DE10020071A1 - Ventildrehvorrichtung - Google Patents

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.