DE10020071A1 - Ventildrehvorrichtung - Google Patents
VentildrehvorrichtungInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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Abstract
Es wird eine Ventildrehvorrichtung vorgeschlagen, durch die die Federdrehbewegungen der Ventilfeder zum Drehen des Ventils genutzt werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drehen eines Ventils einer
Brennkraftmaschine, während der Schließ- oder Öffnungsbewegung des Ventils
unter Verwendung eines Grundkörpers mit zentraler konischer Bohrung und darin
angeordneten Ventilkegelstücken zur kraft- und formschlüssigen Verbindung mit dem
Ventilschaft und unter Verwendung eines Ventilfederauflagering mit einer
Anlagefläche für die Ventilfeder.
Die Leistungsdichte moderner Motoren stellt große Anforderungen an alle
Motorenteile, insbesondere an die Ventile. Diese hoch beanspruchten
Motorenelemente erreichen nur bei Verwendung bester Werkstoffe und präziser
Bearbeitung eine ausreichende Lebensdauer. Da allein vom Ventil her die
Beherrschung aller Ventilschwierigkeiten nicht immer möglich ist, wurden Wege
gesucht, die Ventile insbesondere bei Großmotoren zu drehen. Dadurch werden
ungleichmäßige Erwärmungen des Ventilkopfes, Verzug und Undichtigkeit sowie
Hochtemperaturkorrosion und Verbrennungsrückstände an den wärmsten Stellen
vermieden. Durch eine Ventildrehvorrichtung wird die Drehung eines Ventils
erzwungen. Die bekannten Ventildrehvorrichtungen nutzen üblicherweise die axial
wirkende steigenden Ventilfederkraft beim Öffnen des Ventils, um deren Drehung
hervorzurufen. Dabei wird erreicht, daß sich das Ventil während des Öffnens um
einige Winkelgrade dreht, jedoch während der Schließbewegung keine
Rotationsbewegung mehr ausführt, um einen unnötigen Verschleiß am Ventil selbst
zu vermeiden.
Bei einem mit Schweröl betriebenen Dieselmotor ist sowohl eine Drehbewegung des
Ventils während des Schließens als auch während des Öffnens erwünscht, um die
sich bildenden glasurartigen Ablagerungen auf den Ventilsitzen zu entfernen. Beim
Schließvorgang setzt dabei das noch rotierende Ventil auf seinem Sitz auf. Eine
Drehung beim Öffnen des Ventils ist erwünscht, um eine gleichmäßige
Temperaturverteilung zu gewährleisten. So zeigen beispielsweise die Deutsche
Patentschrift 19 55 320 und die Deutsche Auslegeschrift 21 10 708 Vorrichtungen,
welche die Drehung eines Ventils mit Hilfe der in einem scheibenförmigen
Federelement gespeicherten Energie bewirken. Weitere Möglichkeiten einer
Ventildrehung während des Schließens zeigt die Deutsche Offenlegungsschrift 30 04 320.
Eine scheibenförmige Feder (Tellerfeder) wird als Übersetzungselement benutzt,
um in schrägen Taschen des Grundkörpers laufende Kugeln so zu be- und entlasten,
daß über die Tellerfedern eine Rotation entsteht, die zur Drehung des Ventils genutzt
wird.
Von Ventildrehvorrichtungen wird eine hohe Betriebszuverlässigkeit erwartet. Bei
normalen Betriebsbedingungen und einer entsprechenden Wartung wird mit einer
Standzeit der Drehvorrichtungen in Großmotoren von 10.000 Stunden und mehr
gerechnet. Bei Motoren, die kurzzeitig im Überlastbereich laufen und bei einem
instationären Betrieb steigen die Belastungen der Drehvorrichtungen jedoch ganz
erheblich. Empfindliche Bauteile sind hierbei infolge ihrer geringen Abmessungen die
Tangentialfedern zum Verschieben der Kugeln in den schrägen Taschen. Sie werden
auf Grund der erwähnten dynamischen Überlast von den sich dann unkontrolliert
bewegenden Kugeln leicht beschädigt oder sogar vollends zerstört. Eine beschädigte
Tangentialfeder führt zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Drehvorrichtung und
leitet in den meisten Fällen deren kompletten Ausfall ein.
Die bekannten Drehvorrichtungen beruhen auf dem Prinzip, eine geradlinige
Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Bei allen marktgängigen
Drehvorrichtungen wird diese Umwandlung auf mechanischem Wege erzielt. Die
Teile leiden wegen der auftretenden großen Kräfte unter einem hohen Verschleiß oder
einer frühzeitigen Werkstoffermüdung, so daß die vom Motorenhersteller
gewünschten Standzeiten nur schwer erreichbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einleitend genannte Vorrichtung zum
Drehen eines Ventils zu schaffen, deren Elemente einem geringen Verschleiß
unterliegen und eine Erhöhung der Standzeiten der Drehvorrichtung ermöglichen.
Dabei soll eine einfache Konstruktion die Herstellung und die gesamte
Drehvorrichtung preiswerter gestalten. Die Erfindung löst diese Aufgabe für eine
einleitend genannte Vorrichtung dadurch, daß zwischen dem Deckel und dem
Grundkörper Elemente zum Übertragen der bei der Entlastungsbewegung der
Ventilfeder auftretenden Federdrehbewegung vom Deckel auf den Grundkörper
angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Deckel mit einem zur Ventilachse
konzentrischen Zahnkranz mit einer einseitig links- oder rechtsgerichteten
Sperrverzahnung versehen, in welche die Verzahnung eines Ratschenringes greift,
der formschlüssig jedoch in Ventillängsrichtung bewegbar mit dem Grundkörper
verbunden ist.
Der Grundkörper kann dabei über ein Axiallager auf dem Deckel abgestützt sein.
Ferner ist es von Vorteil, zur Aufnahme von Seitenkräften ein Wälzlager,
beispielsweise Nadellager, zwischen dem Deckel und dem Grundkörper anzuordnen.
Um die Verdrehung des Ratschenringes relativ zum Grundkörper zu verhindern, kann
dieser mit auf seinem Umfang verteilt angeordneten Nasen, z. B. Paßfedern, in axial
gerichtete Nuten des Grundkörpers greifen und somit axial bewegbar bleiben.
Um ein ungewolltes Abheben des Ratschenringes von der Sperrverzahnung des
Deckels zu verhindern, können Federelemente, z. B. Druckfedern, zwischen dem
Grundkörper und dem Ratschenring eingesetzt werden, so daß ein ständiger Eingriff
zwischen den Sperrverzahnungen erreicht wird.
Die erfindungsgemäß gestaltete Ventildrehvorrichtung benutzt nicht den Ventilhub
oder die Ventilfederkräfte, um eine hieraus abgeleitete Drehung zu erzeugen.
Ausgenutzt wird vielmehr die beim Spannen oder Entspannen einer Schraubenfeder -
hier Ventilfeder - einhergehende Drehbewegung, die lediglich mit geeigneten
mechanischen Elementen vom Deckel über den Grundkörper und die
Ventilkegelstücke in den Ventilschaft geleitet werden. Eine bessere Übertragung der
vor der Ventilfeder ausgehenden Drehung auf den Deckel kann auch durch eine form-
oder stoffschlüssige Verbindung herstellt werden, beispielsweise in Form eines
Mitnahmestiftes. Die Ventilfederkräfte werden bei der Übertragung vom
Ventilfederauflagering auf den Grundkörper durch ein Axiallager so geleitet, daß die
Sperrverzahnungen von Ratschenring und Deckel keinen großen Kräften ausgesetzt
sind und der Verschleiß dieser Teile sehr gering gehalten werden kann. Es ist
einleuchtend, daß die eingesetzten einfachen Bauteile die Herstellung der gesamten
Drehvorrichtung einfach und preiswert gestaltet.
In der Zeichnung ist der Axialschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Axialschnitt durch den Grundkörper, den Ventilfederauflagering und
den Ölschutzdeckel, einer am freien Ventilschaftende eines
Gaswechselventils angeordneten Drehvorrichtung,
Fig. 2 eine Einzelheit der Sperrverzahnung im Umfangsschnitt und
Fig. 3 eine Einzelheit der axialen Abstützung des Ratschenringes.
Die Drehvorrichtung mit den Lösungsmerkmalen der Erfindung besteht aus einem
Ventilfederdeckel 1 mit einer Anlagefläche 2 für die Ventilfeder 22. Der koaxial zum
Deckel 1 angeordnete Grundkörper 3 ist mit einer konischen Bohrung 4 zur
Aufnahme der Ventilkegelstücke 20 versehen, um eine kraftübertragende Verbindung
mit dem Ventilschaft 21 herzustellen. Zwischen der der Ventilfeder abgekehrten Seite
des Deckels und dem Grundkörper ist ein Wälzlager in Form eines Axialkugellagers 5
angeordnet. Durch ein Nadellager 6 wird der Grundkörper 3, bezogen auf den Deckel
1, geführt, so daß das Axiallager 5 durch Seitenkräfte nicht belastet wird.
Konzentrisch zum Axiallager 5 angeordnet, trägt die der Ventilfeder 22 abgekehrte
Oberseite des Deckels 1 einen Zahnkranz 7 mit einer Sperrverzahnung 8. In die
Sperrverzahnung greift die Verzahnung eines Ratschenringes 9, der axial beweglich,
jedoch gegen Verdrehung gegen den Grundkörper 3 gesichert ist. Die Sicherung
übernehmen auf dem Umfang des Ratschenringes verteilt angeordnete Paßfedern
oder Nasen 10, die in entsprechende Nuten 11 des Grundkörpers greifen.
Um zu verhindern, daß der Ratschenring seinen Kontakt mit der Sperrverzahnung 8
verliert, sind Federelemente, z. B. Druckfedern 12, auf der Stirnfläche verteilt
angeordnet. Die Federn 12 haben ihre Widerlager in Bohrungen 13 des
Ratschenringes und in Hülsen 14, die mit ihren äußeren geschlossenen Flächen an
der Unterseite eines Flansches 15 des Grundkörpers anliegen. Die Druckfeder 12
sorgt ständig durch eine geringfügige Vorspannung für einen ausreichenden Eingriff
der Zähne der Sperrverzahnungen von Ratschenring und Ventilfederdeckel.
Die gesamte Einrichtung ist von einem Ölschutzdeckel 16 umfaßt und durch einen
üblichen Sprengring 17 gesichert. Ein Ring 18 an der Unterseite des Deckels 1 sorgt
für eine unverlierbare Verbindung der vormontierten Einheit.
Um das Ventil zu öffnen, drückt ein nicht dargestelltes Betätigungselement, z. B.
Kipphebel, mit seinem Druckfinger auf die Stirnseite des Ventilschaftsendes. Über die
Ventilkegelstücke 20 wird die Druckkraft dem Grundkörper mitgeteilt. Die eingeleiteten
axialen Kräfte sind mit F bezeichnet. Sie werden über das Axiallager 5 in den
Ventilfederdeckel und von diesem auf die Ventilfeder übertragen. Die Ventilfeder führt
bei ihrer axialen Kompressionsbewegung eine schraubenförmige Bewegung aus, die
den Ventilfederauflagering 1 mitdreht. Die auf der Oberseite des Deckels
angeordneten Sperrzähne gleiten relativ zum Ratschenring 9. Dieser wird nicht
mitgedreht, da er durch die Zahnschrägen eine axial aufwärts gerichtete
Ausweichbewegung ausführen kann. Das Ventil selbst dreht sich ebenfalls nicht, da
der Druckfinger des Kipphebels ein ausreichendes Bremsmoment durch Reibung
verursacht.
Beim Schließen des Ventils wird die Ventilfeder entspannt. Sie kann sich wieder in
ihre Ausgangsposition zurückdrehen und durch die kraftschlüssige Verbindung mit
dem Ventildeckel diesen in seine Ausgangslage zurückdrehen. Die Drehung des
Ventildeckels führt zu einer Mitnahme des Ratschenringes 9, da die miteinander in
Eingriff stehenden Zähne einseitig gerichtet sind und bei der Rückdrehbewegung die
Wirkung von Anschlägen haben. Die Drehbewegung des Ratschenringes wird über
dessen Nasen oder Paßfedern auf den Grundkörper und durch die kraftübertragende
Verbindung mit dem Ventil auf dieses übertragen. Das von der Ventilfeder erzeugte
Drehmoment ist erheblich größer als das vom Kipphebelfinger auf die Endfläche des
Ventilschaftes 21 ausgeübte Bremsmoment.
Die Anordnung der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung ist nicht auf die
zeichnerische Darstellung der Fig. 1 beschränkt. Die Drehvorrichtung kann
unmittelbar auf dem Zylinderkopf aufliegend eingesetzt werden. In diesem Fall enthält
der Grundkörper keine zur Positionierung notwendigen Kegelstücke, die sich
weiterhin am freien Ventilschaftende befinden.
Claims (6)
1. Vorrichtung zum Drehen eines Ventils einer Brennkraftmaschine während der
Schließ- oder Öffnungsbewegung des Ventils, unter Verwendung eines Grundkörpers
mit zentraler, konischer Bohrung und darin angeordneten Ventilkegelstücken zur
kraft- und formschlüssigen Verbindung mit dem Ventilschaft und unter Verwendung
eines Ventilfederauflagerings mit einer Anlagefläche für die Ventilfeder dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Deckel (1) und dem Grundkörper (3) Elemente
(7, 8, 9, 10, 11) zum Übertragen der bei der Entlastungsbewegung der Ventilfeder
(22) auftretenden Federdrehbewegung vom Ventilfederauflagering auf den
Grundkörper angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagering
(1) mit einem zur Ventilachse (19) konzentrischen Zahnkranz (8) mit einer einseitig
links- oder rechtsgerichteten Sperrverzahnung versehen ist, in welche ein
Ratschenring (9) greift, der formschlüssig, jedoch in Ventillängsrichtung bewegbar,
mit dem Grundkörper verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grundkörper über ein Axiallager (5) auf dem Auflagering (1) abgestützt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Aufnahme von Seitenkräften ein Wälzlager (6) zwischen dem Auflagering und
dem Grundkörper angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ratschenring durch auf seinem Umfang verteilt angeordnete, in axial gerichtete
Nuten (11) des Grundkörpers greifende Paßfedern, Nasen oder dergleichen (10)
gegen relative Verdrehung zum Grundkörper gesichert ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ratschenring (9) durch auf seiner dem Grundkörper zugewandten Stirnfläche
verteilt angeordnete Federelemente (12) gegen ein Abheben von der Sperrverzahnung
des Deckels gesichert ist.
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