DE2730516C3

DE2730516C3 - Vorrichtung zum Drehen eines Hubventils für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2730516C3
Application number: DE2730516A
Authority: DE
Inventors: Stanley H. Painesville Ohio Updike (V.St.A.)
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1976-07-06
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2730516A1; GB1547335A; SE437695B; FR2357729B1; AU2678077A; SE7707804L; AU503855B2; IT1075480B; ES460027A1; JPS536709A; FR2357729A1; US4094280A; DE2730516B2; JPS5443126B2; BR7703846A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drehen eines Hubventils für eine Brennkraftmascine während dessen Hubbewegung mit einer ringförmigen Schraubenfeder, die zwischen einem Federring und einem Stützkörper angeordnet ist. der eine Ringnut zur Aufnahme der ringförmigen Schraubenfeder aufweist.

Eine solche Vorrichtung zum Drehen eines Hubventils is· durch die DE-AS 10 28 384 bekannt. Dabei ist die ringförmige Schraubenfeder zwischen einem Federring und einem Sitz für die Ventilfeder angeordnet, der eine ringförmige Tasche aufweist, deren Abmessung einen begrenzten Überlagerungskontakt zwischen der Schraubenfeder und dem Federring zuläßt. Bei solchen yentil-breheiririchtüngen mit seitlich belasteter ringförmiger Schraubenfeder wird diese einer dynamischen Überbeanspruchung ausgesetzt und durch bestimmte Resonanzfrequenzen erregt Die ringförmigen Schraubenfedertt werden dafüberhinaus infolge ihrer Verdrehung durch die ungleichen Abstände der Federwindungen im Bereich des inneren Taschendurchmessers und im'Bereich des äußeren Taschendurchmessers hohen Zugbeanspruchungen ausgesetzt Die in engerem Abstand zueinander liegenden inneren Windungsbereiche berühren sich dabei, während sich die äußeren Windungsbereiche tangential frei bewegen können, wenn sich die ringförmige Schraubenfeder schrägstellt, wodurch eine Deformation der Windungsform erfolgt,

ίο sobald die Feder zusammengedrückt wird. Diese zusätzlichen Belastungen können die Federspannungen beträchtlich über die vorgesehene Belastbarkeit hinaus steigern, so daß bestimmte Betriebsbedingungen zu schnellen Ermüdungsausfällen führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Drehen eines Hubventils der eingangs beschriebenen Art bei der die zu einer schnellen Materialermüdung führenden dynamischen Oberbeanspruchungen der ringförmigen Schraubenfeder weitgehend unterbunden werden und so die Funktionsfähigkeit über lange Zeiträume aufrecht erhalten wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem von den Windungen der Schraubenfeder umschlossenen Innenraum ein Dämpfungsglied angeordnet ist, welches die Bewegungen der Windungen der Schraubenfeder dämpft. Auf diese Weise lassen sich die dynamischen Überbeanspruchungen der ringförmigen Schraubenfeder sowohl durch die Ventilbewegung als auch durch Resonanzschwingungen auf einfache Weise verhindern.

Das Dämpfungsglied besteht dabei vorteilhafterweise aus einem elastomeren Material, das in die vorgesehene Lage gegossen und in dieser Lage ausgehärtet ist. Die Einbringung des Dämpfungsgliedes in die ringförmige Schraubenfeder ist damit denkbar einfach und verursacht nur einen geringen fertigungstechnischen Mehraufwand. Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung ist das elastomere Material vorzugsweise ein bei

■in Raumtemperatur · ulkanisierendcr Kautschuk vorzugsweise ein Polv-(dimethylsiloxan)-Kautschuk.

Das Dämpfungsglied hat dabei zweckmäßigerweise eine ringförmige Gestalt. Außerdem ist der Querschnitt des Dämpfungsgliedes in der Ruhelage der Schrauben-

■n feder vorteilhafterweise kleiner als der lichte Durchmesser des von <!^n Windungen der Schraubenfeder umschlossenen Ir .nraumes. iedoch bei der maximalen Verformung der Schraubenfeder größer als der lichte Durchmesser des Innenraumes der Schraubenfeder.

ίο Dadurch übt das Dämpfungsglied in der Ruhestellung der Schraubenfeder auf deren Federwmdungen nur eine geringe oder gar keine elastische Druckkraft aus. während bei Durchfederung der Schraubenfeder ein D/uck auf die F ederwindungen ausgeübt wird.

Fallweise kann das elastomere Material aber auch den von den Windungen umschlossenen Innenraum der Schraubenfeder ausfüllen. Weiterhin kann auch ein Teil der Windungen der Schraubenfeder in elastomerem Material eingebettet sein und das einen Teil der

M) Schraubenfeder abdeckende elastomere Material die Ringnut im Stützkörper mindestens teilweise ausfüllen, wahrend der Federring mil der Außenseite der Schraubenfeder iri direkter Berührung stehl. Dadurch ergibt sich eine spielfreie Einbettung der Scriräuberife^

der in der Ringnut des Stützkörpers, während andererseits von dem Federring her ein direkter Kontakt ZU der Schraubenfeder besteht
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfol-

genden Beschreibung mehrerer, in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 eine geschnittene Teildarstellung einer mit einer Ventil-Drehvorrichtung ausgestatteten Ventilan-Ordnung,

Fig.2 eine teilweise geschnittene, vergrößerte Draufsicht der Ventil-Drehvorrichtung,

F i g. 3 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch die Ventildrehvorrichtung im Bereich der ringförmigen ι ο Schraubenfeder in Ruhelage,

Fig.3a eine der Fig.3 entsprechende Darstellung bei belasteter Schraubenfeder,

Fig.4 einen Schnitt durch ein Dämpfungsglied mit rechteckiger Querschnittsform,

Fig.5 einen Schnitt durch ein Dämpfungsglied mit dreieckiger Querschnittsform und

F i g. 6 einen Schnitt durch ein die Ringnut des Federstürikcrpers ausfüllendes Dämpfungsglied.

In Fig. 1 ist eine Ventildrehvorrichtung 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 bc, einer Ventildrehvorrichtung 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 einem Stützkörper 18 jn zur Wirkung. Der Stützkorper 18 wird dabei auf dem Ventilschaft 22 durch einen Feststeller bzw. ein Spen glied 20 festgehalten. Die Drehung des Stützkörpers 18 führt zu einer Drehung des Ventilschaftes 22 und des Ventils 28. r-

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 Federteller 294 und dem Zylinderkopf 12 unter Vorspannung des Ventils 28 in die Schließsteilung. Darüberhinaus führt die Belastung des Ventilschaftendes 24 zu einer Verformung der ringförmigen Schraubenfeder 14. die in bekannter Weise eine Drehbewegung des Ventils 28 gegenüber dom Zylinder- 4i kopf 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 in zusammenzieht. Eine Federring-Anschlagfläche 30 begrenzt die Nachgiebigkeit des Federringes 16 und verhindert eine Überlastung der ringförmigen Schraubenfeder 14.

Die seitlich belastete ringförmige Schraubenfeder 14 ή 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 Federwin en düngen am Innendurchmesserbereich und ain Außendurchmesserbereich der Ringnut 32 im Stützkörper 18 entsteht Dieser Unterschied im Abstand wird aus der F i g. 2 deutlich. Dabei ist festzustellen, daß der Abstand zwischen den Federwindungen 34 und 36 beispielsweise im Bereich der Außenwand 38 der Ringnut größer ist als der Abstand zwischen den Federwindungen 34 und 36 im Bereich der Innenwand 40 der Ringnut. 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 dor Federwindungen an der Außenwand 38 der Ringnut frei bleiben und sich tangential bewegen können, wenn die ringförmige Schraubenfeder 14 sich neigt, wodurch eine Änderung der Federwindungsform beim 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 Ermüdungsausfall führen kann.

Wie am besten die F i g. 3 und 3A zeigen, ist innerhalb der ringförmigen Schraubenfeder 14 ein ringförmiges Dämpfungsglied 42 vorgesehen. Bei den in den F i g. 3 und 3A dargestellten Ausführungsformen ist das ringförmige Dämpfungsglied in Form eines O-Ringes mit einem Kreisquerschnitt ausgebildet Bei in der Ruhelage befindlicher ringförmiger Schraubenfeder 14, wie sie in F ι g. 3 dargestellt ist. best. . keine oder nur eine geringe Kiaftwi.-kung zwischen derr Federring Ib und dem Stützkorper 18. die ausreichen würde, um die Schraubenfeder 14 zu verformen. Wie die F i g. 3 zeigt, ist das elastische Dämpfungsglied 42 in Vertikalrichfjng kleiner gemessen als die innere Abmessung d der ringförmigen Schraubenfeder 14 in der Ausgangsposition. Dies erleichtert die Einfügung des Dämpfungsgliedes 42 in die ringförmige Schraubenfeder. Bei der Verformung der Schraubenfeder stellt jich jedoch ein Kontakt zwischen ihr und dem Dämpfungsglied 42 her. Die freie vertikale Abmessung des ringförmigen Dämpfungtg'iedes 42 ist dann größer als die innere Abmessung der ringförmigen Schraubenfeder d' bei deren maximaler Verformung. Das ringförmige Dämpfungsglied in Form eines O-Ringes 42 erlaubt jedoch eine normale Drehung des Ventils 28 (F i g. !)■

Bei den dargestellten Ausführungsformen erfolgt das Zusammenwirken der Federwindungen de* ringförmigen Schraubenfeder mit dem Dämpfungsglied 42 in O-Ringform vor der maximal vorgesehenen Ausbiegung des Federrings 16 bzw. vor Erreichen des mechanischen Federringanschlages 30. Dsbei ist augenscheinlich, daß während der Verformung der ringförmigen Schraubenfeder das Zusammenwirken der zugehörigen Federwindungen mit dem ringförmigen Dämpfungsglied 42 währenJ nes Teils der Verformungsbewegung der Federwindungen erfolgt. Das führt dazu, daß die Federwindungen der ringförmigen Schraubenfeder das elastische (<!ied zusammendrücken. Das Dämpfungsglied 42 dampft dann die ringförmige Schraubenfeder 14, wodurch die zyklische Schwingung auf Grund von Resonanzfrequenzen auf ein Minimum bescr"·jrkt -.vird. während üie axiale Belastungsfähigkeit der ringförmigen Schraubenfeder 14 steigt, wodurch sie vor Überlastungen geschützt wird. Zugleich wird die ringförmige Schraubenfeder 14 zwischen dem Körper 18 und dem Federring 16 eingeklemmt, wodurch die Formänderung der Federwindungen beispielsweise der Federwindung 42ä gegen die innere Wand 40 und die äußere Wa.id 38 der Ringnut 32 auf ein Minimum beschränkt wird.

Das elastische Dämpfungsglied 42 kann in Veischiedenen Formen, wie mit den in den F i g. 3, 4, 5 und 6 dargestellten Querschnitten verwendet werden. So kann das elastische Glied 42, wie in F i g, 3 gezeigt, einen rechteckigen, gegebenenfalls quadratischen Querschnitt

aufweisen. Es ist auch möglich, daß das ringiörmige Dämpfungsglied 42c, wie in Fig.5 dargestellt, einen dreieckförmigen Querschnitt besitzt. In beiden Fällen ist die vertikale Abmessung der Dämpfungsglieder 42b Und 42c vorzugsweise (wenn auch nicht notwendigerweise) * kleiner als das Innenmaß i/der ringförmigen Schraubenfeder in ihrem Einbauzustand, wie dies in Fig.3 dargestellt ist. Die vertikale Abmessung der Dämpfungsglieder 42b und 42c ist jedoch so groß bemessen, daß ein Dämpiurigsangriff an den Federwiridüngen, to beispielsweise der Windung '42a der ringförmigen Schraubenfeder 14 möglich ist, d. h., daß die vertikale Abmessung bei der gewünschten maximalen Formänderung d' der Schraubenfeder größer ist als deren Innendurchmesser, wie dies in der Fig. 3A dargestellt w 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 Ringnut 32 bei darin angeordneter, entspannter ringförmiger Schraubenfeder 14 eingegossen und dann ausgehärtet. Eine TeilfUllung mit dem Elastomer ist durch die gestrichelte Linie 46 angezeigt. Es wird jedoch eine Kunststoffmenge bevorzugt, die zum Füllen der Ringnut 32 und des Innenraumes der ringförmigen Schraubenfeder 14 ausreicht, während der Außendurchmesser 48 der Feder in dem Bereich, in dem diese am Federring 16 anliegt, frei bleibt, wie dies in F i g. 6 gezeigt ist

Wenn auch in der vorangehenden Beschreibung das bevorzugte ringförmige Dämpfungsglied 42 als O-Ring aus Kautschuk beschrieben worden ist, kann dieses Glied 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-A-Härte von etwa 20 haben, wie sie nach dem ASTM-Verfahren D-676-59T 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,

20

25

30

40 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 (Dämpfurigseffekt), 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, Kohlenwässerstoffverbindungen seih Und seine Elastizität unter den besonderen Ümgeburigsbedingungen während des Gebrauchs bewahren, beispielsweise unter einem Ventildeckel in herkömmlichen Brennkraftmaschinen.

Bei einer typischen Kraftfahrzeugatmosphäre, in der die verbesserten Ventil-Drehvorrichtungen verwendet Werden, liegt die Temperatur etwa zwischen 12O⁰C und 150⁰C, 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-(dimethylsiloxan)- Kautschuk besonders geeignet.

Bei bekannten Bedingungen, bei denen die Dämpfungf.glieder verwendet werden sollen, ist es dem Fachmann auf dem Gebiet der Kunststoffmischungen ohne weiteres möglich, geeignete elastische, wärmeiind ölbeständige Materialien sowohl für die erfindungsgemäßen Einsatztypen als auch für die Eingießformen zu bestimmen. Die Gestaltungsformen, wie sie in den F i g. 3 bis 5 dargestellt sind, werden für den Einsatztyp bevorzugt. Es versteht sich jedoch, daß die Dämpfungsglieder 42 auch mit Preßsitz, mit Federsitz oder mit Grobpassung in die ringförmige Schraubenfeder 14 eingefügt werden können und zwar innerhalb der Abmessungsgrenzen, wie sie in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Dämpfungsglieder können in gleicher Weise auch an Ort und Stelle eingegossen und gehärtet werden, wobei sie entweder den Innenquerschnitt der Feder ganz oder nur teilweise ausfüllen, wie

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beispielsweise Polyvinylchlroid, Polyurethan, Poly-(dimethyIsiloxan)-Kautschuk in Frage, ferner im Handel erhältliche selbsthärtende Badewannendichtungsmaterialien, Poly-iButadien-Acrylnitri^-Kautschuk (Buna-N) und selbst Metalle wie Stahlspiralen in Frage. Jedes Das Dämpfungsglied kann auch durch die Injektion eines flüssigen oder zähflüssigen Elastomers in die ringförmige Schraubenfeder ausgebildet und an Ort und Stelle ausgehärtet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Drehen eines Hubventils für eine Brennkraftmascine während dessen Hubbewegung mit einer ringförmigen Schraubenfeder, die zwischen einem Federring und einem Stützkörper angeordnet ist, der eine Ringnut zur Aufnahme der ringförmigen Schraubenfeder aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von den Windungen der Schraubenfeder (14) umschlossenen Innenraum ein Dämpfungsglied (42, 426, 42a 44) angeordnet ist, welches die Bewegungen der Windungen (34,36) der Schraubenfeder (14) dämpft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (44) aus einem elastomeren Material besteht, das in die vorgesehene Lage gegossen und in dieser Lage ausgehärtet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material ein bei Raumtemperatur vulkanisierender Kautschuk, vorzugsweise Pily-(dimethylsiloxan)-K.autschuk ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied eine ringförmige Gestalt hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Dämpfungsgliedes in der Ruhelage der Schraubenfeder (14) kleiner als der lichte Durchmesser des von den Windungen der Schraubenfeder umschlossenen Innenraumes ist, jedoch bei der maximalen Verformung der Schraubenfeder größer als der lichte Durchmesser des Innenraumes der Schraubenfeder ist.

6. Vorrichtung nach Einern c'",r Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß das elastomere Material den von den Windungen (34 36) umschlossenen Innenraum der Schraubenfeder ausfüllt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Windungen der Schraubenfeder (14) im elastomeren Material eingebettet ist und das einen Teil der Außenseite der Schraubenfeder abdeckende, elastomere Material die Ringnut (32) im Stutzkcrper (18) mindestens teilweise ausfüllt, und der Federring (16) mit der Außenseite der Schraubenfeder (14) in direkter Berührung steht.