DE3436193C2

DE3436193C2 - Ventilfederteller und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3436193C2
Application number: DE3436193A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Hinz; Walter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Steigleder
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1984-10-03
Filing date: 1984-10-03
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3436193A1; EP0176688A2; EP0176688B1; JPS6189914A; US4665869A; EP0176688A3

Abstract

Um bei einem Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff den Faserverlauf den im Betrieb auftretenden Beanspruchungen anzupassen, wird vorgeschlagen, daß mehrere übereinanderliegende Kohlefasergewebelagen in den Ventilfederteller eingebettet werden, daß eine konische Öffnung senkrecht zu den Gewebelagen durch diese hindurchläuft, daß die Schuß- und Kettfäden der Gewebelagen 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 Gewebelage ausbilden als in von der Öffnung entfernten Bereichen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilfedertellers angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilfederteller mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilfedertellers gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 6.
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 Kräfteverlauf 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 Koordinationskreissitzung "Faserverbundwerkstoffe" 1983; "Plastic Engine is off and Running", Mach. Des. 52 (1980) 10; DE-OS 32 01 023). 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 Ventilfederteller große elastische und plastische Deformationen erfahren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Ventilfederteller mit verbesserter Steifigkeit und Festigkeit anzugeben, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilfedertellers anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Ventilfederteller der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 sowie des Patentanspruchs 6 gelöst.
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 das Ende der Öffnung mit kleinerem Durchmesser ausgebaucht sind. Dadurch verlaufen die Gewebelagen in dem die Öffnung umgebenden Ringbereich 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 radialen 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 einzelnen 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 unmittelbar 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.
Das Aufdrücken der Gewebelagen auf einen konischen Dorn entsprechend dem Verfahren nach Patentanspruch 6 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 Dornes 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 Bereiche fort und verliert sich im weiter außen liegenden Bereich zunehmend.
Es ist dabei möglich, daß mit aushärtbarem Kunststoff vorimprägnierte Gewebelagen auf den Dorn aufgedrückt werden, der aushärtbare Kunststoff kann aber auch erst nach dem Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufgebracht werden.
Die Gewebelagen lassen sich einzeln auf den Dorn aufdrücken, 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 Dornes 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.
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 zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung in einem Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Ventilfederteller;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Dornes 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 Fig. 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 sich von oben nach unten konisch verengende Öffnung 4 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 Fig. 1 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 Ringnut 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 Klemmkegelhälften 8 geschoben und drückt dabei die beiden Klemmkegelhälften 8 fest gegen den Ventilschaft 7. 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 Schraubenfeder 13, die sich an dem Motorgehäuse 14 abstützt und über den Ventilfederteller den Ventilschaft 7 mit einer nach außen gerichteten elastischen Kraft beaufschlägt.
Durch einen von einer Nockenwelle 15 angetriebenen Nockenhebel 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 Dicke 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 Fig. 4 dargestellt ist. Die Verdrängung der Fäden setzt sich auch in abgeschwächter Form als 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 Umfangsbereich 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 (Fig. 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 aufzutragen, 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 Formstück 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 sogenannten Thermal-Expansions-Rubber (TER) bestehen, einem speziellen Siliconkautschuk mit besondes 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 Dornes und die Dimensionierung der Klemmkegelhälften gleich ist.

Claims

1. Ventilfederteller aus mit Kohlefasergewebeeinlagen verstärktem Kunststoff mit einer axialen, konischen Öffnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kohlefasergewebelagen in Längsrichtung der Öffnung (4) übereinanderliegen und die Öffnung (4) durch die Gewebelagen (6) hindurchläuft, daß die Schuß- und Kettfäden (21, 20) der Gewebelagen (6) aus dem Querschnitt der Öffnung (4) nach außen gedrängt sind und sich jeweils über einen Teil der Umfangsfläche der Öffnung (4) erstrecken und daß die Gewebelagen (6) im Randbereich der Öffnung (4) durch die verdrängten Schuß- und Kettfäden (21, 20) eine größere Dicke aufweisen 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 das Ende der Öffnung (4) mit kleinerem Durchmesser ausgebaucht sind.

3. Ventilfederteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausbauchung bis in den radialen Randbereich des Ventilfedertellers (1) erstreckt.

4. Ventilfederteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbauchung der einzelnen Gewebelagen (6) in Richtung auf das Ende der Öffnung (4) mit kleinerem Durchmesser zunimmt.

5. Ventilfederteller nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar übereinanderliegende Gewebelagen (6) so gegeneinander verdreht sind, daß die Fäden (20, 21) dieser Gewebelagen (6) nicht parallel verlaufen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Ventilfedertellers aus kohlefaserverstärktem Kunststoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gewebelagen aus Kohlenstoffasern auf einen konischen Dorn aufgedrückt werden, dessen Konizität der von Klemmkegelhälften entspricht, mit deren Hilfe der Ventilfederteller an einem Ventilschaft fixiert wird, daß nach dem Aufbringen der Gewebelagen auf den Dorn eine Form über den Dorn gesetzt wird, die die mit aushärtbarem Kunststoff getränkten Gewebelagen auf ein gewünschtes Volumen zusammendrückt, und daß der Kunststoff bei aufgesetzter Form ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit aushärtbarem Kunststoff vorimprägnierte Gewebelagen auf den Dorn aufgedrückt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aushärtbare Kunststoff erst nach dem Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen einzeln auf den Dorn aufgedrückt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere übereinanderliegende Gewebelagen gleichzeitig auf den Dorn aufgedrückt werden.