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Hohles Tellerventil Bei Brennkraftmaschinen stellen die Ventile die
höchstbeanspruchten Bauteile dar. Im Betrieb treten hohe Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte
auf, die zu schlagartigen Dauerbeanspruchungen führen. Hinzu kommt vor allem noch
eine starke thermische Belastung des Materials, die bei den Auslaßventilen besonders
hoch liegt infolge Abgastemperaturen bis rooo° C und darüber. Die Ventile sind ferner
der Verzunderung und Erosion ausgesetzt. Der Weiterentwicklung der Brennkraftmaschinen
sind von dieser Seite her Grenzen gesetzt, trotzdem heute hochwertige Stähle zur
Verfügung stehen.
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Ein bekanntes Mittel zur mittelbaren, spezifischen Leistungssteigerung
von Brennkraftmaschinen besteht in der Anwendung der Innenkühlung der Ventilkörper,
insbesondere bei den Auslaßventilen. Bei gekühlten Ventilen von Brennkraftmaschinen
größerer Leistung wird meistens die Durchflußkühlung, bei denen von Brennkraftmaschinen
kleinerer Leistung, insbesondere Flugmotoren, oft die Kühlung durch ein eingeschlossenes
Kühlmittel, beispielsweise Natrium, angewendet. Diese Kühlungsart ist baulich sehr
einfach und betriebssicher. Das Kühlmittel füllt das Innere des hohlen Ventils nur
zum Teil aus und wird im Betrieb flüssig hin und her geschleudert, wodurch sich
eine .erhebliche Wärmeabfuhr vom besonders gefährdeten Ventiltellerkopf zum Ventilschaft
hin erzielen läßt.
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Die Anwendung der Innenkühlung verlangt den Bau von Hohlventilen.
Die Herstellung des Hohlraumes im Tellerkopf geschieht vielfach durch spanabhebende
Bearbeitung.
Der Hohlraum wird nach der Ausarbeitung oft durch Einschrauben oder Einschweißen
eines Deckels verschlossen, der dann den Tellerboden bildet. Diese Bauart erlaubt
ohne Schwierigkeit die Verwirklichung der wichtigen Forderung, daß der Hohlraum
im Tellerkopf bis in die Nähe des Ventilsitzes reicht, womit eingefülltes Kühlmittel
auch diese besonders gefährdete Zone bespülen kann. Sie hat aber vor allem den Nachteil,
daß der Ventilkörper aus mehreren Teilen besteht, was bei einem derart hoch beanspruchten
Maschinenteil unbedingt vermieden werden sollte.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung der Hohlräume im Ventilkörper
bildet das Hohlschmieden. Dieses Verfahren gestattet die Verwirklichung eines einteiligen
Ventils, ist aber sehr teuer und besonders schwierig bei den hochwarmfesten austenitischen
Stählen durchzuführen. Eine vollständige Aushöhlung des Tellerkopfes bis in unmittelbare
Sitznähe ist nicht möglich. Auch läßt die Maßhaltigkeit von Tellerrücken und -Boden
sehr zu wünschen übrig.
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Eine Zwischenlösung zwischen Hohlbohren des Ventiltellers mit Schließen
der Hohlraumöffnung durch einen besonderen Deckel und Hohlschmieden bedeutet die
bekannte Ausführung, bei der der Hohlraum im Tellerkopf dadurch entsteht, daß bei
der Bearbeitung des Ventilkörpers in Sitznähe ein hoher Kragen stehenbleibt, der
dann nach innen, d. h. nach Ventilmitte zu umgelegt, also umgekümpelt und in der
Mitte verschweißt so den Ventiltellerboden bildet.
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Auch auf diese Art läßt sich ein einteiliges Ventil herstellen, besonders
nachteilig ist aber, daß sich beim Kümpeln infolge Stauchung des Materials im Tellerboden
leicht Faltungs- und Verwerfungserscheinungen einstellen. Eine genaue Maßhaltigkeit
läßt sich auch hier nicht erreichen.
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Gemeinsam haben alle diese Bauarten noch den Nachteil, daß der Ventiltellerboden
frei tragend der Massenwirkung des Kühlmittels ausgesetzt ist, die bei Hochleistungsmotoren
infolge starker Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte zusätzlich eine besonders
hohe mechanische Beanspruchung bedeutet.
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Um die Beanspruchung des Bodens in zulässigen Grenzen zu halten, sind
deshalb schon Hohlventilbauarten bekanntgeworden, wo der Tellerboden in der Mitte
abgestützt ist. In Weiterentwicklung der oben beschriebenen Kümpelbauart wurde deshalb
vorgeschlagen, daß sich der nach innen umgekümpelte, den Ventiltellerboden bildende
Kragen gegen ein von dem verlängerten Schaft gebildetes, bis in den Hohlraum des
Tellerkopfes hineinragendes Widerlager abstützt und hier verschweißt wird. Bei dieser
Bauart zeigen sich natürlich ebenfalls die Nachteile der Kümpelbauart als solche.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit, wo auch der Ventiltellerboden
in der Mitte abgestützt ist, schlägt die Hohlbearbeitung des Tellerkopfes durch
eine möglichst kleine, zum Einführen des Bearbeitungswerkzeuges notwendig Öffnung
im Teller-Boden vor. Diese Öffnung wird nachträglich durch einen Stopfen verschlossen,
der mit Gewinde fest im Ventiltellerrücken bzw. im Ventilschaft sitzt und andererseits
auch mit dem Tellerboden verschraubt und dann verschweißt wird; der Stopfen bildet
somit gleichzeitig auch die Verankerung des Tellerbodens mit dem Ventilschaft. Diese
Bauart weist neben der erschwerten Ausarbeitungsmöglichkeit des Hohlraumes ebenfalls
den Nachteil auf, daß das Ventil aus mehreren Teilen besteht.
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Weiter ist eine Ausführung bekanntgeworden, wo der Bodenteil eines
hohlen Ventilkörpers, insbesondere für Flugmotoren, zu seiner Versteifung mit einem
Kreuzsteg versehen ist, dessen Lappen in Schlitzen des Ventilschaftes mit diesem
verschweißt sind. Diese Ausführung ist teuer in der Herstellung und ergibt ebenfalls
ein mehrteiliges Ventil.
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Vorliegende Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein einteiliges,
leichtes und im Betrieb formbeständiges, hohles Tellerventil zu schaffen, wo der
Hohlraum im Tellerkopf bis in unmittelbare Nähe des thermisch besonders gefährdeten
Ventilsitzes vorgezogen und der Tellerboden einwandfrei versteift ist, bei einfacher
und maßgerechter Herstellmöglichkeit.
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Zu diesem Zweck wird ein Ventilkörper vorgeschlagen, wo eine die Einarbeitung
des Hohlraumes im Tellerkopf ermöglichende Öffnung des Tellerkopfes nach der Einarbeitung
durch Formänderungen mit dem Ventilkörper aus einem Stück bestehender Teile verschlossen
wird, mit der Maßgabe, daß der Rücken und der Boden des Tellerkopfes als scheibenförmige,
zu verformende Teile des bis in den Hohlraum hineinragenden Ventilschaftes ausgebildet
sind, und sich die Verbindungsstelle von Tellerrücken und Tellerboden im Abstand
vom größten Schaftdurchmesser befindet. Der am äußeren Durchmesser offene, ringförmige
Hohlraum läßt sich ohne besondere Umstände maßhaltig in den Ventilkörper einarbeiten.
Das Einarbeiten kann durch Zerspanung, durch Einwalzen oder gleich beim Schlagen
des Ventilkörpers im Gesenk erfolgen. Die beiden letzteren Herstellungsverfahren
gestatten hier in einfacher Weise die Erzeugung besonders hochwertiger Hohltellerventile,
da sich ein nicht durchschnittener Faserverlauf im Material ergibt. Der offene Ventilkörper
läßt sich natürlich auch durch Gießen herstellen. Beim Schließen der Öffnung des
Tellerkopfes sind gegenüber den bekannten Ausführungen einteiliger Ventilkörper
nur mäßige Formänderungen des Körpers vorzunehmen, die entweder im Bewegen von Tellerrücken
und Tellerboden oder nur im Bewegen des Tellerrückens oder des Tellerbodens bestehen.
Die aufzuwendende Verformungsarbeit ist so gering, daß die Verformung sogar im kalten
Zustand erfolgen kann. Das kann bei Ventilkörpern, wo das Schließen der Hohlraumöffnung
nicht gleich in der ersten Schmiedehitze vorgenommen werden kann, wie es z. B. der
Fall ist, wenn der Hohlraum durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt wird, von
besonderem Vorteil
sein, da bekanntlich durch mehrmalige Erhitzung
leicht gewisse gute Eigenschaften bestimmter hochlegierter Stähle bleibend verloren-,gehen.
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Da bei dem vorgeschlagenen Ventilkörper auch der Tellerboden ein massiver
Bestandteil des bis in den Tellerkopfhohlraum verlängerten Ventilschaftes ist, ist
trotz Leichtbau infolge der einwandfreien Verankerung des Bodens das Auftreten von
übermäßig hohen Biegungsbeanspruchungen und Ermüdungserscheinungen an dieser Stelle,
wie sie besonders durch die Massenwirkung des im Betrieb hin und her geschleuderten
Kühlmittels auftreten können, ausgeschlossen.
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Die metallisch dichte Verbindung von Tellerrücken und -boden läßt
sich durch Anwendung des Auftragsschweißverfahrens erzielen.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Verbindung von Tellerrücken und
Tellerboden besteht darin, die Ränder von Rücken und Boden bei der Verformung auf
Schweißhitze zu bringen und dann so stark gegeneinanderzupressen. daß sie miteinander
verschweißen. Durch dieses Verfahren läßt sich erreichen, daß zugleich mit dem Abschließen
der Hohlraumöffnung auch schon die metallisch dichte Verbindung von Tellerrücken
und -boden hergestellt ist, wodurch sich ein Arbeitsgang und besonderes Schweißmaterial
einsparen lassen.
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Bei stark beanspruchten Ventilen ist es ein bekanntes Mittel, zur
Verschleißfestmachung des Ventilsitzes durch autogenes Schweißen an dieser Stelle
eine Hartlegierung aufzutragen. Wird die Verbindung von Tellerrücken und Tellerboden
mittels der Auftragsschweißung vorgenommen, so kann in weiterer Ausbildung der Erfindung
die Schweißnaht so angeordnet werden, daß das aufgetragene Schweißmaterial den Ventilsitz
abgibt, wodurch die Möglichkeit besteht, daß das verwendete Material zugleich die
Panzerung des Ventilsitzes bildet. Hierdurch läßt sich ebenfalls eine Verringerung
der Herstellungskosten erzielen.
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Die Zeichnung gibt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens wieder.
Die Abb. i und 3 zeigen je ein fertiges hohles Tellerventil, wobei die Abb. 2 und
4 jeweils den zu den Abb. i bzw. 3 gehörenden vorgearbeiteten Tellerkopf darstellen.
Die Abb. 5 und 6 geben weitere Ausführungsmöglichkeiten wieder.
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In allen Abbildungen ist mit i der Ventiltellerkopf und mit 2 der
Ventilschaft bezeichnet. Nach der Abb. 2 ist im Rohling durch spanabhebende Bearbeitung
der am äußeren Durchmesser offene, ringförmige Hohlraum 3 entstanden, der von dem
Tellerrücken 4, dem Tellerboden 5 und dem zwischen Tellerrücken und -boden befindlichen
Teil 6 des Ventilschaftes 2 begrenzt wird. Der Tellerrücken 4 und der Tellerboden
5 bestehen erfindungsgemäß als scheibenförmige Teile aus einem Stück mit dem Ventilschaft
2 bzw. aus einem Stück mit dem bis in den Hohlraum hineinragenden Teil 6 des Ventilschaftes
2. Durch Verformung des Tellerbodens 5, der dabei die gestrichelte Form annimmt,
entsteht nach Anliegen der Tellerränder 7 und 8 nach der Abb. r im Tellerkopf i
der geschlossene Hohlraum g. Die metallisch dichte Verbindung von Tellerrücken 4
und Tellerboden 5 kann durch Auftragsschweißung vorgenommen werden.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit zur dichten Verbindung von Tellerrücken
und -boden besteht darin. daß die Ränder 7 und 8 der Abb. 2 beim Schließen der Hohlraumöffnung
auf Schweißhitze gebracht werden, damit sie beim Gegeneinanderpressen miteinander
verschweißen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß nach Fertigstellung des Hohlraumes
bzw. mit beendeter Verformung zugleich auch schon die metallisch dichte Verbindung
von Tellerrücken 4 und Tellerboden 5 hergestellt ist.
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Damit eingefülltes Kühlmittel zur Wärmeabführung vom Teller zum Schaft
hin beim Arbeiten des Ventils hin und her pendeln kann, müssen vor der Verformung
von Rücken und Boden in den Teil 6 des Ventilschaftes Löcher oder Schlitze 12 eingearbeitet
werden. Die Schaftbohrung io kann dann durch Zuschmieden des Schaftendes i i verschlossen
werden.
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Nach der Abb. 4 kann der Hohlraum 3 im Rohling auch im Walzverfahren
oder durch Schmieden im Gesenk hergestellt werden. Das Schließen der Hohlraumöffnung
erfolgt nach dieser Abbildung durch Verformung von Tellerrücken 4 und Tellerboden
5 bis zur Berührung der Tellerränder bei 13, wobei Rücken und Boden die gestrichelt
gezeichnete Form annehmen. Das Verformen von Tellerrücken und Boden hat den .Vorteil,
daß sich die gesamte, bei der Fertigung aufzuwendende Verformungsarbeit auf Rücken
und Boden verteilt, wodurch sich die Biegebeanspruchung des Materials in Schaftnähe
halbiert.
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Die Abb. 3 zeigt den fertigen Ventilkörper. Die metallisch dichte
Verbindung von Tellerrücken 4 und Tellerboden 5 ist nach dieser Abbildung durch
Auftragen von Schweißmaterial erfolgt, derart, daß das aufgetragene Schweißmaterial
den Ventilsitz 14 bildet. Hierbei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, daß das
benötigte Schweißmaterial zugleich die Panzerung des Ventilsitzes 14 bedeutet.
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Die Einfüllung von Kühlmittel kann auf übliche Art über das kleine
Loch 15 im zugeschmiedeten Ventilschaftende i i erfolgen. Das Loch wird dann verschlossen,
worauf die Stirnfläche 16 des Schaftes durch Härten oder Auftragen einer Hartlegierung
fertiggestellt werden kann.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit eines Ventiltellerkopfes erfindungsgemäßer
Bauart zeigt Abb. 5. Hier befindet sich die Verbindungsstelle 17 von Tellerrücken
und -boden nicht am äußeren Durchmesser des Tellerkopfes i, also nicht in unmittelbarer
Nähe des Sitzes, sondern ist mit kleinerem Durchmesser als dieser ausgeführt, derart,
daß die Ausarbeitung des Hohlraumes durch diese öffnung möglich ist. Der gestrichelt
gezeichnete, ringförmige Kragen 18 gehört zum vorbearbeiteten Tellerkopf und stellt
einen Teil des verlängerten Ventilschaftes 2 dar. Der fertige Tellerkopfhohlraum
9 entsteht durch Umlegen des ringförmigen Kragens 18 nach außen zu. Nach der Verformung
des
Kragens 18 bildet dieser einen Teil des Tellerbodens, der dann bei 17 mit
dem anderen, über den Tellerrücken mit dem Ventilschaft aus einem Stück bestehenden
Teil des Bodens durch Verschweißen verbunden werden kann.
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Bei größerer Verformungsarbeit ergibt sich bei dieser Ausführung eine
kürzere Schweißnaht. Sie unterscheidet sich vorteilhaft von der bekannten Kümpelbauart
mit Umlegen eines in Ventilsitznähe angeordneten Kragens nach Ventilmitte zu. Während
sich dort das Material beim Schließen der Hohlraumöffnung staucht, wodurch leicht
Faltenbildung eintritt, wird es hier gestreckt, was bedeutend einfacher und maßgerechter
durchgeführt werden kann.
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Die umgekehrte, nicht gezeichnete Ausführung eines Ventiltellerkopfes
nach der Abb. 5 wäre die Anordnung der Verbindungsstelle 17 nicht im Tellerboden,
sondern im Tellerrücken.
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Nach der Abb.6 besitzt der zwischen Tellerrücken und Tellerboden befindliche
Teil 6 des Ventilschaftes 2 keine Mittenbohrung und ist mit kleinerem Durchmesser
als dieser ausgeführt. Mit i2 sind ebenfalls die Verbindungslöcher zwischen Tellerkopfhohlraum
9 und Schaftbohrung io bezeichnet, die notwendig sind, falls Innenkühlung angewendet
werden soll. Die Löcher i2 lassen sich bei dieser Ausführung von der Schaftseite
her einarbeiten. Das Schließen der Hohlraumöffnung im Tellerkopf und Verbinden von
Tellerrücken und -boden geschieht durch Verformung des gestrichelt gezeichneten,
vorgearbeiteten Tellerrückens ig mit nachfolgendem Verschweißen mit dem Tellerboden.
Der offene Hohlraum im Tellerkopf läßt sich, wie der Hohlraum nach den Abb. 3, 4
ebenfalls im Walz- oder Schmiedeverfahren herstellen, wodurch sich auch hier ein
Ventilkörper erzeugen läßt, der höchsten Ansprüchen gerecht wird.
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Hohltellerventile der vorgeschlagenen Bauart zeigen ferner den Vorteil,
daß sie dort noch ungekühlt betrieben werden können, wo bekannte Ausführungen bereits
versagen. Die gute Formbeständigkeit des Tellers bleibt trotz des gewichtsmäßig
leichten Ventilkörpers erhalten, da über die massive Versteifung des Tellerbodens
hin ein ungehinderter, durch keine Naht gestörter Wärmefluß bei kürztmöglichem Wärmeweg
von der besonders gefährdeten Tellerbodenmitte zum Schaft hin vorhanden ist. Das
ist noch besonders wichtig bei der üblichen Verwendung hochlegierter Stähle, da
bekanntlich die Wärmeleitfähigkeit gerade dieser Stahlsorten eine relativ schlechte
ist.