WO2001073270A1

WO2001073270A1 - Ventildrehvorrichtung

Info

Publication number: WO2001073270A1
Application number: PCT/EP2001/003545
Authority: WO
Inventors: Michael Engesser
Original assignee: Michael Engesser
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2001-10-04
Also published as: US6662770B2; DE50100444D1; ATE246310T1; US20030037742A1; EP1268986A1; AU2001254752A1; DE10015417A1; EP1268986B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung mit einem ringförmigen Grundkörper, in welchem in Umfangsrichtung mehrere, mit geneigten Kugellaufbahnen versehene Kugeltaschen eingebracht sind, in welchen jeweils eine Kugel und eine Tangentialfeder angeordnet sind. Die Tangentialfedern drücken in einer Ruhestellung die Kugeln an einen oberen Punkt der geneigten Kugellaufbahnen. Weiter ist ein ringförmiger Deckel vorgesehen, welcher relativ zum Grundkörper verdrehbar and axial verschiebbar ist. Weiter ist eine Axialfedereinrichtung zwischen dem Grundkörper und dem Deckel angeordnet, wobei die Axialfedereinrichtung diese in der Ruhestellung axial auseinanderdrückt, wobei bei Beaufschlagung einer Ventilfederkraft der Grundkörper und der Deckel axial gegeneinander gedrückt werden und die Kugeln entlang den Kugellaufbahnen zu einem unteren Punkt rollen. Dabei erfolgt eine definierte Drehung zwischen dem Grundkörper und dem Deckel. Eine drastische Verschleissminderung wird dadurch erreicht, dass die Axialfedereinrichtung von den Kugeln beabstandet ist und an einer axialen Seite der Axialfedereinrichtung ein Drehlager angeordnet ist. Die Kugeln stehen dabei mit dem Deckel in Berührung.

Description

Ventildrehvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere großen Dieselmotoren, unterliegen der Ventilsitz und der Ventilschaft einem starken Verschleiß. Um eine gleichmäßige thermische Belastung und Abnutzung zu erreichen, wird üblicherweise eine Ventildrehvorrichtung vorgesehen. Die Drehung sorgt zusätzlich für eine Reinigung des Ventilsitzes von Ölkohle.

Eine gattungsgemäße Ventildrehvorrichtung geht aus der US-PS 2,624,323 hervor. Dabei ist eine Tellerfeder beabstandet zu Kugeln angeordnet, welche die Verdrehbewegung erzeugen. Um Reibkräfte zwischen der Axialfedereinrichtung und einem Deckel zu reduzieren, ist eine Dreipunktauflage mit eingelegten Kugeln an einer Seite der Tellerfeder vorgesehen.

Bei anderen herkömmlichen Ventildrehvorrichtungen, wie sie etwa aus der DE-AS 1 293 789, US-PS 2,827,886, DE-OS 27 57 455 oder DE-OS 30 04 320 bekannt sind, ist der Deckel, welcher gleichzeitig der untere Ventilfederteller ist, über eine scheibenförmige Tellerfeder drehbar gelagert, welche unmittelbar auf den Kugeln des Grundkörpers aufliegt. Bei geschlossenem Ventil werden die Kugeln von den Tangential- federn an dem oberen Punkt der geneigten Kugellaufbahn gehalten. Wird das Ventil geöffnet, so drückt die Tellerfeder auf die Kugeln und diese rollen bis zum tiefsten Punkt der geneigten Kugellaufbahn im Grundkörper. Dabei drehen sie die Tellerfeder und drücken die Tangentialfedern zusammen. Die Drehbewegung der Tellerfeder wird über den Deckel, die Ventilfeder, den oberen Federteller und die Klemmstücke auf das Ventil übertragen. Schließt das Ventil, wird die Tellerfeder entlastet. Die Kugeln werden von den Tangentialfe- dern ohne zu rollen wieder in die Ausgangslage zurückgeschoben.

Bei dieser bekannten Ventildrehvorrichtung wird zwar eine gute Verdrehung erreicht. Allerdings ist die Standzeit dieser bekannten Ventildrehvorrichtung begrenzt. Denn die Krafteinleitung der Ventilfederkraft erfolgt bei der bekannten Ventildrehvorrichtung über die Tellerfeder und die Kugeln in den Grundkörper. Hierbei entsteht sowohl an den Kugeln als auch an den Kugellaufbahnen in den Kugeltaschen ein erheblicher Verschleiß, welcher als Pitting- Bildung bezeichnet wird. Funktionsbedingt tritt weiterhin eine starke Verbiegung, ein Verformen und Verwalken der Tellerfeder auf, insbesondere wenn es bei einer nicht exakten Ventileinstellung zu einem sogenannten Überdrücken komm .

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Ventildrehvorrichtung zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau und eine gute Verdrehfunktion besitzt und zugleich besonders verschleißarm ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ventildrehvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Rotationsprinzip sowie das notwendige Krafteinleitungs- und Kraftübertragungsprinzip konsequent voneinander zu trennen. Wird die Ventildrehvorrichtung unter Einleitung einer Ventilfederkraft zusammengedrückt, nimmt die Axialfedereinrichtung die wesentlichen Kräfte auf. Durch das Kraftübertragungspaket Drehlager/Axialfedereinrichtung/Deckel ist der obere Teil der Ventildrehvorrichtung unter der Ventilfederkraft kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Außenfläche des Deckels verdreht nun bei einer vertikalen Bewegung - Verringerung des Abstandes zwischen Deckel und Grundkörper - den Grundkörper über das Wälzlager. Diese Verdrehung erfolgt relativ zum Deckel über Reibschluss zwischen den Bauelementen Deckel - Kugeln - Grundkörper. Bei einer Entlastung werden diese Elemente voneinander getrennt - Vergrößerung des vertikalen Abstandes -, wobei die Kugeln aufgrund der Federkraft der Tangentialfedern wieder ihre Ausgangslage einnehmen. Dadurch kann eine weitere Drehung des Grundkörpers beim nächsten Hub eingeleitet werden. Das Wälzlager vermindert dabei Reibung und Verschleiß. Durch die außenliegende Anordnung der Kugeln erzeugen deren Abrollkräfte in Umfangsrichtung aufgrund des relativ großen Abstandes zur Drehachse ein hohes Drehmoment , was die Verdrehung verbessert .

Wesentlich ist, dass die Federwirkung und die Verdrehung der Drehvorrichtung entkoppelt sind. Da die Axialfedereinrichtung separat und beabstandet von den Kugeln angeordnet ist, werden die Kugeln und die Kugellaufbahnen kaum noch axial belastet. Die sogenannte Pitting-Bildung an den Kugeln und in den Kugeltaschen und damit der Verschleiß an der Ventildrehvorrichtung ist so weitestgehend eliminiert. Des Weiteren ist auch die Axialfedereinrichtung nicht mehr dem Biege-, Verformungs- und Walkkräften ausgesetzt, welche bei der gattungsgemäßen Ventildrehvorrichtung an der be- bei der gattungsgemäßen Ventildrehvorrichtung an der bekannten Tellerfeder auftreten. Die damit verbundenen Verschleißerscheinungen an der Tellerfeder sind somit bei der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung grundsätzlich vermieden. Gegenüber der herkömmlichen Ventildrehvorrichtung wird mit der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung eine drastische Verbesserung der Standzeit erreicht, was einen enormen wirtschaftlichen Vorteil besonders bei langlebigen Verbrennungsmotoren darstellt. Das Wälzlager weist als Standardbauteil zwei Laufringe auf, zwischen denen Wälzkörper in einem Käfig angeordnet sind.

Es ist erfindungsgemäß, dass der Deckel relativ zum Grundkörper durch das Wälzlager um die Drehachse gelagert und geführt ist. Beim axialen Verschieben des Deckels relativ zum Grundkörper wird die dabei erzeugte Verdrehbewegung ausschließlich durch das Nadellager radial geführt. Ein Kontakt zwischen Deckel und Grundkörper besteht dabei nicht. Für diese radiale Führung weist das axiale Nadellager konisch angeordnete Laufringe oder seitliche Randabsätze an den beiden Laufringen auf, zwischen denen die zylindrischen nadeiförmigen Wälzkörper mit ihrem Käfig angeordnet sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, dass drei bis sechs, vorzugsweise vier Kugeltaschen vorgesehen sind, die gleichmäßig entlang des Umfangs des Grundkörpers verteilt sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventildrehvorrichtungen kann gemäß der Erfindung eine deutlich verringerte Anzahl von Kugeln vorgesehen werden, da die einzelnen Kugeln kaum belastet sind. Bei gleichbleibender Kugelanzahl, etwa von acht bis zehn, kann auch der Kugel- durchmesser etwa halbiert werden, so dass der Kugeldurchmesser zwischen 3 mm und 10 mm liegt. Dies bedeutet weniger Aufwand bei der Herstellung des Grundkörpers und den darin angeordneten Kugellaufbahnen.

Während bei der gattungsgemäßen Ventildrehvorrichtung die Neigung der Kugellaufbahnen relativ klein ist, ist es nach der Erfindung bevorzugt, dass die Neigung der Kugellaufbahn der Kugeltaschen einheitlich ist und zwischen 6 bis 15 Grad beträgt. Aufgrund der geringen Belastung der einzelnen Kugeln bei der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung ist die Voraussetzung für eine größere Neigung der Kugellaufbahn geschaffen, wodurch sich die Verdrehbewegung verbessert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht weiter darin, dass die Axialfedereinrichtung mindestens eine Tellerfeder, vorzugsweise ein Tellerfederpaket umfasst. Tellerfedern stellen eine besonders kostengünstige Möglichkeit dar, den Deckel und den Grundkörper axial auseinanderzudrücken. Bei Verwendung eines Tellerfederpaketes lassen sich die gewünschten Axialkräfte kostengünstig und zugleich mit hoher Genauigkeit einstellen.

Das Drehlager, welches an einer axialen Seite der Axial- federeinrichtung angeordnet ist, kann entweder am Deckel oder an dem Grundkörper liegen, wobei Letztgenanntes die bevorzugte Ausführungsform ist. Das Drehlager kann eine einfache Gleitfläche sein. Nach der Erfindung ist es jedoch bevorzugt, dass das Drehlager ein Nadellager ist. Bei dieser Wälzlagervariante wird auf kleinem Bauraum eine besonders reibungsarme Verdrehung zwischen der sich einerseits kraftschlüssig auf den Grundkörper abstützenden Tellerfeder und andererseits dem Deckel erreicht. Ein Überdrücken der Ventildrehvorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, dass die Kugeln an dem unteren Punkt der Kugellaufbahn in der Kugeltasche vollständig aufgenommen sind und dass der Grundkörper in dieser Stellung an dem Deckel auf Anschlag anliegt. Bei Erreichen des maximalen axialen Verfahrweges fährt sozusagen der Deckel auf Block, so dass der Kraf fluss vom Deckel direkt in den Grundkörper geleitet wird. Eine Überbeanspruchung der Kugeln oder der Axialfedereinrichtung ist damit ausgeschlossen, was sich ebenfalls positiv auf die Standzeit der Ventildrehvorrichtung auswirkt.

Grundsätzlich ist der Grundkörper fest mit dem Zylinderkopf verbunden, während der Deckel als unterer Ventilfederteller dient und drehfest mit dieser verbunden ist. Es kann jedoch auch eine umgekehrte Anordnung der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung oder eine sogenannte obenliegende Anordnung erfolgen, bei der der Deckel den oberen Ventilfederteller bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend weiter anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, welche schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den Grundkörper der Ventildrehvorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 die Detail-Schnittdarstellung des Schnittes A-A von Fig. 1 in Ruhestellung bei geschlossenem Ventil; Fig. 4 die Detail-Schnittansicht gemäß dem Schnitt A-A von Fig. 1 bei Beaufschlagung einer Ventilfederkraft bei geöffnetem Ventil und

Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung .

Gemäß den Figuren 1 und 2 umfasst eine erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung 10 einen ringförmigen Grundkörper 12, welcher eine Mittenöffnung mit Kegelsitz 34 zur Aufnahme eines Ventilschaftes aufweist. In seinem radialen Ringbereich ist als Wälzlager 24 ein Nadellager angeordnet. An einem dem Wälzlager 24 axial vorstehenden, umlaufenden Absatz sind gleichmäßig am Umfang verteilt drei Kugeltaschen 14 eingeprägt, in welchem jeweils eine Kugel 16 vorgesehen ist. Ein Kugeltaschengrund ist als eine geneigte Kugellaufbahn 18 ausgebildet, auf welcher die Kugel 16 mittels einer Tangentialfeder 20 an einem oberen Totpunkt in einer Ruhestellung gehalten wird.

Auf dem Wälzlager 24 ist eine einzelne Tellerfeder 32 als eine Axialfedereinrichtung 30 angeordnet. Die Axialfedereinrichtung 30 stützt sich kraftschlüssig auf einem scheibenförmigen Deckel 22 ab, welcher auf den Kugeln 16 aufliegt. Die axiale Lage des Deckels 22 gegenüber dem Grundkörper 12 ist durch einen Sprengring 26 definiert, wobei der Deckel 22 relativ zu dem Grundkörper 12 drehbar und auch in Richtung auf den Grundkörper 12 zu in einem gewissen Umfang axial verschiebbar ist. Nur in diesem Ruhezustand besteht über den Sprengring 26 eine Haftreibung zwischen dem Deckel 22 und dem Grundkörper 12. Während des axialen Verschiebens und des gleichzeitigen Verdrehens erfolgt eine Führung und damit eine definierte Lageänderung ausschließlich über das Wälzlager 24. Dies verhindert zusätzlich Reibungsverschleiß. Die Funktion der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung 10 geht anschaulich aus den Figuren 3 und 4 hervor. Zum Öffnen eines nicht dargestellten Zylinderkopfventiles wird eine Ventilfeder zusammengedrückt, welche eine Axialkraft auf den Deckel 22 ausübt. Der Deckel 22 wird dabei axial zu dem Grundkörper 12 verschoben, wobei die Kugeln 16 entgegen der Federwirkung der Tangentialfedern 20 in die Kugeltaschen 14 hineingedrückt werden. Während die Kugeln 16 in einer Ruhestellung einen definierten Überstand gegenüber dem Grundkörper 12 aufweisen, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird gemäß Fig. 4 bei Beaufschlagung der Federkraft die Kugel 16 vollständig in die Kugeltasche 14 hineingedrückt. Dabei rollt die Kugel 16 auf einer mit einer Neigung zwischen 8 bis 15 Grad versehenen Kugellaufbahn 18 ab, was zu einer definierten Verdrehung des Deckels 22 relativ gegenüber dem Grundkörper 12 führt.

Bei der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung 10 fährt der Deckel 22 auf Block auf den Grundkörper 12 auf, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist. Hierdurch ist der maximale Verfahr- weg des Deckels 22 begrenzt. Ein sogenanntes Überdrücken und damit einer Beschädigung der Kugeln 16 oder der Kugel- laufbahnen 18 ist damit ausgeschlossen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung 10' ist Fig. 5 zu entnehmen. Die wesentlichen Bestandteile dieser Ausführungsform entsprechend denen der vorbeschriebenen Ventildrehvorrichtung 10, so dass die entsprechend bezeichneten Bauteile nicht weiter erläutert werden. Im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Ausführungsform ist als eine Axialfedereinrichtung 30' ein Tellerfederpaket aus mehreren Tellerfedern 32 ' vorgesehen, durch welche eine definierte, hohe Axialkraft einstellbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung mit einer getrennten Anordnung der Kugeln 16 und der Axialfederein- richtung 30 werden gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen die Kugeln 16 und die Kugellaufbahnen 18 drastisch entlastet, so dass unerwünschte Verformungen an diesen Drehbauteilen, die sogenannte Pitting-Bildung, weitestgehend verhindert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Ventildrehvorrichtung mit

- einem ringförmigen Grundkörper (12), in welchem in Umfangsrichtung mehrere, mit geneigten Kugellaufbahnen (18) versehene Kugeltaschen (14) eingebracht sind, in welchen jeweils eine Kugel (16) und eine Tangentialfeder (20) angeordnet sind, wobei die Tangentialfeder (20) in einer Ruhestellung die Kugel (16) an einem oberen Punkt der geneigten Kugellaufbahn (18) hält,

- einem ringförmigen Deckel ( 22 ) , welcher relativ zu dem Grundkörper (12) um eine Drehachse verdrehbar und axial verschiebbar ist, und

- einer Axialfedereinrichtung (30), welche zwischen dem Grundkörper (12) und dem Deckel (22) angeordnet ist und diese in der Ruhestellung axial auseinanderdrückt, wobei bei Beaufschlagung einer Ventilfederkraft der Grundkörper (12) und der Deckel (22) axial gegeneinandergedrückt werden und dabei die Kugeln (16) entlang der Kugellaufbahnen (18) zu einem unteren Punkt rollen, wobei eine definierte Drehung zwischen dem Grundkörper (12) und dem Deckel (22) erfolgt, - wobei die Kugeln (16) unmittelbar mit dem Deckel (22) in Berührung stehen und von der Axialfedereinrichtung (30) in radialer Richtung zur Drehachse beabstandet sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,

- dass zwischen der Axialfedereinrichtung (30) einerseits und dem Grundkörper (12) oder dem Deckel (22) andererseits ein Wälzlager (24) angeordnet ist, auf welchem sich eine axiale Seite der Axialfedereinrichtung (30) abstützt, und

- dass in radialer Richtung die Axialfedereinrichtung (30) innenliegend und die Kugeln (16) außenliegend angeordnet und beabstandet sind.

2. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Deckel ( 22 ) relativ zum Grundkörper ( 12 ) durch das Wälzlager (24) um die Drehachse drehbar gelagert und geführt ist.

3. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass drei bis sechs, vorzugsweise vier Kugeltaschen (14) vorgesehen sind, die gleichmäßig entlang des Umfangs des Grundkörpers (12) verteilt sind.

4. Ventildrehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Neigung der Kugellaufbahn (18) der Kugeltaschen (14) einheitlich ist und zwischen 6 bis 15 Grad beträgt.

5. Ventildrehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Axialfedereinrichtung (30) mindestens eine Tellerfeder (32), vorzugsweise ein Tellerfederpaket, umfasst .

6. Ventildrehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wälzlager (24) ein Nadellager ist.

7. Ventildrehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kugeln (16) an dem unteren Punkt der Kugellaufbahn (18) in der Kugeltasche (14) vollständig aufgenommen ist und dass der Grundkörper (12) in dieser Stellung an dem Deckel (22) auf Anschlag anliegt.