EP1454037A1 - Gebautes ventil f r hubkolbenmaschinen - Google Patents

Gebautes ventil f r hubkolbenmaschinen

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Publication number
EP1454037A1
EP1454037A1 EP02783047A EP02783047A EP1454037A1 EP 1454037 A1 EP1454037 A1 EP 1454037A1 EP 02783047 A EP02783047 A EP 02783047A EP 02783047 A EP02783047 A EP 02783047A EP 1454037 A1 EP1454037 A1 EP 1454037A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
stem
plate
valve stem
valve plate
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02783047A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Meintschel
Martin Schlegl
Thomas Stolk
Karl-Heinz Thiemann
Alexander Von Gaisberg-Helfenberg
Pavel Hora
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1454037A1 publication Critical patent/EP1454037A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • 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
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • 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
    • F01L2301/00—Using particular materials
    • 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
    • F01L2301/00—Using particular materials
    • F01L2301/02—Using ceramic materials
    • 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
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the invention is based on a built valve for reciprocating piston machines according to the preamble of claim 1, as is known, for example, from US Pat. No. 2,136,690.
  • the US-PS 2 136 690 shows, among other things, a multi-part full stem valve, in which the valve seat is armored with a wear-resistant material.
  • the armor consists of a prefabricated, centrally perforated and conically beveled washer on the outer edge made of a resistant and good heat-conducting composite material, this armor washer extending to the edge of the valve plate and forming the sealing surface on the plate side.
  • the composite material is formed by a matrix of a tough and conductive, preferably copper-containing metal, in which finely divided particles of a hard and resistant material such as tungsten are firmly embedded. These hard particles should not only protect the matrix, but also prevent or at least delay the destruction of the valve sealing surfaces.
  • the disk serving for armoring is riveted together with a support disk made of conventional valve material on the combustion chamber side to the end of the valve stem on the plate side, the shaft material serving as a rivet.
  • the valve disk is here in several parts, namely formed from two disks. A relatively wide shoulder is forged onto the valve stem in order to ensure that the valve disc, which consists of armor plate and support plate, does not tilt, and is axially supported.
  • the plate-side end of the valve Shaft protrudes with a pin serving as a rivet shaft through the central opening of the two disks, the outermost end of this pin being shaped into a rivet countersunk head that extends in a countersink of the support disk opening.
  • valve disk is positively connected to the valve stem in both directions of action of the axial force - pressure and tension.
  • a disadvantage of the known valve is that a radially relatively wide shoulder has to be integrally formed on the valve stem in order to guide the disc assembly of the multi-part valve disc against tilting, the radial width of which corresponds to approximately a third of the stem diameter in the embodiment shown in the prior art.
  • the upset shoulder not only takes on the function of a tilt-proof, axial support of the multi-layer valve plate, but also, due to the smooth transition from the shaft cross section to the shoulder circumference, the function of a flow guide body on the flow-around top of the valve plate.
  • Another disadvantage is that, due to the high-frequency shock loads, microfine relative shifts between the connected parts in the direction of rotation can occur, which can lead to wear on the contact surfaces and thus to a loosening of the connection.
  • valves known therefrom are all provided with a hollow stem for production reasons, which is advantageous in the present invention, but is by no means a mandatory requirement.
  • Advantageous The known valve is the low weight and / or the long service life of the valve, which are due to the fact that thermally and / or tribologically highly resilient lightweight materials, in particular ceramic or titanium aluminide, can be used for the valve disk.
  • a disadvantage of the known valve is that due to possible differences in the coefficients of thermal expansion, which may be considerable depending on the material pairing, the preload in the connection between the stem and plate can decrease at the operating temperature of the built valve. Under the stresses that occur during operation, this could likewise lead to a relative displacement of the contact surfaces, as a result of which contact wear and a loosening of the connection.
  • EP 296 619 AI which also shows a built valve, the structural components of which consist of different materials.
  • the tubular valve stem is preferably made of chrome-molybdenum steel.
  • the valve disk which should preferably consist of the intermetallic phase titanium aluminide, can be manufactured by precision casting.
  • the finished valve plate is provided with a blind hole on the top to accommodate the shaft end on the plate side.
  • the valve stem can be fastened in the blind hole by shrinking, cold pressing, soldering or by a combination of these connection techniques.
  • the reveal of the blind hole is also axially corrugated, the end wall of the shaft tube being expanded under the influence of pressure and local heating and being intended to fit positively into the bore-side shafts.
  • the object of the invention is to improve the generic valve on the basis that the connection between the valve plate and valve stem is increased in its durability.
  • valve plate 1 is an individual perspective view of a valve plate with a view of its combustion chamber side and the non-circular extension of the center opening
  • FIG. 2 shows a fully assembled valve using a valve plate according to FIG. 1, 3 and 4 two further exemplary embodiments of valve plates or of non-circular extensions of the center opening, and
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a built valve with a hollow shaft and a separate expansion section indicated in two different variants in the connection between the valve plate and the shaft.
  • valve 1, 1 ', 1 "for reciprocating piston engines which comprises a valve stem 2, 2', 2" and a structurally separate valve plate 3, 3 ', 3 ", 3, which is connected to the valve stem 2 in a form-fitting manner both in the pushing and pulling directions.
  • the monolithic valve disk 3, 3 ', 3", 3, with a continuous central opening 4, 4' provided for receiving the end of the valve stem on the plate side, the edge of which lies on the combustion chamber side 10 of the valve plate 3 is flared, thus forming an extension 6, 6 ', 6 ".
  • the valve stem 2 in turn, has the depth of insertion of the valve stem into the center opening on the outer circumference delimiting, axially perpendicular collar 7, 7 ', whereas in the area of the central opening 4 of the valve disk 3 an annular contact surface 5, 5' for contacting the shaft-side collar s 7 is provided.
  • the combustion chamber-side or plate-side end 13, 13 'of the valve stem - after the plate and stem have been put together - is plastically widened in the area of the combustion chamber-side extension 6 of the central opening in a manner that fills it in a form-fitting manner, so that a compression 8, 8' is produced. which together with the pair of contact surfaces form a positive connection between the plate and in the pulling and pushing directions Shaft forms.
  • the pair of axial contact surfaces 5 and 7 need only be narrow in the radial direction.
  • a tilt-proof guidance of the valve plate relative to the valve stem is achieved by the overall height of the valve plate and the correspondingly large insertion depth of the stem in the valve plate.
  • the anti-rotation device between the valve plate and valve stem effectively prevents a relative movement of the connected parts during engine operation and thus prevents wear in the joint caused by creeping movements. Because of this, the joint is better able to withstand the thermal and mechanical loads that permanently occur during engine operation.
  • the anti-rotation device can be manufactured without additional manufacturing effort.
  • the expansion 6 of the central opening 4 on the combustion chamber side is conical in the manner of a truncated pyramid with rounded edges. formed between the flat sides.
  • the valve plate 3, according to FIG. 5 the same form of extension 6 is assumed, as can be seen in FIG. 1, but the valve plate 3, according to FIG. 5, differs in terms of other features from the valve plate 3 according to FIGS. 1 and 2, whereupon to be discussed in more detail below.
  • the expansion 6' on the combustion chamber side is essentially also conical, namely that a cone which is coaxial to the center opening is superimposed on a cone which is strongly oval, the two overlapping cone types being strongly rounded in the area of the mutual overlaps pass.
  • the valve disk 3 "shown in FIG. 4 has only a strongly oval, conical extension 6".
  • extensions 6, 6 ', 6 are on the one hand strongly non-circular, but can be completely and accurately filled due to smooth transitions or deviations from a rotational shape by means of an upsetting 8, 8' plastically molded into the extension. Both Characterizations are important for an effective form closure against mutual twisting.
  • the smooth transitions or deviations from a rotary form are also advantageous with regard to the production of such extensions 6, 6 ', 6 ", be it that they are forged by a molding tool , Casting, mold sintering - or be produced by a cutting non-circular turning process.
  • the production of the non-circular extensions 6 mentioned does not require any additional effort in comparison to the production of rotationally symmetrical countersinks, in particular not if the extensions are produced by a molding tool that forms the valve disk.
  • the exemplary embodiment of a valve 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a solid valve stem 1, in which the stem-side collar 7 is worked out, for example, by a cutting turning process.
  • the collar 7 is relatively narrow radially and only needs to absorb the axial preload of the connection.
  • the radial width b of the shaft-side collar 7 or the plate-side contact surface 5 corresponds to a maximum of approximately 25%, preferably approximately 15 to 20% of the shaft diameter D.
  • the security against tilting of the valve plate 3 relative to the shaft 2 is due to the relatively large overall height of the plate and accordingly Great insertion depth of the shaft is guaranteed.
  • the insertion depth is significantly larger than the diameter of the shaft in this area.
  • a massive valve stem i.e. such a one with a full cross-section may well be considered in a multi-part valve from a weight point of view, if a lightweight material is used for the valve disk.
  • the weight saving compared to a conventional valve then lies exclusively in the lower weight of the valve plate.
  • the following materials should be mentioned as lightweight materials as the plate materials in question:
  • SiC silicon carbide
  • an intermetallic phase in particular titanium aluminide
  • these materials also have excellent thermal and mechanical properties that make them particularly desirable as valve materials.
  • these materials have so far always failed due to a cost-prohibitive workability and / or on a safe and permanent connection technology between the stem and valve plate.
  • the stem made of a valve steel can be hollow, as shown in the example of the valve 1 'or 1 "according to FIG. 5.
  • the end walls of the hollow stem are sealed gas-tight, which is highly efficient, for example, by means of a rolling flow process
  • Such a hollow shaft can also be partially filled with a coolant, for example with sodium, so that the level of the operating temperature of the valve can be lowered.
  • This compression can be carried out in the warm state, for example also by means of the roll flow process mentioned the expansion 6 of the central opening 4 'on the combustion chamber side is filled in positively by the upsetting 8', so that an effective anti-rotation lock is produced between the plate 3 and the shaft 2 'or 2 ".
  • the axially perpendicular collar 7 'attached to the outside of the valve stem 2', 2 "and limiting the insertion depth is inserted, precisely fitting pipe sleeve 11 of a certain length L.
  • the tubular sleeve is fixed immovably with its end remote from the plate in a predetermined axial position on the valve stem 2 ', 2 ".
  • the tubular sleeve is supported on a collar 12' of the stem 2 ', whereas in the variant shown on the right the end of the pipe sleeve remote from the plate is connected to the shaft 2 ′′ by means of a ring weld 12.
  • the end face of the tubular sleeve 11 facing the valve plate 3 forms the shaft-side collar 7 'in both cases. Due to the fixing 12, 12 'of the sleeve 11 on the valve stem tube, which is remote from the plate on one side, the axially opposite collar 7' can shift axially relative to the valve stem tube within the scope of the material elasticity, the greater the length L, the greater this elastically induced displacement distance the cuff is.
  • the contact surface 5 ' which is arranged in the region of the central opening 4' of the valve disk 3 and corresponds to the shaft-side collar 7 'is axially displaced into the interior of the central opening 4'. This results in a significantly smaller clamping length l than the axial height of the valve plate 3 or corresponds to the length L of the sleeve 11.
  • the upsetting 8' is molded into the extension 6 and the positive connection between the stem and the valve disc is established. It is important in the joining process of the disc and stem that If the valve disk is made of a material with a significantly lower coefficient of thermal expansion than steel the positive connection at room temperature of the finished valve is under the highest possible axial preload. Only due to a high axial preload of the joint and due to the special design of the elastically displaceable collar 7 'with preload reserve can it be ensured that the valve disc 3, which is made of ceramic, for example, will still have a certain residual preload on the valve even when the valve is at operating temperature - shaft remains clamped. The greater the ratio of sleeve length L to clamping length l, the greater the preload reserve of the connection. It can therefore be entirely expedient to extend the sleeve 11 over almost the entire length of the valve stem.
  • the sleeve 11 and the valve disk should be as cold as possible during the manufacture of the upsetting 8 'and the part of the valve stem tube which is inside the sleeve should be as warm as possible.
  • a temperature compensation between the parts mentioned should only take place after the upsetting 8 'has cooled and can no longer plastically deform.
  • An axial preload builds up due to the delayed compensation of such a forced temperature difference.
  • the pre-tension at room temperature that decreases with increasing operating temperature should be selected or aimed for as high as possible. Optimally, the pre-tensioning at room temperature should be close to the elastic limit of the steel material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein gebautes Ventil (1) für Hubkolbenmaschinen, bei dem der Ventilteller (3) zug- und druckfest mit dem Ventilschaft (2) verbunden ist. Der Ventilteller (3) weist im Bereich einer durchgehenden Mittenöffnung (4) eine ringförmige Anlagefläche (5) für einen schaftseitigen Bund (7) auf. Ausserdem erweitert sich die Mittenöffnung (4) auf der Brennraumseite (10) des Ventiltellers, wobei das tellerseitige Ende (13) des Ventilschaftes (2) in einer diese Erweiterung (6) formschlüssig ausfüllenden Weise plastisch aufgeweitet ist. Um die Verbindung zwischen Ventilteller (3) und Ventilschaft (2) in ihrer Dauerhaltbarkeit zu erhöhen, ist die brennraumseitige Erweiterung (6) der Mittenöffnung (4) und demgemäss auch die formangepasste, endseitige Aufweitung des Ventilschaftes (2) erfindungsgemäss unrund ausgebildet, so dass dadurch eine formschlüssige Verdrehsicherung zwischen dem Ventilschaft (2) und dem Ventilteller (4) zustande kommt.

Description

Gebautes Ventil für Hubkolbenmaschinen
Die Erfindung geht aus von einem gebauten Ventil für Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der US-PS 2 136 690 als bekannt hervorgeht.
Die US-PS 2 136 690 zeigt u.a. ein mehrteilig zusammengesetztes Vollschaftventil, bei dem der Ventilsitz mit einem verschleißfesten Werkstoff gepanzert ist. Die Panzerung besteht aus einer vorgefertigten, zentrisch gelochten und am Außenrand konisch abgeschrägten Scheibe aus einem widerstandsfähigen und gut wärmeleitenden Verbundwerkstoff, wobei diese Panzerungsscheibe bis zum Rand des Ventiltellers ragt und die tellerseitige Dichtfläche bildet. Der Verbundwerkstoff ist durch eine Matrix aus einem zähen und leitfähigen, vorzugsweise Kupfer enthaltenden Metall gebildet, in die fein verteilt Partikel eines harten und widerstandsfähigen Werkstoffs wie z.B. Wolfram fest haftend eingelagert sind. Diese Hartpartikel sollen nicht nur die Matrix schützen, sondern auch eine Zerstörung der Ventil-Dichtflächen verhindern oder zumindest verzögern. Bei dem vorbekannten Ventil ist die der Panzerung dienende Scheibe gemeinsam mit einer brennraumsei- tig aufgelegten Stützscheibe aus herkömmlichen Ventilwerkstoff an das tellerseitige Ende des Ventilschaftes angenietet, wobei der Schaftwerkstoff als Niet dient. Der Ventilteller ist hier also für sich mehrteilig, nämlich aus zwei Scheiben ausgebildet. Zur verkantungssicheren, axialen Ab- stützung des aus Panzerungsscheibe und Stützscheibe bestehenden Ventiltellers ist am Ventilschaft eine relativ breite Schulter angeschmiedet. Das tellerseitige Ende des Ventil- Schaftes ragt mit einem als Nietschaft dienenden Zapfen durch die zentrische Öffnung der beiden Scheiben hindurch, wobei das äußerste Ende dieses Zapfens zu einem in einer Ansenkung der Stützscheibenöffnung sich erstreckenden Nietsenkkopf umgeformt ist. Zwar ist der Ventilteller in beiden Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug - formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden. Nachteilig an dem vorbekannten Ventil ist jedoch, dass zur kippsicheren Führung des Scheibenverbundes des mehrteiligen Ventiltellers an den Ventilschaft eine radial relativ breite Schulter angeformt werden muss, deren radiale Breite bei dem im Stand der Technik dargestellten Ausführungsbeispiel etwa ein drittel des Schaftdurchmessers entspricht. Die angestauchte Schulter übernimmt nicht nur die Funktion einer verkantungssicheren, axialen Abstützung des mehrlagigen Ventiltellers, sondern aufgrund des fließenden Überganges vom Schaftquerschnitt auf den Schulterumfang auch die Funktion eines Strδmungsleitkörpers auf der umströmten Oberseite des Ventiltellers. Nachteilig ist ferner, dass es aufgrund der hochfrequenten Stoßbelastungen zu mikrofeinen Relatiwerschiebungen zwischen den verbundenen Teilen in Drehrichtung kommen kann, was an den Kontaktflächen zu Verschleiß und somit zu einer Lockerung der Verbindung führen kann.
In der älteren Patentanmeldung der Anmelderin gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 100 29 299 AI werden nicht nur verschiedene bauliche Gestaltungen von gebauten Ventilen der hier angesprochenen Art beschrieben, sondern diese Schrift geht auch auf die Herstellungsverfahren der vorgestellten Ventilbauarten ein. Allerdings sind die daraus bekannten Ventile herstellungsbedingt alle mit einem Hohlschaft versehen, was bei der vorliegenden Erfindung zwar vorteilhaft, aber keineswegs eine zwingende Voraussetzung ist. Vorteilhaft an dem bekannten Ventil ist das geringe Gewicht und/ oder die hohe Lebensdauer des Ventils, welche dadurch bedingt sind, dass thermisch und/oder tribologisch hoch belastbare Leicht- bauwerkstoffe, insbesondere Keramik oder Titanaluminid, für den Ventilteller verwendet werden können. Nachteilig an dem bekannten Ventil ist jedoch, dass aufgrund möglicher Unterschiede der Temperaturausdehnungskoeffizienten, die je nach Werkstoffpaarung u.U. erheblich sein können, es bei Betriebstemperatur des gebauten Ventils zu einem Nachlassen der Vorspannung in der Verbindung zwischen Schaft und Teller kommen kann. Dies könnte unter den im Betrieb auftretenden Beanspruchungen ebenfalls zu einer Relatiwerschiebung der Kontaktflächen, infolge dessen zu einem Kontaktverschleiß und zu einer Lockerung der Verbindung führen.
Der Vollständigkeit halber sei auch noch auf die EP 296 619 AI verwiesen, die ebenfalls ein gebautes Ventil zeigt, dessen bauliche Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Der rohrförmige Ventilschaft besteht vorzugsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl . Der Ventilteller, der bevorzugt aus der intermetallischen Phase Titanaluminid bestehen soll, kann durch Präzisionsgießen hergestellt werden. Der fertige Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des tellerseitigen Schaftendes versehen. Durch Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten oder durch eine Kombinationen dieser Verbindungstechniken kann der Ventilschaft in der Sacklochbohrung befestigt sein. In einem dort zeichnerisch dargestellten Fall ist die Leibung der Sacklochbohrung außerdem axial gewellt ausgebildet, wobei die endseitige Wandung des Schaftrohres unter dem Einfluss von Druck und örtlicher Erwärmung aufgeweitet werden und sich dabei formschlüssig in die bohrungsseitigen Wellen einlegen soll . Bei dem gebauten Hohlschaftventil nach der EP 296 619 AI muss allerdings ange- zweifelt werden, dass die Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilteller unter den sowohl in thermischer als auch in mechanischer Hinsicht erheblichen statischen und dynamischen Belastungen ausreichend haltbar ist .
Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Ventil dahingehend zu verbessern, dass die Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft in ihrer Dauerhaltbarkeit erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Ventils erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst .
Aufgrund der verdrehgesicherten Ausgestaltung der Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft ist eine Relativbewegung der verbundenen Teile wirksam verhindert. Kriechbewegungen und dadurch bedingter Verschleiß in der Fügestelle werden somit vermieden. Aufgrund dessen vermag die Fügestelle die im Motorbetrieb dauerhaft auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen besser zu ertragen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener, in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Ventiltellers mit Sicht auf dessen Brennraumseite und die unrunde Erweiterung der Mittenöffnung,
Fig. 2 ein fertig montiertes Ventil unter Verwendung eines Ventiltellers nach Figur 1, Fig. 3 und 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele von Ventiltel- lern bzw. von unrunden Erweiterungen der Mittenöffnung, und
Fig. 5 ein in zwei unterschiedlichen Varianten angedeutetes, weiteres Ausführungsbeispiel eines gebauten Ventils mit Hohl- schaft und gesonderter Dehnstrecke in der Verbindung zwischen Ventilteller und Schaft.
Die nachfolgend im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen zunächst gemeinsam erläuterte Erfindung geht aus von einem gebauten Ventil 1, 1', 1" für Hubkolbenmaschinen, welches aus einem Ventilschaft 2, 2', 2" und aus einem baulich gesonderten Ventilteller 3, 3', 3", 3, besteht, der sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung formschlüssig mit dem Ventilschaft 2 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist der mo- nolitische Ventilteller 3, 3', 3", 3, mit einer durchgehenden Mittenöffnung 4, 4' zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes versehen, deren auf der Brennraumseite 10 des Ventiltellers 3 liegender Rand konisch erweitert ist und so eine Erweiterung 6, 6', 6" bildet. Der Ventilschaft 2 seinerseits weist am Außenumfang einen die Einstecktiefe des Ventilschaftes in die Mittenöffnung begrenzenden, achssenkrechten Bund 7, 7' auf, wogegen im Bereich der Mittenöffnung 4 des Ventiltellers 3 eine ringförmige Anlagefläche 5, 5' zur Anlage des schaftseitigen Bundes 7 vorgesehen ist. Das brenn- raumseitige oder tellerseitige Ende 13, 13' des Ventilschaftes ist - nach dem Zusammenstecken von Teller und Schaft - im Bereich der brennraumseitigen Erweiterung 6 der Mittenöffnung in einer diese formschlüssig ausfüllenden Weise plastisch aufgeweitet, so dass eine Anstauchung 8, 8' entsteht, die gemeinsam mit dem Paar von Anlageflächen eine in Zug- und Druckrichtung formschlüssige Verbindung zwischen Teller und Schaft bildet. Mit Rücksicht darauf, dass der Ventilteller auf seiner Oberseite strömungsgünstig gewölbt und somit mit einer gewissen Bauhδhe ausgestattet ist, so dass er die Funktion eines Strδmungsleitkörpers übernehmen kann, braucht das Paar von axialen Anlageflächen 5 und 7 in Radialrichtung nur schmal zu sein. Eine kippsichere Führung des Ventiltellers gegenüber dem Ventilschaft kommt durch die Bauhöhe des Ventiltellers und die dementsprechend große Einstecktiefe des Schaftes im Ventilteller zustande.
Um die Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft in ihrer Dauerhaltbarkeit erhöhen zu können, ist die brennraum- seitige Erweiterung 6, 6', 6", 6, der Mittenöffnung 4, 4' und demgemäß auch die formangepasste, endseitige Aufweitung 8, 8' des Ventilschaftes 2, 2', 2" erfindungsgemäß von einer rotationssymmetrischen Form derart abweichend ausgebildet, dass dadurch eine formschlüssige Verdrehsicherung zwischen Ventil- schaft 2, 2', 2" und monolitisch aus einem einzigen Teil bestehenden Ventilteller 3, 3', 3", 3, gebildet ist.
Durch die Verdrehsicherung zwischen Ventilteller und Ventil- schaft ist eine Relativbewegung der verbundenen Teile während des Motorbetriebes wirksam verhindert und ein durch Kriechbewegungen bedingter Verschleiß in der Fügestelle somit vermieden. Aufgrund dessen vermag die Fügestelle die im Motorbetrieb dauerhaft auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen besser zu ertragen. Die Verdrehsicherung kann ohne fertigungsmäßigen Mehraufwand hergestellt werden.
Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die brennraumseitige Erweiterung 6 der Mittenöffnung 4 konisch nach Art eines Pyramidenstumpfes mit gerundeten Kan- ten zwischen den Flachseiten ausgebildet. Beim Ventilteller 3, nach Figur 5 sei eine gleiche Form der Erweiterung 6 unterstellt, wie sie in Figur 1 zu erkennen ist, allerdings unterscheidet sich der Ventilteller 3, nach Figur 5 bezüglich anderer Merkmale von dem Ventilteller 3 nach den Figuren 1 und 2, worauf weiter unten näher eingegangen werden soll .
Bei dem Ventilteller 3 ' nach Figur 3 ist die brennraumseitige Erweiterung 6' im wesentliche auch konisch ausgebildet, und zwar ist einem koaxial zur Mittenöffnung liegenden Rundkonus ein stark oval ausgebildeter Konus überlagert, wobei die beiden sich überschneidenden Konusarten im Bereich der gegenseitigen Überschneidungen stark verrundet ineinander übergehen. Der in Figur 4 gezeigte Ventilteller 3" weist lediglich eine stark oval ausgebildete, konische Erweiterung 6" auf.
Alle drei gezeigten Ausführungsbeispiele von Erweiterungen 6, 6', 6" sind zum einen stark unrund ausgebildet, lassen sich aber aufgrund sanfter Übergänge bzw. Abweichungen von einer Rotationsform durch eine plastisch in die Erweiterung eingeformte Anstauchung 8, 8' vollständig und formgetreu ausfüllen. Beide Charakterisierungen sind für einen wirksamen Form- schluss gegen gegenseitiges Verdrehen wichtig. Die sanften Übergänge bzw. Abweichungen von einer Rotationsform sind auch im Hinblich auf eine Fertigung derartiger Erweiterungen 6, 6', 6" vorteilhaft, sei es, dass diese durch ein Formwerkzeug - Schmieden, Gießen, Formsintern - oder durch einen spangebenden Unrund-Drehvorgang hergestellt werden. Die Herstellung der genannten, unrunden Erweiterungen 6 erfordert keinen Mehraufwand im Vergleich zur Herstellung von rotationssymmetrischen Ansenkungen, insbesondere dann nicht, wenn die Erweiterungen durch ein den Ventilteller formendes Formwerkzeug erzeugt werden. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Ventiles 1 weist einen massiven Ventilschaft 1 auf, bei dem der schaftseitige Bund 7 beispielsweise durch einen spangebenden Drehvorgang herausgearbeitet ist. Der Bund 7 ist radial relativ schmal und braucht lediglich die axiale Vorspannung der Verbindung aufzunehmen. Die radiale Breite b des schaftseitigen Bundes 7 bzw. der tellerseitigen Anlagefläche 5 entspricht maximal etwa 25 %, vorzugsweise etwa 15 bis 20 % des Schaftdurchmessers D. Die Verkantungssicherheit des Ventiltellers 3 gegenüber dem Schaft 2 ist durch die relativ große Bauhöhe des Tellers und die dementsprechend große Einstecktiefe des Schaftes darin gewährleistet. Die Einstecktiefe ist deutlich größer als der Durchmesser des Schaftes in diesem Bereich.
Auch ein massiver Ventilschaft, d.h. ein solcher mit Voll- querschnitt, kann unter Gewichtsaspekten durchaus in einem mehrteiligen Ventil in Frage kommen, und zwar dann, wenn für den Ventilteller ein Leichtbau-Werkstoff verwendet wird. Die Gewichtsersparnis gegenüber einem herkömmlichen Ventil liegt dann ausschließlich in dem geringeren Gewicht des Ventiltellers. In diesem Zusammenhang seien als in Frage kommende Tellerwerkstoffe folgende Materialien als Leichtbauwerkstoffe erwähnt :
- eine Keramik, insbesondere Siliziumcarbid (SiC) ,
- eine intermetallische Phase, insbesondere Titanaluminid,
- eine Titan/Aluminium-Legierung.
Über den Gewichtsvorteil hinaus besitzen diese Werkstoff auch hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften, die sie als Ventil-Werkstoff besonders erstrebenswert machen. Ein verbreiteter Einsatz dieser Werkstoffe scheiterte aber bisher stets an einer unter Kostengesichtspunkten vertretbaren Ver- arbeitbarkeit und/oder an einer sicheren und dauerhaften Verbindungstechnik zwischen Schaft und Ventilteller.
Zur weiteren Gewichtsreduzierung des Ventils kann der aus einem Ventilstahl bestehende Schaft hohl ausgebildet sein, wie dies am Beispiel des Ventils 1' bzw. 1" gemäß Figur 5 dargestellt ist. Die endseitigen Wandungen des Hohlschaftes sind gasdicht verschlossen, was z.B. durch ein Rollfließverfahren auf hochrationelle Weise erfolgen kann. Ein solcher Hohl- schaft kann auch mit einem Kühlmittel, z.B. mit Natrium, partiell gefüllt werden, so dass das Niveau der Betriebstemperatur des Ventils abgesenkt werden kann. Nach dem Einstecken des tellerseitigen, zunächst noch nicht angestauchten Schaftendes 13 in die Mittenöffnung 4' bis zur gegenseitigen Berührung der ringförmigen Anlageflächen 5' bzw. 7' wird das Überstehende Ende des Ventilschaftes in die unrunde Erweiterung 6 angestaucht, so dass eine senkkopfförmige Anstauchung 8' entsteht. Dieses Anstauchen kann im Warmzustand, z.B. e- benfalls mittels des bereits erwähnten Rollfließverfahrens, durchgeführt werden. Auch dabei wird die brennraumseitige Erweiterung 6 der Mittenöffnung 4 ' formschlüssig durch die Anstauchung 8' ausgefüllt, so dass eine wirksame Verdrehsicherung zwischen Teller 3, und Schaft 2' bzw. 2" entsteht.
Einige der in Frage kommenden Leichtbauwerkstoffe, insbesondere Keramiken, unterscheiden sich gegenüber Stahl sehr deutlich in ihrem thermischen Dehnungsverhalten, d.h. sie dehnen sich bei Temperaturerhöhung wesentlich weniger als Stahl. Um auch bei einer solchen Werkstoffpaarung gleichwohl ein thermisch bedingtes Lockern der verbundenen Teile zu verhindern, ist bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der außenseitig am Ventilschaft 2', 2" angebrachte, die Einstecktiefe begrenzende achssenkrechte Bund 7' durch eine aufge- steckte, passgenaue Rohrmanschette 11 bestimmter Länge L gebildet. Die Rohrmanschette ist mit ihrem tellerfernen Ende in einer vorbestimmten Axialposition am Ventilschaft 2', 2" unverrückbar festgesetzt. In der in Figur 5 links gezeigten Variante stützt sich die Rohrmanschette an einem Bund 12 ' des Schaftes 2' ab, wogegen in der rechts dargestellten Variante das tellerferne Ende der Rohrmanschette mittels einer Ringschweißnaht 12 mit dem Schaft 2" verbunden ist. Die dem Ventilteller 3, zugewandte Stirnseite der Rohrmanschette 11 bildet in beiden Fällen den schaftseitigen Bund 7 ' . Aufgrund der einseitig tellerfernen Fixierung 12, 12' der Manschette 11 an dem Ventilschaftröhr kann sich der axial gegenüberliegende Bund 7' relativ zum Ventilschaftrohr im Rahmen der Werkstoff- Elastizität axial verlagern, wobei diese elastisch bedingte Verlagerungsstrecke um so größer ist, je größer die Länge L der Manschette ist .
Ferner ist bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die im Bereich der Mittenöffnung 4' des Ventiltellers 3, angebrachte, zum schaftseitigen Bund 7' korrespondierende Anlagefläche 5 ' axial in das Innere der Mittenöffnung 4 ' verlagert . Dadurch ergibt sich eine deutlich geringere Klemmlänge l, als der axialen Höhe des Ventiltellers 3, oder als der Länge L der Manschette 11 entspricht.
Nach dem strammen Aufstecken des Ventiltellers 3, auf das Ende des Ventilschafts 2', 2" wird die Anstauchung 8' in die Erweiterung 6 eingeformt und die formschlüssige Verbindung zwischen Schaft und Ventilteller hergestellt. Wichtig bei dem Fügevorgang von Teller und Schaft ist, dass im Falle der Ausbildung des Ventiltellers aus einem Werkstoff mit einem deutlich geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als Stahl die Formschlussverbindung bei Raumtemperatur des fertigen Ventils unter einer möglichst hohen axialen Vorspannung steht. Nur aufgrund einer hohen axialen Vorspannung der Fügestelle und aufgrund der besonderen Ausgestaltung des elastisch verlagerbaren Bundes 7' mit Vorspannkraft-Reserve kann sichergestellt werden, dass auch bei Betriebstemperatur des Ventils der beispielsweise aus Keramik bestehende Ventilteller 3, noch mit einer gewissen Rest-Vorspannung am Ventil- schaft festgeklemmt bleibt. Je größer das Verhältnis von Manschettenlänge L zu Klemmlänge l ist, um so größer ist die Vorspannkraft-Reserve der Verbindung. Es kann daher durchaus zweckmäßig sein, die Manschette 11 über nahezu die gesamte Länge des Ventilschaftes zu erstrecken.
Um eine möglichst hohe axiale Vorspannung der Formschlussverbindung gewährleisten zu können, sollte die Manschette 11 und der Ventilteller während des Herstellens der Anstauchung 8 ' möglichst kalt und der innerhalb der Manschette steckende Teil des Ventilschaftrohres möglichst warm sein. Ein Temperaturausgleich zwischen den genannten Teilen sollte erst stattfinden können, nachdem die Anstauchung 8 ' erkaltet ist und sich nicht mehr plastisch verformen kann. Durch den verzögerten Ausgleich einer solchen erzwungenen Temperaturdifferenz baut sich eine axiale Vorspannung auf. Mit Rücksicht auf die hohen Betriebstemperaturen insbesondere von Auslassventilen sollte die mit zunehmender Betriebstemperatur nachlassende Vorspannung bei Raumtemperatur so hoch wie möglich gewählt bzw. angestrebt werden. Optimaler weise sollte die Füge- Vorspannung bei Raumtemperatur nahe bei der Elastizitätsgrenze des Stahlwerkstoffes liegen.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Gebautes Ventil für Hubkolbenmaschinen, bestehend aus einem Ventilschaft und aus einem baulich gesonderten, sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung formschlüssig mit dem Ventil- schaft verbundenen Ventilteller, wobei der Ventilteller mit einer durchgehenden, auf der Brennraumseite des Ventiltellers sich erweiternden Mittenöffnung zur Aufnahme des tellerseiti- gen Endes des Ventilschaftes versehen ist, der seinerseits am Außenumfang einen die Einstecktiefe des Ventilschaftes in die Mittenöffnung begrenzenden achssenkrechten Bund aufweist und wobei im Bereich der Mittenöffnung des Ventiltellers eine ringförmige Anlagefläche zur Anlage des schaftseitigen Bundes vorgesehen ist und wobei ferner das tellerseitige Ende des Ventilschaftes im Bereich der brennraumseitigen Erweiterung der Mittenöffnung in einer diese formschlüssig ausfüllenden Weise plastisch aufgeweitet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die brennraumseitige Erweiterung (6, 6', 6", 6,) der Mittenöffnung (4, 4') und demgemäß auch die ihr formangepasste, endseitige AufWeitung (8, 8') des Ventilschaftes (2, 2', 2") von einer rotationssymmetrischen Form derart abweicht, dass dadurch eine formschlüssige Verdrehsicherung zwischen dem Ventilschaft (2, 2', 2") und dem monolitisch aus einem einzigen Teil bestehenden Ventilteller (3, 3') gebildet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die endseitige Wandung (13) des bis in den Bereich des Ventiltellers (3') hohl ausgebildeten aber gasdicht verschlösse- nen Ventilschaftes (2', 2") in der Weise und so weit angestaucht (8') ist, dass die brennraumseitige Erweiterung (6) der Mittenöffnung (4') formschlüssig durch die Anstauchung (81) ausgefüllt ist.
3. Ventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der außenseitig am Ventilschaft (2', 2") angebrachte, die Einstecktiefe begrenzende achssenkrechte Bund (7') durch eine aufgesteckte, passgenaue Rohrmanschette (11) bestimmter Länge
(L) gebildet ist, die ausschließlich an ihrem tellerfernen Ende in einer vorbestimmten Axialposition am Ventilschaft
(2', 2") unverrückbar festgesetzt ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die im Bereich der Mittenöffnung (4') des Ventiltellers (3') angebrachte, ringförmige Anlagefläche (5') zur Anlage des schaftseitigen Bundes (71) axial in das Innere der Mittenöffnung (4') verlagert ist, derart, dass sich eine geringere Klemmlänge (l) als die axiale Höhe des Ventiltellers (3') ergibt .
5. Ventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Ventilteller (3, 3') aus einem Leichtbauwerkstoff besteht .
6. Ventil nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Ventilteller (3, 3') aus einer Keramik, insbesondere aus
Siliziumcarbid (SiC) , besteht.
8. Ventil nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Ventilteller (3, 3') aus einer Titan/Aluminium-Legierung besteht .
9. Ventil nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Ventilteller (3, 3') aus einer intermetallischen Phase, insbesondere aus Titanaluminid, besteht.
10. Ventil nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die radiale Breite (b) des schaftseitigen Bundes (7, 7') bzw. der tellerseitigen Anlagefläche (5, 5') maximal etwa 25 %, vorzugsweise etwa 15 bis 20 % des Schaftdurchmessers (D) entspricht .
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