EP0715681B1 - Tassenförmiger ventilstössel - Google Patents

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EP0715681B1
EP0715681B1 EP94924869A EP94924869A EP0715681B1 EP 0715681 B1 EP0715681 B1 EP 0715681B1 EP 94924869 A EP94924869 A EP 94924869A EP 94924869 A EP94924869 A EP 94924869A EP 0715681 B1 EP0715681 B1 EP 0715681B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
skirt
web
cup
valve tappet
guide sleeve
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94924869A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0715681A1 (de
Inventor
Dieter Schmidt
Walter Speil
Wolfgang Miereisz
Karl-Ludwig Grell
Reinhard Ammon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INA Waelzlager Schaeffler OHG
Original Assignee
INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Family has litigation
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Application filed by INA Waelzlager Schaeffler OHG filed Critical INA Waelzlager Schaeffler OHG
Publication of EP0715681A1 publication Critical patent/EP0715681A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0715681B1 publication Critical patent/EP0715681B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F01L1/143—Tappets; Push rods for use with overhead camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/20—Adjusting or compensating clearance
    • F01L1/22—Adjusting or compensating clearance automatically, e.g. mechanically
    • F01L1/24—Adjusting or compensating clearance automatically, e.g. mechanically by fluid means, e.g. hydraulically
    • F01L1/245—Hydraulic tappets
    • F01L1/25—Hydraulic tappets between cam and valve stem

Definitions

  • the invention relates to a cup-shaped valve tappet for actuating a gas exchange valve of an internal combustion engine with a cylindrical shirt closed at one end by a bottom and guided in a bore in a cylinder head, a cam shaft cam actuating the valve tappet at the bottom thereof.
  • a cup-shaped valve tappet of the type specified in the preamble of claim 1 is known from EP-A-00 30 781.
  • This valve tappet is provided with a hydraulic valve clearance compensation element, with a web extending from the inner wall of the shirt by means of a guide sleeve which runs concentrically to the shirt, this clearance compensation element records.
  • Both the bottom, the shirt and the web are relatively thick-walled, as a result of which the valve tappet is heavy overall.
  • large valve train masses require high spring forces to master the dynamics. However, these high spring forces lead to an increase in friction in the valve train, with the result of increased fuel consumption. Another disadvantage of the increased valve spring forces is that noise in the valve train is amplified.
  • the invention is therefore based on the object of considerably reducing the weight of a valve tappet of the generic type using simple means, so that the friction in the valve train and thus the fuel consumption of the internal combustion engine can be considerably reduced.
  • the valve tappet should have sufficient rigidity to absorb the valve actuation forces.
  • the wall thicknesses of the shirt and floor components made of a steel material are dimensioned such that a product P 1 of their wall thicknesses given in millimeters is A x B ⁇ 2.3, the Wall thicknesses of the floor H - 1.7 to 2.5 mm and the shirt B - 0.7 to 1.0 mm.
  • the cup-shaped valve tappet is provided with a web extending from the shirt, which receives a guide sleeve which runs concentrically to the shirt, a hydraulic play compensation element being guided in this guide sleeve.
  • Such a thin-walled web if its rigidity is insufficient, may be supported by a sleeve reaching to the bottom for a bottom suction of the oil supplied to the valve lash adjuster (see DE-A-35 42 192).
  • the use of an appropriately thin-walled web also has a positive effect on reducing the weight of the valve lifter.
  • the wall thickness of the shirt should be reduced in an area below the web near the edge to form a collar.
  • the wall thicknesses of the bottom, shirt, web and collar can advantageously be coordinated with one another.
  • an outer diameter E of the valve lifter to the product P 3 of the wall thicknesses of the bottom, shirt, web and collar behaves like 1 to a value which is ⁇ 0.075.
  • This relationship of the product P 3 to the outer diameter E which can also be expressed as P 3 / E ⁇ 0.075, illustrates that with a reduced diameter of the valve lifter, the wall thicknesses can be reduced considerably without any loss of rigidity.
  • a pressure spring acting between a hollow piston and a pressure piston of the hydraulic lash adjuster with a spring force F which is 20 20 N when the pressure piston has been fully inserted into the hollow piston.
  • a cross-sectional area G of a hollow piston of the hydraulic lash adjuster ⁇ 1.1 cm 2 should be formed. Due to the cross-section of the hollow piston and the pressure prevailing in the oil supply to the play compensation element and due to the spring force F, a force counteracts the valve spring force when the gas exchange valve is closed. These forces from the game compensation element must be reduced if the Valve spring force is to be reduced. According to the invention, both the spring force F and the cross section of the hollow piston are therefore minimized according to the aforementioned claims. Due to the small dimensions of the hydraulic Compensation elements can also reduce the mass forces.
  • the web at its edge adjacent to the shirt should merge into a cylindrical section which forms an interference fit on the inside of the shirt, has a length of ⁇ 1 mm and is welded to the shirt, a weld seam depth of 0.6 to 0.8 mm is provided. In this way, welding through with the result of penetration of molten metal particles into the interior of the valve lifter is avoided.
  • the bottom and shirt of the valve lifter are clad on the inside with a non-ferrous metal, which according to claim 9 is preferably nickel.
  • This inner plating pad serves as a diffusion barrier, so that only the outer functional surfaces of the cup tappet, namely the cup base and the cup shirt, are exposed to the carbon supply during the carburizing process. A hardening of the component with the known negative consequences is thus avoided.
  • the leg of the guide sleeve is welded or caulked to the shirt, the non-ferrous metal being used as an alloy partner or as caulking material.
  • the leg of the guide sleeve must be soft during welding in order to ensure weldability at all.
  • the plating pad has two tasks. On the one hand, it must prevent the shirt and bottom of the cup from carburizing from the inside and, on the other hand, ensure that the cup which has already hardened is weldable, d. H. the cladding layer is an alloying partner of the welding melt and thus prevents the weld seam from becoming brittle because it remains austenitic. When caulking the leg of the guide sleeve in the shirt of the cup, this can be soft or hard, since the plating pad acts as caulking material.
  • the leg of the guide sleeve should be rolled up in the shirt.
  • the thigh must be soft so that it can be rolled into the hardened shirt with internal plating at all.
  • embrittlement of the leg, web and guide sleeve is prevented when the plunger is hardened by being plated on at least one side with a non-ferrous metal or being made of a low-hardenable or non-hardenable material .
  • the plating pad also acts as a diffusion barrier for the offered carbon in this case, so that hardening of the leg, web and guide sleeve is prevented.
  • the parts mentioned are made of a non-hardenable material, for example of an austenitic steel of the brand X 5 CrNi 1810 or of a low-hardenable material of the brand St 4, i.e. H. Manufactured without elements that increase hardenability, such as chrome, manganese, molybdenum or nickel, this also prevents their embrittlement.
  • FIG. 1 denotes a valve lifter cut along its longitudinal center line, which, guided in a bore 2 of a cylinder head 3 shown in sections, is guided by a cam 4 of a camshaft 5 is actuated.
  • the valve lifter 1 is cup-shaped, wherein it has a cylindrical shirt 6, which is closed at one end by a bottom 7. The entire unit consisting of shirt 6 and bottom 7 is preferably produced by a deep-drawing process.
  • a web 8 extends from the cylindrical shirt and, at a funnel shape, merges into a guide sleeve 9 at its end.
  • This guide sleeve 9 runs concentrically to the shirt 6 and accommodates a hydraulic play compensation element 10 in its interior.
  • the play compensation element 10 is composed in particular of a hollow piston 11, a pressure piston 12, a ball valve 14 which is acted upon in the closing direction by a valve spring 13 and a compression spring 15 which is supported between the hollow piston 11 and the pressure piston 12.
  • the hollow piston 11 abuts the end of a valve stem end 16 of a gas exchange valve 17.
  • a valve spring 18 of the gas exchange valve 17 is clamped between the cylinder head 3 and a spring plate 19 connected to the valve stem end 16 such that it moves the gas exchange valve 17 into a closed position.
  • a lubricating oil bore 20 is provided, from which an oblique channel 21 opens into the bore 2 receiving the valve tappet 1.
  • the cylindrical shirt 6 of the valve lifter 1 is provided on its outer lateral surface with an annular groove 22 which overlaps in phases with the outlet of this channel 21.
  • An oil inlet opening leads from the annular groove 22 into the interior of the valve tappet.
  • the funnel-shaped web 8, which can also be M-shaped, has a cylindrical section 29 with which it is pressed into the shirt 6 of the valve lifter 1. This cylindrical section 29 is welded to the shirt 6 and, due to its axial length and a predetermined weld depth of a weld seam 28, prevents the penetration of metal particles into the interior of the valve tappet 1.
  • the function of the hydraulic valve lash adjuster is not discussed further, since it is already the subject of many published patent applications, for example also the generic document EP-A-00 30 781.
  • the bottom 7 has a wall thickness denoted by A, while a wall thickness of the shirt is denoted by B.
  • a wall thickness of the web 8 is characterized by C.
  • the cylindrical shirt 6 is tapered at its end facing away from the base 7 in such a way that it has a collar 24. This collar 24 has a wall thickness which is denoted by D.
  • the letter E stands for an outer diameter of the valve lifter 1, while values for a spring force of the compression spring 15 are identified with the letter F and a cross-sectional area of the hollow piston 11 with a letter G, but these are not shown in the drawing.
  • the smallest wall thicknesses A, B, C and D are realized, which lead to a reduction in the total mass of the valve tappet and ultimately to a reduction in the valve actuation forces due to a reduction in the valve spring force.
  • the valve lifter 1 has sufficient rigidity.
  • the valve lifters 1 shown in FIGS. 2 to 5 are clad on their inner side in the region of the base 7 and the cylindrical shirt 6 with cover metal 27, i. H.
  • Base metal and cover metal 27 are firmly connected to one another by pressing or rolling.
  • the cover metal 27 ensures, in the manner already described, that in the case of thermochemical treatment processes, for example case hardening or nitrocarburizing, the diffusion elements carbon or carbon and nitrogen only via the functional surfaces, ie. H. can get into the base metal via the outside of the bottom 7 and the cylindrical shirt 6. This avoids hardening of the valve tappet with the known disadvantages.
  • the valve lifter 1 is made of the steel grade 16 MnCr 5 in the present exemplary embodiments, while the cover metal 27 is a nickel layer and can have a thickness of 0.05 to 0.2 mm.
  • the hydraulic lash adjuster is held in the guide sleeve 9, which is connected to a leg 25 via a web 26 is, which in turn is attached to the inside of the cylindrical shirt 6.
  • the inner member consisting of leg 25, web 26 and guide sleeve 9 is connected to the already hardened valve lifter 1 by a weld seam 28.
  • the hardened valve tappet 1 and the inner element are caulked to one another, the cover metal 27 functioning as caulking material.
  • the leg 25 is rolled into a groove in the shirt 6, which is not specified. In this case too, the inner element is used uncured in two ways.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)

Abstract

Ein tassenförmiger Ventilstößel (1) besteht im wesentlichen aus einem Boden (7), an dem ein Nocken (4) einer Nockenwelle (5) anläuft, und einem zylindrischen Hemd (6), mit dem der Ventilstößel (1) in einer Bohrung (2) eines Zylinderkopfes (3) geführt ist. Zur Verringerung der Ventilbetätigungskräfte und folglich auch zur Kraftstoffeinsparung soll der Ventilstößel (1) gewichtsreduziert ausgebildet werden. Erfindungsgemäß ist der Ventilstößel (1) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, wobei Wandstärken A und B des Bodens (7) und des Hemds (6) so dimmensioniert sind, daß ein daraus gebildetes Produkt P1 « 2,3 ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen tassenförmigen Ventilstößel zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem an seinem einen Ende durch einen Boden verschlossen zylindrischen Hemd, das in einer Bohrung eines Zylinderkopfes geführt ist, wobei ein Nocken einer Nockenwelle den Ventilstößel an dessen Boden betätigt.
  • Ein tassenförmiger Ventilstößel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung ist bekannt aus der EP-A-00 30 781. Dieser Ventilstößel ist mit einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement versehen, wobei ein von der Innenwandung des Hemds ausgehender Steg mittels einer konzentrisch zum Hemd verlaufenden Führungshülse dieses Spielausgleichselement aufnimmt. Sowohl der Boden, das Hemd als auch der Steg sind relativ dickwandig ausgebildet, wodurch der Ventilstößel insgesamt ein hohes Gewicht aufweist. Bekanntlich benötigen große Ventiltriebmassen zur Beherrschung der Dynamik hohe Federkräfte. Diese hohen Federkräfte führen aber zu einer Erhöhung der Reibung im Ventiltrieb mit der Folge eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs. Ein weiterer Nachteil der erhöhten Ventilfederkräfte besteht darin, daß Geräusche im Ventiltrieb verstärkt werden.
  • Es ist daher in der Vergangenheit bereits versucht worden, das Gewicht des Ventilstößels dadurch zu reduzieren, daß dieser aus einem Leichtbauwerkstoff, wie beispielsweise Aluminium hergestellt wurde. Bei einem derartigen Aluminiumstößel sind aber besondere Maßnahmen für die Ausbildung des Bodens erforderlich, da an diesem der üblicherweise aus Stahl hergestellte Nocken der Nockenwelle anläuft. Aus diesem Grund wurde der Boden entweder mit einer Verschleißschutzschicht versehen oder er wurde als separates Teil aus Stahl hergestellt und im Aluminiumstößel befestigt. Eine derartige Ausbildung des Ventilstößels ist relativ aufwendig und für eine Massenfertigung ungeeignet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Gewicht eines gattungsgemäß ausgebildeten Ventilstößels unter Verwendung einfacher Mittel erheblich zu reduzieren, so daß die Reibung im Ventiltrieb und damit der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erheblich gemindert werden können. Dabei soll der Ventilstößel zur Aufnahme der Ventilbetätigungskräfte eine ausreichende Steifigkeit aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Wandstärken der aus einem Stahlwerkstoff hergestellten Bauelemente Hemd und Boden derart dimensioniert sind, daß ein Produkt P1 ihrer in Millimetern angegebenen Wandstärken A x B ≤ 2,3 ist, wobei die Wandstärken des Bodens H - 1,7 bis 2,5 mm und des Hemds B - 0,7 bis 1,0 mm betragen. Seitens der Fachwelt bestanden bislang Vorurteile gegen eine weitere Reduzierung der Wandstärken des Ventilstößels, da vermutet wurde, daß dann der Ventilstößel keine ausreichende Steifigkeit mehr besitzt. Durch Berechnungen mittels finiter Elemente und Versuchsreihen konnte eindeutig festgestellt werden, daß die vorzugsweise als Tiefziehteil hergestellte Tasse eine ausreichende Steifigkeit aufweist, wobei das Stößelgewicht drastisch reduziert wurde. Die angegebenen Wanddickenbereiche unterschreiten somit erheblich die bisher realisierten Wandstärken.
  • Nach Anspruch 2 ist der tassenförmige Ventilstößel mit einem vom Hemd ausgehenden Steg, der eine konzentrisch zum Hemd verlaufende Führungshülse aufnimmt, versehen, wobei in dieser Führungshülse ein hydraulisches Spielausgleichselement geführt ist. Dabei soll die Wandstärke des aus einem Stahlwerkstoff hergestellten Stegs derart dimensioniert sein, daß ein Produkt P2 der in Millimetern angegebenen Wandstärken von Boden, Hemd und Steg A x B x C ≤ 1,9 ist, wobei die Wandstärke des Stegs C = 0,6 bis 0,8 mm beträgt. Ein derartiger dünnwandiger Steg kann, sofern seine Steifigkeit nicht ausreicht, eventuell noch durch eine bis zum Boden reichende Hülse für eine Untenansaugung des dem Ventilspielausgleichselements zugeführten Öls abgestützt werden (vergleiche hierzu DE-A-35 42 192). Die Verwendung eines entsprechend dünnwandig dimensionierten Stegs wirkt sich ebenfalls positiv auf eine Gewichtsreduzierung des Ventilstößels aus.
  • Nach Anspruch 3 soll die Wandstärke des Hemds in einem unterhalb des Stegs liegenden randnahen Bereich zur Bildung eines Kragens reduziert sein. Dabei soll ein Produkt P3 der in Millimetern angegebenen Wandstärken von Boden, Hemd, Steg und Kragen A x B x C x D ≤ 1,48 sein, die Wandstärke des Kragens soll D = 0,6 bis 0,8 mm betragen. Aufgrund der Lehre der Ansprüche 1 bis 3 sind die Wandstärken von Boden, Hemd, Steg und Kragen in vorteilhafter Weise aufeinander abstimmbar.
  • Gemäß Anspruch 4 ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß sich ein Außendurchmesser E des Ventilstößels zum Produkt P3 der Wandstärken von Boden, Hemd, Steg und Kragen verhält wie 1 zu einem Wert, der ≤ 0,075 ist. Diese Beziehung des Produkts P3 zum Außendurchmesser E, die sich auch ausdrücken läßt als P3/E ≤ 0,075, verdeutlicht, daß bei einem reduzierten Durchmesser des Ventilstößels die Wandstärken erheblich reduziert werden können, ohne daß dadurch ein Steifigkeitsverlust eintritt.
  • Weiterhin ist gemäß Anspruch 5 vorgesehen, eine zwischen einem Hohlkolben und einem Druckkolben des hydraulischen Spielausgleichselements wirkende Druckfeder mit einer Federkraft F zu versehen, die ≤ 20 N ist, wenn der Druckkolben völlig in den Hohlkolben eingefahren ist. Schließlich soll nach Anspruch 6 eine Querschnittsfläche G eines Hohlkolbens des hydraulischen Spielausgleichselements ≤ 1,1 cm2 ausgebildet sein. Durch den Querschnitt des Hohlkolbens und den in der Ölversorgung des Spielausgleichselements herrschenden Druck sowie durch die Federkraft F stellt sich eine der Ventilfederkraft bei geschlossenem Gaswechselventil entgegenwirkende Kraft ein. Diese aus dem Spielausgleichselement wirkenden Kräfte müssen reduziert werden, wenn die Ventilfederkraft verringert werden soll. Erfindungsgemäß sind nach den vorgenannten Ansprüchen daher sowohl die Federkraft F als auch der Querschnitt des Hohlkolbens minimiert. Durch die geringen Abmessungen des hydraulischen Spielausgleichselements lassen sich außerdem ebenfalls die Massenkräfte reduzieren.
  • Gemäß Anspruch 7 soll der Steg an seinem dem Hemd benachbarten Rand in einen zylindrischen Abschnitt übergehen, der an der Innenseite des Hemds einen Preßsitz bildet, eine Länge von ≥ 1 mm aufweist und mit dem Hemd verschweißt ist, wobei eine Schweißnahttiefe von 0,6 bis 0,8 mm vorgesehen ist. Auf diese Weise wird ein Durchschweißen mit der Folge eines Eindringen von abgeschmolzenen Metallpartikeln in das Innere des Ventilstößels vermieden.
  • Nach Anspruch 8 ist vorgesehen, daß Boden und Hemd des Ventilstößels an ihrer Innenseite mit einem Nichteisenmetall plattiert sind, das nach Anspruch 9 vorzugsweise Nickel ist. Diese innenliegende Plattierauflage dient als Diffusionssperre, so daß beim Aufkohlungsvorgang nur die außenliegende Funktionsflächen des Tassenstößels, nämlich der Tassenboden und das Tassenhemd dem Kohlenstoffangebot ausgesetzt sind. Ein Durchhärten des Bauteils mit den bekannten negativen Folgen wird somit vermieden.
  • Aus Anspruch 10 geht hervor, daß der Schenkel der Führungshülse mit dem Hemd verschweißt oder verstemmt ist, wobei das Nichteisenmetall als Legierungspartner oder als Verstemmaterial genutzt wird. Der Schenkel der Führungshülse muß beim Schweißen weich sein, um die Schweißbarkeit überhaupt zu gewährleisten. Die Plattierauflage hat dabei zwei Aufgaben. Zum einen muß sie die Aufkohlung von Hemd und Boden der Tasse von innen verhindern und zum anderen die Schweißbarkeit der bereits gehärteten Tasse gewährleisten, d. h. die Plattierauflage ist Legierungspartner der Schweißschmelze und verhindert somit die Versprödung der Schweißnaht, da diese austenitisch bleibt. Beim Verstemmen des Schenkels der Führungshülse im Hemd der Tasse kann dieser weich oder hart sein, da die Plattierauflage als Verstemmaterial fungiert.
  • Nach Anspruch 11 soll der Schenkel der Führungshülse im Hemd einrolliert sein. In diesem Fall muß der Schenkel weich sein, um überhaupt in das gehärtete Hemd mit innenliegender Plattierung einrolliert werden zu können.
  • Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung nach den Ansprüchen 12 und 13 ist vorgesehen, daß eine Versprödung von Schenkel, Steg und Führungshülse beim Härten des Stößels verhindert wird, indem diese zumindest einseitig mit einem Nichteisenmetall plattiert werden oder aus einem niedrighärtbaren bzw. nichthärtbaren Werkstoff gefertigt sind.
  • In der bereits beschriebenen Weise wirkt auch in diesem Falle die Plattierauflage als Diffusionssperre für den angebotenen Kohlenstoff, so daß ein Härten von Schenkel, Steg und Führungshülse verhindert wird. Werden die genannten Teile aus einem nicht härtbaren Werkstoff, beispielsweise aus einem austenitischen Stahl der Marke X 5 CrNi 1810 oder aus einem niedrig härtbaren Werkstoff der Marke St 4, d. h. ohne härtbarkeitssteigernde Elemente wie Chrom, Mangan, Molybdän oder Nickel, gefertigt, so wird deren Versprödung ebenfalls vermieden.
  • Schließlich ist nach Anspruch 14 vorgesehen, daß bei gehärtetem Tassenhemd und gehärtetem Schenkel der Führungshülse in der Fügestelle zwischen Schenkel und Hemd, d. h. im Bereich der Schweißnaht ein Reinnickelring als Zusatzwerkstoff angeordnet ist. Beim Schweißvorgang wird durch das Aufschmelzen des Nickels der Grundwerkstoff in dem Maße legiert, daß beim Erstarren ein austenitisches zähes Gefüge vorliegt und somit Risse in der wärmebeeinflußten Zone vermieden werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in der Ausführungsbeispiele des tassenförmigen Ventilstößels vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Halbschnitt durch einen erfindungsgemäßen ventilstößel
    Fig. 2 bis 5
    einen Halbschnitt durch erfindungsgemäße Ventilstößel mit plattierter Innenseite und unterschiedlicher Befestigung der Führungshülse.
  • In der Figur 1 ist mit 1 ein entlang seiner Längsmittellinie geschnittener Ventilstößel bezeichnet, der, in einer Bohrung 2 eines abschnittsweise dargestellten Zylinderkopfes 3 geführt, von einem Nocken 4 einer Nockenwelle 5 betätigt wird. Der Ventilstößel 1 ist tassenförmig ausgebildet, wobei er ein zylindrisches Hemd 6 aufweist, das an seinem einen Ende durch einen Boden 7 verschlossen ist. Die gesamte aus Hemd 6 und Boden 7 bestehende Einheit ist vorzugsweise durch ein Tiefziehverfahren hergestellt. Im Inneren des Ventilstößels 1 geht von dem zylindrischen Hemd ein Steg 8 aus, der, trichterförmig verlaufend, an seinem Ende in eine Führungshülse 9 übergeht. Diese Führungshülse 9 verläuft konzentrisch zum Hemd 6 und nimmt in ihrem Inneren ein hydraulisches Spielausgleichselement 10 auf. Das Spielausgleichselement 10 setzt sich im einzelnen aus einem Hohlkolben 11, einem Druckkolben 12, einem über eine Ventilfeder 13 in Schließrichtung beaufschlagten Kugelventil 14 und einer sich zwischen dem Hohlkolben 11 und dem Druckkolben 12 abstützenden Druckfeder 15.
  • Der Hohlkolben 11 liegt stirnseitig an einem Ventilschaftende 16 eines Gaswechselventils 17 an. Eine Ventilfeder 18 des Gaswechselventils 17 ist zwischen dem Zylinderkopf 3 und einem mit dem Ventilschaftende 16 verbundenen Federteller 19 derart eingespannt, daß sie das Gaswechselventil 17 in eine Schließstellung bewegt.
  • Im Zylinderkopf 3 ist eine Schmierölbohrung 20 vorgesehen, von der aus ein schräger Kanal 21 in die den Ventilstößel 1 aufnehmende Bohrung 2 mündet. Das zylindrische Hemd 6 des Ventilstößels 1 ist an seiner Außenmantelfläche mit einer Ringnut 22 versehen, die sich phasenweise mit dem Austritt dieses Kanals 21 überdeckt. Von der Ringnut 22 führt eine Öleintrittsöffnung in das Innere des Ventilstößels. Der trichterförmige Steg 8, der im übrigen auch M-förmig ausgebildet sein kann, weist eine zylindrischen Abschnitt 29 auf, mit welchem er in das Hemd 6 des Ventilstößels 1 eingepreßt ist. Dieser zylindrische Abschnitt 29 ist mit dem Hemd 6 verschweißt und verhindert aufgrund seiner axialen Baulänge und einer vorgegebenen Schweißnahttiefe einer Schweißnaht 28 das Eindringen von Metallpartikeln in das Innere des Ventilstößels 1. Auf die Funktion des hydraulischen Ventilspielausgleichs wird nicht weiter eingegangen, da sie bereits Gegenstand vieler veröffentlichter Patentanmeldungen, beispielsweise auch der gattungsbildenden Druckschrift EP-A-00 30 781 ist.
  • Der Boden 7 weist eine mit A bezeichnete Wandstärke auf, während eine Wandstärke des Hemds mit B bezeichnet ist. Außerdem ist eine Wandstärke des Stegs 8 gekennzeichnet durch C. Schließlich ist das zylindrische Hemd 6 an seinem dem Boden 7 abgewandten Ende derart verjüngt ausgebildet, daß es einen Kragen 24 aufweist. Dieser Kragen 24 weist eine Wandstärke auf, die mit D bezeichnet ist.
  • Der Buchstabe E steht für einen Außendurchmesser des Ventilstößels 1, während Werte für eine Federkraft der Druckfeder 15 mit dem Buchstaben F und eine Querschnittsfläche des Hohlkolbens 11 mit einem Buchstaben G gekennzeichnet sind, die aber nicht in der Zeichnung aufgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß sind minimalste Wandstärken A, B, C und D realisiert, die zu einer Reduzierung der gesamten Masse des Ventilstößels und letztendlich aufgrund einer Reduzierung der Ventilfederkraft zu einer Verringerung der Ventilbetätigungskräfte führen. Trotz der geringen Wandstärken weist der Ventilstößel 1 eine ausreichende Steifigkeit auf.
  • Die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Ventilstößel 1 sind an ihrer Innenseite im Bereich des Bodens 7 und des zylindrischen Hemdes 6 mit Deckmetall 27 plattiert, d. h. Grundmetall und Deckmetall 27 sind durch Pressen oder Walzen fest miteinander verbunden. Das Deckmetall 27 sorgt in der bereits beschriebenen Weise dafür, daß bei thermochemischen Behandlungsverfahren beispielsweise Einsatzhärten oder Nitrocarburieren, die Diffusionselemente Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff und Stickstoff nur über die Funktionsflächen, d. h. über die Außenseite des Bodens 7 und des zylindrischen Hemdes 6 in das Grundmetall gelangen können. Ein Durchhärten des Ventilstößels mit den bekannten Nachteilen wird dadurch vermieden. Der Ventilstößel 1 ist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen aus der Stahl sorte 16 MnCr 5 gefertigt, während das Deckmetall 27 eine Nickelschicht ist und eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm aufweisen kann.
  • Wie aus den Figuren 3 bis 5 ersichtlich, wird das zeichnerisch nicht dargestellte hydraulische Spielausgleichselement in der Führungshülse 9 gehalten, die über einen Steg 26 mit einem Schenkel 25 verbunden ist, der wiederum an der Innenseite des zylindrischen Hemdes 6 befestigt ist. In Figur 3 ist das aus Schenkel 25, Steg 26 und Führungshülse 9 bestehende Innenelement mit dem bereits gehärteten Ventilstößel 1 durch eine Schweißnaht 28 verbunden. Dies setzt jedoch voraus, daß das Innenelement im weichen Zustand, d. h. ungehärtet eingesetzt wird. Gemäß Figur 4 sind der gehärtete Ventilstößel 1 und das Innenelement miteinander verstemmt, wobei als Verstemmungsmaterial das Deckmetall 27 fungiert. In diesem Fall ist es möglich, sowohl gehärtete als auch ungehärtete Innenelemente einzusetzen. Schließlich ist nach Figur 5 der Schenkel 25 in eine nicht näher bezeichnete Nut im Hemd 6 einrolliert. Auch in diesem Fall wird das Innenelement zwechmäßiger Weise ungehärtet eingesetzt.
    • Bezugszahlenliste
    • 1
    Ventilstößel
    2
    Bohrung
    3
    Zylinderkopf
    4
    Nocken
    5
    Nockenwelle
    6
    zylindrisches Hemd
    7
    Boden
    8
    Steg
    9
    Führungshülse
    10
    hydraulisches Spielausgleichselement
    11
    Hohlkolben
    12
    Druckkolben
    13
    Ventilfeder
    14
    Kugelventil
    15
    Druckfeder
    16
    Ventilschaftende
    17
    Gaswechselventil
    18
    Ventilfeder
    19
    Federteller
    20
    Schmierölbohrung
    21
    Kanal
    22
    Ringnut
    23
    Öleintrittsöffnung
    24
    Kragen
    25
    Schenkel
    26
    Steg
    27
    Deckmetall
    28
    Schweißnaht
    29
    zylindrischer Abschnitt 8
    A
    Wandstärke des Bodens 7
    B
    Wandstärke des Hemds 6
    C
    Wandstärke des Stegs 8
    D
    Wandstärke des Kragens 24
    E
    Außendurchmesser des Ventilstößels 1
    F
    Federkraft der Druckfeder 15
    G
    Querschnittsfläche des Hohlkolbens 11

Claims (14)

  1. Tassenförmiger Ventilstößel (1) zur Betätigung eines Gaswechselventils (17) einer Brennkraftmaschine mit einem an seinem einen Ende durch einen Boden (7) verschlossenen zylindrischen Hemd (6), das in einer Bohrung (2) eines Zylinderkopfes (3) geführt ist, wobei ein Nocken (4) einer Nockenwelle (5) den Ventilstößel an dessen Boden (7) betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken A und B der aus einem Stahlwerkstoff hergestellten Bauelemente Boden (7) und Hemd (6) derart dimensioniert sind, daß ein Produkt P1 ihrer in Millimetern angegebenen Wandstärken A x B ≤ 2,3 ist, wobei die Wandstärken des Bodens (7) A = 1,7 bis 2,5 mm und des Hemds (6) B = 0,7 bis 1,0 mm betragen.
  2. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 1 mit einem vom Hemd (6) ausgehenden Steg (8), der eine konzentrisch zum Hemd verlaufende Führungshülse (9) aufnimmt, in welcher ein hydraulisches Spielausgleichselement (10) geführt ist, wobei die Wandstärke C des aus einem Stahlwerkstoff hergestellten Stegs (8) derart dimensioniert ist, daß ein Produkt P2 der in Millimetern angebenen Wandstärken von Boden (7), Hemd (6) und Steg (8) A x B x C ≤ 1,9 ist, wobei die Wandstärke des Stegs (8) C = 0,6 bis 0,8 mm beträgt.
  3. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 1 mit einem Hemd (6), dessen Wandstärke in einem randnahen Bereich zur Bildung eines Kragens (24) reduziert ist, wobei ein Produkt P3 der in Millimetern angegebenen Wandstärken von Boden (7), Hemd (6), Steg (8) und Kragen (24) A x B x C x D ≤ 1,48 ist, wobei die Wandstärken des Stegs (8) C = 0,6 bis 0,8 mm und des Kragens (24) D = 0,6 bis 0,8 mm betragen.
  4. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 3, wobei mit dem Produkt P3 als Dividend und einem Außendurchmesser E des Ventilstößels als Divisor ein Quotient kleiner/gleich 0,075 ist.
  5. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 1 mit einem vom Hemd (6) ausgehenden Steg (8), der eine konzentrisch zum Hemd verlaufende Führungshülse (9) aufnimmt, in welcher ein Hohlkolben (11) und ein Druckkolben (12) eines hydraulischen Spielausgleichselements (10) geführt sind, wobei die Federkraft F einer zwischen dem Hohlkolben (11) und dem Druckkolben (12) wirkenden Druckfeder (15) ≤ 20 Newton ist, wenn der Druckkolben (12) völlig in den Hohlkolben (11) eingefahren ist.
  6. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 1 mit einem vom Hemd (6) ausgehenden Steg (8), der eine konzentrisch zum Hemd verlaufende Führungshülse (9) aufnimmt, in welcher ein Hohlkolben (11) und ein Druckkolben (12) eines hydraulischen Spielausgleichselements (10) geführt sind, wobei eine Querschnittsfläche (D) eines Hohlkolbens (11) des hydraulischen Ventilspielausgleichselements (10) ≤ 1,1 cm2 ist.
  7. Tassenförmiger Ventilstößel nach Anspruch 2, wobei der Steg (8) an seinem dem Hemd (6) benachbarten Rand in einen zylindrischen Abschnitt (29) übergeht, der an der Innenseite des Hemds (6) einen Preßsitz bildet, eine Länge von ≥ 1 mm aufweist und mit dem Hemd (6) verschweißt ist, wobei eine Schweißnahttiefe von 0,6 bis 0,8 mm vorgesehen ist.
  8. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 1, wobei Boden (7) und Hemd (6) an ihrer Innenseite mit einem Nichteisenmetall (27) plattiert sind.
  9. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 8, wobei das Nichteisenmetall (27) Nickel ist.
  10. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 8 mit einem am Hemd (6) anliegenden Schenkel (25), der über einen Steg (26) in die konzentrisch zum Hemd (6) verlaufende Führungshülse (9) übergeht, in der das hydraulische Spielausgleichselement (10) geführt ist, wobei der Schenkel (25) der Führungshülse (9) mit dem Hemd (6) verschweißt oder verstemmt ist, wobei das Nichteisenmetall (27) als Legierungspartner oder als Verstemmaterial genutzt wird.
  11. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 8 mit einem am Hemd (6) anliegenden Schenkel (25), der über einen Steg (26) in die konzentrisch zum Hemd (6) verlaufende Führungshülse (9) übergeht, in der das hydraulische Spielausgleichselement (10) geführt ist, wobei der Schenkel (25) der Führungshülse (9) im Hemd (6) einrolliert ist.
  12. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 8 mit einem am Hemd (6) anliegenden Schenkel (25), der über einen Steg (26) in die konzentrisch zum Hemd (6) verlaufende Führungshülse (9) übergeht, in der das hydraulische Spielausgleichselement (10) geführt ist, wobei Schenkel (25), Steg (26) und Führungshülse (9) zumindest einseitig mit einem Nichteisenmetall (27) plattiert sind.
  13. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 8 mit einem am Hemd (6) anliegenden Schenkel (25), der über einen Steg (26) in die konzentrisch zum Hemd (6) verlaufende Führungshülse (9) übergeht, in der das hydraulische Spielausgleichselement (10) geführt ist, wobei Schenkel (25), Steg (26) und Führungshülse (9) aus einem niedrig härtbaren oder nicht härtbaren Werkstoff gefertigt sind.
  14. Tassenförmiger Ventilstößel (1) nach Anspruch 10, wobei zwischen Schenkel (25) und Hemd (6) in einer Fügestelle ein Reinnickelring als Zusatzwerkstoff angeordnet ist.
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