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 Ventilschaf , 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 (Figuren 4 und 5) ist der Ventilkegel von einem separaten Blechbauteil gebildet, das mit dem Ventilschaft und dem Ventilkegel verschweißt ist. Hierzu wird das durchmessergrößere Ende des Ventilkegels stirnseitig in Gegenüberlage mit einer auf der dem Ventilkegel zugewandten Flachseite des Ventiltellers befindlichen Ringfläche gebracht. Die exakte Ausrichtung von Ventilkegel und Ventilteller zueinander ist auf Grund der nur kleinen Anlagekontaktflächen dieser Teile äußerst schwierig. Darüber hinaus sind die Möglichkeiten der Schweißnahtgestaltung in den Anbindungsbereichen des Ventilkegels an den Ventilteller sowie den Ventilschaft begrenzt .
Da bei dem vorstehend genannten Leichtbauventil der Ventilteller auf Grund des Hohlraums im Ventilkegel auf einer großen Fläche nicht abgestützt ist und der Ventilkegel zudem nur eine geringe Wandstärke aufweist, kann der Ventil- teller 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 Ventilkegels kommen. Um dies zu verhindern, ist in der DE 198 04 053 AI vorgeschlagen, den Ventilschaft so lang auszuführen, dass er stirnseitig auf der dem Brennraum abgewandten Flachseite des Ventiltellers anliegt, wodurch dieser abgestützt wird. Dabei können der hohle oder aus Vollmaterial bestehende Ventilschaft und der Ventilteller in ihrem Anlagebereich miteinander verschweißt sein. Alternativ ist vorgeschlagen, den Ventilschaft und den Ventilteller einstückig, das heißt als ein Teil zu fertigen. Bei anderen Alternativen 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 dessen Einzelteile auf Grund ihrer durch die jeweilige Konstruktion vorgegebenen Geometrie teilweise nur aufwendig herstellbar sind und dass ein präzises Ausrichten der Einzelteile gegeneinander vor dem Fügeprozess nur mit hohem Aufwand realisierbar ist .
Aus der US 24 39 240 geht ein Leichtbauventil hervor, bei dem der hohle Ventilkegel am Ventilschaftende angeformt ist und bei dem Mittel zur Abstützung des Ventilkegels und des Ventiltellers vorgesehen sind, die von im Ventilkegel- hohlraum angeordneten Verstärkungsrippen gebildet sind. Die Verstärkungsrippen verbessern zudem die Wärmeabfuhr aus dem Ventilteller. Die Verstärkungsrippen sind einstü-
ckig am Ventilteller oder dem Ventilkegel ausgebildet oder alternativ als separates Tragwerk in den Ventilkegelhohlraum eingelegt .
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu dem Leichtbauventil der eingangs genannten Art zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leichtbauventil mit den Merkmalen des .Anspruchs 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilkegelabstützmittel in einem Abstand vom Ventilteller vorgesehen sind. Die Abstützmittel weisen neben ihrer eigentlichen Funktion, nämlich Abstützung des hohlen, dünnwandigen Ventilkegels eine weitere Funktion auf, nämlich die exakte Anordnung des Ventilkegels -in Richtung der Längsmittelachse des Leichtbauventils gesehen- in axialer Richtung relativ gegenüber dem Ventilteller. Die Ausgestaltung und Anordnung der Abstützmittel relativ gegenüber dem Ventilteller ist vorzugsweise so gewählt, dass bei ordnungsgemäß zusammengefügtem Leichtbauventil der Ventilkegel mittels der Abstützmittel gegenüber dem Ventilteller in einem in Richtung der Längsmittelachse des Ventilschafts beziehungsweise des Leichtbauventils gemessenen axialen Abstand so angeordnet ist, dass die Fügeflächen des Ventiltellers und des Ventilkegels in deren Anbindungsbereich in gewünschter Weise zueinander angeordnet sind, damit sie nachfolgend ohne weitergehendes Ausrichten miteinander -vorzugsweise mittels Stoffschluss- verbunden werden können.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils ist vorgesehen, dass die Ventilkegelabstützmittel einstückig mit dem Ventilschaft ausgebildet sind. Diese können beispielsweise an den Ventilschaft angeformt und von einer Verdickung, also einer partiellen Durchmesserer- weiterung des Ventilschafts gebildet sein. Der Ventilkegel
wird hier auf den Ventilschaft aufgesteckt und gelangt durch Verschiebung in axialer Richtung in Anlagekontakt mit den Abstützmitteln, die daher als Anschlag für den Ventilkegel dienen. In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ventilschaft mit seiner Stirnfläche in Anlagekontakt mit dem Ventilteller steht, so dass dieser vom Ventilschaft auf seiner dem Brennraum abgewandten Flachseite abgestützt ist. Die im Betrieb des Leichtbauventils auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte werden daher zumindest größtenteils direkt in den Ventilschaft eingeleitet .
Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ventilkegelabstützmittel an einem am Ventilteller angeformten oder daran befestigten, die dem Ventilkegel zugewandte Flachseite domartig überragenden Schaftverbindungsglied ausgebildet sind. Dabei ist das den Ventilteller mit dem Ventilschaft verbindende Schaftverbindungsglied in einfachster Ausführungsform als Zapfen ausgebildet, der mit einer Verdickung, also einem durchmessergrößeren Längsabschnitt versehen ist. Bei dieser Aus- führungsform wird der Ventilkegel auf das vorzugsweise in der Mitte des Ventiltellers angeordnete Schaftverbindungsglied aufgesteckt. Dabei legen die Abstützmittel die exakte Position des Ventilkegels relativ gegenüber dem Ventilteller fest und stützen diesen zudem ab. Auf Grund der Anbindung des Ventiltellers über das in seinem mittleren Bereich vorgesehen Schaftverbindungsglied an den Ventilschaft 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 annä-
hernd 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 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 Ventilteller 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 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.
Weitere 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 Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Leichtbauventils für Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ventilkegels des in Figur 1 dargestellten Leichtbauventils;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Ventiltellers des in Figur 1 dargestellten Leichtbauventils und
Fig. 4 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbei- spiels des Leichtbauventils in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung.
Figur 1 zeigt ein erstes 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 (Kegelventil) umfasst einen Ventilschaft 3, einen von einem Blechbauteil gebildeten, hohlen Ventilkegel 5 sowie einen den Ventilkegel 5 verschließenden Ventilteller 7.
Der hier beispielhaft aus Vollmaterial bestehende Ventilschaft 3 weist zumindest über einen Teil seiner Länge einen konstanten, kreisförmigen Querschnitt auf.
Der Ventilteller 7 ist auf seiner im Betrieb des Leichtbauventils 1 dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Flachseite mit einer Vertiefung 9 versehen, in die der Ventilkegel 7 mit seinem durchmessergrößeren Ende hineinragt, wie aus Figur 1 ersichtlich. Die Vertiefung 9 ist dabei so ausgebildet, dass der Übergang zwischen dem Ventilteller 7 und dem Ventilkegel 5 in deren Anbindungsbe- reich stufenlos ist. Mittels des Ventiltellers 7 wird der Hohlraum des Ventilkegels 5 verschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Boden der Vertiefung 9 eben ausgebildet. Der Durchmesser der Vertiefung 9 und der Außendurchmesser des Ventilkegels 5 an seinem durchmessergrößeren Ende sind gleich groß beziehungsweise in etwa gleich groß.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, die eine Einzeldarstellung des Ventiltellers 7 zeigt, weist die Vertiefung 9 in ihrem Randbereich eine umlaufende Randstufe 11 auf, die zur Abstützung beziehungsweise als Anlageschulter für den Ventilkegel 5 dient. Im zusammengebauten Zustand des Leichtbauventils 1 ist die am durchmessergrößeren Ende befindliche Stirnfläche 12 des in die Vertiefung 9 eingreifenden Ventilkegels 5 in Anlagekontakt mit der Randstufe 11. Festzuhalten ist, dass die Vertiefung 9 beziehungsweise die Randstufe 11 einen Zentrier- und Abstützsitz für den Ventilkegel 5 bildet .
Der Ventilteller 7 ist scheiben örmig ausgebildet und weist einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt 13 mit gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden, kegligen, das heißt kegelstumpfförmigen zweiten Längsabschnitt 15 auf, wobei der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts 15 gleich groß wie der Kegelwinkel des Ventilkegels 7 an seinem durchmessergrδßeren Ende ist, wo-
durch ein stufenloser Übergang im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisiert ist, wie in Figur 1 dargestellt. Die Mantelfläche des LängsabSchnitts 15 bildet üblicherweise die Dichtfläche des Leichtbauventils 1.
Der Ventilteller 7 weist auf seiner die Vertiefung 9 aufweisenden Flachseite ein Schaftverbindungsglied 17 auf, das einstückig mit dem Ventilteller 7 ausgebildet ist und sich in dessen Mitte befindet. Das Schaftverbindungsglied 17 ist an seinem freien Ende mit dem Ventilschaft 3 verbunden, was beispielsweise durch Reibschweißen realisierbar ist. Die Länge des Schaftverbindungsglieds 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass bei zusammengesetztem Leichtbauventil 1 der Anbindungsbereich zwischen Schaftverbindungsglied 17 und Ventilschaft 3 außerhalb des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist. Diese Ausgestaltung bietet sowohl die Möglichkeit, zunächst den Ventilkegel 5 mit dem Ventilteller 7 und dem Schaftverbindungsglied 17 zu verbinden und erst nachfolgend den Ventilschaft 3 mit dem Ventilteller 7 als auch die alternative Verfahrensvariante, dass in einem ersten Schritt der Ventilschaft 3 mit dem Schaftverbindungsglied 17 und erst in einem zweiten Schritt der Ventilkegel 5 mit dem Ventilteller 7 und dem Schaftverbindungsglied 17 verbunden werden.
Das Schaftverbindungsglied 17 weist in seinem Anbindungsbereich an den Ventilschaft 3 den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Form wie der Ventilschaft 3 auf, wodurch ein stufenloser Übergang realisierbar ist.
Am Schaftverbindungsglied 17 sind Mittel zur partiellen, innenseitigen Abstützung des dünnwandigen Ventilkegels 5 vorgesehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel von einer an das Schaftverbindungsglied 17 angeformten Verdickung 19 gebildet sind, die sich -in Richtung der Längsmittelachse
20 des Leichtbauventils 1 gesehen- mit axialem Abstand vom Boden der Vertiefung 9 beziehungsweise der dem Ventilkegel 5 zugewandten Flachseite des Ventiltellers 7 befindet. Die Verdickung 19 weist eine bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 umlaufend ausgebildete, konische Abstützflache 21 auf, die im Anlagekontakt mit einem Innenwandbereich 23 des Ventilkegels 5 steht, wodurch der Ventilkegel 5 abgestützt ist. Die Kontur der Abstützflache 21 ist komplementär zum Innenwandbereich 23 ausgebildet, wodurch eine vollflächige Anlage dieser Flächen gewährleistet werden kann.
Der Abstand der Verdickung 19 vom Ventilteller 7 und deren Ausgestaltung ist derart, dass der auf das Schaftverbindungsglied 17 aufgesteckte Ventilkegel 5 sowohl gegenüber dem Ventilteller 7 zentriert als auch in einem solchen Abstand vom Ventilteller 7 gehalten ist, dass der Ventilkegel 5 mit seinem durchmessergrößeren Ende in gewünschter Weise in die Vertiefung 9, das heißt in die Randstufe 11 hineinrag .
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ventilkegel 5 weist insgesamt eine Trichterform auf, die durch einen Grundkörper in Form einer Tellerfeder und einen am durchmesserkleineren Ende des Grundkörpers anschließenden, kra- genförmigen Führungs- und Zentrierabschnitt 25 gebildet ist, wobei der Führungs- und Zentrierabschnitt 25 von einer Durchgangsöffnung 27 durchdrungen ist, durch die das Schaftverbindungsglied 17 im zusammengefügten Zustand hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 27 ist gleich groß wie oder größer als der Außendurchmesser des Schaftverbindungsglieds 17, so dass dieses die Durchgangs- Öffnung 27 entweder mit Spiel durchgreift oder eine Kraft- Schlussverbindung zwischen Schaftverbindungsglied 17 und Ventilkegel 7 gebildet ist. Beim Aufstecken des Ventilke-
gels 7 auf das Schaftverbindungsglied 17 erfolgt auf Grund des Führungs- und Zentrierabschnitts 25 selbsttätig eine bezüglich der Längsmittelachse 20 des Leichtbauventils radiale Ausrichtung/Zentrierung dieser Teile zueinander. Auf Grund der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des Leichtbauventils 1 wird der Ventilkegel 5 an seinem durchmesserkleineren Ende auch mittels der Verdickung 19 zentriert und zudem abgestützt. Die Abstützung und Zentrierung des Ventilkegels 5 an seinem durchmessergrößeren Ende erfolgt mittels der Vertiefung 9 beziehungsweise der Randstufe 11.
Festzuhalten bleibt noch, dass der Ventilkegel 5 im Bereich seines Führungs- und Zentrierabschnitts 25 eine reduzierte Wandstärke aufweist, so dass er sich an die Außenseite des Schaftverbindungsglieds 17 quasi anschmiegt. Dadurch wird ein Übergang zwischen Ventilkegel 5 und Schaftverbindungsglied 17 realisiert, der eine nur geringe Stufe aufweist. Um in diesem Bereich einen stufenlosen Ü- bergang zu schaffen, kann das Schaftverbindungsglied 17 auf seiner Außenseite im Bereich seines freien Endes eine entsprechende Verjüngung aufweisen.
Die Befestigung des Ventilkegels 5 am Schaftverbindungsglied 17 kann Stoff-, kraft- und/oder formschlüssig erfolgen. Dabei steht auf Grund des Führungs- und Zentrierabschnitts 25 und der Abstützflache 21 eine vergrößerte Anlagekontaktfläche zwischen Ventilkegel 5 und Schaftverbindungsglied 17 zur Verfügung, was das Fügen dieser Teile insgesamt vereinfacht. Vorzugsweise wird der Ventilkegel 5 mit dem Schaftverbindungsglied 17 verschweißt oder verlötet. Die Verbindung zwischen Ventilkegel 5 und Ventilteller 7 in deren Anbindungsbereich, nämlich am Rand der Vertiefung 9, erfolgt vorzugsweise auch mittels Stoff- schluss .
Das anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebene Ausführungsbeispiel des Leichtbauventils 1 zeichnet sich durch geringe Wandstärken der einzelnen Teile, insbesondere des Ventilkegels 7, und somit durch ein nur geringes Gewicht aus. Vorteilhaft ist weiterhin, dass mittels des Schaftverbindungsglieds 17 nicht nur der Ventilkegel 5 bereichsweise abgestützt wird, sondern gleichzeitig auch eine gewünschte Ausrichtung und Positionierung von Ventilkegel zu Ventil- teller erfolgt . Die im Betrieb des Leic tbauventils 1 auf den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter Weise über das mittig angeordnete Schaftverbindungsglied 17 direkt in den Ventilschaft 3 eingeleitet. Auf Grund des vorstehend genannten konstruktiven Aufbaus 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.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels des Leichtbauventils 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 3 verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Ventilkegel 5 eine einfachere, kostengünstiger herstellbare Form aufweist, nämlich die einer Tellerfeder. Vorteilhaft ist ferner, dass am Übergang zwischen Ventilkegel 5 und Ventilschaft 3 keine Stufe besteht, so dass praktisch keine Gasturbulenzen an dieser Stelle erzeugt werden. Die Zentrierung des Ventilkegels 5 an seinem durchmesserkleineren Endbereich erfolgt hier ausschließlich über die die konische Abstütz- flache 21 aufweisende Verdickung 19.
Festzuhalten bleibt noch, dass der Ventilschaft 3, der Ventilteller 7 sowie das Schaftverbindungsglied 17 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Die Verbindung zwischen Ventilteller 9 und Ventilschaft 3 über das Schaftverbindungsglied 17 kann mittels Reib-, Strahl-, Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen erfolgen. Das Verbinden des extrem dünnwandigen Ventilkegels 5 mit dem Schaftverbindungsglied 17 im Bereich des Führungs- und Zentrierabschnitts 25 und/oder der Abstützflache 21 erfolgt vorzugsweise mittels Strahl-, Schmelz- oder Laserschweißen.