WO2005049977A1 - Leichtbauventil - Google Patents

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WO2005049977A1
WO2005049977A1 PCT/EP2004/012578 EP2004012578W WO2005049977A1 WO 2005049977 A1 WO2005049977 A1 WO 2005049977A1 EP 2004012578 W EP2004012578 W EP 2004012578W WO 2005049977 A1 WO2005049977 A1 WO 2005049977A1
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WO
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valve
lightweight
stiffening ribs
cone
valve plate
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Application number
PCT/EP2004/012578
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Stark
Martin Schlegl
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/001—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings
    • B23P15/002—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings poppet valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/20—Making machine elements valve parts
    • B21K1/22—Making machine elements valve parts poppet valves, e.g. for internal-combustion engines
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a lightweight valve, in particular for internal combustion engines, according to the preamble of claim 1 and a method for producing the lightweight valve, according to claim 15.
  • Lightweight valves of the type mentioned here are known (DE 198 04 053 AI). They are used, among other things, as intake and exhaust valves for internal combustion engines and include a solid or hollow valve stem, a trumpet / trumpet-shaped valve cone and a valve disk.
  • the valve cone is hollow for the purpose of reducing weight and therefore has only a small wall thickness.
  • the valve cone is either designed in one piece with the valve stem or the valve plate or as a separate component that is welded to the valve stem and the valve plate.
  • valve plate Since the valve disc is not supported over a large area due to the cavity in the valve plug and the valve plug only has a small wall thickness, the valve plate can be deformed during operation by the combustion pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine, which leads to premature wear of the lightweight valve contributes.
  • the thin-walled valve cone may be deformed. To prevent this is in the DE 198 04 053 AI proposed to make the valve stem so long that it rests on the end face of the valve disc on its flat side facing away from the combustion chamber, thereby supporting it.
  • the valve stem and the valve plate can be welded together in their contact area.
  • the valve plate is supported against the valve stem by means of an intermediate piece which is formed in one piece on the valve cone or a separate sleeve which is fixed between the valve stem and the valve plate.
  • a disadvantage of the known lightweight valve is that precise, mutual alignment of the individual parts, in particular the valve stem and the valve plate, can only be achieved with great effort before the joining process.
  • centering is provided on the valve plate for the valve stem. Nevertheless, an inclined position of the valve stem relative to the valve plate while they are being welded to one another cannot be ruled out without precise holding of the valve stem and plate by means of suitable devices.
  • a lightweight valve with the features of claim 1 is proposed.
  • This is characterized by the fact that the valve plate is provided with a clamping receptacle for the valve stem. This is used for the non-positive connection between the valve plate and valve stem, so that they are firmly connected.
  • This configuration simplifies the handling of these by inserting the valve stem end into the valve plate clamping receptacle formed assembly during the subsequent joining process, that is, when the valve plate and stem are integrally connected, preferably welded or soldered. Additional fasteners for connecting the valve plate and the valve stem for the purpose of pre-assembly are not required.
  • the clamp receptacle can also be designed such that when the valve stem end is inserted into the clamp receptacle, the valve stem is oriented relative to the valve disk, so that separate centering means can be dispensed with.
  • valve plate Due to the connection of the valve plate and the valve stem in the middle area of the valve plate by means of the clamping receptacle, an optimal introduction of the gas forces acting on the valve plate during operation of the valve plate can still be guaranteed in the valve stem, without this causing unduly high deformations of the valve plate and the preferably very thin-walled valve cone comes. It is therefore easily feasible for the valve cone to be almost force-free when the lightweight valve is in operation, that is to say that only very small forces are introduced into the valve cone via the valve disk at all. The valve cone can therefore be made very thin-walled, which is advantageous in the production of the same and also contributes to reducing the weight of the lightweight valve.
  • the valve plate with the clamping receptacle provided thereon is made from the intermetallic phase titanium aluminide (TiAl) or a TiAl alloy by casting.
  • This valve plate has a low weight and is also extremely wear-resistant.
  • the valve plate and the clamping receptacle consist of steel, in particular tool steel, and are manufactured by forging.
  • the valve plate and the clamping receptacle formed in one piece with the valve plate are manufactured by means of a powder metallurgy manufacturing process, in particular from a tool steel which is extremely wear-resistant. It is common to all of the above-mentioned embodiment variants that the clamping receptacle is formed in one piece with the valve disk and is therefore inexpensive to produce.
  • the valve cone is designed as a sheet metal component.
  • unalloyed structural steel in particular St-52, or low-alloy steel, in particular X10Crl3, is used as the material.
  • the valve cone can be manufactured inexpensively in a deep-drawing process.
  • the clamping receptacle is formed by means of a plurality of stiffening ribs which are formed in one piece on the valve plate.
  • the valve stem is introduced into a free space delimited by the stiffening ribs, the width or diameter of which is equal to or smaller than the outer diameter of the valve stem end inserted into the free space.
  • Another function of the stiffening ribs is an inadmissibly high deformation of the preferably only to prevent a small thickness, essentially disc-shaped valve plate.
  • the object of the invention also relates to a method with the features of claim 15 for producing a lightweight valve.
  • the method provides that, in a first step, a first, one-piece component forming the valve plate and the clamping receptacle is produced by casting, shaping and / or by means of a powder metallurgy process.
  • a second, one-piece component forming the valve stem is produced.
  • the valve stem can be hollow or made of solid material.
  • a third component forming the valve cone is produced, preferably by means of a forming process.
  • the first and second components are put together.
  • valve stem engages in the valve plate clamp receptacle, which means that the components are centered on one another and at the same time captively connected. Subsequently, the valve plate and valve stem are permanently connected to each other by means of a material bond. Finally, the hollow valve cone is pushed onto the valve stem and brought with its larger diameter end in opposition to the valve disk.
  • the passage opening in the valve cone preferably has a guide and centering section, so that when the valve stem is pushed through, the valve cone is precisely aligned relative to the valve stem and the valve disk. Finally, the valve cone is non-detachably connected to both the valve stem and the valve plate by means of a material bond. Because of In the embodiment of the lightweight valve according to the invention, mutual alignment / centering of the individual components is possible in a simple manner, without special alignment devices being absolutely necessary for this.
  • FIG. 1A shows a detail of an exemplary embodiment of a lightweight valve for internal combustion engines in a perspective and broken view
  • Fig. 1B is a perspective view of an embodiment of a valve cone for the lightweight valves and shown in Figures 1A to 4
  • Figure 1A shows part of a first embodiment of a multi-part lightweight valve 1 for internal combustion engines. This can be used as an inlet valve with less thermal load or as an outlet valve with higher thermal load, the material of the individual parts being selected accordingly depending on the use of the lightweight valve 1.
  • the lightweight valve 1 comprises a valve stem 3 made here of solid material, which has a circular cross section that is constant over at least part of its length.
  • the valve stem 3 can also have a cavity for reasons of weight reduction.
  • the valve stem 3 can be formed, for example, by a precision-drawn steel tube, for example X45, and is closed at its end (not shown) by means of a valve stem end / foot.
  • the valve stem 3 has a flat end face 5 at its end which can be seen in FIG. 1A.
  • the lightweight valve 1 further comprises a hollow valve cone 7 shown in FIG. 1B, which is designed as a separate sheet metal part and has only a small wall thickness.
  • the one-piece valve cone 7 has a base body in the form of a plate spring, on the smaller diameter end of which a collar-shaped guide and centering section 9 is formed, which is penetrated by a through opening 11 through which the valve stem 3 engages in the assembled state.
  • the diameter of the passage opening 11 is the same as or larger than the outer diameter of the valve stem 3, so that the latter either passes through the passage opening 11 with play or a force-locking connection is formed between the valve stem 3 and the valve cone 7.
  • the lightweight valve 1 also has a valve plate 13, which on its flat side facing the valve stem 3 is provided with a circumferential, stepped recess 17, which is arranged at a radial distance from the valve plate peripheral surface 15 and into which the valve cone 7 projects with its larger diameter end.
  • the recess 17 is designed such that a stepless transition between the valve plate 13 and the valve cone 7 in their connection is feasible.
  • the cavity of the valve cone 7 is closed by means of the valve plate 13.
  • the valve disc 13 is disc-shaped and has a first, cylindrical longitudinal section 19 with a constant cross section and an adjoining, conical, that is to say frustoconical, second longitudinal section 21, the cone angle of the second longitudinal section 21 being the same size as the cone angle of the valve cone 7 on it Diameter larger end, whereby a stepless transition in the connection area between these parts can be realized.
  • the lateral surface of the longitudinal section 21 usually forms the sealing surface of the lightweight valve 1.
  • the valve plate 13 On its flat side facing the valve cone 7 or the valve stem 3, the valve plate 13 has a clamping receptacle 23 for centering and fixing the valve stem 3.
  • the clamping receptacle 23 is located in the middle of the valve plate 13.
  • the clamping receptacle 23 is formed, for example, by three stiffening ribs 25 arranged in the recess 17 and molded into the valve plate 13, of which only the stiffening ribs 25A and 25B can be seen in the illustration according to FIG. 1A.
  • the stiffening ribs 25 Seen in plan view of the flat side of the valve plate 13 facing the valve stem 3, the stiffening ribs 25 run radially to the longitudinal central axis of the valve plate 13 which is aligned with the longitudinal central axis of the valve stem 3 and are arranged at a distance of 120 ° from one another.
  • the stiffening ribs 25 extend only to near the center of the valve plate, so that in the region of the center of the valve plate between the stiffening ribs 25, a free space forming the clamping receptacle 23 is formed.
  • the center of the valve plate turned end face 27 of the stiffening ribs 25 each forms a wall section of the clamping receptacle 23.
  • the diameter of the clamping receptacle 23, that is to say the space delimited between the end faces of the stiffening ribs 25, is the same size as or slightly smaller than the outside diameter of the valve stem 3, so that the free end of the valve stem 3 can be inserted into the clamping receptacle 23 in a precisely fitting manner and held non-positively therein.
  • the end face 5 of the valve stem 3 lies flat against the base of the recess 17, as shown in FIG. 1A.
  • the stiffening ribs 25 are designed as straight strips, the height of which increases in the direction of the center of the valve plate, while the width of which decreases in the direction of the clamping receptacle 23.
  • the stiffening ribs 25 are at least partially complementary to the inner wall 29 of the valve cone 7, so that when the lightweight valve 1 is assembled, the inner wall 29 of the valve cone 7 rests flat on the upper narrow side 31 of the stiffening ribs 25 and is thus supported by them.
  • valve disk 13 and the valve stem 3 are permanently connected to one another by means of a material bond. This can be done, for example, when the valve stem is inserted into the clamping receptacle 23 by means of friction welding. When joining by means of friction welding, the "clamping" function of the clamping receptacle is not used, but only its second function “centering" the valve stem with respect to the valve disk. Additionally or alternatively, the valve stem 3 can be welded to the valve plate 13 on its end face 5. In the embodiment shown in Figure 1A is suitable to connect the valve stem 3 with the valve plate 13 also the tester soldering as a joining technique.
  • valve cone 7 Before or after the cohesive connection of valve stem 3 and valve plate 13, valve cone 7 is pushed onto valve stem 3 until its larger-diameter region enters recess 17, which has an edge step 33 in its edge region for support or as an abutment shoulder for the Has valve cone 7, engages.
  • the valve cone 7 is welded to the valve stem 3 in the region of the guide and centering section 9 and to the valve plate 13 in the connection region located in the region of the recess 17, preferably by means of friction, jet or fusion welding methods.
  • valve cone 7 has a reduced wall thickness in the region of its guide and centering section 9, so that it practically conforms to the outside of the valve stem. This creates a transition between the valve plug and valve stem, which has only a small step.
  • valve stem 3 can have a corresponding taper in the form of a jump in diameter on its outside in the region of its free end.
  • the lightweight valve 1 described with reference to FIGS. 1A and 1B is characterized in particular by the fact that its individual parts can be connected to one another or pre-fixed in a simple manner by plugging them together, and that due to the structural design of the individual parts, they are aligned / centered with respect to one another.
  • the gas forces acting on the valve plate 13 during operation of the lightweight valve 1 are advantageously supported via the valve stem 3 which is centered on the valve plate 13. It can be ensured that the gas forces acting on the valve plate 13 are not introduced into the very thin-walled valve cone 7, or only to a harmless degree. A deformation of the valve cone 7 can therefore be excluded with certainty.
  • FIG. 2 shows a section of a second exemplary embodiment of the lightweight valve 1.
  • the same parts are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the description of FIGS. 1A and 1B.
  • the lightweight valve 1 differs from the one described above only in that the stiffening ribs 25 each have an external first section 35, which rises linearly in the direction of the valve plate center, and a second section 37 adjoining it, the second section 37 having a constant height having.
  • the contact surface of the valve cone 7 on the upper narrow side 31, which here has a stepped course is reduced.
  • the contact surfaces between the valve cone and the stiffening ribs are at a radial distance from the center of the plate.
  • FIG. 3 shows a section of a third exemplary embodiment of the lightweight valve 1.
  • the same parts are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the description of the preceding FIGS. 1A to 2.
  • the stiffening ribs 25 here have a narrow side 31 which runs exactly complementarily to the inner wall 29 of the trumpet / funnel-shaped valve cone 7, so that in the assembled state the inner wall 29 extends almost over the entire length of the stiffening ribs 25 on their narrow side 31 is applied, whereby the support and centering of the valve cone 7 is improved.
  • FIG. 4 shows a section of a fourth exemplary embodiment of the lightweight valve 1. Parts which have already been described with reference to the preceding figures are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the description of FIGS. 1A to 3.
  • the stiffening ribs 25 are each provided in the region of the clamping receptacle with a cutout 39 which reduces the height of the end face 27, as a result of which the contact area between the valve stem 3 and the stiffening ribs 25 is reduced. This can be advantageous in the case of very rigid components in order to reduce the effort required when the valve stem 3 is inserted into the clamping receptacle 23.
  • the exemplary embodiments of the lightweight valve 1 described with reference to FIGS. 1A to 4 have in common that, due to the support of the valve plate 9 by the valve stem 3 and the stiffening ribs 25, only a slight deformation of the valve plate 13 by the gas forces acting on them during operation occurs. It can therefore be ensured that the gas forces acting on the valve plate are essentially completely introduced into the valve stem 3 and the connection between the valve plate 13 and the valve cone 7 is designed such that only very small forces are introduced from the valve plate 13 into the valve cone 7, if at all become.
  • valve stem 3 and the valve plate 13 can consist of the same material or of different materials.
  • the connection between valve plate 13 and valve stem 3 can in particular also in all of the embodiments described with reference to FIGS. 1A to 4.
  • Examples of the lightweight valve 1 by means of friction, beam, fusion or capacitor discharge welding.
  • the valve plate 13 and the extremely thin-walled valve cone 7 are preferably connected by means of beam, fusion or laser welding.
  • the width of the stiffening ribs 25 can also decrease in the direction of the center of the valve plate or is constant over the entire length of the stiffening ribs 25.
  • the valve cone 7 can also be welded to the stiffening ribs 25, whereby the stability of the lightweight valve 1 is further increased.
  • the clamping receptacle 23 is designed in such a way that tilting of the valve stem 3 inserted therein and held by means of a clamping connection can be ruled out.
  • valve plate 13 with the stiffening ribs 25 formed thereon in one piece can be produced inexpensively by forging due to its simple geometry.
  • the lightweight valve 1 according to the invention is not only light in weight, but is also characterized in particular by the fact that it has only a few individual components which require a few simple joining operations can be connected to each other, so that it can be produced inexpensively.

Abstract

Es wird ein Leichtbauventil (1), insbesondere für Brennkraft­maschinen, und ein Verfahren zur Herstellung des Leichtbau­ventils (1) vorgeschlagen. Diese umfasst einen Ventilschaft (3), einen hohlen Ventilkegel (7) sowie einen Ventilteller (13), wobei der Ventilkegel (7) und der Ventilteller (13) ge­meinsam einen Hohlraum bilden. Das Leichtbauventil (1) zeich­net sich dadurch aus, dass der Ventilteller (13) mit einer Klemmaufnahme (23) für den Ventilschaft (3) versehen ist.

Description

Leichtbauventil
Die Erfindung betrifft ein Leichtbauventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Leichtbauventils, gemäß Anspruch 15.
Leichtbauventile der hier angesprochenen Art sind bekannt (DE 198 04 053 AI) . Sie werden unter anderem als Ein- und Auslassventile für Verbrennungsmotoren eingesetzt und umfassen einen massiven oder hohlen Ventilschaft, einen tric ter- /trompetenförmigen Ventilkegel sowie einen Ventilteller. Der Ventilkegel ist zum Zwecke der Gewichtsreduzierung hohl und weist daher eine nur geringe Wandstärke auf. Der Ventilkegel ist entweder einstückig mit dem Ventilschaft oder dem Ventil- teller oder aber als separates Bauteil ausgebildet, das mit dem Ventilschaft und dem Ventilteller verschweißt ist.
Da der Ventilteller auf Grund des Hohlraums im Ventilkegel auf einer großen Fläche nicht abgestützt ist und der Ventil- kegel zudem nur eine geringe Wandstärke aufweist, kann der Ventilteller im Betrieb durch den Verbrennungsdruck im Brennraum des Verbrennungsmotors deformiert werden, was zu einem vorzeitigen Verschleiß des Leichtbauventils beiträgt. Darüber hinaus kann es zu einer Deformation des dünnwandigen Ventil- kegeis kommen. Um dies zu verhindern, ist in der DE 198 04 053 AI vorgeschlagen den Ventilschaft so lang auszuführen, dass er stirnseitig am Ventilteller auf dessen dem Brennraum abgewandten Flachseite anliegt, wodurch dieser abgestützt wird. Dabei können der Ventilschaft und der Ventil- teller in ihrem Anlagebereich miteinander verschweißt sein. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die Abstützung des Ventiltellers gegen den Ventilschaft mittels eines einstückig am Ventilkegel ausgebildeten Zwischenstücks oder einer separaten, zwischen Ventilschaft und Ventilteller fixierten Hülse.
Nachteilig bei dem bekannten Leichtbauventil ist, dass ein präzises, gegenseitiges Ausrichten der Einzelteile, insbesondere des Ventilschafts und des Ventiltellers, vor dem Fü- geprozess nur mit hohem Aufwand realisierbar ist. Zwar ist bei einem Ausführungsbeispiel (Figur 3) des bekannten Leichtbauventils eine Zentrierung am Ventilteller für den Ventil- Schaft vorgesehen. Dennoch kann eine Schrägstellung des Ventilschafts gegenüber dem Ventilteller, während diese miteinander verschweißt werden, ohne exaktes Halten von Ventil- Schaft und -teller mittels geeigneter Vorrichtungen nicht ausgeschlossen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbauventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das diesen Nachteil nicht aufweist .
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leichtbauventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilteller mit einer Klemmaufnahme für den Ventilschaft versehen ist. Diese dient zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft, so dass diese unverrückbar miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung vereinfacht das Handling dieser durch einstecken des Ventilschaftendes in die Ventiltellerklemmaufnähme gebildeten Baugruppe während des nachfolgenden Fügeprozesses, also wenn Ventilteller und -schaft stoffschlüssig miteinander verbunden werden, vorzugsweise verschweißt oder verlötet. Weitere Befestigungsmittel zum Verbinden des Ventiltellers und des Ventilschafts zum Zwecke der Vormontage sind nicht erforderlich. Die Klemmaufnahme kann zudem so ausgebildet sein, dass beim Einstecken des Ventilschaftendes in die Klemmaufnahme eine gewünschte Ausrichtung des Ventilschafts relativ gegenüber dem Ventilteller erfolgt, so dass auf separate Zentriermittel verzichtet werden kann.
Auf Grund der Anbindung des Ventiltellers und des Ventil- Schafts im mittleren Bereich des Ventiltellers mittels der Klemmaufnahme kann weiterhin eine optimale Einleitung der im Betrieb des Leichtbauventils auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte in den Ventilschaft gewährleistet werden, ohne dass es dabei zu unzulässig hohen Verformungen des Ventiltellers und des vorzugsweise sehr dünnwandigen Ventilkegels kommt. Es ist also ohne weiteres realisierbar, dass der Ventilkegel im Betrieb des Leichtbauventils annähernd kraftfrei ist, das heißt, dass wenn überhaupt nur sehr geringe Kräfte über den Ventilteller in den Ventilkegel eingeleitet werden. Der Ventilkegel kann daher sehr dünnwandig ausgebildet sein, was vorteilhaft bei der Herstellung desselben ist und darüber hinaus zur Verringerung des Gewichts des Leichtbauventils beiträgt .
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Ventilteller mit der daran vorgesehenen Klemmaufnahme aus der intermetallischen Phase Titanaluminid (TiAl) oder einer TiAl-Legierung durch Gießen hergestellt ist. Dieser Ventilteller weist ein nur geringes Gewicht auf und ist zudem extrem verschleißfest . Nach einer anderen AusführungsVariante ist vorgesehen, dass der Ventilteller und die Klemmaufnahme aus Stahl, insbesondere Werkzeugstahl bestehen und durch Schmieden hergestellt sind. Nach einer dritten AusführungsVariante werden der Ventilteller und die einstückig mit dem Ventilteller ausgebildete Klemmaufnahme mittels eines Pulvermetallurgie-Herstellungsverfahren gefertigt, insbesondere aus einem Werkzeugstahl, welcher extrem verschleißfest ist. Allen vorstehend genannten AusführungsVarianten ist gemeinsam, dass die Klemmaufnahme einstückig mit dem Ventilteller ausgebildet und daher kostengünstig herstellbar ist.
Bezüglich der für den Ventilschaft und den Ventilteller mit daran vorgesehener Klemmaufnahme verwendbaren Materialien wird auch auf die DE 100 29 299 C2 verwiesen, deren Inhalt bezüglich der eingesetzten Materialien Gegenstand dieser Beschreibung ist.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils ist der Ventilkegel als Blechbauteil ausgebildet. Als Material findet beispielsweise unlegierter Baustahl, insbesondere St-52, oder niedrig legierter Stahl, insbesondere X10Crl3, Verwendung. Der Ventilkegel kann kostengünstig in einem Tiefziehverfahren hergestellt werden.
Weiterhin wird ein Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils bevorzugt, bei dem die Klemmaufnahme mittels mehrerer, einstückig am Ventilteller ausgebildeter Versteifungsrippen gebildet ist. Der Ventilschaft wird zu dessen Klemmfestlegung am Ventilteller in einen von den Versteifungsrippen begrenzten Freiraum eingebracht, dessen Breite beziehungsweise Durchmesser gleich groß wie oder kleiner als der Außendurchmesser des in den Freiraum eingesteckten Ventilschaftendes ist. Eine weitere Funktion der Versteifungsrippen besteht darin, eine unzulässig hohe Verformung des vorzugsweise nur eine geringe Dicke aufweisenden, im Wesentlichen scheibenförmigen Ventiltellers zu verhindern.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Leichtbauventils ergeben sich aus Kombinationen der in der Beschreibung und in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
Der Gegenstand der Erfindung betrifft auch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 zur Herstellung eines Leichtbauventils. Das Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Schritt ein erstes, den Ventilteller und die Klemmaufnahme bildendes, einstückiges Bauteil durch Gießen, Umformen und/oder mittels eines Pulvermetallurgieverfahrens hergestellt wird. In einem zweiten Schritt wird ein zweites, den Ventilschaft bildendes, einstückiges Bauteil hergestellt. Dabei kann der Ventilschaft hohl ausgebildet sein oder aus Vollmaterial bestehen. In einem dritten Schritt wird ein drittes, den Ventilkegel bildendes Bauteil, vorzugsweise mittels eines Umformverfahrens, hergestellt. In einem vierten Schritt werden nun die ersten und zweiten Bauteile zusammengesteckt. Dabei greift der Ventilschaft in die Ventilteller- klemmaufnahme ein, wodurch die Bauteile zueinander zentriert und gleichzeitig verliersicher miteinander verbunden werden. Nachfolgend werden Ventilteller und Ventilschaft mittels Stoffschluss unlösbar miteinander verbunden. Schließlich wird der hohle Ventilkegel auf den Ventilschaft aufgeschoben und mit seinem durchmessergrößeren Ende in Gegenüberlage mit dem Ventilteller gebracht. Vorzugsweise weist die Durchgangsόff- nung im Ventilkegel einen Führungs- und Zentrierabschnitt auf, so dass beim Durchstecken des Ventilschafts eine exakte Ausrichtung des Ventilkegels relativ gegenüber dem Ventilschaft und dem Ventilteller erfolgt. Schließlich wird der Ventilkegel sowohl mit dem Ventilschaft als auch mit dem Ventilteller mittels Stoffschluss unlösbar verbunden. Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Leichtbauventils ist das gegenseitige Ausrichten/Zentrieren der einzelnen Bauteile in einfacher Weise möglich, ohne dass hierzu spezielle Ausrichtvorrichtungen zwingend erforderlich sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen genannten Merkmale .
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Leichtbauventils für Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung;
Fig. 1B eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventilkegels für die in den Figuren 1A bis 4 dargestellten Leichtbauventile und
Fig. 2 bis 4 jeweils einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Leichtbauventils.
Figur 1A zeigt einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels eines mehrteilig ausgebildeten Leichtbauventils 1 für Verbrennungsmotoren. Dieses kann als thermisch weniger belastetes Einlassventil oder als thermisch höher belastetes Auslassventil eingesetzt werden, wobei das Material der einzelnen Teile in Abhängigkeit der Verwendung des Leichtbauventils 1 entsprechend gewählt wird.
Das Leichbauventil 1 umfasst einen hier aus Vollmaterial bestehenden Ventilschaft 3, der einen zumindest über einen Teil seiner Länge konstanten, kreisförmigen Querschnitt aufweist. Alternativ kann der Ventilschaft 3 aus Gründen der Gewichtsreduzierung auch einen Hohlraum aufweisen. Der Ventilschaft 3 kann beispielsweise von einem präzisionsgezogenen Rohr aus Stahl, beispielsweise X45, gebildet sein und ist an seinem nicht dargestellten Ende mittels eines Ventilschaftendstücks/-fußes verschlossen. Der Ventilschaft 3 weist an seinem in Figur 1A erkennbaren Ende eine plane Stirnfläche 5 auf .
Das Leichtbauventil 1 umfasst ferner einen in Figur 1B dargestellten, hohlen Ventilkegel 7, der als separates Blechteil ausgebildet ist und eine nur geringe Wandstärke aufweist. Der einstückige Ventilkegel 7 weist einen Grundkörper in Form einer Tellerfeder auf, an dessen durchmesserkleineren Ende ein kragenförmiger Führungs- und Zentrierabschnitt 9 angeformt ist, welcher von einer Durchgangsöffnung 11 durchdrungen ist, durch die der Ventilschaft 3 im zusammengefügten Zustand hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 11 ist gleich groß wie oder größer als der Außendurchmesser des Ventilschafts 3, so dass dieser die Durchgangsöffnung 11 entweder mit Spiel durchgreift oder eine Kraftschlussverbindung zwischen Ventilschaft 3 und Ventilkegel 7 gebildet ist. Beim Aufstecken des Ventilkegel 7 auf den Ventilschaft 3 erfolgt auf Grund des Führungs- und Zentrierabschnitts 9 selbsttätig eine Ausrichtung/Zentrierung dieser Teile zueinander.
Das Leichtbauventil 1 weist ferner einen Ventilteller 13 auf, der auf seiner dem Ventilschaft 3 zugewandten Flachseite mit einer von der Ventiltellerumfangsflache 15 im radialen Abstand angeordneten, umlaufend ausgebildeten, gestuften Vertiefung 17 versehen ist, in die der Ventilkegel 7 mit seinem durchmessergrößeren Ende hineinragt. Die Vertiefung 17 ist dabei so ausgebildet, dass ein stufenloser Übergang zwischen dem Ventilteller 13 und dem Ventilkegel 7 in deren Anbin- dungsbereich realisierbar ist. Mittels des Ventiltellers 13 wird der Hohlraum des Ventilkegels 7 verschlossen.
Der Ventilteller 13 ist scheibenförmig ausgebildet und weist einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt 19 mit gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden, kegligen, das heißt kegelstumpffδrmigen zweiten Längsabschnitt 21 auf, wobei der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts 21 gleich groß wie der Kegelwinkel des Ventilkegels 7 an seinem durchmessergrößeren Ende ist, wodurch ein stufenloser Übergang im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisierbar ist. Die Mantelfläche des Längsabschnitts 21 bildet üblicherweise die Dichtfläche des Leichtbauventils 1.
Der Ventilteller 13 weist auf seiner dem Ventilkegel 7 beziehungsweise dem Ventilschaft 3 zugewandten Flachseite eine Klemmaufnahme 23 zur Zentrierung und Klemmfestlegung des Ventilschafts 3 auf. Die Klemmaufnahme 23 befindet sich in der Mitte des Ventiltellers 13.
Die Klemmaufnahme 23 ist bei diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft von drei in der Vertiefung 17 angeordneten, in den Ventilteller 13 eingeformten Versteifungsrippen 25 gebildet, von denen in der Darstellung gemäß Figur 1A lediglich die Versteifungsrippen 25A und 25B erkennbar sind. In Draufsicht auf die dem Ventilschaft 3 zugewandte Flachseite des Ventil- tellers 13 gesehen, verlaufen die Versteifungsrippen 25 radial zur fluchtend zur Längsmittelachse des Ventilschafts 3 verlaufenden Längsmittelachse des Ventiltellers 13 und sind in einem Abstand von 120° voneinander angeordnet. Die Versteifungsrippen 25 erstrecken sich nur bis nahe der Ventiltellermitte, so dass im Bereich der Ventiltellermitte zwischen den Versteifungsrippen 25 ein die Klemmaufnahme 23 bildender Freiraum gebildet ist. Die der Ventiltellermitte zuge- wandte Stirnfläche 27 der Versteifungsrippen 25 bildet dabei jeweils einen Wandabschnitt der Klemmaufnahme 23.
Der Durchmesser der Klemmaufnahme 23, das heißt des zwischen den Stirnseiten der Versteifungsrippen 25 begrenzten Freiraums ist gleich groß wie oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Ventilschafts 3, so dass dieser mit seinem freien Ende passgenau in die Klemmaufnahme 23 einführbar und kraftschlüssig darin gehalten ist. Im ordnungsgemäß zusammengefügten Zustand liegt die Stirnfläche 5 des Ventil- Schafts 3 flächig am Grund der Vertiefung 17 an, wie in Figur 1A dargestellt.
Wie aus Figur 1A ersichtlich, sind die Versteifungsrippen 25 als geradlinige Leisten ausgebildet, deren Höhe in Richtung der Ventiltellermitte hin zunimmt, während deren Breite in Richtung der Klemmaufnahme 23 hin abnimmt. Die Versteifungsrippen 25 sind zumindest abschnittsweise komplementär mit der Innenwand 29 des Ventilkegels 7 ausgebildet, so dass dieser im zusammengefügten Zustand des Leichtbauventils 1 mit seiner Innenwand 29 auf der oberen Schmalseite 31 der Versteifungsrippen 25 flächig anliegt und somit von diesen abgestützt ist .
Der Ventilteller 13 und der Ventilschaft 3 werden mittels Stoffschluss unlösbar miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise beim Einstecken des Ventilschafts in die Klemmaufnahme 23 mittels Reibschweißen erfolgen. Beim Fügen mittels Reibschweißen wird die Funktion "Klemmen" der Klemmaufnahme nicht genutzt, sondern lediglich deren zweite Funktion "Zentrierung" des Ventilschaft gegenüber dem Ventilteller. Zusätzlich oder alternativ kann der Ventilschaft 3 an seiner Stirnfläche 5 mit dem Ventilteller 13 verschweißt werden. Bei dem in Figur 1A dargestellten Ausführungsbeispiel eignet sich zum Verbinden des Ventilschafts 3 mit dem Ventilteller 13 auch das Prüferlöten als Fügetechnik.
Vor oder nach dem stoffschlüssigen Verbinden von Ventilschaft 3 und Ventilteller 13 wird der Ventilkegel 7 auf den Ventil- schaft 3 aufgeschoben und zwar soweit, bis dessen durchmessergrößerer Bereich in die Vertiefung 17, die in ihrem Randbereich eine Randstufe 33 zur Abstützung beziehungsweise als Anlageschulter für den Ventilkegel 7 aufweist, eingreift. Der Ventilkegel 7 wird im Bereich des Führungs- und Zentrierabschnitts 9 mit dem Ventilschaft 3 und in dem im Bereich der Vertiefung 17 liegenden Anbindungsbereich mit dem Ventilteller 13 verschweißt und zwar vorzugsweise mittels Reib-, Strahl- oder Schmelzschweißverfahren.
Festzuhalten bleibt noch, dass der Ventilkegel 7 im Bereich seines Führungs- und Zentrierabschnitts 9 eine reduzierte Wandstärke aufweist, so dass er sich an die Ventilschaftaus- senseite quasi anschmiegt. Dadurch wird ein Übergang zwischen Ventilkegel und Ventilschaft realisiert, der eine nur geringe Stufe aufweist. Um einen stufenlosen Übergang zwischen Ventilkegel und Ventilschaft zu schaffen, kann der Ventilschaft 3 auf seiner Außenseite im Bereich seines freien Endes eine entsprechende Verjüngung in Form eines DurchmesserSprungs aufweisen.
Das anhand der Figuren 1A und 1B beschriebene Leichtbauventil 1 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass seine Einzelteile sich in einfacher Weise durch zusammenstecken miteinander verbinden beziehungsweise vorfixieren lassen und dass dabei auf Grund der konstruktiven Ausgestaltung der Einzelteile eine Ausrichtung/Zentrierung derselben zueinander erfolgt. Die im Betrieb des Leichtbauventils 1 auf den Ventilteller 13 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter Weise über den mittig am Ventilteller 13 anliegenden Ventilschaft 3 abgestützt. Dabei kann sichergestellt werden, dass die auf den Ventilteller 13 wirkenden Gaskräfte nicht oder nur in unschädlichem Maße in den sehr dünnwandigen Ventilkegel 7 eingeleitet werden. Eine Verformung des Ventilkegels 7 kann daher mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbei- spiels des Leichtbauventils 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung zu den Figuren 1A und 1B verwiesen wird. Das Leichtbauventil 1 unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen lediglich dadurch, dass die Versteifungsrippen 25 jeweils einen außenliegenden, linear in Richtung der Ventil- tellermitte hin ansteigenden ersten Abschnitt 35 und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 37 aufweisen, wobei der zweite Abschnitt 37 eine konstante Höhe aufweist. Auf Grund dieser Ausgestaltung ist die Auflagefläche des Ventil- kegeis 7 auf der oberen, hier einen gestuften Verlauf aufweisenden Schmalseite 31 reduziert. Die Anlagekontaktflächen zwischen Ventilkegel und Versteifungsrippen befinden sich in einem von der Tellermitte radialen Abstand.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbei- spiels des Leichtbauventils 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung der vorangegangenen Figuren 1A bis 2 verwiesen wird. Die Versteifungsrippen 25 weisen hier einen exakt komplementär zur Innenwand 29 des trompeten-/trichterförmigen Ventilkegels 7 verlaufende Schmalseite 31 auf, so dass im zusammengefügten Zustand die Innenwand 29 nahezu über die gesamte Länge der Versteifungsrippen 25 an deren Schmalseite 31 anliegt, wodurch die Abstützung und Zentrierung des Ventilkegels 7 verbessert ist.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbei- spiels des Leichtbauventils 1. Teile, die bereits anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung zu den Figuren 1A bis 3 verwiesen wird. Die Versteifungsrippen 25 sind hier im Bereich der Klemmaufnahme 23 mit jeweils mit einem die Höhe der Stirnfläche 27 reduzierenden Freischnitt 39 versehen, wodurch die Kontaktfläche zwischen Ventilschaft 3 und den Versteifungsrippen 25 reduziert ist. Dies kann bei sehr steifen Bauteilen vorteilhaft sein, um den Kraftaufwand beim Einstecken des Ventilschafts 3 in die Klemmaufnahme 23 zu reduzieren.
Den anhand der Figuren 1A bis 4 beschriebenen Ausführungsbei- spielen des Leichtbauventils 1 ist gemeinsam, dass auf Grund der Abstützung des Ventiltellers 9 durch den Ventilschaft 3 und der Versteifungsrippen 25 wenn überhaupt nur eine geringe Verformung des Ventiltellers 13 durch die im Betrieb auf diesen wirkenden Gaskräfte auftritt . Es kann daher gewährleistet werden, dass die auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte im Wesentlichen vollständig in den Ventilschaft 3 eingeleitet werden und die Verbindung zwischen Ventilteller 13 und Ventilkegel 7 derart ausgebildet ist, dass wenn überhaupt nur sehr geringe Kräfte vom Ventilteller 13 in den Ventilkegel 7 eingeleitet werden.
Festzuhalten bleibt, dass der Ventilschaft 3 und der Ventil- teller 13 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Die Verbindung zwischen Ventilteller 13 und Ventilschaft 3 kann insbesondere auch bei allen anhand der Figuren 1A bis 4 beschriebenen Ausfü rungs- beispielen des Leichtbauventils 1 mittels Reib-, Strahl-, Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen erfolgen. Das Verbinden von Ventilteller 13 und dem extrem dünnwandigen Ventilkegel 7 erfolgt vorzugsweise mittels Strahl-, Schmelzoder Laserschweißen.
Allen AusführungsVarianten des Leichtbauventils 1 ist gemeinsam, dass die Breite der Versteifungsrippen 25 in Richtung Ventiltellermitte auch abnehmen kann oder über die gesamte Länge der Versteifungsrippen 25 konstant ist. Der Ventilkegel 7 kann zusätzlich auch mit den Versteifungsrippen 25 verschweißt sein, wodurch die Standfestigkeit des Leichtbauventils 1 weiter erhöht wird.
Allen Ausführungsbeispielen des Leichtbauventils 1 ist ferner gemeinsam, dass die Klemmaufnahme 23 so ausgebildet ist, dass ein Verkippen des darin eingesteckten und mittels Klemm- schluss gehaltenen Ventilschafts 3 ausgeschlossen werden kann. Je höher also die Stirnflächen 27 der Versteifungsrippen 25 sind, desto besser ist die seitliche Führung/Abstutzung des Ventilschafts 3 und um so höher ist die Sicherheit gegen eine Schiefstellung des Ventilschafts 3 gegenüber dem Ventilteller 3 nach dem Einführen des Schaftendes in die Klemmaufnahme 23.
Der Ventilteller 13 mit den daran einstückig ausgebildeten Versteifungsrippen 25 ist auf Grund seiner einfachen Geometrie durch Schmieden kostengünstig herstellbar.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Leichtbauventil 1 sich neben einem nur geringen Gewicht insbesondere dadurch auszeichnet, dass es nur wenige einzelne Bauteile aufweist, die mit wenigen, einfachen Fügeoperationen miteinander verbunden werden können, so dass es kostengünstig herstellbar ist.

Claims

Patentansprüche
Leichtbauventil (1) , insbesondere für Brennkraftmaschinen, umfassend einen Ventilschaft (3) , einen hohlen Ventilkegel (7) sowie einen Ventilteller (13) , wobei der Ventilkegel und der Ventilteller (13) gemeinsam einen Hohlraum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (13) mit einer Klemmaufnahme (23) für den Ventilschaft (3) versehen ist.
Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmaufnahme (23) mittels mehrerer, am Ventilteller (13) ausgebildeter Versteifungsrippen (25 ; 25A, 25B) gebildet ist.
Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (25 ;25A, 25B) -in Draufsicht auf die dem Hohlraum zugewandte Flachseite des Ventiltel- lers (13) gesehen- radial beziehungsweise in radialer Richtung zur Längsmittelachse des Ventiltellers (13) verlaufen.
4. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Versteifungsrippen (25) vorgesehen sind, die in einem Abstand von 120° voneinander angeordnet sind.
5. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Ventiltellermitte zugewandte Stirnfläche (27) der Versteifungsrippen (25) jeweils einen. Wandabschnitt der Klemmaufnahme (23) bilden.
6. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (25) als geradlinige Leisten ausgebildet sind.
7. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Höhe der Versteifungsrippen (25) in Richtung der Ventiltellermitte hin zunimmt.
8. Leichtbauventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Versteifungsrippen (25) von ihrem radial außenliegenden Ende in Richtung der Ventiltellermitte linear ansteigt.
9. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einen linear ansteigenden ersten Abschnitt (35) der Versteifungsrippen (25) sich ein zweiter Versteifungsrippenabschnitt (37) mit konstanter oder im Wesentlichen konstanter Höhe anschließt.
10. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einen linear ansteigenden ersten Abschnitt (35) der Versteifungsrippen (25) sich ein zweiter Versteifungsrippenabschnitt anschließt, der komplementär zur Innenwand des hohlen Ventilkegels verläuft.
11. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (25) im Bereich der Klemmaufnahme (23) mit einem die Größe der Versteifungsrippenstirnflächen (27) verringerndem Freischnitt (39) versehen sind.
12. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schmalseite (31) der Versteifungsrippen (25) zumindest abschnittsweise an der Innenwand (29) des hohlen Ventilkegels (7) anliegt.
13. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (25) und der Ventilkegel (7) mittels Stoffschluss miteinander verbunden sind.
14. Leichtbauventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (3) , der Ventilteller (13) sowie der Ventilkegel (7) jeweils separate Bauteile sind, und dass die Anbindung von Ventilkegel (7) an den Ventilteller (13) und den Ventilschaft (3) so ausgebildet ist, dass der Ventilkegel (7) zumindest annährend frei von im Betrieb des Leichtbauventils auf den Ventilteller (13) wirkenden Kräften ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauventils nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit folgenden Schritten: - Herstellung eines ersten, den Ventilteller (13) und die Klemmaufnahme (23) bildenden, einstückigen Bauteils durch Gießen, Umformen und/oder mittels eines Pulvermetallurgieverfahrens, - Herstellung eines zweiten, den Ventilschaft (3) bildenden, einstückigen Bauteils, - Herstellung eines dritten, den Ventilkegel (7) bildenden Bauteils, vorzugsweise mittels eines Umformverfahrens, - zusammenfügen des ersten und zweiten Bauteils und verbinden derselben mittels Stoff-, Kraft- und/oder Formschlussverbindung, und - Aufstecken des hohlen dritten Bauteils auf das zweite Bauteil und verbinden des dritten Bauteils mit den ersten und zweiten Bauteilen mittels Stoff-, Kraft- und/oder Formschlussverbindung .
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