DE2758199A1

DE2758199A1 - Ventil-dreheinrichtung

Info

Publication number: DE2758199A1
Application number: DE19772758199
Authority: DE
Inventors: James M Cherrie
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1978-07-27
Also published as: IT7819384A0; US4154424A; FR2378175A1; DE2758199C2; CA1082063A; JPS6035521B2; FR2378175B1; JPS5393215A; SE433242B; GB1580096A; IT1092112B; SE7800788L

Description

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Oipt-lng Dtpl-Chem Dipl.-lng

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

-3'

TRW INC. 27. Dezember 1977

23555 Euclid Avenue

Cleveland. Ohio 44117 / V.St.A. Unser Zeichen: T 3016

Ventil-Dreheinrichtung

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Bewegungsumformung, insbesondere Einrichtungen zur Umformung einer Axialbewegung in eine Drehbewegung. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere eine Dreheinrichtung zum Drehen von Ventilen in Brennkraftmaschinen und soll daher in Verbindung damit beschrieben werden.

Dreheinrichtungen zum Drehen der Ventile von Brennkraftmaschinen sind bekannt. Solche Dreheinrichtungen umfassen einen ersten und einen zweiten Bauteil, die derart angeordnet sind, daß sie in Richtung der Längsachse des Ventils axial beweglich und um die Längsachse des Ventils relativ drehbar zueinander sind. Einer der Bauteile besitzt Taschen, in denen in Umfangsrichtung verschiebbare Elemente angeordnet sind, die den Bauteilen in Abhängigkeit von einer Axialbewegung zueinan-

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der eine Drehbewegung mitteilen. Die verschiebbaren Elemente können als Kugeln oder als Wendeln einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder ausgebildet sein. Bei Verwendung einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder ist diese in bekannter Weise in einer bogenförmigen Nut einer der beiden Bauteile angeordnet, wobei bei einer relativen axialen Bewegung der Bauteile zueinander die Wendeln dieser Feder sich verschieben und dadurch eine Relativdrehung der Teile bewirken. Eine typische Bauweise solcher Dreheinrichtungen ist in der US-PS 3 421 734 offenbart. Bei Dreheinrichtungen, die Kugeln verwenden, bewegen sich die Kugeln auf einer Neigungsbahn, die den Boden einer Tasche in einem der beiden Bauteile bildet. Dreheinrichtungen dieser Bauweise sind in zahlreichen Patentschriften und anderen Veröffentlichungen offenbart, wobei typische Ausführungen den US-Patentschriften 3 710 768 und 3 890 943 zu entnehmen sind.

Bei den Dreheinrichtungen der zuvor beschriebenen Art ist zwischen den beiden Bauteilen eine Tellerfeder angeordnet, die das Hauptlastaufnahmeglied zwischen den Bauteilen darstellt. Dabei liegt eine innere Randfläche der Tellerfeder einem der Bauteile an, während eine äußere Randfläche der Tellerfeder mit dem anderen Bauteil zusammenwirkt. Der mittlere Bereich der Tellerfeder wirkt dabei typischerweise unter Linienberührung mit dem Außenumfang des verschiebbaren Elements zusammen. Bei einer axialen Relativbewegung der Teile zueinander wird die Tellerfeder belastet und um den Umfang des verschiebbaren Elementes herumgebogen, wodurch eine Verschiebung der Wendeln der in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder oder eine Verschiebung der Kugeln herbeigeführt wird, je nachdem, welche der Bauarten vorliegt. Wenn die Bauteile der Dreheinrichtung sich axial auseinanderbewegen, wird die auf die verschiebbaren Elemente einwirkende Kraft der Tellerfeder verringert, so daß diese in die Ausgangsposition zurückkehren können. Die Arbeit der Tellerfeder und der verschiebbaren Elemente führt in bekannter Weise

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zu der Drehung des einen Bauteils der Dreheinrichtung gegenüber dem anderen Bauteil.

Mit der vorliegenden Erfindung werden Dreheinrichtungen der zuvor beschriebenen Art verbessert. Die Verbesserung baut auf einer Gestaltung der Tellerfeder und des dazu passenden verschiebbaren Elements auf, die diesen beiden Teilen im Gegensatz zu der herkömmlichen Linienberührung eine Flächenberührung vermittelt. Die Flächenberührung zwischen der Tellerfeder und dem dazu passenden verschiebbaren Element verringert die Berührungsspannungen und den Verschleiß dieses Baukomponentenpaares .

Der Vorteil der Verringerung der Berührungsspannungen durch die Herstellung einer Flächenberührung zwischen den verschiebbaren Elementen und der Tellerfeder wird erfindungsgemäß weiterhin ohne die Notwendigkeit erreicht, die mittlere Abplattungsbelastung der Tellerfeder zu beeinflussen. Die Durchbiegungseigenschaften der Tellerfeder bei Belastung brauchen daher nicht abgewandelt zu werden. Die vorangehend genannten Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Tellerfeder mit einer sich über den Umfang erstreckenden konvexen Fläche zur Aufnahme und zum Zusammenwirken mit einem konkaven Flächenbereich des Außenumfangs des verschiebbaren Elementes versehen ist, wobei dieses eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder oder eine Kugel sein kann, wobei die Dicke der Tellerfeder sich über deren Ausdehnung nicht wesentlich ändert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten AusfUhrungsform. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der Teile weggelassen sind,

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Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt eines Teils der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt der bei der Ausführung gemäß Fig. 1 verwendeten Tellerfeder und

Fig. 4 eine Teildraufsicht eines Abschnittes einer Tellerfeder, wie sie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird.

Wie bereits zuvor erwähnt worden ist, betrifft die vorliegende Erfindung eine Dreheinrichtung, insbesondere eine Einrichtung zum Drehen von Ventilen in Brennkraftmaschinen um die Ventillängsachse. Derartige Dreheinrichtungen sind an sich bekannt, die vorliegende Erfindung ist bei einer großen Anzahl verschiedenartiger spezieller Dreheinrichtungsgestaltungen verwendbar. Die Fig. 1 zeigt stellvertretend eine spezielle Gestaltung unter Ausnützung der erfindungsgemäßen Lösung.

Die Fig. 1 zeigt den Zylinderkopf 10 eines Motors mit einem zugeordneten Ventil 17. Der Schaft 16 des Ventils 17 erstreckt sich durch eine Bohrung 14 in dem Zylinderkopf 10. Der Ventilschaft 16 kann sich in der Bohrung 14 hin und her bewegen und zugleich um seine Längsachse 18 drehen. Das Ventil 17 besitzt einen Ventilteller 24, der sich bei der hin- und hergehenden Ventilbewegung zwischen einer Öffnungslage und einer Schließlage gegenüber einem Ventilsitz 26 bewegt. Das Ventil 17 wird in Richtung seiner Längsachse 18 zwischen der ftffnungslage und der Schließlage gegenüber dem Ventilsitz 26 durch einen geeignet ausgebildeten Kipphebel 27 bewegt, der am oberen Ende 28 des Ventils angreift und dieses in bekannter Weise in Richtung der Längsachse 18 bewegt.

Bei der Hin- und Herbewegung des Ventils 17 in Richtung seiner Längsachse 18 wird es zugleich um diese Längsachse durch eine Ventildreheinrichtung gedreht, die generell mit 29 gekennzeich-

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net ist. Die Ventil-Dreheinrichtung 29 umfaßt einen ersten Bauteil 30 und einen zweiten Bauteil 32, die beide den Ventilschaft 16 umgebend angeordnet sind. Zwischen dem Dreheinrichtungsteil 30 und dem Zylinderblock wirkt eine Spiral-Ventilfeder 34. Der Bauteil 30 wird daher gegen eine Drehung um die Ventilachse 18 festgehalten. Der Bauteil 32 ist an dem Ventilschaft 16 befestigt bzw. an diesem festgelegt. Die Festlegung des Bauteils 32 gegenüber dem Schaft 16 erfolgt dabei sowohl in Axialrichtung als auch in Drehrichtung in an sich bekannter Weise insbesondere durch ein Verriegelungsglied 38.

Es versteht sich dabei, daß bei der Abwärtsbewegung des Kipphebels 27 die Feder 34 zusammengedrückt und das Ventil 24 in die Öffnungslage überführt wird. Bei der Aufwärtsbewegung des Kipphebels 27, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, führt die Feder 34 das Ventil 24 in die Schließlage gegen den Ventilsitz 26 zurück. Die Ventilfeder 34 umfaßt eine Belastungseinrichtung zur Aufbringung einer veränderlichen Belastung auf das Ventil, wobei die Belastungskräfte abwechselnd zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert ansteigen und abfallen, wenn sich das Ventil 24 zwischen der Öffnungslage und der Schließlage bewegt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schließlage ist die Ventilfeder 34 auf ihre größte Länge ausgedehnt, wobei sie das Ventil nur mit einer minimalen Kraft belastet. Wenn der Kipphebel 27 sich zum Abheben des Ventils vom Ventilsitz 26 abwärts bewegt, steigt die Kraft der Ventilfeder 34 zunehmend an, bis bei vollständig geöffnetem Ventil 17 die maximale Federkraft erreicht wird. Die Kraft der Ventilfeder 34 wirkt zugleich auch auf den Bauteil 30 der Dreheinrichtung ein und belastet diesen axial auf den zweiten Bauteil der Dreheinrichtung zu, wodurch dieser in feste Anlage an die Außenfläche des auf den Ventilschaft 16 angeordneten Sicherungsteil 38 drückt.

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Wie zuvor schon erwähnt worden ist, sind der erste Bauteil 30 und der zweite Bauteil 32 der Dreheinrichtung derart angeordnet, daß sie gegeneinander und in Bezug auf die Längsachse 18 des Ventils 17 frei verdrehbar und axial bewegbar sind. Die Teile 30 und 32 sind in Fig. 1 generell in der Position dargestellt, in der sie bei geschlossenem Ventil 24 in der Axialrichtung am weitesten voneinander entfernt sind. Wenn sich die Bauteile in Axialrichtung aufeinander zu bewegen, wird zwischen ihnen eine Drehbewegung erzeugt.

Bei der dargestellten Ausfuhrungsform wird die Relativdrehung durch das Zusammenwirken einer Tellerfeder 6O und einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 54 bewirkt. Der zweite Bauteil 32 der Dreheinrichtung ist bei der dargestellten Ausführungsform mit einer Tasche 52 versehen, die die in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder aufnimmt. Diese ringförmige Schraubenfeder ist konventionell gestaltet und arbeitet, wie vorangehend schon erwähnt worden ist, in an sich bekannter Weise. Die ringförmige Schraubenfeder erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Teil 32. Die Federscheibe bzw. Tellerfeder 60 ist zwischen die beiden Bauteile 30 und 32 eingefügt.

Die Tellerfeder besitzt einen äußeren ümfangsflächenbereich 61, der dem Teil 30 anliegt, und einen inneren Umfangsflächenbereich 62, der einer Schulter des Bauteils 32 anliegt. Die Federscheibe bzw. Tellerfeder drückt die beiden Drehbauteile 30, 32 normalerweise in Axialrichtung auseinander. Darüberhinaus besitzt die Federscheibe bzw. Tellerfeder einen mit 63 bezeichneten Mittelbereich zwischen den Bereichen 62 und 62, der dem Außenumfang der in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 54 anliegt.

Bei einer Axialbewegung des Drehbauteils 30 gegenüber dem Drehbauteil 32 wird die Tellerfeder belastet, wodurch sie sich in dem Mittelbereich um und über den Wendeln der in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 54 durchbiegt.

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Das führt dazu, daß sich die Wendeln der In sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 54 in der Tasche 52 verschieben und dadurch einen abweichenden Neigungswinkel gegenüber der Bodenfläche der Tasche 52 einnehmen. Wenn sich der Kipphebel 27 in eine entgegengesetzte Richtung bewegt, die eine Auseinanderbewegung der Drehbauteile 30 und 32 in Axialrichtung zuläßt, dann kehren die Wendeln der ringförmigen Schraubenfeder 54 in ihre Ausgangslage zurück. Dadurch werden die Drehbauteile 30, 32 relativ zueinander gedreht, wodurch wiederum eine Drehung des Ventilschaftes 16 um die Achse 18 gegenüber dem Ventilsitz 26 erfolgt. Da die Funktionsweise der in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder an sich bekannt ist, soll an dieser Stelle von einer ins einzelne gehenden Beschreibung abgesehen werden.

Die Federscheibe bzw. Tellerfeder 60 ist erfindungsgemäß mit einer in Unfangsrichtung verlaufenden konkaven Vertiefung 70 auf der gemäß der Darstellung in Fig. 2 oben liegenden Flächen versehen. Die Vertiefung 70 ist derart geformt, daß sie den Außenumfangsbereich 52a der ringförmigen Schraubenfeder 54 aufnimmt. Der Radius der Vertiefung 70 ist so gewählt, daß wenigstens ein Teil des umlaufenden Außenumfangs der ringförmigen Schraubenfedern diesem während der Drehbewegung entspricht. Der Radius und die Tiefe der Vertiefung 70 ist insbesondere so bemessen, daß eine konkave Kontaktfläche 70 auf der Tellerfeder vorgesehen ist, die mit einem konvexen Umfangsflächenbereich der äußeren Wendelabschnitte der ringförmigen Schraubenfeder 54 entspricht. Dadurch wird die Lebensdauer der Dreheinrichtung erhöht, weil zwischen der Tellerfeder und dem Außenumfang der in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder 54 eine Linienberührung vermieden und eine flächige Berührung hergestellt wird. Auf diese Weise werden die Berührungsspannungen und der Berührungsverschleiß zwischen der ringförmigen Schraubenfeder 54 und der Tellerfeder 60 im Vergleich mit den Gestaltungen verringert, bei denen eine linienförmige Berührung vorliegt.

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Wie am besten die Fig. 3 erkennen läßt, ist die Dicke der Tellerfeder bzw. Federscheibe 60 erfindungsgemäß über die gesamte Ausdehnung im wesentlichen gleich gestaltet. Die Dicke der Tellerfeder, wie sie in Fig. 3 mit 80 bezeichnet ist, ist im wesentlichen gleich der Dicke in dem Bereich 81, der die Vertiefung 70 bildet und in dem Bereich 82 am Innenumfang. Dadurch daß die Tellerfeder über ihre gesamte Ausdehnung im wesentlichen gleichmäßig dick ausgebildet ist, treten keine signifikanten Änderungen der Durchbiegungseigenschaften bei Belastung auf.

Die mittlere Abflachungsbelastung einer Federscheibe der Tellerfederbauart ist beispielsweise abhängig von der vierten Potenz der Dicke der Federscheibe. Wenn daher die Federscheibe mit einem sehr dünnen Querschnitt ausgebildet ist, verringert sich die Abflachungsbelastung beträchtlich. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Bereich 81 der Federscheibe wesentlich dünner ist als beispielsweise die Bereiche 80 und 82. Bei einer solchen Gestaltung ist die mittlere Abflachungsbelastung der Federscheibe abhängig von der geringen Dicke im Bereich 81.

Damit ist deutlich geworden, daß die vorliegende Erfindung eine wesentlich verbesserte Dreheinrichtung schafft, bei der eine Linienberührung zwischen der Federscheibe bzw. der Tellerfeder und den verschiebbaren Elementen beseitigt ist, wobei die lastabhängige Durchbiegungscharakteristik der Federscheibe bzw. der Tellerfeder nicht signifikant verändert ist, weil die Federscheibe bzw. die Tellerfeder über ihre gesamte Ausdehnung eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke hat.

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Claims

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E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

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Cleveland. Ohio 44117 / V.St.A.

Unser Zeichen; T 3016

Ansprüche ;

ι Dreheinrichtung für ein zwischen einer Öffnungslage und
einer Schließlage in Richtung einer Längsachse hin-und
herbewegbares und um die Achse drehbares Ventil, die einen ersten und einen zweiten Bauteil umfaßt, welche gegeneinander in Richtung der Längsachse beweglich und um die Längsachse drehbar sind, wobei sie mit abwechselnd ansteigenden und abfallenden Kräften durch einen das Ventil in die
Schließstellung belastenden, eine veränderliche Kraft aufbringenden Einrichtung zueinander gedrückt werden, wobei
ferner eine Einrichtung zur Erzeugung einer Relativdrehung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil bei deren Axialbewegung aufeinander zu vorgesehen ist und wobei diese
Einrichtung wenigstens ein zwischen den beiden Bauteilen
angeordnetes verschiebbares Element umfaßt, das einen kon-

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INSPCCTTEO

vexen Außenumfangsbereich aufweist und in einer in einem der beiden Bauteile ausgebildeten Tasche angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine den Ventilschaft umgebende, zwischen dem ersten und zweiten Bauteil angeordnete sowiediesen in Axialrichtung belastende Federscheibe wie Tellerfeder, die mit einem inneren Flächenbereich gegen einen der Bauteile und mit einem äußeren Flächenbereich gegen den anderen der Bauteile anliegt und einen Mittelbereich mit einer Vertiefung besitzt, die eine in Umfangsrichtung über die Federscheibe verlaufende konkave Fläche bildet, welche mit dem konvexen Außenumfangsbereich des wenigstens einen verschiebbaren Elementes in Berührung steht, wobei die Federscheibe über ihre gesamte Ausdehnung eine gleichmäßige Dicke aufweist.
2. Dreheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als verschiebbare Elemente Wendeln einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder vorgesehen sind und einer der Bauteile der Dreheinrichtung Flächen aufweist, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Tasche zur Aufnahme der ringförmigen Schraubenfeder bilden.
3. Dreheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der eine der Bauteile durch ein Befestigungselement drehfest an dem Ventilschaft festgelegt ist und die Einrichtung zur Aufbringung einer veränderlichen Kraft eine Feder umfaßt, die auf den anderen Bauteil einwirkt und dessen Drehung verhindert.
4. Dreheinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die verschiebbaren Elemente Wendeln einer in sich geschlossenen ringförmigen Schraubenfeder umfassen und einer der Bauteile der Dreheinrichtung Flächen hat, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Tasche zur Aufnahme der ringförmigen Schraubenfeder bilden.

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