DE10204122C1 - Gebautes Ventil für Hubkolbenmaschinen und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein gebautes Ventil für Hubkolbenmaschinen und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der Ventilschaft ist formschlüssig mit dem Ventilteller verbunden, indem am tellerseitigen Ventilschaftende eine Verdickung vorgesehen ist, die in eine entsprechende sich in Umfangsrichtung erstreckende Erweiterung der Mittenöffnung des Ventiltellers eingreift. Um bei dem gebauten Ventil die Vorspannung innerhalb der Teller/Schaft-Verbindung im gesamten, auftretenden Temperaturbereich zumindest auf einem ausreichend hohen Mindestniveau erhalten zu können, zugleich aber die Verbindung unter Einsatz beherrschbarer Fertigungsverfahren auch tatsächlich serienmäßig herstellen zu können, wird gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung die schaftseitige Verdickung in die tellerseitige Erweiterung axial hinein gestaucht, wobei für den Ventilteller ein solcher Werkstoff - vorzugsweise Keramik - ausgewählt wird, der sich thermisch weniger stark ausdehnt als der Schaftwerkstoff. Nach einem anderen Lösungsweg mit einem Ventilteller aus einem schweißbaren Werkstoff wird eine ausreichende Vospannkraftreserve durch eine Bauteilelastizität innerhalb des Ventiltellers dadurch geschaffen, daß in dem hohlen und in sich mehrteiligen Ventilteller der eingeschweißte Boden membranartig elastisch ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein gebautes Ventil für Hubkolbenma­ schinen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gebauten Ventils.

Gebaute Ventile haben den Vorteil, dass für den sowohl ther­ misch als auch mechanisch am stärksten beanspruchten Ventil­ teller ein gesonderter, bezüglich des dort vorliegenden Bean­ spruchungsspektrums optimal ausgewählter Werkstoff eingesetzt werden kann. Für den Ventilteller von thermisch besonders hoch beanspruchten Auslassventilen kommen neben Keramiken auch intermetallische Phasen, z. B. Titanaluminid (TiAl), in Frage. Diese Werkstoffe besitzen neben einer hohen Tempera­ turfestigkeit und Verschleißbeständigkeit auch noch den Vor­ teil eines geringen spezifischen Gewichtes, was für den Ein­ satz bei hochfrequent oszillierenden Bauteilen sehr wichtig ist. Bei thermisch weniger stark beanspruchten Einlassventi­ len kommen - insbesondere aus Gewichts- und Kostengründen - Titan/Aluminiumlegierungen in Betracht.

Problematisch bei gebauten Ventilen ist jedoch die Verbindung zwischen den aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Bauteilen. Die Werkstoffe sind entweder an sich nicht schweißbar (Keramik) oder untereinander nicht, zumindest nicht ohne weiteres verschweißbar (Stahl und TiAl oder Stahl und Ti/Al-Legierungen). Lötverbindungen alleine sind aus thermischen Gründen mechanisch nicht haltbar. Mechanische Verbindungen zwischen Schaft und Ventilteller scheitern häu­ fig an einem Nachlassen der Vorspannung innerhalb der Verbin­ dung. Es ist hierbei zum einen daran zu denken, dass während des Betriebes von Ventilen starke Temperaturschwankungen auf­ treten können, nämlich von extremen winterlichen Kältegraden im Motorstillstand bis zu mindestens etwa 800°C bei Vollast. Es ist ferner zu berücksichtigen, dass die unterschiedlichen Werkstoffe auch ein z. T. stark unterschiedliches thermisches Dehnungsverhalten aufweisen. Dadurch kann ein bei Raumtempe­ ratur gegebener Spannungszustand innerhalb der Verbindung bei angehobenen Betriebstemperaturen reduziert, u. U. sogar ganz beseitigt werden. Wichtig ist aber, dass in allen Betriebszu­ ständen, nämlich sowohl bei extrem niedrigen als auch bei ex­ trem hohen Temperaturen, eine gewisse Mindest-Vorspannung in­ nerhalb der Teller/Schaft-Verbindung erhalten bleibt, weil die Verbindung bei der dynamischen Beanspruchung sich sonst lockern würde, was schließlich den Bruch des Ventils an der Verbindungsstelle und mit ihm die Zerstörung des ganzen Mo­ tors zur Folge hätte.

Die US-PS 2 136 690 zeigt u. a. ein mehrteilig zusammengesetz­ tes Vollschaftventil, bei dem der Ventilsitz mit einem ver­ schleißfesten Werkstoff gepanzert ist. Die Panzerung besteht aus einer vorgefertigten, zentrisch gelochten und am Außen­ rand konisch abgeschrägten Scheibe aus einem widerstandsfähi­ gen und gut wärmeleitenden Verbundwerkstoff, wobei diese Pan­ zerungsscheibe bis zum Rand des Ventiltellers ragt und die tellerseitige Dichtfläche bildet. Der Verbundwerkstoff ist durch eine Matrix aus einem zähen und leitfähigen, vorzugs­ weise Kupfer enthaltenden Metall gebildet, in die fein ver­ teilt Partikel eines harten und widerstandsfähigen Werkstoffs wie z. B. Wolfram fest haftend eingelagert sind. Bei dem vor­ bekannten Ventil ist die der Panzerung dienende Scheibe ge­ meinsam mit einer brennraumseitig aufgelegten Stützscheibe aus herkömmlichen Ventilwerkstoff an das tellerseitige Ende des Ventilschaftes angenietet, wobei der Schaftwerkstoff als Niet dient. Der Ventilteller selber ist hier also für sich mehrteilig, nämlich aus zwei Scheiben ausgebildet. Zur axi­ alen Abstützung des Ventiltellers ist am Ventilschaft eine Schulter angeschmiedet. Das tellerseitige Ende des Ventil­ schaftes ragt mit einem als Nietschaft dienenden Zapfen durch die zentrische Öffnung des Ventiltellers hindurch, wobei das äußerste Ende dieses Zapfens zu einem in einer Ansenkung des Ventiltellers sich erstreckenden Nietsenkkopf umgeformt ist.

Zwar ist der Ventilteller des aus der US-PS 2 136 690 bekann­ ten Ventils in beiden Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug - formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden. Nachteilig an dem vorbekannten Ventil ist jedoch, dass prak­ tisch keine Vorspannkraft-Reserve in dem kurzen Nietschaft vorhanden ist. Die ursprüngliche Vorspannung bleibt also nur dann erhalten, wenn zwischen Teller und Schaft nur vernach­ lässigbar geringe Temperaturunterschiede bestehen und/oder wenn die für die Bauteile jeweils eingesetzten Werkstoffe ei­ nen annähernd übereinstimmenden Temparaturausdehnungskoeffi­ zienten besitzen. Dies kann jedoch bei einer Paarung eines aus Stahl bestehenden Ventilschaftes mit einem Ventilteller aus Keramik oder mit einem solchen aus der intermetallischen Phase Titanaluminid oder aus einer Titan/Aluminium-Legie­ rung, die außerdem recht unterschiedliche Elastizitätsmodule im Vergleich zum E-Modul von Stahl aufweisen, bei weitem nicht unterstellt werden.

Ein weiteres gebautes Ventil ist in der zwar älteren, aber nicht vorveröffentlichten DE 100 38 332 A1 gezeigt. Dabei weist der hohle oder massive Ventilschaft an der Übergangs­ stelle in den Ventilteller eine Schulter auf, mit der er sich druckfest am Ventilteller abstützt. Die durchgehende Mitten­ öffnung des Ventiltellers ist an ihrem brennraumseitigen Ende bzw. Rand konisch aufgeweitet. Nach dem Fügen von Schaft und Teller wird ein brennraumseitiger Überstand des Ventilschaf­ tes in die konische Erweiterung nach Art eines Nietsenkkopfes zurückgestaucht. Bei der solcherart erzeugten Verbindung zwi­ schen Ventilschaft und Ventilteller klemmt der Schaft den Teller zwischen Schulter und Anstauchung axial ein. Hierbei ergibt sich eine nur sehr geringe Vorspannkraftreserve, die bei Temperaturanstieg sehr rasch erschöpft ist, insbesondere dann, wenn der Werkstoff des Ventiltellers einen geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten hat als der Schaft­ werkstoff.

Die EP 296 619 A1 zeigt ein gebautes Ventil mit Hohlschaft, dessen bauliche Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Der rohrförmige Ventilschaft besteht vorzugsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl und ist am tellerfernen Ende mit ei­ nem gesonderten Schaftendstück aus Keramik oder aus einem temperaturbeständigen martensitischen Stahl verschlossen. Der Ventilteller, der bevorzugt aus der intermetallischen Phase Titanaluminid bestehen soll, kann durch Präzisionsgießen her­ gestellt werden. Der fertige Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des tellerseitigen Schaf­ tendes versehen. Durch Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten oder durch eine Kombination dieser Verbindungstechniken soll der Ventilschaft in der Sacklochbohrung befestigt werden. In einem der dort zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispie­ le ist die Leibung der Sacklochbohrung außerdem in Axial­ richtung gewellt aber im Übrigen rotationssymmetrisch ausge­ bildet. Die endseitige Wandung des Schaftrohres soll unter dem Einfluss von Innendruck und örtlicher Erwärmung aufgewei­ tet werden, wobei sie sich formschlüssig in die bohrungssei­ tigen Wellen einlegen soll.

Nachteilig an dem aus der EP 296 619 A1 bekannten, gebauten Hohlschaftventil ist, dass für eine derartige Umformung ex­ trem hohe Drücke entsprechend der Umformspannung des Werk­ stoffes im Warmzustand erforderlich wären. Derartig hohe Drü­ cke könnten gasförmig nur durch Explosion eines kleinen Sprengsatzes erzeugt werden, der jedoch zum einen in den be­ engten Verhältnissen innerhalb des Hohlschaftes von 4 mm bis maximal 5 mm Innendurchmesser bei Ventilen für Pkw-Motoren gar nicht unterzubringen wäre und der im Warmzustand des Hohlschaftes auch nicht zeitgenau gezündet werden könnte. Die hohe Umgebungswärme würde bei den engen Umgebungsverhältnis­ sen den Sprengsatz durch Kontakterwärmung bereits beim Lade­ vorgang entzünden. Ein serienmäßiger Einsatz derartiger hoch­ explosiver Treibsätze in der Fertigung würde erhebliche Risi­ ken für die Menschen, die Maschinen und die Werkstücke bein­ haltet und wäre sehr problematisch. Denkbar wäre auch, die hohen Drücke während der Warmumformung hydraulisch unter Ver­ wendung eines flüssigen Metalls oder eines flüssigen Salzes als Übertragungsmediums zu erzeugen, was aber zur Vermeidung von austretenden Metalldämpfen und Badkorrosion ein aufwendi­ ges Umformwerkzeug mit einer komplizierten und störanfälligen Kapselung, Schutzgaszufuhr und Schleusentechnik erfordern würde. Es ist auch fraglich, ob bei einem so ungünstigen Ver­ hältnis von Wanddicke zu Durchmesser, wie es bei hohlen Ven­ tilschäften vorliegt, eine Innenhochdruckumformung überhaupt möglich ist, d. h. ob die Innenhochdruckumformung etwa auf­ grund der relativen Wanddicke nicht auf grundsätzliche Ver­ fahrens- oder Machbarkeitsgrenzen stößt. Das aus der EP 296 619 A1 bekannte Ausführungsbeispiel mit einer formschlüssig gesicherten Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilteller kann daher aus praktischen Gründen nicht ernsthaft in Be­ tracht kommen. Die anderen aus det EP 296 619 A1 bekannten, nicht formschlüssig gesicherten Teller/Schaft-Verbindungen dürften hingegen den sowohl in thermischer als auch in mecha­ nischer Hinsicht ganz erheblichen statischen und dynamischen Belastungen nicht dauerhaft gewachsen sein.

Durch die zwar ältere, aber nicht vorveröffentlichte Offenle­ gungsschrift gemäß EP 1 193 375 A1 ist ein Ventil mit einem hohlen Ventilteller bekannt. Der mit dem massiven Ventil­ schaft monolitisch zusammenhängende Ventilkegel ist brenn­ raumseitig auf einer möglichst großen Fläche ausgehöhlt, wo­ bei die Höhlung des Ventilkegels am Außenumfang in eine kurze zylindrische Fläche übergeht. In diese zylindrische Fläche ist ein scheibenartiger Deckel eingesetzt und befestigt, der allerdings eine geringe Kontaktfläche, möglichst sogar einen thermischen Isolierspalt zum Ventilkegel haben soll. Mit die­ ser Ventilkonstruktion wird eine Temperaturabsenkung des Ven­ tilkegels gegenüber dem thermisch besonders stark belasteten Deckel angestrebt, wodurch sich die Neigung zu einer Ventil­ verkokung reduzieren lässt.

Durch die DE 40 31 549 C1 ist es bekannt, für die Betätigung von Hubventilen erforderliche, aus Stahl bestehende Tassen­ stößel oder Kipphebel an der Einwirkungsstelle der Nockenwel­ le mit einer aufgelöteten Keramikplatte zu panzern und ther­ mische Spannungen in der Lötfuge durch eine in den Lötspalt eingebrachte Zwischenlage aus einer Formgedächtnislegierung in einer Lagenstärke von 0,1 bis 0,6 mm abzubauen. Diese technische Lehre mag zwar bei thermisch nicht, sondern nur bezüglich Verschleiß beanspruchten Tassenstößel oder Kipphe­ bel und im übrigen bei im wesentlichen ebenen Übergangs- bzw. Kontaktstellen der unterschiedlichen Werkstoffe sinnvoll sein, bei denen die Relativdehnungen parallel zur Kontaktebe­ ne erfolgen. Jedoch ist dieser Gedanke nicht auf gebaute Hub­ ventile übertragbar, die zum einen thermisch bis in die Nähe des Erweichungspunktes des Lotes beansprucht sind und bei de­ nen die Relativdehnung auch quer zur Kontaktstelle zwischen den aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Komponenten erfolgt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein gebautes Ventil bzw. ein entspre­ chende Herstellungsverfahren aufzuzeigen, dass zum einen die Vorspannung innerhalb der Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft im gesamten, während des Betriebes oder Stillstandes der Hubkolbenmaschine auftretenden Temperaturbe­ reiches zumindest auf einem ausreichend hohen Mindestniveau erhalten bleibt und dass zum anderen die Verbindung unter Einsatz beherrschbarer Fertigungsverfahren auch tatsächlich serienmäßig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Ausbildung des Ventils sel­ ber erfindungsgemäß auf zweierlei Weise, nämlich zum einen durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 und zum an­ deren durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 2 und bezüglich des Verfahrens entsprechend der beiden unterschied­ lichen Ventil-Lösungen ebenfalls auf zweierlei Weise, nämlich zum einen durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 14, und zwar in soweit bezüglich des Ventils nach Anspruch 1, und zum anderen durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 25, in soweit bezüglich des Ventils nach Anspruch 2, gelöst.

Der eine Lösungsweg ist insbesondere für solche Werkstoffpaa­ rungen des gebauten Ventils zu empfehlen, bei denen der Werkstoff des Ventiltellers sich thermisch weniger stark dehnt als der Schaftwerkstoff. Der Erfindungsgedanke dieses Lösungswegs besteht darin, eine thermisch bedingte Lockerung der Vorspannung in der Verbindungsstelle dadurch zu vermei­ den, dass es der Ventilteller ist, der eine schaftseitige Verdickung übergreift und einklemmt. Durch eine Erwärmung des gebauten Ventils nimmt die Vorspannung in der Verbindungs­ stelle mit der Temperatur zu. Die radiale Aufweitung des Schaftes in die tellerseitige Erweiterung hinein wird durch ein axiales Stauchen des Schaftwerkstoffes bewirkt. Der er­ wärmte und plastifizierte Schaftwerkstoff dient gewissermaßen als Übertragungsmedium, um innerhalb der sich erweiternden Mittenöffnung des Ventiltellers die radiale Aufweitung des Ventilschaftes zu bewirken.

Der andere Lösungsweg ist hingegen - unabhängig vom Tempera­ turdehnungsverhalten der beteiligten Werkstoffe - für solche 4 gebauten Ventile zu empfehlen, bei denen der Ventilteller aus einem schweißbaren Werkstoff bestehen kann, wobei ein geringeres Temperaturdehnungsverhalten beim Tellerwekstoff selbstverständlich von Vorteil wäre. Der Erfindungsgedanke dieses zweiten Lösungswegs besteht darin, eine ausreichende Vorspannkraftreserve durch eine Bauteilelastizität innerhalb des Ventiltellers, d. h. in dem membranartigen Boden des hoh­ len und in sich mehrteiligen Ventiltellers, zu schaffen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unter­ ansprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen partiellen Längsschnitt durch ein erstes Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten gebauten Ventils mit Vollquerschnitt-Schaft und Kera­ mikteller, der seinerseits aus zwei Teilen zusammenge­ setzt ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbei­ spiel eines gebauten Ventils gemäß der Erfindung mit Hohlschaft und einem monolitischen Keramikteller,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbei­ spiel eines gebauten Ventils mit Vollschaft und einem hohlen, gebauten Keramikteller aus einem schweißbaren Werkstoff, wobei der Tellerboden eine elastisch ver­ spannte Membran ist,

Fig. 4 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3, wobei bei diesem gebauten Ventil der im Rollfließ­ verfahren hergestellte Ventilschaft hohl ausgebildet ist,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Preßwerkzeug zum Pressen eines Grünlings aus einem Keramikpulver zur Herstel­ lung eines einteiligen Keramiktellers nach Fig. 2, wobei die Erweiterung der Mittenöffnung des Keramik­ tellers durch einen partiell aus einem elastisch ver­ formbaren Gummi bestehenden Bolzen während der Verdich­ tung des Keramikpulvers geformt wird, und

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Sonderwerkzeug und den Vorgang des Stauchens des hohlen Ventilschaftes wäh­ rend des Fügens von Ventilschaft und Ventilteller bei der Herstellung des Ventils nach Fig. 2.

Zunächst soll im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 auf zwei Varianten gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Lösungs­ weges für gebaute Ventile von Hubkolbenmaschinen eingegangen werden. Diese beiden Varianten von gebauten Ventilen 1 bzw. 11 bestehen jeweils aus einem Ventilschaft 2, 12 und aus ei­ nem baulich gesonderten Ventilteller 3, 13. Letzterer ist mit jeweils einer Mittenöffnung 4 bzw. 14 zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes versehen. Innerhalb der Mittenöffnung ist wenigstens eine Erweiterung 5 bzw. 15 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung erstreckt und vor­ zugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Am teller­ seitigen Ende des Ventilschaftes ist wenigstens eine Verdic­ kung 6 bzw. 16 angebracht, die in die Erweiterung der Mit­ tenöffnung formschlüssig eingreift, so daß eine sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung belastbare, als auch verkan­ tungssichere Verbindung zwischen dem Ventilschaft und dem Ventilteller zustande kommt. Im Fall einer unrunden Ausbil­ dung der Erweiterung 5, 15 kämme beim Anstauchen des Ventil­ schaftes sogar eine formschlüssige Verdrehsicherung inner­ halb der Verbindung zustande.

Um bei den gebauten Ventilen 1 bzw. 11 zumindest ein gewis­ ses Mindestniveau an Vorspannung innerhalb der Verbindung zwischen Ventilteller 3, 13 und Ventilschaft 2, 12 im gesam­ ten, während des Betriebes oder Stillstandes der Hubkolben­ maschine auftretenden Temperaturbereiches gewährleisten zu können, um aber zugleich auch eine serienmäßig Herstellbar­ keit der Ventile unter Einsatz beherrschbarer und kostengün­ stiger Fertigungsverfahren sicherstellen zu können, sind er­ findungsgemäß gewisse weitere Merkmale an den gebauten Ven­ tilen vorgesehen, die - soweit die Übereinstimmung reicht - nachfolgend für beide Ventilvarianten 1 bzw. 11 gemeinsam behandelt werden sollen.

Und zwar ist die Mittenöffnung 4, 14 des Ventiltellers bis zu seiner Brennraumseite durchgehend ausgebildet, d. h. die Mittenöffnung 4, 14 ist an der Brennraumseite offen. Außer­ dem ist die sich in Umfangsrichtung erstreckende Erweiterung 5, 15 der Mittenöffnung in ihrem Querschnitt entsprechend einer sich beim axialen Warmstauchen einstellenden freien Materialverdickung mit harmonisch gerundeten Übergängen aus­ gebildet. Aufgrund der durchgehenden Ausbildung der Mitten­ öffnung und der harmonischen Gestaltung der darin angebrach­ ten Erweiterung kann die schaftseitige Verdickung 6, 16 als eine axiale Stauchung des Materialquerschnittes des strich­ punktiert angedeuteten Schaftrohlings 2', 12' ausgebildet bzw. hergestellt werden.

Der Lösungsweg dieser beiden Ventilvarianten, bei denen der Ventilteller 3, 13 eine schaftseitige Verdickung 6, 16 über­ greift und axial einklemmt, wird für solche Werkstoffpaarun­ gen des gebauten Ventils 1, 11 empfohlen, bei denen der Werkstoff des Ventiltellers sich thermisch weniger stark dehnt als der aus Stahl bestehende Ventilschaft. Für den Ventilteller kommen neben Keramik, hier insbesondere Silici­ umnitrid, auch die intermetallische Phase Titanaluminid und Titan/Aluminium-Legierungen in Frage, deren Temperaturaus­ dehnungskoeffizienten α unter 11,5 ppm/K - dem Wert für Stahl - liegen. Beispielsweise beträgt der Wert für die Keramik­ sorte Zirkondioxid je nach Herstellungsart α = 9,0-11,0 ppm/K, für Siliciumcarbid: α = 4,0-4,5 ppm/K, für Silicium­ nitrid: α = 3,3 ppm/K. Für die intermetallischen Phase Ti­ tanaluminid ist der Temperaturausdehnungskoeffizienten α tem­ peraturabhängig und beträgt bei Raumtemperatur α = 8 ppm/K und bei etwa 700°C α = 14 ppm/K. Bei den hier geeigneten Ti­ tan/Aluminium-Legierungen ist der Temperaturausdehnungs­ koeffizient α zwar relativ groß, aber liegt noch unter dem Wert für Stahl (z. B. TiAl6V4: α = 9,3 ppm/K oder Ti­ Al46, 5Cr4NiTaB: α = 11 ppm/K). Dadurch, daß der sich ther­ misch stärker dehnende Schaft am Teller nicht nur radial, sondern auch axial eingeklemmt wird, kann eine thermisch be­ dingte Lockerung der Vorspannung in der Verbindungsstelle zuverlässig vermieden werden. Durch eine betriebsbedingte Erwärmung des gebauten Ventils nimmt die Vorspannung in der Verbindungsstelle mit der Temperatur sogar noch gegenüber der bei Raumtemperatur vorliegenden Vorspannung zu.

Zum Herstellen des gebauten Ventils 1 bzw. 11 wird der zu­ nächst noch zylindrische Schaftrohling 2' bzw. 12' axial in die Mittenöffnung 4, 14 soweit eingeführt, daß sich ein ge­ wisser wohl abgestimmter Überstand auf der Brennraumseite des Ventiltellers 3, 13 ergibt. Das Volumen dieses Überstan­ des entspricht dem Volumen der Erweiterung 5, 15 in der Mit­ tenöffnung. Im übrigen ist der Schaftrohling um diesen Über­ stand länger als das Fertig-Rohmaß des Ventilschaftes 2, 12. Der zum Fügen der Verbindungsstelle in den Ventilteller ein­ geführte Schaftrohling 2', 12' ist, lokal auf den innerhalb des Ventiltellers befindlichen Bereich beschränkt, auf Warm­ umformtemperatur des Schaftwerkstoffes erwärmt; die Außer­ halb dieses Bereiches liegenden Partien des Schaftrohlings sind deutlich kälter und lassen sich unter der obwaltenden Krafteinwirkung nicht plastisch verformen. Durch axialen Druck auf den lokal erwärmten Schaftrohling wird an ihn die Verdickung 6 bzw. 16 angestaucht, wobei die Anstauchung selbsttätig die tellerseitige Erweiterung 5 bzw. 15 voll­ ständig ausfüllt. Der erwärmte und plastifizierte Schaft­ werkstoff dient innerhalb des Umformungsbereiches gewisser­ maßen als Übertragungsmedium, um innerhalb der sich erwei­ ternden Mittenöffnung des Ventiltellers die radiale Aufwei­ tung des Ventilschaftes zu bewirken, wogegen die außerhalb des Ventiltellers befindliche abgestützte Schaftpartie ge­ wissermaßen als Druckstößel dient.

Um ein thermisches Lockern der Verbindung bei der anschlie­ ßenden Abkühlung des Ventilschaftes zu vermeiden, wird vor und während des Stauchens des Schaftrohlings auch der Ven­ tilteller 3, 13 mindestens auf Warmumformtemperatur des Werkstoffs des Schaftrohlings erwärmt. Je höher der Ventil­ teller erwärmt wird, um so höher ist die sich bei Raumtempe­ ratur einstellende Vorspannung innerhalb der Verbindung. Wie nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 6 näher ausgeführt wird, kann der Ventilteller vor und während des Stauchens des Schaftrohlings z. B. durch radial auf ihn gerichtete, of­ fene Flammen aus Brennern 56 erwärmt werden.

Das Herstellen der Stauchverbindung zwischen Ventilteller und Schaft sei am Beispiel des Werkzeuges nach Fig. 6 und am Beispiel des in soweit etwas komplizierteren Hohlschaft­ ventils 11 nach Fig. 2 nachfolgend näher erläutert. Das An­ stauchen der Verdickung 6 an dem Vollschaftventil 1 dürfte zumindest nach Kenntnis des Herstellungsverfahrens für das Hohlschaftventils 11 in keiner Weise mehr problematisch sein, weil dieses Verfahren sinngemäß und mit den für sich sprechenden bzw. selbstverständlichen Modifikationen auf die Herstellung des Vollschaftventils 1 übertragbar ist.

Das in Fig. 6 im geschlossenen Zustand dargestellte Umform­ werkzeug ist in ein auf dem Pressentisch 57 einer Umform­ presse befestigtes unteres Stützwerkzeug 50 und in ein am hubbeweglichen Pressenstößel angeordnetes oberes Stützwerk­ zeug 51 geteilt, welch letzteres zu Beginn des Arbeitshubes lagegenau auf das untere, beschickte Stützwerkzeug abgesenkt wird. In einer im oberen Stützwerkzeug angebrachten Führung ist ein Stempel 53 axialbeweglich geführt, der den eigentli­ chen Arbeitshub beim Stauchvorgang ausführt, während das obere Stützwerkzeug unbeweglich aber mit einer gewissen An­ drückkraft auf dem unteren Stützwerkzeug anliegt. Der Stem­ pel 53 ist also gegenüber dem oberen Stützwerkzeug ver­ schiebbar.

Im unteren Stützwerkzeug ist in einer oberen Aussparung der Ventilteller 13 eines neu herzustellenden Ventils 11 lagede­ finiert mit nach oben weisender Brennraumseite aufgenommen. In einer abgestimmten Bohrung des Stützwerkzeugs kann der lokal vorerwärmte Ventilschaftrohling 12' eingesteckt wer­ den, der unterseitig in einer solchen Axialposition unnach­ giebig abgestützt ist, daß der Ventilschaftrohling an der Brennraumseite des Ventiltellers zunächst um ein bestimmte Maß übersteht. In das Innere des hohlen Ventilschaftrohlings ist ein Stützdorn 53 eingesteckt, der bündig mit der oberen Stirnseite des Ventilschaftrohlings abschließt. Er ist mit einer gewissen Vorspannung in den hohlen Ventilschaftrohling eingesteckt so daß er schwerkraftbedingt nicht herausfallen kann, läßt sich jedoch während des Arbeitshubes ohne weite­ res im Ventilschaftrohling axial verschieben. An der betref­ fenden Stelle ist im unteren Stützwerkzeug 50 und/oder im Pressentisch 57 eine Öffnung vorgesehen, so daß der Stütz­ dorn beim Arbeitshub behinderungsfrei nach unten ausweichen kann.

Um den axial eingeführten, lokal vorerwärmten Schaftrohling - er hat eine nur geringe Masse und kühlt daher relativ rasch ab - lokal auf Umformtemperatur halten zu können, ist bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eine widerstandselektrische Beheizung des Ventilschaftrohlings 12' vor­ gesehen. Dazu ist im oberen und im unteren Stützwerkzeug 51 bzw. 50 jeweils ein Kontaktring 54 in das jeweilige Stütz­ werkzeug elektrisch isoliert eingelassen. Je einer der Kon­ taktringe ist mit einem Pol einer elektrischen und lei­ stungsfähigen Spannungsquelle 55 verbunden. Durch axialen Druck der aufeinander liegenden Stützwerkzeuge 51 bzw. 50 kommt es zu einer elektrisch gut leitenden Kontaktierung zwischen Kontaktring und Ventilschaftrohling 12', so daß ein hoher Strom axial durch diesen hindurch fließt, der den Ven­ tilschaftrohling auf dem kurzen, zwischen den Kontaktringen liegenden Bereich widerstandselektrisch erwärmt.

Um den vorzugsweise vorerwärmten, insbesondere aus Keramik bestehenden Ventilteller 13 während der Vorbereitungszeit und während des Fügevorganges ebenfalls ausreichend warm halten zu können, sind in mehreren horizontalen Aussparungen des unteren Stützwerkzeuges radial auf den Ventilteller aus­ gerichtete Brenner 56 angeordnet, die jeweils offene Flamme auf den Ventilteller richten und ihn warm halten.

Nach dem Beschicken des unteren Stützwerkzeuges 50 mit dem vorerwärmten Ventilteller 13 und mit dem lokal vorerwärmten und mit dem Stützdorn 52 versehenen Ventilschaftrohling 12' wird das obere Stützwerkzeug auf das untere abgesenkt. Es kann in diesem Zwischenstadium eine gewisse Pause im Ablauf des Pressenzyklus vorgesehen werden, um den Ventilteller und/­ oder den Ventilschaftrohling auf die erforderliche Prozeß­ temperatur zu erwärmen. Sobald die erforderlichen Temperatu­ ren erreicht sind, kann der Pressenzyklus fortgesetzt und der eigentliche Stauchvorgang durchgeführt werden. Durch den innerhalb des geschlossenen Stützwerkzeuges niedergehenden Stempel 53 wird der erwärmte Schaftwerkstoff in die teller­ seitige Erweiterung 15 der Mittenöffnung 14 hineingestaucht, was durch die in Fig. 6 gezeigte partielle Anstauchung 58 angedeutet ist. Der Stützdorn verhindert ein radial nach in­ nen gerichtetes Ausweichen des erwärmten Werkstoff; der Stützdorn weicht beim Stauchvorgang nach unten aus. Bei Vollendung des Pressenhubes ist der gesamte Überstand des Ventilschaftrohlings in die Erweiterung 15 hieneingestaucht und die erzeugte Anstauchung füllt diese vollständig aus. Anschließend wird das Umformwerkzeug durch Hochfahren des Pressenstößels und des Stempels geöffnet und das fertig ge­ stellte Ventil gemeinsam mit dem Stützdorn 53 aus dem unte­ ren Stützwerkzeug entnommen und in eine Abkühlstrecke abge­ legt. Die Vorrichtung ist dann bereit für ein neues Arbeits­ spiel. Nach Abkühlung des Ventils kann der Stützdorn 53 dem Hohlschaft entnommen und zur Bestückung eines neuen Schaft­ rohlings verwendet werden. Das gebaute Ventil kann dann fer­ tig bearbeitet, insbesondere kann ein Ventilendstück 12" an­ geschweißt (Schweißnaht 17) und an der Brennraumseite ein Verschlußstück eingeschweißt werden.

Die beiden Lösungsvarianten nach den Fig. 1 und 2 setzen eine Erweiterung 5 bzw. 15 der Mittenöffnung 4, 14, also hinterschnittene Öffnung voraus. Hinterschneidungen sind aber - wie man weiß - nicht ohne weiters herstellbar, insbe­ sondere wenn es sich um Werkstücke aus einem schwierig bear­ beitbaren Werkstoff handelt. Deshalb seien nachfolgend auch noch verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung der Erweite­ rung 5 bzw. 15 der Mittenöffnung 4, 14 behandelt.

Wie beim Ausführungsbeispiel des Ventils 1 nach Fig. 1 ge­ zeigt ist, kann der aus einer Keramik bestehende Ventiltel­ ler 3 seinerseits aus zwei durch Sintern miteinander Verbun­ denen Formteilen 7, 8 hergestellt sein, wobei eine Teilungs­ fuge zwischen den beiden Formteilen 7, 8 axial an der Posi­ tion des größten Durchmessers der sich in Umfangsrichtung erstreckende Erweiterung 5 liegt.

Um eine hoch belastbare Verbindung zwischen den beiden Form­ teile 7, 8 des Ventiltellers 3 zu schaffen, sollten diese zum einen beide aus der selben Keramik bestehen. Ferner wird die Fuge, entlang der die beiden Formteile 7, 8 miteinander verbunden sind, mit einem bei Erschmelzung chemisch irrever­ sibel mit der verwendeten Keramik reagierenden Metall und/­ oder metallähnlichen Element oder mit einer darauf basieren­ den Legierung dotiert. Dadurch entsteht eine innige, nahezu stoffschlüssige Verbindung auf einer keramik-ähnlichen Ba­ sis, die zumindest thermisch ähnlich hoch belastbar ist wie die Keramik selber.

Es ist auch an den Fall zu denken, daß der Ventilteller aus einer intermetallischen Phase Titanaluminid besteht. Dieser Werkstoff kann praktisch nur durch Gießen geformt werden; darüber hinaus kann Titanaluminid mit sich selber ver­ schweißt oder verlötet werden. Im Fall eines mehrteiligen Ventiltellers 3 aus Titanaluminid werden also die beiden, für sich jeweils im Gießverfahren hergestellten Formteile 7, 8 miteinander verschweißt bzw. verlötet.

Um eine gute gegenseitige Zentrierung der beiden Formteile gewährleisten zu können, sind diese durch eine im Außenbe­ reich angenähert zylindrische Teilungsfuge mit geringer Ko­ nizität zueinander zentriert.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilteller einteilig ausgebildet. In diesem Fall kann die innerhalb der Mittenöffnung 14 sich in Umfangsrichtung er­ streckende Erweiterung 15 durch einen entsprechend geform­ ten, verlorenen Kern erzeugt werden. Und zwar ist dies nicht nur bei Ventiltellern aus einem gießbaren Werkstoff (Titan­ aluminid oder Titan/Aluminium-Legierungen) möglich, sondern auch bei Keramik-Tellern.

Zur Herstellung von Keramik-Tellern oder Sintertellern auf Metallpulverbasis wird zunächst aus einem sinterbaren Pulver in einem Formwerkzeug ein Formkörper - sog. Grünling - ge­ preßt und dieser anschließend gebrannt. Um bei dem Grünling eine hinterschnittene Erweiterung 15 abformen zu können, kann ein formstabiler, verlorener Kern aus kunstharzgebunde­ nen Pulver, aus einem niedrig schmelzenden Metall oder aus Salz verwendet werden. Durch eine Wärmebehandlung des Grün­ lings vor dem Brennen wird der Kern pyrolysiert oder ge­ schmolzen und so der Grünling von dem verlorenen Kern be­ freit.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines einteiligen Grünlings mit hinterschnittener Erweiterung 15 bei einem im Sinterverfahren hergestellten Ventilteller ist in Fig. 5 angedeutet. Dort ist ein aus Matrize 41 und Patrize 42 ge­ bildetes Formwerkzeug zum Abformen eines Ventilteller-Grün­ lings gezeigt, wobei die Matrize 41 auf dem Pressentisch 46 und die Patrize 42 gleichachsig am Pressenstößel einer Form­ presse befestigt ist. Zentrisch in der Gravur bzw. Kavität der Matrize ist ein nach oben aufragender Kernbolzen 43 an­ geordnet, der aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Und zwar besteht der Kernbolzen in dem axial der abzuformenden Erweiterung zugeordneten Bereich 45 und 45' aus einem gum­ mielastischen Werkstoff, wogegen die außerhalb davon liegen­ den Bereiche 44 des Kernbolzens aus Stahl bestehen. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind für den gum­ mielastischen Teil des Kernbolzens zwei unterschiedliche Be­ reiche 45 und 45' vorgesehen, und zwar ist in den Übergangs­ bereichen 45' zu den beiden Stahlteilen 44 hin jeweils ein härteres Gummi und in dem dazwischen liegenden, mittleren Bereich 45 ein weicheres Gummi vorgesehen, das sich unter axialer Krafteinwirkung auf den Kernbolzen stärker verformt als das Gummi in den Bereichen 45'.

Im entspannten zustand ist der Kernbolzen zylindrisch und ragt deutlich bis oberhalb des Füllstandes für die abge­ stimmte Menge an zunächst lose eingeschüttetem Sinterpulver hinaus. Dieses Füllnivau ist in Fig. 5 durch eine ungerade strichpunktierte Linie angedeutet. Die unterseitig im we­ sentlichen eben gestaltete Patrize 42 weist mittig eine Sacklochbohrung 48 auf, die im Durchmesser auf den Kernbol­ zen und in der Tiefe auf die Einfüllmenge an Sinterpulver in der Patrize und auf die Länge des Kernbolzens abgestimmt ist.

Beim Absenken der Patrize 42 auf die Matrize 41 wird zu­ nächst das obere aus Stahl bestehende Ende des Kernbolzens axial in die Sacklochbohrung 48 der Patrize und anschließend die Patrize insgesamt in die oben zylindrische Tasse der Ma­ trize eingeführt. Bevor die obere Stirnseite des Kernbolzens den Grund der Sacklochbohrung erreicht, berührt die Patrize mit ihrer ebenen Unterseite das Füllnivau des lose einge­ füllten Sinterpulvers, welches bei weiterem Absenken der Pa­ trize leicht verdichtet wird, ohne daß der Kernbolzen seine zylindrische Form verändert. Der Zustand, bei dem die obere Stirnseite des Kernbolzens den Grund der Sacklochbohrung be­ rührt, ist in Fig. 5 mit geraden strichpunktierten Linien angedeutet. Bei weiterem Absenken der Patrize wird nicht nur das Sinterpulver weiter verdichtet, sondern auch der im Mit­ telteil 45 und 45' gummielastisch ausgebildete Kernbolzen durch eine elastische Stauchung tonnenförmig verformt, wie dies in Fig. 5 in vollen Linien angedeutet ist. Mit zuneh­ mender Absenkung der Patrize wird das Sinterpulver weiter verdichtet, zugleich aber auch die tonnenförmige Ausbauchung des Mittelbereiches 45, 45' weiter verstärkt, was durch ver­ schiedene strichpunktierte Linien angedeutet ist. Dabei wird nicht nur die hinterschnittene Erweiterung der Mittenöffnung im Grünling abgeformt, sondern es findet dadurch zugleich auch eine radiale Verdichtung des Sinterpulvers statt. Hat die Patrize ihre ebenfalls strichpunktiert angedeutete End­ stellung und die Ausbauchung ihre Maximalform erreicht, so kann nach einer gewissen Verweilzeit die Presse vorsichtig geöffnet werden. Durch die axiale Entlastung des Kernbolzens schlüpft der verformte gummielastische Teil 45, 45' axial aus der abgeformten Erweiterung heraus und es bildet sich die zylindrische Form des Kernbolzens wieder zurück. Soweit bei diesem Herausgleiten des axial elastisch gestauchten Kernbolzens aus der im Grünling geschaffenen Erweiterung auch ein axialer Druck auf den Grünling ausgeübt wird, wirkt sich dieser im Sinne eines Herausdrückens des Grünlings aus der tassenförmigen Kavität der Patrize aus. Sobald der gum­ mielastische Teil des Kernbolzens seine zylindrische Form wieder erlangt hat, kann der gepreßte Grünling der Patrize entnommen werden. Nach dem Reinigen der Patrize und des Kern­ bolzens ist die Vorrichtung für ein neues Arbeitsspiel be­ reit.

Alternativ oder zusätzlich zu einer axialen Stauchung und tonnenförmigen Ausbauchung des mittleren, gummielastischen Teils 45, 45' des Kernbolzens 43 kann auch noch eine hydrau­ lische Aufweitung dieses mittleren Kernbolzenteils vorgese­ hen werden. In diesem Fall müßte in dem weicheren, gummiela­ stischen Teil 45 des Kernbolzens zentrisch eine mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte, im wesentlichen kugelförmige Höhlung, gewissermaßen eine Blase mit einem nach außen füh­ renden Leitungsanschluß vorgesehen sein. Diese Blase könnte dann von außen zu einem hubunabhängigen Zeitpunkt innerhalb des Preßzyklus' mit einem Druck eines bestimmten zeitlichen bzw. hubabhängigen Verlaufes beaufschlagt werden, wodurch ebenfalls eine tonnenförmige Ausbauchung des mittleren, gum­ mielastischen Teils 45 des Kernbolzens erreicht werden könn­ te. Eine hydraulische Aufweitung des mittleren Kernbolzen­ teils ist zwar baulich komplizierter als eine rein hubabhän­ gig veranlaßte Aufweitung mit einem passiven und massiven Gummiteil 45, 45', jedoch hat ein ausschließlich hydraulisch beaufschlagbares und aufweitbares Gummiteil den Vorteil, daß nicht nur die Aufweitung des Gummiteils, sondern auch die Rückbildung derselben zu einer zylindrischen Form hubunab­ hängig veranlaßt werden kann.

Nachfolgend soll nun noch der andere Weg der Erfindung zur Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe anhand der in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden, wobei die dort gezeigten Ventile 21 bzw. 31 zunächst wieder bezüglich ihrer prinzipiellen Übereinstimmungen vor­ gestellt werden. Diese Ventile setzen voraus, daß der Ven­ tilteller mehrteilig ausgebildet ist und aus einem schweiß­ baren Werkstoff besteht, wobei beim Tellerwekstoff ein ge­ ringerer Temperaturausdehnungskoeffzient als beim Schaft­ werkstoff (Stahl) zwar nicht Voraussetzung aber selbstver­ ständlich vorteilhaft ist. Es soll in dem hohlen und in sich mehrteiligen Ventilteller durch eine Bauteilelastizität in­ nerhalb dieses Bauteils, d. h. in dem membranartigen Boden des Ventiltellers, eine ausreichende Vorspannkraftreserve geschaffen werden.

Zu diesem Zweck ist bei beiden Ventilvarianten nach den Fig. 3 und 4 übereinstimmend der mehrteilige, als Hohlkör­ per ausgebildete Ventilteller 23 bzw. 33 aus einem kegelför­ migen Oberteil 27, 37 und aus einem scheibenförmigen Teller­ boden 28, 38 zusammengesetzt, wobei die beiden Teile 27 und 28 bzw. 37 und 38 entlang einer ringförmigen Schweißnaht 29, 29', 39 miteinander verschweißt sind. Nur am kegelförmigen Oberteil 27, 37 ist oberseitig eine Mittenöffnung 24, 34 zur Durchführung des Ventilschaftes vorgesehen. Die axiale Bau­ teilelastizität des Tellerbodens 28, 38 ist wesentlich grö­ ßer als die axiale Bauteilelastizität des in soweit mög­ lichst steifen, kegelförmigen Oberteils 27, 37. In dem in den Hohlkörper 23, 33 hineinragenden Teil des Ventilschafts 22, 32 ist nahe des tellerseitigen Endes ein radial abste­ hender Bund 26, 36 angeordnet. Die oberseitige Querschnitts­ kontur 26', 36' des Bundes stimmt mit der innenseitigen Querschnittskontur 25, 35 des Hohlraums des kegelförmigen Oberteils 27, 37 überein, so daß der Bund innenseitig am ke­ gelförmigen Oberteils vollflächig und unter mechanischer Vorspannung anliegen kann. Der Abstand der oberseitigen Querschnittskontur 26', 36' des radial abstehenden Bundes 26, 36 vom tellerrnahen Ende des Ventilschaftes 22, 32 ist um ein bestimmtes, innerhalb der Bauteilelastizität des Tel­ lerbodens 28, 38 liegendes Maß A größer als der lichte axia­ le Freiraum innerhalb des geschlossenen Hohlkörpers des Ven­ tiltellers 32, 33, wie dies in der Vergrößerung eines De­ tails in Fig. 3 angedeutet ist. Nach dem Fügen von kegel­ förmigen Oberteil 27, 37, Ventilschaft 22, 32 und Tellerbo­ den 28, 38 wird letzterer in der Weise axial verspannt, daß der Rand des Tellerbodens 28, 38 und der Rand des kegelför­ migen Oberteils 27, 37 unmittelbar aufeinander liegen. Im axial verspannten Zustand von kegelförmigen Oberteil und Tellerboden wird die ringförmigen Schweißnaht 29, 29', 39 gelegt. In dem so hergestellten Einbauzustand steht der Tel­ lerboden 28, 38 axial unter einer hohen mechanischen Biege- Vorspannung. Die Stirnseite des Ventilschaftes 22, 32 stützt sich dabei axial unter mechanischer Vorspannung zentrisch an der Innenseite des Tellerbodens 28, 38 ab.

Durch die Bauteilelastizität des vorgespannten, membranarti­ gen Tellerbodens an dem hohlen Ventilteller wird eine aus­ reichend hohe Vorspannkraftreserve innerhalb der Verbindung zwischen Ventilschaft 22 bzw. 32 einerseits und Ventilteller 23 bzw. 33 andererseits geschaffen. Aufgrund dieser Vor­ spannkraftreserve bleibt innerhalb des gesamten, vorkommen­ den Temperaturspektrums stets eine ausreichend hohe Vorspan­ nung in der Verbindung erhalten. Es kommt hinzu, daß der Temperaturausdehnungskoeffizient α der für den Ventilteller verwendeten, schweißbaren Leichtbauwerkstoffe, wie Titanalu­ minid oder Titan/Aluminium-Legierung, niedriger ist als der von Stahl, dem Werkstoff des Ventilschaftes. Aufgrund dieser unterschiedlichen Temperaturdehnungen der verbundenen Teile kommt es mit zunehmender Temperatur zu einer Erhöhung der Vorspannung in der Verbindung.

Bevor auf die Besonderheiten der einzelnen, bisher gemeinsam geschilderten Ventile 21 bzw. 31 eingegangen wird, sei vorab der Vollständigkeit halber noch auf die ringförmige Schweiß­ naht 29 bzw. 39 näher eingegangen. In beiden Ausführungsbei­ spiel der Fig. 3 und 4 erstrecken sich die Schweißfuge und die ihr folgende Schweißnaht 29 zwischen dem scheiben­ förmigen Tellerboden 28, 38 und dem kegelförmigen Oberteil 27, 37 des hohlen Ventiltellers 23, 33 entlang einer zylin­ drischen oder konischen Fläche. In Fig. 3 ist eine Alterna­ tivform bzw. -lage der Schweißfuge bzw. Schweißnaht 29' strichpunktiert angedeutet, die grundsätzlich auch für das Hohlschaftventil 32 nach Fig. 4 in Frage kommen könnte. Bei dieser strichpunktiert angedeuteten Alternative erstrecken sich die Schweißfuge und die ihr folgende Schweißnaht 29' zwischen dem scheibenförmigen Tellerboden 28 und dem kegel­ förmigen Oberteil 27 des hohlen Ventiltellers 23 in einer achssenkrechten Ebene. Der Vorteil dieser Alternative be­ steht in einer geringfügig größeren Biege-"länge" des mem­ branartigen Tellerbodens im Vergleich zu der in vollen Lini­ en dargestellten Alternative, was eine höhere Vorspannkraf­ treserve erwarten läßt. Nachteilig daran ist jedoch, daß die Schweißnaht von ihrer Wurzel her im Sinne eines Spreizens der verschweißten Teile beansprucht wird, was eine besonders ungünstige Belastungsform für Schweißnähte darstellt. Außer­ dem liegt die Schweißnaht bedenklich nahe an der mechanisch hoch beanspruchten Dichtfläche des Ventiltellers. Bezüglich beider Gesichtspunkte stellt die in vollen Linien darge­ stellte Alternative die vorteilhaftere Lösung dar.

Um den Ventilteller verkantungssicher am Ventilschaftende befestigen zu können, ist es von Vorteil, wenn die axial un­ ter mechanischer Vorspannung sich zentrisch an der Innensei­ te des Tellerbodens 28, 38 abstützende Stirnseite des Ven­ tilschaftes 22, 32 am Tellerboden 28, 38 mechanisch zen­ triert ist. Bei dem Vollschaftventil 21 nach Fig. 3 ge­ schieht dies durch einen am Schaftende angearbeiteten Zen­ trierzapfen 30, der formschlüssig in eine abgestimmte Zen­ trierbohrung 20 auf der Innenseite des Tellerebodens 28 ein­ greift. Bei dem Hohlschaftventil 31 nach Fig. 4 wird zur Zentrierung des Ventilschaftendes am Tellerboden die zylin­ drische Innenoberfläche 32' des hohlen Ventilschaftes 32 ausgenützt. Dementsprechend ist in der Mitte des Tellerbo­ dens 38 ein kleiner auf das Innenmaß des Hohlschaftes abge­ stimmter Zentrierzapfen 40 vorgesehen, der formschlüssig in die zylindrische Innenoberfläche des Ventilschaftes ein­ greift.

Durch die in Fig. 4 dargestellte Alternative des gebauten Ventils soll gezeigt werden, daß auch bei Einsatz des zwei­ ten Lösungsweges mit Vorspannkraftreserve innerhalb des hoh­ len Ventiltellers nicht nur ein Vollquerschnitt-Ventilschaft 22 (Fig. 3) sondern auch ein hohler Ventilschaft 32 in Fra­ ge kommen kann, wodurch das gebaute Ventil um ein gewisses Maß leichter gestaltet werden kann. Die in Fig. 4 gezeigte Form des Hohlschaftes 32 kann aus einem Rohrstück beispiels­ weise im Rollfließverfahren rationell hergestellt werden.

Claims (25)

1. Gebautes Ventil (1, 11) für Hubkolbenmaschinen, bestehend aus einem Ventilschaft (2, 12) und aus einem baulich ge­ sonderten Ventilteller (3, 13), mit einer am Ventilteller (3, 13) vorgesehenen, bis zur Brennraumseite des Ventil­ tellers (3, 13) durchgehend ausgebildeten, d. h. an der Brennraumseite offenen Mittenöffnung (4, 14) zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes (2, 12), wo­ bei eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, innerhalb der Mittenöffnung (4, 14) verbleibende, hinterschnittene Erweiterung (5, 15) im Ventilteller (3, 13) vorgesehen ist, die in ihrem Querschnitt entsprechend einer sich beim axialen Warmstauchen einstellenden freien Material­ verdickung mit harmonisch gerundeten Übergängen ausgebil­ det ist, ferner mit wenigstens einer beim tellerseitigen Ende des Ventilschaftes (2, 12) angebrachten, als eine axiale Stauchung des Materialquerschnittes des Schaftroh­ lings (2', 12') ausgebildete Verdickung (6, 16), die in die tellerseitige, hinterschnittene Erweiterung (5, 15) der Mittenöffnung (4, 14) derart eingreift, dass die tel­ lerseitige hinterschnittene Erweiterung (5, 15) die schaftseitige Verdickung (6, 16) axial übergreift und letztere durch die tellerseitige hinterschnittene Erwei­ terung (5, 15) axial eingeklemmt ist, wobei eine form­ schlüssige, sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung be­ lastbare, als auch verkantungssichere Verbindung zwischen dem Ventilschaft und dem Ventilteller zustande kommt.

2. Gebautes Ventil (21, 31) für Hubkolbenmaschinen, beste­ hend aus einem Ventilschaft (22, 32) und aus einem bau­ lich gesonderten Ventilteller (23, 33),
mit einer am Ventilteller (23, 33) vorgesehenen Mitten­ öffnung (24, 34) zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes (22, 32), wobei innerhalb der Mit­ tenöffnung (24, 34) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, hinterschnittene Erweiterung vorgesehen ist, in die der Ventilschaft (22, 32) mit seinem tel­ lerseitigen Ende formschlüssig eingreift, so dass eine sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung belastbare, als auch verkantungssichere Verbindung zwischen dem Ventilschaft (22, 32) und dem Ventilteller (23, 33) zu­ stande kommt,
der Ventilteller (23, 33) ist als ein aus einem kegel­ förmigen Oberteil (27, 37) und aus einem scheibenförmi­ gen, mit dem Oberteil (27, 37) verschweißten (29, 29', 39) Tellerboden (28, 38) bestehender Hohlkörper ausge­ bildet, der nur am kegelförmigen Oberteil (27, 37) zur oberseitigen Durchführung des Ventilschaftes (22, 32) zentrisch offen ist (Mittenöffnung 24, 34),
die axiale Bauteilelastizität des Tellerbodens (28, 38) ist wesentlich größer als die axiale Bauteilelastizität des in soweit möglichst steifen, kegelförmigen Ober­ teils (27, 37),
in dem in den Hohlkörper (23, 33) hineinragenden Teil des Ventilschafts (22, 32) ist ein radial abstehender Bund (26, 36) angeordnet, dessen oberseitige Quer­ schnittskontur (26', 36') mit der innenseitigen Quer­ schnittskontur (25, 35) des Hohlraums des kegelförmigen Oberteils (27, 37) übereinstimmt und dort unter mecha­ nischer Vorspannung anliegt,
die Stirnseite des Ventilschaftes (22, 32) stützt sich axial unter mechanischer Vorspannung zentrisch an der Innenseite des Tellerbodens (28, 38) ab,
im Einbauzustand steht der Tellerboden (28, 38) axial unter einer mechanischen Biege-Vorspannung, derart dass der Außenrand des Tellerbodens (28, 38) - im Vergleich zur Axiallage des Außenrandes im entspannten Zustand - im Rahmen der Bauteilelastizität in Richtung zur brenn­ raumabgewandten Seite des Ventiltellers (23, 33) hin axial versetzt ist (Versatzmaß A).

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (12) hohl ausgebildet und die schaftseitig angestauchte Materialverdickung (16) aus der Wandung des Hohlschaftes (12) gebildet ist, wobei die Innenwandung im axialen Bereich der angestauchten Materialverdickung (16) zylindrisch ausgebildet ist, und dass der Hohlschaft (12) brennraumseitig verschlossen (12''') ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der angestauchte Schaftrohling (12') stumpf an der Axialposi­ tion der Brennraumseite des Ventiltellers endigt und dass der brennraumseitige Verschluss des Hohlschaftes (12) durch einen endseitig eingeschweißten Stopfen (12''') ge­ bildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (3, 13) aus einem Werkstoff mit einem gerin­ geren Temperaturausdehnungskoeffizienten als Stahl, dem Werkstoff des Ventilschaftes (2, 12), besteht.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einer Keramik bestehende Ventilteller (3) seinerseits aus zwei durch Sintern miteinander Verbundenen Formteilen (7, 8) besteht, wobei eine Teilungsfuge zwischen den bei­ den Formteilen (7, 8) axial an der Position des größten Durchmessers der sich in Umfangsrichtung erstreckende Er­ weiterung (5) liegt.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Formteile (7, 8) des Ventiltellers (3) durch eine im Außenbereich angenähert zylindrische Teilungsfuge mit geringer Konizität zueinander zentriert sind.

8. Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Formteile (7, 8) des Ventiltellers (3) aus der selben Keramik bestehen und dass die Fuge, entlang der die beiden Formteile (7, 8) miteinander verbunden sind, mit einem bei Erschmelzung chemisch irreversibel mit der verwendeten Keramik reagierenden Metall und/oder metall­ ähnlichen Element oder mit einer darauf basierenden Le­ gierung dotiert ist.

9. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich axial unter mechanischer Vorspannung zentrisch an der Innenseite des Tellerbodens (28, 38) abstützende Stirnseite des Ventilschaftes (22, 32) durch ein Paar von aufeinander abgestimmten, schaftseitigen bzw. bodenseiti­ gen Zylinderflächen (20 und 30; 32' und 40) am Tellerbo­ den (28, 38) mechanisch zentriert ist.

10. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (32) und der radial abstehende Bund (36) hohl ausgebildet sind, wobei der radial abstehende Bund (36) aus der Wandung des Hohlschaftes (32) gebildet ist.

11. Ventil nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innenseitig am Tellerboden (38) unter Vorspannung anlie­ gende und dort stumpf endigende Hohlschaft (32) durch ei­ nen vom Tellerboden aufragenden Zapfen (40) zentriert ist, der im Durchmesser auf die zylindrische Innenober­ fläche (32') des hohlen Ventilschaftes (32) abgestimmt ist.

12. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfuge und die ihr folgende Schweißnaht (29') zwi­ schen dem scheibenförmigen Tellerboden (28) und dem ke­ gelförmigen Oberteil (27) des hohlen Ventiltellers (23) sich in einer achssenkrechten Ebene erstrecken.

13. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfuge und die ihr folgende Schweißnaht (29) zwi­ schen dem scheibenförmigen Tellerboden (28, 38) und dem kegelförmigen Oberteil (27, 37) des hohlen Ventiltellers (23, 33) sich entlang einer zylindrischen oder konischen Fläche erstrecken.

14. Verfahren zum Herstellen eines gebauten Ventils (1, 11) für Hubkolbenmaschinen, insbesondere zum Herstellen eines Ventils nach Anspruch 1, welches aus einem Ventilschaft (2, 12) und aus einem baulich gesonderten Ventilteller (3, 13) besteht, mit einer im Ventilteller (3, 13) ange­ brachten Mittenöffnung (4, 14) zur Aufnahme des teller­ seitigen Endes des Ventilschaftes (2, 12), die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, innerhalb der Mittenöff­ nung (4, 14) verbleibende, hinterschnittene Erweiterung (5, 15) enthält, in die wenigstens eine beim tellerseiti­ gen Ende des Ventilschaftes (2, 12) angebrachte Verdi­ ckung (6, 16) formschlüssig eingreift, bei welchem Ver­ fahren die sich in Umfangsrichtung erstreckende Erweite­ rung (5, 15) der Mittenöffnung (4, 14) des Ventiltellers (3, 13) in ihrem Querschnitt entsprechend einer sich beim axialen Warmstauchen einstellenden freien Materialverdi­ ckung mit harmonisch gerundeten Übergängen ausgebildet wird und dass die schaftseitige Verdickung (6, 16) durch axiales Stauchen des Materialquerschnittes des auf Warm­ umformtemperatur erwärmten, in die Mittenöffnung (4, 14) eingeführten Schaftrohlings (2', 12') erzeugt wird, wobei der Ventilteller (3, 13) ebenfalls auf eine erhöhte Tem­ peratur erwärmt wird und wobei der zu stauchende Schaftrohling (2', 12') ober- und unterhalb des Ventil­ tellers (3, 13) außenseitig durch ein Stützwerkzeug (50, 51, 52) axial gleitbar abgestützt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (13) während des Stauchens des Schaftroh­ lings (12') mindestens auf Warmumformtemperatur des Werk­ stoffs des Schaftrohlings (12') erwärmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Mittenöffnung (14) sich in Umfangsrichtung erstreckende, hinterschnittene Erweiterung (15) durch ei­ nen entsprechend geformten, verlorenen Kern einer Gieß- oder Pressform erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus einem vorgefertigten Ventiltellergrünling ge­ sinterten Ventilteller, dessen Ventiltellergrünling aus einem sinterbaren Pulver fomggepresst wird, die sich in Umfangsrichtung erstreckende Erweiterung (15) der Mitten­ öffnung (14) durch einen wiederverwendbaren Kern (43, 44, 45, 45') erzeugt wird, welcher zumindest teilweise aus einem gummielastischen Material besteht, der bei der Her­ stellung des Ventiltellergrünlings, d. h. während des Ver­ dichtungsvorganges des Pulvers, axial gestaucht und/oder hydraulisch aufgeweitet wird und dabei die Erweiterung (15) selbsttätig ausbildet.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der innerhalb der Mittenöffnung (4) sich in Um­ fangsrichtung erstreckenden, hinterschnittenen Erweite­ rung (5) der Ventilteller (3) seinerseits aus zwei mit­ einander verbundenen Formteilen (7, 8) hergestellt wird, wobei der Ventilteller (3) durch eine Teilungsfuge in die beiden Formteile (7, 8) unterteilt wird, die sich zumin­ dest teilweise in der Ebene des größten Durchmessers der Erweiterung (5) erstreckt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden aus einer gleichen Keramik bestehenden Formteile (7, 8) unter Verwendung eines solchen Lotes miteinander verlötet werden, welches aus einem Metall und/oder me­ tallähnlichen Element oder aus einer Legierung daraus be­ steht, welches bei Erschmelzung chemisch irreversibel mit der verwendeten Keramik reagiert.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden aus einem schweißbaren oder hartlötbaren Werkstoff bestehenden Formteile (7, 8) miteinander verschweißt bzw. verlötet werden.

21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wäh­ rend des Stauchen eines Hohlschaftes (12) dieser zusätz­ lich innenseitig durch einen in das Innere des Holschaf­ tes (12) einzuführenden Stützdorn (52) abgestützt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 14 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftrohling (2', 12') nur lokal, nämlich im axialen Be­ reich der Umformung, auf Umformtemperatur erwärmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung des Schaftrohlings (2', 12') auf Umform­ temperatur durch eine widerstandselektrische Beheizung (54, 55) des Schaftrohlings (2', 12') erzeugt und/oder aufrecht erhalten wird.

24. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (3, 13) vor und während des Stauchens des Schaftrohlings (2', 12') durch wenigstens eine auf ihn gerichtete, offene Flamme (Brenner 56) erwärmt wird.

25. Verfahren zum Herstellen eines gebauten Ventils (21, 31) für Hubkolbenmaschinen, insbesondere zum Herstellen eines Ventils nach Anspruch 2, welches aus einem Ventilschaft (22, 32) und aus einem baulich gesonderten Ventilteller (23, 33) besteht, der eine Mittenöffnung (24, 34) zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes (22, 32) enthält, in die der Ventilschaft (22, 32) mit seinem tellerseitigen Ende formschlüssig eingreift, so dass eine sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung belastbare, als auch verkantungssichere Verbindung zwischen dem Ventil­ schaft (22, 32) und dem Ventilteller (23, 33) zustande kommt, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - es wird ein axial möglichst steifes, kegelförmiges O­ berteil (27, 37) eines hohlen Ventiltellers (23, 33) sowie ein gesonderter scheibenförmiger, bezüglich der axialen Bauteilelastizität wesentlich weicher als das kegelförmige Oberteils (27, 37) ausgebildete Tellerbo­ den (28, 38) jeweils aus einem schweißbaren Leichtbau- Werkstoff hergestellt, wobei nur am kegelförmigen Ober­ teil (27, 37) eine zentrische Öffnung (24, 34) zur o­ berseitigen Durchführung des Ventilschaftes (22, 32) ausgespart wird,
• - es wird ferner ein Ventilschaft (22, 32) mit einem ra­ dial abstehenden Bund (26, 36) im Bereich des tellerna­ hen Endes hergestellt, wobei die oberseitige Quer­ schnittskontur (26', 36') des radial abstehenden Bundes (26, 36) mit der innenseitigen Querschnittskontur (25, 35) des Hohlraums des kegelförmigen Oberteils (27, 37) übereinstimmt und wobei der Abstand der oberseitigen Querschnittskontur (26', 36') des radial abstehenden Bundes (26, 36) vom tellernahen Ende des Ventilschaf­ tes (22, 32) um ein bestimmtes, innerhalb der Bauteil­ elastizität des Tellerbodens (28, 38) liegendes Maß (A) größer ist als der lichte axiale Freiraum innerhalb des geschlossenen Hohlkörpers des Ventiltellers (32, 33),
• - nach dem Fügen von kegelförmigen Oberteil (27, 37), Ventilschaft (22, 32) und Tellerboden (28, 38) wird letzterer in der Weise axial verspannt, dass der Rand des Tellerbodens (28, 38) und der Rand des kegelförmi­ gen Oberteils (27, 37) unmittelbar aufeinander liegen, und
• - unter Aufrechterhaltung des so erzeugten, axial verspannten Zustands des Tellerbodens (28, 38) wird dieser mit dem kegelförmigen Oberteil (27, 37) verschweißt (29, 29', 39).