerem Abstand zueinander liegenden inneren Windungsbereiche berühren sich dabei, während die äußeren Windungsbereiche sich tangential frei bewegen können, wenn sich die ringförmige Schraubenfeder schräg stellt, wodurch eine Deformation der Windungsform entsteht, sobald die Feder zusammengedrückt wird. Diese zusätzlichen Belastungen können die Federspannungen beträchtlich über die vorgesehene Belastbarkeit steigern, so daß gewisse Betriebsbedingungen zu kurzzeitigen Ermüdungsausfällen führen können.

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So ist beispielsweise die in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder bei dem Gegenstand der US-Patentschrift 3 ^21 73¹J in der zuvor erwähnten Weise Belastungen, Ermüdungserscheinungen und dergleichen ausgesetzt, obwohl sie mit einem Halter versehen ist, dessen Aufgabe offenbar die Unterstützung der Erhaltung der Form der Ring-Schraubenfeder 30 ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ventil-Dreheinrichtung mit einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder, die während der Hin- und Herbewegung des Ventils in Kreisberührung mit einem Federring steht und zwischen diesem sowie einem Ventilfedersitzglied sitzt, welches eine ringförmige Tasche aufweist, deren Abmessung eine begrenzte Überlagerungsberührung der ringförmigen Schraubenfeder und des Federringes erlaubt. Die erfindungsgemäße Verbesserung liegt in der Ausbildung eines ringförmigen Feder-Dämpfungsgliedes, das innerhalb der ringförmigen Schraubenfeder wirksam ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Dämpfungsglied derart bemessen, daß es nur eine geringe oder gar keine elastische Druckkraft auf die Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder ausübt, wenn diese sich in der Ruhestellung befindet, während es auf die Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder während deren Durchfederung einen Druck ausübt.

Das Dämpfungsglied kann eine Vielzahl verschiedener Querschnittsformen aufweisen und darüberhinaus auch aus einer Vielzahl verschiedener Materialien hergestellt werden. Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform besteht das Dämpfungsglied aus einem elastomeren Material, das in die vorgesehene Stelle gegossen und dort ausgehärtet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die US-Patentschrift 3 Ί21 73^ und die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

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Fig. 1 Eine teilweise weggebrochene, zum Teil geschnittene Ansicht einer Ventilanordnung einer Brennkraftmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Ventil-Dreheinrichtung ausgestattet ist, wobei die ringförmige Schraubenfeder sich in dem freien oder wie montiertem Zustand befindet,

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht in vergrößertem Maßstab, die die ringförmige Schraubenfeder, das innere Dämpfungsglied und die die ringförmige Schraubenfeder aufnehmende ringförmige Tasche des Ventilfedersitzes erkennen läßt,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt in vergrößertem Maßstab mit Darstellung der Anordnung der ringförmigen Schraubenfeder in der ringförmigen Tasche beim Zusammenwirken mit dem kreisförmigen Federring und in der vorgesehenen Lage gehaltenem Dämpfungsglied während des Ruhezustandes der Vorrichtung,

Fig. 3A eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, jedoch bei zusammengedrückten Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder und deren Anlage an dem Federdämpfungsglied,

Fig. ¹J eine andere Ausführungsform eines Federdämpfungsgliedes mit einer rechteckigen Querschnittsform,

Fig. 5 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem eine dreieckige Querschnittsform aufweisenden Federdämpfungsglied und

Fig. 6 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der bei in der vorgesehenen Lage befindlicher ringförmiger Schraubenfeder das Federdämpfungsglied in die ringförmige Tasche gegossen und dann ausgehärtet worden ist.

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In der Zeichnungsfigur 1 ist ein Ventildreher mit in sich geschlossener ringförmiger Schraubenfeder zur Drehung eines auf einem Ventilschaft 22 sitzenden Ventils 28 generell mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Ventil 28 ist dem Zylinderkopf 12 einer Brennkraftmaschine zugeordnet. Es ist bekannt, daß bei einem Ventildreher dieser Bauart die Drehung des Ventils durch die Verformung einer seitlich belasteten in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 14 erfolgt. Die ringförmige Schraubenfeder 14 kommt zwischen einem Federring 16 und einer Scheibe bzw. einem Körperglied 18 zur Wirkung. Das Körperglied 18 wird dabei auf dem Ventilschaft 22 durch einen Feststeller bzw. ein Sperrglied 20 festgehalten. Die Drehung des Körpergliedes 18 führt zu einer Drehung des Ventilschaftes 22 und des Ventils 28.

Die Belastung des Ventilschaftendes 24 durch den Kipphebelteil 26 führt zu einer Bewegung des Ventilschaftes 22 und des Ventils 28 entgegen der Belastung durch die Ventilschließfeder 29. Die Feder 29 wirkt zwischen einem Federsitz 29A und dem Zylinderkopf 12 unter Belastung des Ventils 28 in die Schließstellung. Darüberhinaus führt die Belastung des Ventilschaftendes 24 zu einer Verformung der ringförmigen Schraubenfeder 14, die in bekannter Weise eine Drehbewegung des Ventils 28 gegenüber dem Zylinderkopf 12 herbeiführt, außer in den Zeiträumen des Arbeitsspiels, in denen der Reibungskontakt zwischen der ringförmigen Schraubenfeder 14 und dem Federring 16 so ist, daß eher eine Gleitbewegung als eine Antriebsbewegung erfolgt und die Feder 14 sich zusammenzieht. Eine Federring-Anschlagfläche 30 begrenzt die Nachgiebigkeit des Federrings 16 und verhindert eine überlastung der ringförmigen Schraubenfeder 14.

Die seitlich belastete ringförmige Schraubenfeder 14 ist jedoch bei bestimmten Resonanzfrequenzen einer dynamischen überbeanspruchung und Erregung unterworfen. Sie ist ebenfalls hohen Zugspannungen ausgesetzt, die infolge der Verdrehungen auftreten, die durch den ungleichen Abstand zwischen den Federwindungen am Innendurchmesserbereich und am Außendurchmesserbereich der Tasche 32 in dem Körper 18 entsteht. Dieser Unterschied im Abstand

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wird aus der Fig. 2 deutlich. Dabei ist festzustellen, daß der Abstand zwischen den Pederwindungen 34 und 36 beispielsweise im Bereich der Außenwand 38 der Tasche größer ist als der Abstand zwischen den Federwindungen 34 und 36 im Bereich der Innenwand 40 der Tasche. Die Bereiche der Federwindungen 34 und 36 liegen in einem so dichten Abstand nebeneinander, daß sie sich im Bereich der Innenwand 40 berühren, während die äußeren Bereiche der Federwindungen an der Außenwand 38 der Tasche frei bleiben und sich tangential bewegen können, wenn die ringförmige Schraubenfeder 14 sich neigt, wodurch eine Änderung der Federwindungsform bei Zusammenziehen der Feder 14 eintritt. Diese Belastungen können die Spannungen in der ringförmigen Schraubenfeder 14 beträchtlich über die angenommenen Belastungen steigern, was unter bestimmten Betriebsbedingungen ohne die erfindungsgemäße Verbesserung zu einem kurzfristigen Ermüdungsaufall führen kann.

Wie am besten die Fig. 3 und 3A zeigen, ist innerhalb der ringförmigen Schraubenfeder 14 eine ringförmige Federdämpfungseinrichtung 42 vorgesehen. Bei den in den Fig. 3 und 3A dargestellten Ausführungsformen ist die ringförmige Federdämpfungseinrichtung in Form eines O-Ringes mit einem Kreisquerschnitt ausgebildet. Bei in der Ruhelage befindlicher ringförmiger Schraubenfeder 14, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, besteht keine oder nur eine geringe Kraftwirkung zwischen dem Federring 16 und dem Körper 18, die ausreichen würde, um die Schraubenfeder 14 zu verformen. Wie die Fig. 3 zeigt, ist der elastische Einsatz 42 in Vertikalrichtung kleiner bemessen als die innere Abmessung d der ringförmigen Schraubenfeder lh in der Ausgangsposition. Dies erleichtert die Einfügung des Einsatzes h2 in die ringförmige Schraubenfeder. Bei der Verformung der Schraubenfeder stellt sich jedoch ein Kontakt zwischen ihr und dem Einsatz 42 her. Die freie vertikale Abmessung des ringförmigen Federdämpfungsgliedes 42 ist dann größer als die innere

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Abmessung der ringförmigen Schraubenfeder d' bei deren maximaler Verformung. Der ringförmige Federdämpfungs-O-Ring 42 erlaubt jedoch eine normale Drehung des Ventils 28 (Fig. 1).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Zusammenwirken der Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder mit dem Federdämpfungs-O-Ring 42 vor der maximal vorgesehenen Ausbiegung des Federrings 16 bzw. vor Erreichen des mechanischen Federringanschlages 30. Dabei ist augenscheinlich, daß während der Verformung der ringförmigen Schraubenfeder das Zusammenwirken der zugehörigen Federwindungen mit dem ringförmigen Federdämpfungsglied 42 während eines Teils der Verformungsbewegung der Federwindungen erfolgt. Das führt dazu, daß die Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder das elastische Glied zusammendrücken. Der Federdämpfungs-O-Ring 42 dämpft dann die ringförmige Schraubenfeder 14, wodurch die zyklische Schwingung auf Grund von Resonanzfrequenzen auf ein Minimum beschränkt wird, während die axiale Belastungsfähigkeit der ringförmigen Schraubenfeder 14 steigt, wodurch sie vor Überlastungen geschützt wird. Zugleich wird die ringförmige Schraubenfeder 1*1 zwischen dem Körper 18 und dem Federglied 16 eingeklemmt, wodurch die Formänderung der Federwindungen beispielsweise der Federwindung 42a gegen die innere Kanalwand 40 und die äußere Kanalwand 38 auf ein Minimum beschränkt wird.

Das elastische Glied 42 kann in verschiedenen Formen, wie mit den in den Fig. 3, 4, 5 und 6 dargestellten Querschnitten verwendet werden. So kann das elastische Glied 42, wie in Fig. 4 gezeigt, einen rechteckigen, gegebenenfalls quadratischen Querschnitt aufweisen. Es ist auch möglich, daß der ringförmige Federdämpfungseinsatz 42c, wie in Fig. 5 dargestellt, einen dreieckförmigen Querschnitt besitzt. In beiden Fällen ist die vertikale Abmessung der Einsätze 42b und 42o vorzugsweise (wenn auch nicht notwendigerweise) kleiner als das Innenmaß d der ringförmigen Schraubenfeder in ihrem Einbauzustand, wie dies in

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Pig. 3 dargestellt ist. Die vertikale Abmessung der Einsätze 42b und 42c ist jedoch so groß bemessen, daß ein Dämpfungsangriff an den Federwindungen, beispielsweise der Windung 42a der ringförmigen Schraubenfeder 14 möglich ist, d.h., daß die vertikale Abmessung bei der gewünschten maximalen Formänderung d¹ der Schraubenfeder größer ist als deren Innendurchmesser, wie dies in der Fig. 3A dargestellt ist.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Schwierigkeit der Einführung eines elastischen Gliedes in eine ringförmige Schraubenfeder vermieden ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein härtbares elastomeres Material in die ringförmige Tasche 32 bei darin angeordneter, entspannter ringförmiger Schraubenfeder 14 eingegossen und dann aushärten lassen. Eine Teilfüllung mit dem Elastomer ist durch die gestrichelte Linie angezeigt. Es wird jedoch eine Kunststoffmenge bevorzugt, die zum Füllen der Tasche 32 und des Innenraumes der ringförmigen Schraubenfeder 14 ausreicht, während der Außendurchmesser 48 der Feder in dem Bereich, in dem diese dem Federring 16 anliegt, frei bleibt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.

Wenn auch in der vorangehenden Beschreibung der bevorzugte ringförmige Dämpfungseinsatz 42 als ein O-Ring aus Kautschuk beschrieben worden ist, kann dieser Einsatz 42 auch aus vielen anderen Materialien hergestellt werden, die gegen Hitze und öl widerstandsfähig sind. Dabei sollten organische Elastomere eine minimale, mit dem Durometer gemessenen Shore-Α-Härte von etwa 20 haben, wie sie nach dem ASTM-Verfahren D-676-59 T bestimmt wird. Eine geeignete Shore-A-Härte liegt zwischen 20 bis 90. Als verwendbare Materialien kommen auch elastomere Kunststoffmaterialien mit oder ohne Füller und/oder Streckmittel, Antioxidationsmittel usw. in bekannten Mischungen wie beispielsweise Neopren, Polyvinylchlorid, Polyurethan, Poly-(dimethylsiloxan)-kautschuk in Frage (siehe die US-Patentschriften 2 890 188, 3 015 645, 2 541 137, 2 863 846), ferner im Handel erhältliche

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selbsthärtende Badewannendichtungsmaterialien, Poly-(Butadien-AcrylnitriD-Kautschuk (Buna-N) und selbst Metalle wie Stahlspiralen in Frage. Jedes Material, das formbar und einführbar ist oder in einem flüssigen oder zähflüssigem Zustand in die ringförmige Schraubenfeder eingießbar ist und die erforderliche Verformung der Feder erlaubt, jedoch schädliche Schwingungen unterdrückt (Dämpfungseffekt), ist verwendbar. Dabei kann jede geeignete geometrische Querschnittsform verwendet werden. Das Material, aus dem das Dämpfungsglied geformt wird, sollte dabei naturgemäß widerstandsfähig gegen Hitze und Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen sein und seine Elastizität unter den besonderen Umgebungsbedingungen während des Gebrauchs bewahren, beispielsweise unter einem Ventildeckel in herkömmlichen Brennkraftmaschinen.

Bei einer typischen Kraftfahrzeugatmosphäre, in der die verbesserten Ventildreher verwendet werden, liegt die Temperatur etwa zwischen 120° C (250° F) und 150° C (300° F), wobei die Teile ständig in heißem Maschinenöl liegen. Buna-N-Gummi mit einer Shore-A-Härte von 40 bis 60 ist besonders günstig verwendbar für den vorgeformten Typ der Dämpfungseinrichtung, wie er in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ist. Als eingegossener Elastomer, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, ist bei Raumtemperaturen selbsthärtender Poly-(dimethyIsiloxan)-kautschuk besonders geeignet.

Bei bekannten Bedingungen, bei denen die Dämpfungseinrichtungen verwendet werden sollen, ist es dem Fachmann auf dem Gebiet der Kunststoffmischungen ohne weiteres möglich, geeignete elastische, wärme- und ölbeständige Materialien sowohl für die erfindungsgemäßen Einsatztypen als auch für die Eingießformen zu bestimmen. Die Gestaltungsformen, wie sie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt sind, werden für den Einsatztyp bevorzugt. Es versteht sich jedoch, daß die Dämpfungselemente 42 auch mit Preßsitz, mit Federsitz oder mit Grobpassung in die ringförmige Schraubenfeder 14 eingefügt werden können und zwar innerhalb der Abmessungsbegren-

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zungen, wie sie in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Einsätze können in gleicher Weise auch an Ort und Stelle eingegossen und gehärtet werden, wobei sie entweder den Innenquerschnitt der Feder ganz oder nur teilweise ausfühIlen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Der Einsatz kann auch durch die Injektion eines flüssigen oder zähflüssigen Elastomers in die ringförmige Schraubenfeder ausgebildet und an Ort und Stelle ausgehärtet werden.

Wie bereits erwähnt, sind die dargestellten Ausführungen nur beispielsweise Verwirklichungen der Erfindung, in deren Rahmen noch mancherlei Änderungen möglich sind.

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Claims (8)

Patentanwälte Opt-Ing Dtpf-Chem Dtpl.-lng. E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 TRW INC. 6. Juli 1977 23555 Euclid Avenue Cleveland. Ohio 44117 / V.St.A. Unser Zeichen: T 2198 Ansprüche

1.'Ventil-Dreheinrichtung zur Drehung eines Ventils bei dessen ^-^ Hin- und Herbewegung mit einer ringförmigen Schraubenfeder, die zwischen einer Federscheibe, diese kreisförmig berührend, und einem Körperglied mit einer ringförmigen Tasche zur Aufnahme der ringförmigen Schraubenfeder wirksam ist, dadurch gekennzeichnet , daß in der ringförmigen Schraubenfeder (14) ein Pederdämpfungsglxed (42, 42b, 42c, 44) angeordnet ist und die Bewegung der Federwindungen (34, 36) der ringförmigen Schraubenfeder (14) dämpft.

2. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Dämpfungsglied (44) aus einem Elastomer-Material besteht, das in die vorgesehene Lage gegossen und dann ausgehärtet" ist.

3. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Elastomer-Material die ringförmige

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Tasche teilweise ausfüllt, wobei die Federwindungen darin teilweise eingebettet sind.

4. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Elastomer-Material die ringförmige Tasche und den inneren Raum der ringförmigen Schraubenfeder ausfüllt, jedoch eine direkte Berührung der Feder-Außenseite mit dem Federring zuläßt.

5. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Elastomer-Material ein bei Raumtemperatur vulkanisierender Poly-(dimethysiloxan)-kautschuk ist.

6. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Dämpfungsglied ein ringförmiges Glied ist, dessen Querschnitt derart dimensioniert ist, daß es in der Ruhelage der ringförmigen Schraubenfeder (1*1) auf diese im wesentlichen keine elastische Druckkraft ausübt, während es sich den Federwindungen (34, 36) der ringförmigen Schraubenfeder (14) beim DämpfungsVorgang mit Druck anlegt.

7. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 1, bei der die ringförmige Schraubenfeder während der Hin- und Herbewegung des Ventils zwischen einer Federscheibe, diese kreisförmig anliegend, und dem Körperglied wirksam ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Federdämpfungsglied (42, 42b, 42c, 44) als ringförmiges Glied ausgebildet ist, dessen Querschnitt kleiner bemessen ist als der freie Innendurchmesser der ringförmigen Schraubenfeder (14) und größer als der Innendurchmesser der ringförmigen Schraubenfeder (14) bei der maximalen Verformung der Federwindungen (34, 36) bei der Hin- und Herbewegung des Ventils.

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8. Ventil-Dreheinrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß das ringförmige Dämpfungsglied aus einem elastischen Material wie Kautschuk besteht,

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