DE3436193A1 - Ventilfederteller und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Ventilfederteller und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
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17. September 1984
Anmelderin: Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e.V. Sitz: 5300 Bonn Postanschrift: 5Q00 Köln
Beschreibung Ventilfederteller und
Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilfedertellers.
Ventilfederteller werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um die Kraft einer einen Ventilschaft umgebenden Schraubenfeder
auf den Ventilschaft zu übertragen. Die Schraubenfeder stützt sich am Ventilteller ab, und dieser ist beispielsweise
mit zwei Klemmkegelhälften am Ventilschaft fixiert. Diese Verbindung bewirkt einen komplexen Kräfte-
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verlauf im Ventilfederteller. Infolge des geringen Keilwinkels
der die Klemmkegelhälften'aufnehmenden, konischen Öffnung im Ventilfederteller verursacht die eingeleitete
Federkraft eine große Radialkraft. Dadurch werden im Kern des Ventilfedertellers neben axial wirkenden Zugspannungen
auch hohe Umfassungsspannungen hervorgerufen.
Der Übergangsbereich vom Kern zur Auflagefläche der Ventilfeder
wird auf Schub und Biegung beansprucht.
Üblicherweise werden Ventilfederteller aufgrund . dieser ■ Beanspruchungen aus Einsatzstählen hergestellt.
Es wäre wünschenswert, dieses Material durch leichtere Materialien zu ersetzen, um die Massenkräfte des Steuerantriebes
möglichst gering zu halten. Es ist bereits bekannt, Ventilfederteller aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen
(Dr. D.Lutz "Gerichtete Kohle-Kurz-Fasern im Automobilbau", Vortrag auf der Koo.rdinationskreissitzung
"Faserverbundwerkstoffe" 1983; "Plastic Engine is off and Running", Mach. Des. 52 (1980) 10). Bei bekannten Ventilfedertellern
werden diese aus kurzfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, und es hat sich dabei herausgestellt,
daß sich nur geringe Festigkeit und Steifigkeit ergeben, so daß diese Ventilfederte Her große elastische und plastische
Deformationen erfahren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Ventilfederteller
mit verbesserter Steifigkeit und Festig-
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keit herzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Ventilfederteller der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere
übereinanderliegende Kohlefasergewebelagen in den Ventilfederteller eingebettet sind, daß eine konische Öffnung
senkrecht zu den Gewebelagen durch diese hindurchläuft, daß
die Schuß- und Kettfäden der Gewebeeinlagen aus dem Querschnitt der Öffnung nach außen gedrängt sind und sich jeweils
über einen Teil des Umfangs der Öffnung erstrecken und daß im Randbereich der Öffnung die verdrängten Schuß-
und Kettfäden eine größere Dicke der Gewebelagen ausbilden als in von der Öffnung entfernten Bereichen.
Die Verwendung von Gewebelagen mit sich kreuzenden Schuß- und Kettfäden und die Verdrängung der Fäden im Bereich
der die Gewebelage durchdrängenden Öffnung ermöglichen einen besonders günstigen Faserverlauf in dem Kunststoff,
der den jeweils auftretenden Beanspruchungen in verschiedenen Bereichen des Ventilfedertellers angepaßt ist. Die
Fasern verlaufen längs der Öffnung im wesentlichen in Umfangsrichtung und nehmen somit die Dehnungsbeanspruchung
längs des Öffnungsumfanges auf, am äußeren Rand dagegen verlaufen die Fasern annähernd radial.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gewebelagen im Bereich
der Öffnung in Richtung auf deren Ende mit kleinerem Durchmesser ausgebaucht sind. Dadurch verlaufen die
Gewebelagen in dem die Öffnung umgebenden Ringbereich
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nicht parallel zur Stirnfläche des Ventilfedertellers, sondern schräg dazu, so daß in dem äußeren, auf Biegung beanspruchten
Bereich eine besonders günstige Versteifung erzielt werden kann.
Günstig ist es dabei, wenn sich die Ausbauchung bis in den Randbereich des Ventilfedertellers erstreckt, wenn also
auch im Randbereich die Gewebelagen noch gegenüber der Stirnfläche geneigt verlaufen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausbauchung der Gewebelagen
in Richtung auf das Ende der Öffnung mit kleinerem Durchmesser zunimmt. Dies wird z.B. in einfacher Weise
dadurch erreicht, daß die Gewebelagen in unmittelbarer Umgebung der Öffnung dicker sind als in von der Öffnung entfernten
Bereichen, so daß der Abstand der einzelnen Gewebelagen im Öffnungsbereich größer wird als in der Nähe des
äußeren Randes.
Vorteilhaft ist es, wenn übereinanderliegende Gewebelagen
so gegeneinander verdreht sind, daß die Fäden übereinanderliegender Gewebelagen nicht parallel verlaufen. Beispielsweise
können übereinanderliegende Gewebe um 45° verdreht sein, es ist aber auch möglich, geringere Drehwinkel
von Gewebelage zu Gewebelage vorzusehen. Auf diese Weise kann der Ventilfederteller in Bezug auf seine
Festigkeitseigenschaften weitgehend rotationssymmetrisch ausgebildet werden.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Ventilfedertellers anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man
mehrere Gewebelagen aus Kohlenstoffasern auf einen konischen
Dorn so weit aufdrückt, daß der Dorn durch die Gewebelagen hindurchdringt, daß man die mit aushärtbarem
Kunststoff getränkten Gewebelagen zusammendrückt und daß man dabei den Kunststoff aushärten läßt.
Das Aufdrücken der Gewebelagen auf einen konischen Dorn verteilt in einfacher Weise die Kett- und Schußfäden im
Gewebe in der gewünschten Weise, d.h. diese Fäden werden vom Dorn zur Seite geschoben und dabei bereichsweise an
den Umfang des Domes angelegt, so daß sie im unmittelbar
an die vom Dorn gebildete Öffnung angrenzenden Bereich längs eines Umfangsabschnittes verlaufen. Diese Verformung
setzt sich auch in die etwas weiter von der Öffnung entfernten Bereich fort und verliert sich im weiter außen
liegenden Bereich zunehmend.
Es ist dabei möglich, daß man mit aushärtbarem Kunststoff vorimprägnierte Gewebelagen auf den Dorn aufdrückt, man
kann aber auch den aushärtbaren Kunststoff erst nach dem Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufbringen.
Die Gewebelagen lassen sich einzeln auf den Dorn aufdrük-
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ken, bei einem anderen Verfahren werden mehrere übereinanderliegende
Gewebelagen gleichzeitig auf den Dorn aufgedrückt.
Bei dem Aufdrücken bauchen sich die übereinandergelegten
Gewebelagen aufgrund der größeren Gewebedicke im Umfangsbereich der Öffnung stärker aus, so daß eine in Richtung
der Spitze des Domes zunehmende Ausbauchung der einzelnen Gewebelagen auftritt.
Es ist vorteilhaft, wenn man einen Dorn verwendet, dessen Konizität der der Klemmkugelhälften entspricht,
mit deren Hilfe der Ventilfederteller an einem Ventilschaft fixiert wird. Es ist dadurch nicht mehr notwendig,
die innere Öffnung nachzubearbeiten.
Besonders vorteilhaft läßt sich das Verfahren durchführen, wenn man nach dem Aufbringen der Gewebelagen auf
den Dorn eine Form über den Dorn setzt, die die Gewebelagen auf ein gewünschtes Volumen zusammendrückt, und
wenn man die Aushärtung des Kunststoffes bei aufgesetzter Form vornimmt. Durch die Verwendung einer solchen
Form werden die Gewebelagen definiert zusammengedrückt und nehmen ein genau vorgegebenes gewünschtes Volumen
ein, so daß Ventilfederteller mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar sind.
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Nach dem Aushärten können die Ventilfederteller an den Außenflächen
mechanisch bearbeitet werden, so daß sie die gewünschte Außenkontur erhalten.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung
der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung
in einem Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Ventilfederteller;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Domes und einer Form zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ventilfedertellers;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ventilfedertellers und
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Faserverlauf in
einer Gewebelage im Innern des erfindungsgemäßen Ventilfedertellers.
In Figur 3 ist im Querschnitt ein Ventilfederteller 1 dargestellt,
der eine obere ebene Stirnseite 2 und eine parallel dazu verlaufende untere Stirnseite 3 aufweist. Von
der oberen Stirnseite zur unteren Stirnseite läuft eine
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sich von oben nach unten konisch verengende Öffnung durch den Ventilfederteller. Der untere Teil des Ventilfedertellers
1 weist einen geringeren Durchmesser auf als der obere Teil, so daß im Übergangsbereich eine Stufe
5 ausgebildet wird.
Am unteren Rand ist der Ventilfederteller 1 abgeschrägt.
Ein solcher Ventilfederteller mit einer an sich bekannten Formgebung kann in der aus Figur t ersichtlichen
Weise an einem Ventilschaft 7 befestigt werden. Zu diesem Zweck werden zwei Klemmkegelhälften 8 verwendet,
die den Ventilschaft 7 umgeben und mit einem ringförmigen Vorsprung 9 in eine entsprechende Ringnug 10 des
Ventilschaftes eintauchen. Die Klemmkegelhälften 8 · weisen einen Außenmantel 11 auf, dessen Konizität mit
der der Öffnung 4 übereinstimmt.
Der Ventilfederteller 1 wird über die beiden Klemmr,
kegelhalften 8 geschoben und drückt dabei die beiden Klemmkegelhälften .8 " fest gegen den Ventilschaft
Gleichzeitig wird dadurch der Ventilfederteller 1 gegen eine weitere Verschiebung in.Längsrichtung des Ventilschaftes
gesichert.
Die von der Stufe 5 ausgebildete Schulter 12 an der Unterseite
des oberen Ventilfederringteils bildet eine Anlagefläche für eine den Ventilschaft 7 umgebende Schrau- „
benfeder 13, die sich an dem Motorgehäuse 14 abstützt und
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über den Ventilfederteller den Ventilschaft 7 mit einer nach außen gerichteten elastischen Kraft beaufschlägt.
Durch einen von einer Nockenwelle 15 angetriebenen Nokkenhebel 16, der kugelig am Ventilschaft 7 gelagert ist,
kann der Ventilschaft entgegen der Kraft der Schraubenfeder 13 nach innen verschoben werden, wobei der Ventilfederteller
die Aufgabe übernimmt, die Kraft der Schraubenfeder in den Ventilschaft einzuleiten.
Der erfindungsgemäße Ventilfederteller wird aus einer größeren Anzahl von Kohlefasergewebelagen 6 und einem
aushärtbaren Harz in der folgenden Weise hergestellt:
Auf einen konischen Dorn 17, dessen Konizität und Dikke der Konizität bzw. dem Durchmesser der Öffnung 4 im
Ventilfederteller entspricht und der von einer ebenen Auflagefläche 18 umgeben ist, werden nacheinander oder
gleichzeitig eine größere Anzahl von Kohlefasergewebelagen 6 so aufgedrückt, daß die abgeschrägte Spitze 19
des Dornes 17 durch die Gewebelagen hindurchtritt. Die Gewebelagen werden längs des Dornes in Richtung auf die
ebene Auflagefläche 18 verschoben, wobei die Kett- und Schußfäden 20 bzw. 21 von dem Dorn seitlich aus dem Bereich
der durch den Dorn erzeugten Öffnung herausgedrängt werden, wobei die Fäden sich im öffnungsnahen
Bereich an den Umfang der Öffnung anlegen und über einen bestimmten Winkelbereich längs dieses Umfanges verlaufen,
wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Die Verdrän-
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gung der Fäden setzt sich auch in abgeschwächter Form bis in einen von der Öffnung entfernten Bereich fort, wobei
in den außenliegenden Bereichen nur noch geringe Störungen des ursprünglichen Fadenverlaufs der Innengewebe
zu beobachten sind. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise in der Gewebelage im Bereich der öffnung ein im wesentlichen
ringförmiger Verlauf, in weiter außenliegenden Bereichen dagegen kreuzen sich die Kett- und Schußfäden in
der Art eines ungestörten Gewebes.
Durch die Verdrängung der Fasern werden diese im Umfangsbereich außerdem verdichtet, so daß auch die Dicke der
Gewebelagen im unmittelbaren ümfangsbereich der öffnung
größer ist als im weiter außenliegenden Bereich.
Die in dieser Weise einzeln oder als Packung mehrerer Gewebelagen auf den Dorn aufgedrückten Gewebelagen bauchen
sich wegen der größeren Dicke der Gewebelage im dornnahen Bereich in Richtung zur Spitze des Dornes aus, wobei diese
Ausbauchung in Richtung auf die Spitze des Dornes immer mehr zunimmt. Diese Ausbauchung führt dazu, daß die
Gewebelagen gegenüber der oberen Stirnseite 2 geneigt verlaufen, wobei die Neigung in Richtung auf den Dorn
und in Richtung auf die Dornspitze zunimmt (Figur 2).
Die Gewebelagen können bereits mit einem aushärtbaren Kunststoff imprägniert sein, wenn sie auf den Dorn aufgedrückt
werden, es ist aber auch möglich, einen aushärtbaren Kunststoff erst auf die Gewebelagen aufzutra-
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gen, wenn diese auf den Dorn aufgedrückt sind.
Wenn die mit einem aushärtbaren Kunststoffharz versehenen
Gewebelagen auf den Dorn aufgedrückt sind, wird eine Form 22 auf den Dorn aufgesetzt. Diese Form 22 weist eine
der Auflagefläche 18 gegenüberliegende Wand 23 sowie
seitlich mit der Auflagefläche 18 und der Wand 23 abschließende
Seitenwände 24 auf, wobei auf der Innenseite der Form 22 ein Formstück 25 eingesetzt ist, welches
bei aufgesetzter Form zwischen sich und der Auflagefläche einen im Querschnitt V-förmigen Ringraum freiläßt,
in dem sich die Gewebelagen und das aushärtbare Kunstharz befinden.
Beim Aufsetzen, der Form auf den Dorn werden die Gewebelagen
durch das Formstück 25 zusammengedrückt und gegebenenfalls weiter auf den Dorn aufgeschoben, wobei überschüssiges
Kunstharz, seitlich aus der Form austreten kann. Es ist damit sichergestellt, daß die Gewebelagen
immer in der gleichen Weise verdichtet werden und daß der Anteil des Kunstharzes am Gesamtmaterial des Ventilfedertellers
immer gleich bleibt, beispielsweise kann der Faservolumenanteil bei 65% liegen, wenn man
bekannte Harzsysteme verwendet, beispielsweise ein Gemisch aus Triglycidylisocyanurat(TGIC) und Methylnadicsäureanhydrid
(MNSA).
Wenn, die Form vollständig geschlossen ist, beginnt der
Aushärtvorgang durch eine Wärmebehandlung. Das Form-
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stück 25 kann dabei aus einem Material bestehen, das bei
Erwärmung eine starke Ausdehnung zeigt, so daß bei der Härtung auftretende Schrumpfungen durch das Formstück
ausgeglichen werden. Beispielsweise kann das Formstück aus sogenanntem Thermal-Expansions- Rubber (TER) bestehen,
einem speziellen Siliconkautschuk mit besonders hoher Wärmedehnung.
Nach dem Aushärten wird der so erhaltene Rohling an seinen Außenseiten mechanisch bearbeitet, beispielsweise
durch Drehen oder Schleifen, bis die gewünschte Außenkontur erreicht ist. Die durch den Dorn 17 geformte öffnung
4 benötigt jedoch keine weitere Nachbearbeitung, wenn die Dimensionierung des Domes und die Dimensionierung
der Klemmkegelhälften gleich ist.
- Leerseite -
Claims (1)
- Patentansprüche :Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere übereinanderliegende Kohlefasergewebelagen (6) in den Ventilfederteller (1) eingebettet sind, daß eine konische Öffnung (4) senkrecht zu den Gewebelagen (6) durch diese hindurchläuft, daß die Schuß- und Kettfäden (21, 20) der Gewebe lagen (6) aus dem Querschnitt der Öffnung (A) nach außen gedrängt sind und sich jeweils über einen Teil des Umfangs der Öffnung (4) erstrecken und daß im Randbereich der Öffnung (4) die verdrängten Schuß- und Kettfäden (21, 20) eine größere Dicke der Gewebelagai (6) ausbilden als in von der Öffnung (4) entfernten Bereichen.2. Ventilfederteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen (6) im Bereich der öffnung (4) in Richtung auf deren Ende mit kleinerem Durchmesser ausgebaucht sind.-2-A 46 268 uu - 18317. September 1984 - 2 -3. Ventilfederteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausbauchung bis in den Randbereich des Ventilfedertellers (1) erstreckt.4. Ventilfederteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbauchung der Gewebelagen (6) in Richtung auf das Ende der Öffnung (4) mit kleinerem Durchmesser zunimmt.5. Ventilfederteller nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß übereinanderliegende Gewebelagen (6) so gegeneinander verdreht sind, daß die Fäden (20, 21) übereinanderliegender Gewebelagen (6) nicht parallel verlaufen.Verfahren z.ur Herstellung eines Ventilfedeitellers aus kohlefaserverstärktem Kunststoff nach einem der voranstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Gewebelagen aus Kohlenstoffasern auf einen konischen Dorn so weit aufdrückt, daß der Dorn durch die Gewebelagen hindurchdringt, daß man die mit aushärtbarem Kunststoff getränkten Gewebelagen zusammendrückt und daß man dabei den Kunststoff aushärten läßt.-3-A 46 268 uu - 18317.' September 1984 - 3 -7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit aushärtbarem Kunststoff vorimprägnierte Gewebelagen auf den Dorn aufdrückt.8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man aushärtbaren Kunststoff erst nach dem Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufbringt.9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gewebelagen einzeln auf den Dorn aufdrückt.10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere übereinanderliegende Gewebelagen gleichzeitig auf den Dorn aufdrückt.H. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Dorn verwendet, dessen Konizität der der Klemmkegelhälften entspricht, mit deren Hilfe der VentilfederteHer an einem Ventilschaft fixiert wird.12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Aufbringen der Gewe--4-A 46 268 uu - 18317. September 1984 - 4 -belagen auf den Dorn eine Form über den Dorn setzt, die die Gewebelagen auf ein gewünschtes Volumen zusammendrückt, und daß man die Aushärtung des Kunststoffes bei aufgesetzter Form vornimmt.13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man den Ventilfederteller nach dem Aushärten lediglich an 'den Außenflächen mechanisch bearbeitet.
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