EP0864729A1 - Vorrichtung zum Drehen eines Ventils für Verbrennungskraft-maschinen - Google Patents

Vorrichtung zum Drehen eines Ventils für Verbrennungskraft-maschinen Download PDF

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EP0864729A1
EP0864729A1 EP97103697A EP97103697A EP0864729A1 EP 0864729 A1 EP0864729 A1 EP 0864729A1 EP 97103697 A EP97103697 A EP 97103697A EP 97103697 A EP97103697 A EP 97103697A EP 0864729 A1 EP0864729 A1 EP 0864729A1
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pockets
spring
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/32Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for rotating lift valves, e.g. to diminish wear
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2301/00Using particular materials

Definitions

  • the invention relates to a device for rotating a valve for internal combustion engines during opening or Closing movement of the valve using rolling elements, which are arranged concentrically around the axis of a base body Bags with inclined planes due to tangential compressible springs when the rolling elements are loaded Towards the flatter sides of the pockets and with one opposite the pockets in the valve axis direction exciting spring element interact, the Rolling elements are relieved alternately in the valve axis direction and to relative rotation of the base body relative to the spring element be increasingly burdened.
  • valve rotators in gasoline and diesel engines to use the axially acting, increasing valve spring force when opening the valve take advantage of the rotation to evoke.
  • the valve rotates a few degrees during opening, however, no rotational movement during the closing movement more to avoid unnecessary wear on the valve seat.
  • tangentially acting coil springs Torqueential Springs
  • steel balls at the top of oblique raceways of a base body pressed.
  • a disc spring On the inside edge a disc spring is supported on the base body, over which grips a cover to initiate the valve spring forces. opens the valve, the diaphragm spring is increased by the Valve spring force flattened. In doing so, it burdens the balls located in the pockets of the basic body, forces them for rolling on their sloping tracks and rolls itself on the balls.
  • the rotational movement generated in this way corresponds the double path of the balls.
  • the lid and disc spring are non-rotatable due to frictional engagement connected with each other.
  • the relative rotation between Belleville washer / cover and base body is placed over the cover, valve springs, Transfer the spring plate and cone pieces to the valve.
  • the diaphragm spring is relieved and thus the balls, which then roll through without the tangential springs are pushed back into their original position will.
  • German patent 1 955 820 and the German Auslegeschrift 21 10 708 devices which the rotation of a valve with the help of a disc-shaped Spring element cause stored energy.
  • Further Possibilities of valve rotation during the closing stroke shows the German Offenlegungsschrift 30 04 320.
  • a disk-shaped Spring (disc spring) is used as a translation element used to load and run balls in oblique pockets relieve that a rotation occurs over the disc springs, which is used to turn the valve.
  • a high level of operational reliability is expected from valve turning devices. Under normal operating conditions and appropriate maintenance, the service life of the turning devices in large motors is expected to be 10,000 hours and more. For motors that run for a short time in the overload range, and in the case of non-stationary operation, the loads on the turning devices increase considerably. Due to their small dimensions, sensitive components are the tangential springs. Due to the dynamic overload mentioned, they are damaged or even completely destroyed by the balls that move uncontrollably. A damaged tangential spring impairs the function of the rotating device and in most cases initiates its complete failure.
  • the invention has for its object the described Form valve turning devices so that by short-term uncontrolled vibrations that occur of rolling elements and tangential springs and as a result Damage can be avoided.
  • the invention draws as a solution is characterized in that within the body pockets elements arranged to limit the movement distances of the rolling elements are. That makes it accurate in all operating situations determinable rolling path of the rolling elements leaves an uncontrolled Squeeze the tangential spring or roll it over not to the rolling elements.
  • the movement of the rolling elements is preferably controlled by a Limited stop within the pockets. That attack can be caused by a narrowing of the diameter of the pockets or by a cage is formed in which a tangential spring is anchored and that is put in the pocket.
  • the spring cage has a defined length that is determined so that the Rolling elements can only perform a predetermined movement and the tangential spring also prevents deflection. This will make it sustainable against damage from Rollover protected.
  • the cage can be made of plastic, of sheet metal as well as in the metal sintering process or by means of investment casting will.
  • valve turning devices which the valve during the closing movement Communicate rotation.
  • a plate spring 1 is supported on rolling elements 2 and stretched flat. Since they are shown Example additionally on balls 6 in a concentric Supports parallel path, the rolling elements 2 are under tension Belleville spring 1 relieved. The balls 6 form support points, so that the disc spring has a lever-like effect.
  • the rolling elements 2 run in pocket-shaped recesses 4 of a basic body 3. There are raceways in the pockets Inclinations, for example with the angle ⁇ , against the plane the tensioned Belleville washer provided on it during roll their movement.
  • a compression spring 8, for example a coil spring ensures that the rolling elements 2 at a relief always in the flatter side of the pocket-shaped Recesses are pressed.
  • a lid 7 transmits the Forces P1-P2 of the valve springs, not shown, on the Belleville spring 1.
  • Figures 1 and 2 show the rotating device when fully open Valve with tensioned disc spring 1 and the position of the Rolling elements 2 in the end position before the start of rotation.
  • the Tangential springs 8 previously have the balls 2 in them achievable lowest depth of the inclined raceways 4 pressed, so that they both the disc spring 1 and the Touch raceways 4.
  • FIGS. 3 and 4 show the state when the rotation has ended shown.
  • the balls 2 are in the reachable for them greatest depth of the raceways 4. They are out of position 1 rolled to position 2 and have a translation by the angle ⁇ , FIG. 4, with the taxiway r x ⁇ , FIG. 3, executed so that the plate spring 1 rotated by 2 ⁇ and has covered the taxiway 2r x ⁇ .
  • the raceways 4 of the balls 2 are approximately in the area of the transition from the deepest area to the inclined, flattening Area with constrictions in diameter 9 to limit the rolling movement the balls 2 provided. This narrowing in diameter form stops to which the balls stick when uncontrolled Can create movements. This will cause excessive squeezing the coil springs 8 with all negative consequences prevented.
  • Figures 5 and 6 show that the roll limitation the balls 2 is limited by a spring cage 10.
  • the front end of the spring cage 10 serves as a ball stop and prevents it from compressing too far and possibly rolling over the coil spring 8.
  • the length of the spring cage, which in the Pocket 4 is set, determines the movement distance of the Bullets. At the same time, the cage prevents any deflection the spring, which is therefore sustainable against damage is protected.

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Abstract

Um durch kurzzeitige Überlastungen auftretende unkontrollierte Schwingungsvorgänge von Wälzkörpern und Tangentialfedern bei einer Ventildrehvorrichtung für Ventile von Brennkraftmaschinen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, innerhalb der die Wälzkörper aufnehmenden Taschen, die konzentrisch um die Achse eines Grundkörpers angeordnet sind, Elemente zum Begrenzen der Bewegungsstrecken der Wälzkörper anzuordnen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drehen eines Ventils für Brennkraftmaschinen während der Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventils unter Verwendung von Wälzkörpern, die in konzentrisch um die Achse eines Grundkörpers angeordneten Taschen mit schiefen Ebenen durch tangential wirkende, bei Belastung der Wälzkörper zusammendrückbare Federn in Richtung auf die flacheren Seiten der Taschen belastet werden und mit einem den Taschen gegenüber liegenden, in Ventilachsrichtung spannenden Federelement zusammenwirken, wobei die Wälzkörper abwechselnd in Ventilachsrichtung entlastet und zum relativen Verdrehen des Grundkörpers gegenüber dem Federelement zunehmend belastet werden.
Es ist bekannt, Ventildrehvorrichtungen in Otto- und Dieselmotoren zu verwenden, die die axial wirkende, steigende Ventilfederkraft beim Öffnen des Ventils ausnutzen, um die Drehung hervorzurufen. Dabei wird erfahrungsgemäß erreicht, daß sich das Ventil während des Öffnens um einige Winkelgrade dreht, jedoch während der Schließbewegung keine Rotationsbewegung mehr ausführt, um unnötigen Verschleiß am Ventilsitz zu vermeiden.
Bei einer Vorrichtung zum Drehen eines Ventils während der öffnungsbewegung werden durch tangential wirkende Schraubenfedern (Tangentialfedern) Stahlkugeln an das obere Ende von schrägen Laufbahnen eines Grundkörpers gedrückt. Auf den Innenrand des Grundkörpers stützt sich eine Tellerfeder ab, über die zur Einleitung der Ventilfederkräfte ein Deckel greift. öffnet das Ventil, so wird die Tellerfeder durch die ansteigende Ventilfederkraft abgeflacht. Dabei belastet sie die in den Taschen des Grundkörpers befindlichen Kugeln, zwingt sie zum Abrollen auf ihren schrägen Laufbahnen und rollt selbst auf den Kugeln ab. Ihre so erzeugte Drehbewegung entspricht dem doppelten Rollweg der Kugeln. Durch die Abstützung auf den Kugeln wird der Druck der Tellerfeder auf den Innenrand des Grundkörpers verringert, so daß hier ein Gleiten stattfindet. Deckel und Tellerfeder hingegen sind durch Reibschluß drehfest miteinander verbunden. Die relative Drehung zwischen Tellerfeder/Deckel und Grundkörper wird über Deckel, Ventilfedern, Federteller und Kegelstücke auf das Ventil übertragen. Bei schließendem Ventil tritt eine Entlastung der Tellerfeder und damit der Kugeln ein, die dann ohne zu rollen durch die Tangentialfedern wieder in ihre Ausgangslage zurückgeschoben werden.
Bei einem mit Schweröl betriebenen Dieselmotor ist dagegen eine Drehbewegung des Ventils während des Schließens erwünscht, um die sich bildenden glasurartigen Ablagerungen zu entfernen. Das Ventil setzt dabei noch rotierend auf seinem Sitz auf.
So zeigen beispielsweise die deutsche Patentschrift 1 955 820 und die deutsche Auslegeschrift 21 10 708 Vorrichtungen, welche die Drehung eines Ventils mit Hilfe der in einem scheibenförmigen Federelement gespeicherten Energie bewirken. Weitere Möglichkeiten einer Ventildrehung während des Schließhubs zeigt die deutsche Offenlegungsschrift 30 04 320. Eine scheibenförmige Feder (Tellerfeder) wird als übersetzungselement benutzt, um in schrägen Taschen laufende Kugeln so zu be- und entlasten, daß über die Tellerfedern eine Rotation entsteht, welche zur Drehung des Ventils genutzt wird.
Neben der Reduzierung von Ablagerungen auf dem Ventilsitz wird durch eine gleichmäßige, dem Ventil aufgezwungene Drehung eine Verminderung des Verschleißes und eine Egalisierung der Ventilkopftemperaturen erreicht.
Von Ventildrehvorrichtungen wird eine hohe Betriebszuverlassigkeit erwartet. Bei normalen Betriebsbedingungen und einer entsprechenden Wartung wird mit einer Standzeit der Drehvorrichtungen in Großmotoren von 10.000 Stunden und mehr gerechnet.
Bei Motoren, die kurzzeitig im überlastbereich laufen, und bei einem instationären Betrieb steigen die Belastungen der Drehvorrichtungen jedoch ganz erheblich. Empfindliche Bauteile sind hierbei infolge ihrer geringen Abmessungen die Tangentialfedern. Sie werden aufgrund der erwähnten dynamischen über last von den sich dann unkontrolliert bewegenden Kugeln beschädigt oder sogar vollends zerstört. Eine beschädigte Tangentialfeder führt zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Drehvorrichtung und leitet in den meisten Fällen deren kompletten Ausfall ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Ventildrehvorrichtungen so auszubilden, daß durch kurzzeitige überlastungen auftretende unkontrollierte Schwingungsvorgänge von Wälzkörpern und Tangentialfedern und als deren Folge Schäden vermieden werden. Die Erfindung als Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb der Grundkörpertaschen Elemente zum Begrenzen der Bewegungsstrecken der Wälzkörper angeordnet sind. Der dadurch bei allen Betriebssituationen genau bestimmbare Rollweg der Wälzkörper läßt ein unkontrolliertes Zusammendrücken der Tangentialfeder oder ein überrollen durch den Wälzkörper nicht zu.
Vorzugsweise wird die Bewegung der Wälzkörper durch einen Anschlag innerhalb der Taschen begrenzt. Dieser Anschlag kann durch eine Durchmesserverengung der Taschen oder durch einen Käfig gebildet werden, in dem eine Tangentialfeder verankert ist und der in die Tasche eingesetzt wird. Der Federkäfig hat eine definierte Länge, die so bestimmt ist, daß der Wälzkörper nur eine vorgegebene Bewegung ausführen kann und die Tangentialfeder zusätzlich an einem Auslenken hindert. Diese wird somit nachhaltig gegen eine Beschädigung durch Überrollen geschützt. Der Käfig kann aus Kunststoff, aus Blech sowie im Metallsinterverfahren oder mittels Feinguß hergestellt werden.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Bei den gezeigten Beispielen handelt es sich um Ventildrehvorrichtungen, die dem Ventil während der Schließbewegung eine Drehung mitteilen.
Es zeigen:
Figur 1
einen Teil eines Tangentialschnitts einer Drehvorrichtung auf dem Kugelteilkreis (Radius r) bei voll geöffnetem Ventil,
Figur 2
die Drehvorrichtung gem. Figur 1 in der Draufsicht,
Figur 3
den Tangentialschnitt durch die Drehvorrichtung nach den Figuren 1 und 2 bei beendeter Drehung nach der Ventilschließung,
Figur 4
die Draufsicht auf die Ventildrehvorrichtung nach beendeter Drehung,
Figur 5
einen Tangentialschnitt durch eine Drehvorrichtung bei voll geöffnetem Ventil mit einem Wälzkörperkäfig und
Figur 6
die Draufsicht auf die Ausführung gem. Figur 5.
Gemäß Figur 1 ist eine Tellerfeder 1 auf Wälzkörpern 2 abgestützt und flach gespannt. Da sie sich bei dem gezeigten Beispiel zusätzlich auf Kugeln 6 in einer konzentrischen Parallelbahn abstützt, sind die Wälzkörper 2 bei gespannter Tellerfeder 1 entlastet. Die Kugeln 6 bilden Unterstützungspunkte, so daß die Tellerfeder eine hebelartige Wirkung hat.
Die Wälzkörper 2 laufen in taschenförmigen Ausnehmungen 4 eines Grundkörpers 3. In den Taschen sind Laufbahnen mit Neigungen, beispielweise mit dem Winkel α, gegen die Ebene der gespannten Tellerfeder vorgesehen, auf denen sie während ihrer Bewegung abrollen. Eine Druckfeder 8, beispielsweise eine Schraubenfeder, sorgt dafür, daß die Wälzkörper 2 bei einer Entlastung immer in die flachere Seite der taschenförmigen Ausnehmungen gedrückt werden. Ein Deckel 7 überträgt die Kräfte P1-P2 der nicht dargestellten Ventilfedern auf die Tellerfeder 1.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die Drehvorrichtung bei voll geöffnetem Ventil mit gespannter Tellerfeder 1 und die Lage der Wälzkörper 2 in der Endstellung vor Beginn der Drehung. Die Tangentialfedern 8 haben zuvor die Kugeln 2 in die für sie erreichbare geringste Tiefe der geneigten Laufbahnen 4 gedrückt, so daß sie sowohl die Tellerfeder 1 als auch die Laufbahnen 4 berühren.
Wird die von der Ventilfeder aufgebrachte konzentrische Axialkraft P 2 beim Schließen des Ventils vermindert, zuletzt bis auf P 1, so übt die gespannte Tellerfeder 1 Kräfte auf die Kugeln 2 aus, die dann nach deren Maßgabe durch deren Kraftkomponenten in Umfangsrichtung in den Laufbahnen 4 abrollen, und ihre Rollbewegung auf die Tellerfeder 1 übertragen, die dadurch den doppelten Rollweg der Kugeln 2 zurücklegt und so zusammen mit dem Deckel 7 um die Achse des Grundkörpers rotiert.
In den Figuren 3 und 4 ist der Zustand bei beendeter Drehung dargestellt. Die Kugeln 2 befinden sich in der für sie erreichbaren größten Tiefe der Laufbahnen 4. Sie sind von Position 1 zu Position 2 gerollt und haben dabei eine Translation um den Winkel , Figur 4, mit dem Rollweg r x , Figur 3, ausgeführt, so daß sich die Tellerfeder 1 um 2 gedreht und den Rollweg 2r x  zurückgelegt hat.
Die Laufbahnen 4 der Kugeln 2 sind etwa im Bereich des übergangs vom tiefsten Bereich in den geneigten, flacher werdenden Bereich mit Durchmesserverengungen 9 zur Begrenzung der Rollbewegung der Kugeln 2 versehen. Diese Durchmesserverengungen bilden Anschläge, an die sich die Kugeln bei unkontrollierten Bewegungen anlegen können. Dadurch wird ein übermäßiges Zusammendrücken der Schraubenfedern 8 mit allen negativen Folgen verhindert.
Die Figuren 5 und 6 lassen erkennen, daß die Rollbegrenzung der Kugeln 2 durch einen Federkäfig 10 begrenzt wird. Sofern der Rollweg der Kugeln durch kurzzeitige Überlastvorgänge zu groß, d. h. die Schraubenfeder 8 zu weit zusammengedrückt wird, dient das vordere Ende des Federkäfigs 10 als Kugelanschlag und verhindert das zu weite Zusammendrücken und ggf. Überrollen der Schraubenfeder 8. Die Länge des Federkäfigs, der in die Tasche 4 gesetzt wird, bestimmt die Bewegungsstrecke der Kugeln. Gleichzeitig verhindert der Käfig ein etwaiges Auslenken der Feder, die somit nachhaltig gegen Beschädigungen geschützt ist.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Drehen eines Ventils für Brennkraftmaschinen während der Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventils unter Verwendung von Wälzkörpern, die in konzentrisch um die Achse eines Grundkörpers angeordneten Taschen mitschiefen Ebenen durch tangential wirkende, bei Belastung der Wälzkörper zusammendrückbare Federn in Richtung auf die flacheren Seiten der Taschen belastet werden und mit einem den Taschen gegenüberliegenden, in Ventilachsrichtung spannenden Federelement zusammenwirken, wobei die Wälzkörper abwechselnd in Ventilachsrichtung entlastet und zum relativen Verdrehen des Grundkörpers gegenüber dem Federelement zunehmend belastet werden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Taschen (4) Elemente (9, 10) zum Begrenzen der Bewegungsstrecken der Wälzkörper (2) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Wälzkörper durch einen Anschlag innerhalb der Taschen begrenzt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag durch eine Durchmesserverengung (9) der Taschen gebildet wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag aus einem Käfig (10) für die Tangentialfedern (8) besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus Kunststoff gefertigt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus Blech hergestellt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig durch ein Metallsinterverfahren hergestellt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig durch ein Feingußverfahren gefertigt ist.
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