Leichtbauventil
Die Erfindung betrifft ein Leichtbauventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 Ventilschaft, an den sich ein trichter-/trompeten- förmiger Ventilkegel anschließt. Der Ventilkegel ist zum Zwecke der Gewichtsreduzierung hohl und weist eine nur geringe Wandstärke auf. Der Ventilkegel ist an seinem durchmessergrößeren Ende mittels eines Ventiltellers verschlossen. Gemäß einer Ausführungsvariante ist der Ventilkegel von einem separaten Blechbauteil gebildet, d s mit dem Ventilschaft und dem Ventilkegel verschweißt ist. Das bekannte Leichtbauventil weist den Nachteil auf, dass im Betrieb des Leichtbauventils auf die Fügestelle zwischen Ventilschaft und Ventilteller hohe Biegekräfte wirken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbauventil der eingangs genannten Art zu schaffen, dass diesen Nachteil nicht aufweist .
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leichtbauventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft ist im Betrieb des Leichtbauventils dadurch frei oder im Wesentlichen frei von auf den Ventilteller beziehungsweise clen Ventilschaft wirkenden Bie-
gekräften gehalten, indem die Anordnung der Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft und zusätzlich oder alternativ die Ausgestaltung der Anbindung des Ventilkegels an den Ventilschaft und/oder an den Ventilteller entsprechend ausgestaltet ist.
Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Leichtbauventils ergeben sich aus Kombinationen der in der Beschreibung und in den Unteransprüchen genannten Merkmale .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erstes Ausführungsbeispiels eines Leichtbauventils für Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung;
Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Fügestelle zwischen einem Ventilteller und einem Ventilschaft und
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mehrteilig ausgebildetem 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 in Figur 1 dargestellte Leichbauventil 1 umfasst einen Ventilschaft 3, einen von einem Blechbauteil gebildeten, höh-
len Ventilkegel 5 sowie einen den Ventilkegel 5 verschließenden Ventilteller 7.
Der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilschaft 3 weist einen durchmessergrößeren Längsabschnitt 9 auf, an den sich ein durchmesserkleinerer Längsabschnitt 11 anschließt, wodurch an der Ventilschaft-Außenumfangsflache 13 eine umlaufende, ringförmige Anlageschulter gebildet ist. 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, das an seinem nicht dargestellten Ende mittels eines Ventilschaftendstücks/-fußes verschlossen .
Der Ventilkegel 5 ist von einem separaten Blechteil gebildet und weist eine nur geringe Wandstärke auf. Der einstückige Ventilkegel 5 weist einen Grundkörper in Form einer Tellerfeder auf, an dessen durchmesserkleineren Ende ein kragenfόrmi- ger Führungs- und Zentrierabschnitt angeformt ist, welcher von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist, durch die der Ventilschaft 3 mit seinem durchmesserkleineren Längsabschnitt 11 im zusammengefügten Zustand hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung ist gleich groß wie oder größer als der Außendurchmesser des Längsabschnitts 11, so dass dieser die Durchgangsδffnung entweder mit Spiel durchgreift oder eine Kraftschlussverbindung zwischen Ventilschaft 3 und Ventilkegel 5 gebildet ist. Beim Aufstecken des Ventilkegels 5 auf den Längsabschnitt 11 beziehungsweise beim Einführen des Längsabschnitts 11 in den Ventilkegel 5 erfolgt selbsttätig eine Ausrichtung/Zentrierung dieser Teile zueinander.
Der Ventilteller 7 ist auf seiner im Betrieb des Leichtbauventils 1 dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten
Flachseite mit einer Vertiefung 15 versehen, in die der Ventilkegel 7 mit seinem durchmessergrößeren Ende hineinragt, wie aus Figur 1 ersichtlich. Die Vertiefung 15 ist dabei so ausgebildet, dass der Übergang zwischen dem Ventilteller 7 und dem Ventilkegel 5 in deren Anbindungsbereich stufenlos ist. Mittels des Ventiltellers 7 wird der Hohlraum des Ventilkegels 5 verschlossen.
Der Ventilteller 7 ist scheibenförmig ausgebildet und weist einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt 17 mit gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden, kegligen zweiten Längsabschnitt 19 auf, wobei der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts 19 gleich groß wie der Kegelwinkel des Ventilkegels 7 an seinem durchmessergrößeren Ende ist, wodurch ein stufenloser Übergang im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisiert ist, wie in Figur 1 dargestellt .
Der Ventilteller 7 weist auf seiner die Vertiefung 15 aufweisenden Flachseite ein Schaftverbindungsglied 21 auf, das einstückig mit dem Ventilteller 7 ausgebildet ist und sich in dessen Mitte befindet. Das Schaftverbindungsglied 21 ist an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft 3 verbunden, was beispielsweise durch Reib-, Strahl-, Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen realisierbar ist. Dabei stößt die Stirnfläche des Schaftverbindungsglieds 21 gegen die Stirnfläche des Ventilschaft-Längsabschnitts 11. Die Fügestelle zwischen Ventilschaft und Ventilteller befindet sich bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gedachten, quer zur Längsmittelachse des Leichtbauventils 1 verlaufenden Ebene El. Die Länge des Schaftverbindungsglieds 21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass bei zusammengesetztem Leichtbauventil 1 die Fügestelle zwischen Schaftverbin-
dungsglied 21 und Ventilschaft 3 innerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist.
Der Ventilkegel 5 liegt mit seiner an seinem durchmesserkleineren Ende befindlichen Stirnfläche an der durch den Durchmessersprung gebildeten Anlageschulter am Ventilschaft an. Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist der Übergang zwischen Ventilkegel und Ventilschaft an deren Fügestelle, die in einer gedachten, parallel zur ersten Ebene El verlaufenden zweiten Ebene E2 liegt, stufenlos.
Der Ventilkegel 5 wird im Bereich des Fuhrungs- und Zentrierabschnitts mit dem Ventilschaft 3 und in dem im Bereich der Vertiefung 15 liegenden Anbindungsbereich mit dem Ventilteller 7 verschweißt und zwar vorzugsweise mittels Reib-, Strahl- oder Schmelzschweißverfahren.
Das anhand der Figur 1 beschriebene Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils 1 zeichnet sich durch geringe Wandstärken der einzelnen Teile, insbesondere des Ventilkegels 5, und somit durch ein nur geringes Gewicht aus. Die im Betrieb des Leichtbauventils 1 auf den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter Weise über das mittig angeordnete Schaftverbindungsglied 21 direkt in den Ventilschaft 3 eingeleitet. Auf Grund des vorstehend genannten konstruktiven Auf- baus des Leichtbauventils 1 werden die auf den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte nicht oder nur in unschädlichem Maße in den sehr dünnwandigen Ventilkegel 5 eingeleitet. Eine unzulässig hohe Verformung des Ventilkegels 5 kann daher mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
Besonders hervorzugeben ist weiterhin, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller 7 beziehungsweise dem Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft 3 zumindest im Wesentli-
chen frei von auf den Ventilteller 7 und/oder den Ventil- schaft 3 wirkenden Biegekräften ist. Dies wird dadurch erreicht, dass sich die Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilteller innerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist und dass der Ventilkegel, auf Grund seines Eingriffs in die Vertiefung 15 im Ventilteller 7 und seiner stirnseitigen Abstützung an der Anlageschulter des Ventilschafts 3 ein Verkippen des Ventiltellers 7 verhindert.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Leichtbauventils 1 befindet sich die Fügestelle zwischen Ventilteller 7 beziehungsweise Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft in der Ebene E2 , also im Anbindungsbereich des Ventilkegels 5 an den Ventilschaft 5. Gemäß einer dritten Ausführungsvariante des Leichtbauventils 1 ist die Fügestelle zwischen dem mit dem Ventilteller 7 einstückig ausgebildeten oder daran befestigten Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft 3 in einer gedachten, dritten Ebene E3 angeordnet, die innerhalb einer in Figur 1 lediglich schematisch angedeuteten Ventilführung 23 liegt. Gemäß einer vierten Ausführungsvariante des Leichtbauventils 1 befindet sich die Fügestelle zwischen dem Schaftverbindungsglied 21 und dem Ventilschaft 3 oberhalb der Ventilführung 23 in einer gedachten, vierten Ebene E4. Gemäß einer vierten Ausführungsvariante, bei der der Ventilteller kein Schaftverbindungsglied aufweist und der Ventilschaft den Ventilteller direkt abstützt, befindet sich die Fügestelle unmittelbar am Ventilteller beziehungsweise im Grund der Vertiefung 15, sofern eine Vertiefung vorgesehen ist. Bei allen der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten ist sichergestellt, dass die Fügestelle zwischen Ventilteller/Schaftverbindungsglied und Ventilschaft zumindest im Wesentlichen frei von Biegekräften ist.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante zum Verbinden des Schaftverbindungsglieds 21 und des Ventilschafts 3, nämlich mittels einer Zapfen-Loch-Verbindung, wobei Schaftverbindungsglied und Ventilschaft zusätzlich noch miteinander verschweißt werden können. Das Schaftverbindungsglied 21 weist an seiner Stirnfläche 25 ein Sackloch 27 auf, während der Ventilschaft 3 mit einem seine Stirnfläche 29 durchdringenden Hohlraum 31 versehen ist. Im Sackloch 27 und dem Hohlraum 31 ist ein Verbindungszapfen 33 vorgesehen. Wie in Figur 2 angedeutet, kann sich die Fügestelle in jeder der vorstehend beschriebenen Ebenen 1 bis 4 befinden.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante zum Verbinden des Schaftverbindungsglieds 21 und des Ventilschafts 3, bei der der Verbindungszapfen 33 einstückig am Ventilschaft 3 ausgebildet ist. Das Sackloch 27, in das der Verbindungszapfen 33 eingreift, befindet sich hier in einem aus Vollmaterial bestehenden, den Ventilkegel 5 und den Ventilteller 7 bildenden Bauteil. Anders als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist kein Schaftverbindungsglied vorgesehen.
Festzuhalten bleibt noch, dass der Ventilschaft 3, der Ventilteller 7 sowie das Schaftverbindungsglied 21 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Ventilteller mit dem gegebenenfalls daran vorgesehenen Schaftverbindungsglied 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 Ventil-
teller aus Stahl, insbesondere Werkzeugstahl besteht und durch Schmieden hergestellt ist. Nach einer dritten Ausführungsvariante wird der Ventilteller mittels eines Pulvermetallurgie-Herstellungsverfahren gefertigt, insbesondere aus einem Werkzeugstahl, welcher extrem verschleißfest ist.
Bezüglich der für den Ventilschaft und den Ventilteller 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 als Blechbauteil ausgebildete Ventilkegel aus unlegiertem Baustahl, insbesondere St-52, oder niedrig legierter Stahl, insbesondere X10Crl3, hergestellt. Der Ventilkegel kann kostengünstig in einem Tiefziehverfahren hergestellt werden.