DE10358934A1 - Ventilstößel für Verbrennungsmotoren - Google Patents
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Abstract
Ventilstößel, der zur Übertragung einer Öffnungskraft von einem Nocken einer Nockenwelle auf eine Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, wobei der Ventilstößel einen Boden und einen hohlzylindrischen Mantel aufweist, der zur Führung des Ventilstößels in einer Verschieberichtung vorgesehen ist. An einer Außenseite des Mantels ist ein sich in Verschieberichtung erstreckendes Verdrehsicherungselement vorgesehen. Der Ventilstößel besteht aus einem Mantel auf Kunststoffbasis und das Verdrehsicherungselement ist integraler Bestandteil des Ventilstößels.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilstößel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Bei Verbrennungsmotoren mit "obenliegender Nockenwelle" werden Öffnungskräfte von der Nockenwelle üblicherweise über Ventilstößel auf die einzelnen Ventile übertragen. Die Ventilstößel sind zwischen den einzelnen Nocken und dem freien Ende des Schafts des jeweils zugeordneten Ventils angeordnet. Seit langem bekannt sind topf- bzw. tassenförmige Ventilstößel, die einen Boden und einen hohlzylindrischen Mantel aufweisen, der zur axialen Führung des Ventilstößels in Verschieberichtung, d.h. in Öffnungs- bzw. Schließrichtung des Ventils vorgesehen ist. Eine Außenseite des Bodens bildet eine Berührfläche, auf der der zugeordnete Nocken abwälzt. Eine Innenseite des Ventilstößels drückt gegen das freie Ende des zugeordneten Ventilschafts. Um den Ventilstößel in seiner Führung in Umfangsrichtung festzulegen, ist eine "Verdrehsicherung" erforderlich. Es wurde bereits erwogen, an der Mantelfläche des Ventilstößels ein „Verdrehsicherungselement" zu befestigen, das radial von der Mantelfläche absteht und in einer zugeordneten Führungsnut einer Führung des Ventilstößels gleitend geführt ist.
- Herkömmliche Ventilstößel sind üblicherweise aus Stahl, wohingegen das "Führungsteil", in dem die Ventilstößel geführt sind, üblicherweise aus Aluminium besteht. Dies hat den Nachteil, dass an der Reibfläche Stahl-Aluminium eine relativ hohe Reibleistung anfällt, was zu einer starken Bauteilerwärmung führen kann. Da Stahl und Aluminium unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ändert sich in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur das Passmaß zwischen dem Ventilstößel und der Führung, was ebenfalls unerwünscht ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilstößel zu schaffen, der hinsichtlich des Standes der Technik grundlegend verbessert ist.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die Erfindung geht von einem Ventilstößel aus, der zur Übertragung einer Öffnungskraft von einem Nocken einer Nockenwelle auf einen Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Der Ventilstößel weist einen Boden und einen hohlzylindrischen Mantel auf, der zur axialen Führung des Ventilstößels in einer Verschieberichtung vorgesehen ist. Um den Ventilstößel in Umfangsrichtung des Mantels festzulegen, ist ein Verdrehsicherungselement vorgesehen, das sich in Verschieberichtung erstreckt.
- Der Kern der Erfindung besteht darin, den Ventilstößel aus einem Material auf Kunststoffbasis herzustellen und das Verdrehsicherungselement des Ventilstößels als integralen Bestandteil des Ventilstößels auszubilden.
- Dadurch werden eine ganze Reihe von Vorteilen erreicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventilstößeln aus Stahl weist ein Ventilstößel, der aus einem Material auf Kunststoffbasis hergestellt ist, eine geringere Masse auf, was in Anbetracht der sehr hohen Beschleunigungen, denen Ventilstößel ausgesetzt sind, zu einer erheblichen Energieeinsparung und zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens des Motors führt. Im Vergleich zum Stand der Technik wird auch eine Verringerung der Montagekosten erreicht, da das Verdrehsicherungselement integraler Bestandteil des Ventilstößels ist; bei dem Verdrehsicherungselement handelt es sich also gerade nicht um ein separates Bauteil, das an dem Ventilstößel befestigt werden muss. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventilstößeln aus Metall weist ein Ventilstößel auf Kunststoffbasis auch ein günstigeres Reibverhalten auf. Mit einem Ventilstößel, bei dem das Verdrehsicherungselement integraler Bestandteil des Ventilstößels ist, erreicht man auch eine hohe Steifigkeit des Ventilstößels, was ein weiterer wichtiger Vorteil ist.
- Der Ventilstößel kann beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Das „Kunststoffbasismaterial" kann ein Thermoplast, insbesondere ein Hochtemperaturthermoplast sein. Dass der Ventilstößel aus einem „Material auf Kunststoffbasis" besteht, bedeutet nicht notwendigerweise, dass der Ventilstößel ausschließlich aus Kunststoff besteht. Als Basismaterial für den Ventilstößel kann beispielsweise ein Poly-Ether-Ether-Keton verwendet werden. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Ventilstößels können dem Kunststoffmaterial "Nanopartikel" beigemengt sein. Unter dem Begriff "Nanopartikel" sind ganz allgemein feine Partikel aus einem anderen Material als dem Basismaterial zu verstehen. Die Nanopartikel können in dem Basismaterial fein und ggf. homogen verteilt sein. Alternativ dazu können die Nanopartikel auch in Form von "Nanoröhren" lokal konzentriert in dem Basismaterial verteilt sein. Vorzugsweise werden dem Basismaterial Nanopartikel aus einem Material beigemengt, das tribologisch günstige Eigenschaften hat, d.h. das die Reibung des Ventilstößels in seiner Führung verringert bzw. günstig beeinflusst. Als Nanopartikel eignen sich insbesondere Grafit, Kohlefasern, Keramikpartikel oder feine Metallpartikel.
- Das Verdrehsicherungselement kann durch eine „rippenartige Erhebung" gebildet sein, die vom Mantel des Ventilstößels absteht und die mit einer zugeordneten nutartigen Vertiefung, die in der Führung des Ventilstößels vorgesehen ist, zusammenwirkt. Selbstverständlich können auch mehrere solcher Verdrehsicherungselemente an der Außenseite des Mantels vorgesehen sein. Die "rippenartige" Erhebung kann beispielsweise einen halbkreiszylindrischen Querschnitt aufweisen.
- Wie bereits erwähnt, weist der Boden des Ventilstößels eine nockenberührende Fläche auf, an der der Nocken anliegt und an der Bodeninnenseite des Ventilstößels eine ventilberührende Fläche, an der das freie Ende des Ventilschafts anliegt. Die nockenberührende Fläche kann ballig bzw. konvex ausgeführt sein.
- Vorzugsweise bildet die nockenberührende Fläche einen in Verschieberichtung des Ventilstößels "vorstehenden" Teilbereich des Bodens, der über seitliche Verbindungsflächen mit zurückversetzten Bodenflächen des Ventilstößels verbunden ist. Mit einer derartigen Gestaltung des Ventilstößelbodens kann bei relativ geringem Materialeinsatz, d.h. bei geringem Bauteilgewicht eine relativ hohe Bauteilsteifigkeit erreicht werden. Die Bauteilsteifigkeit kann zusätzlich erhöht werden, indem der die nockenberührende Fläche bildende Teil des Bodens über seitliche Versteifungsrippen mit den zurückversetzten Bodenflächen verbunden ist.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in den Boden des Ventilstößels im Bereich der nockenberührenden Fläche eine Metallplatte integriert. Wie bereits erwähnt, kann der Ventilstößel im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Die Metallplatte kann dann vollständig oder teilweise in den Bodenbereich des Ventilstößels eingespritzt sein. Die Metallplatte kann so in den Bodenbereich des Ventilstößels eingespritzt sein, dass eine Grundfläche der Metallplatte aus dem Boden hervortritt und die nockenberührende Fläche des Ventilstößels bildet. In diesem Fall wälzt der Nocken unmittelbar auf der Metallplatte ab. In der Metallplatte können Löcher, Rillen, Riffelungen oder sonstige Vertiefungen bzw. Strukturierungen vorgesehen sein, durch die der Formschluss zwischen dem Kunststoffbasismaterial des Ventilstößels und der Metallplatte beim Einspritzen verbessert wird.
- Es kann auch vorgesehen sein, dass die Metallplatte den Boden des Ventilstößels zur Innenseite hin durchsetzt. In diesem Fall bildet die der Innenseite des Ventilstößels zugewandte Grundfläche der Metallplatte eine Anlagefläche für das Schaftende des mit dem Ventilstößels zusammenwirkenden Ventils.
- Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung eines Ventilstößels gemäß der Erfindung; -
2 eine perspektivische Darstellung des Ventilstößels der1 von der Rückseite her gesehen; -
3 einen Schnitt durch den Ventilstößel der1 und2 ; -
4 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventilstößels mit einer in den Stößelboden eingespritzten Metallplatte; -
5 eine perspektivische Darstellung des Ventilstößels der4 ; -
6 eine perspektivische Darstellung der "Rückseite" des Ventilstößels der5 . -
1 zeigt einen Ventilstößel1 , der zur Übertragung einer Öffnungskraft von einem Nocken einer Nockenwelle auf einen Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Der Ventilstößel1 weist einen hohlzylindrischen Mantel2 und einen Bodenbereich3 auf. Der hohlzylindrische Mantel2 dient zur axialen Führung des Ventilstößels1 in einer hier nicht näher dargestellten Führungseinrichtung, in der der Ventilstößel1 entlang einer Verschieberichtung4 hin und her verschieblich ist. An der Außenseite des Mantels2 ist ein Verdrehsicherungselement5 vorgesehen, das bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine halbzylindrische rippenartige Erhebung gebildet ist, die von der Außenseite des Mantels2 absteht und die sich in Verschieberichtung4 erstreckt. Das Verdrehsicherungselement5 greift in eine entsprechend gestaltete nutartige Führung der hier nicht näher dargestellten Führungseinrichtung ein. - Der Bodenbereich
3 des Ventilstößels1 ist durch einen erhabenen Mittelbereich6 gebildet, dessen Oberfläche ballig bzw. konvex ausführt ist, und durch zwei seitlich von dem erhabenen Mittelbereich6 vorgesehene Bodenbereiche7 ,8 , die in Verschieberichtung4 bezüglich des erhabenen Mittelbereichs6 zurückversetzt sind. Der erhabene Mittelbereich6 ist mit den zurückversetzten Bodenbereichen7 ,8 bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über Versteifungsrippen9 –14 verbunden. - Die Oberseite des erhabenen Mittelbereichs
6 bildet eine Berührfläche, auf der ein Nocken einer sich drehenden Nockenwelle (nicht dargestellt) abwälzt. Der Ventilstößel bildet also einen Nockenfolger, der entsprechend der Nockenform und der Nockenwellendrehzahl in Verschieberichtung4 hin und her verschoben wird. - Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel können die Versteifungsrippen
9 –14 auch anders gestaltet bzw. angeordnet sein. Insbesondere kann eine andere Anzahl von Versteifungsrippen vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann auch völlig auf Versteifungsrippen verzichtet werden. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der "nockenberührende Bodenbereich" erhaben bezüglich den übrigen Bodenbereichen ist. Der Bodenbereich kann auch durch eine "stufenlose" glatte Bodenfläche gebildet sein. -
2 zeigt einen Ventilstößel1 der1 von der Rückseite her gesehen. Aus2 ist klar ersichtlich, dass es sich bei dem Mantel um einen hohlzylindrischen Mantel handelt und dass auch das Verdrehsicherungselement hohlzylindrisch ausgebildet ist, wodurch ein geringes Bauteilgewicht erreicht wird. - An der in
2 dargestellten "Innenseite" des erhabenen Bodenbereichs6 sind mehrere radial nach außen zu den zurückversetzten Bodenbereichen7 ,8 bzw. zum hohlzylindrischen Mantel2 verlaufende Versteifungsrippen15 –23 vorgesehen. - Der in den
1 und2 gezeigte Ventilstößel kann im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Als Material für den Ventilstößel können verschiedene Kunststoffe, insbesondere Hochtemperarturthermoplaste, wie Poly-Ether-Ether-Ketone verwendet werden. Zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit bzw. Bauteilsteifigkeit können "Nanopartikel", d.h. fein verteilte Zusatzpartikel in die Kunststoffmatrix eingebracht sein. Die Nanopartikel können gleichmäßig fein verteilt im Kunststoff sein. Alternativ dazu können die Nanopartikel auch in Form von "Nanoröhren" lokal konzentriert im Material des Ventilstößels1 verteilt sein. Bei den Nanopartikeln kann es sich beispielsweise um Grafit bzw. Kohlefasern, um Keramikpartikel, feine Metallpartikel oder ähnliches handeln. Vorzugsweise sind die Nanopartikel so gewählt, dass sich die Bauteilsteifigkeit verbessert und die Reibung des Ventilstößels in der hier nicht näher dargestellten Führungseinrichtung verringert. -
3 zeigt einen Schnitt durch den in den1 und2 dargestellten Ventilstößel1 entlang der Versteifungsrippen10 bzw.13 . -
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei den in den erhabenen Mittelbereich6 des Ventilstößels1 eine Metallplatte24 eingespritzt ist. Die Oberseite der Metallplatte24 bildet die "nockenberührende Fläche". Anders ausgedrückt wälzt der Nocken der Nockenwelle (nicht dargestellt) unmittelbar auf der Oberseite der Metallplatte24 ab. Durch eine in den Boden des Ventilstößels eingelassene Metallplatte wird die Steifigkeit und die Schlagfestigkeit des Ventilstößels1 weiter verbessert. Bei dem in4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite25 der Metallplatte zumindest teilweise mit Kunststoffmaterial26 des Ventilstößels1 "überspritzt". Dies muss nicht zwingend der Fall sein. Die Metallplatte24 kann auch lediglich an ihren Randbereichen in den Ventilstößelboden eingespritzt sein. Der Halt der Metallplatte24 wird zusätzlich durch die Versteifungsrippen9 ,10 bzw.13 ,14 verbessert. -
5 zeigt eine perspektivische Darstellung des in4 gezeigten Ventilstößels1 . Aus der hier gezeigten Darstellung ist besonders gut ersichtlich, dass die Metallplatte bzw. die Oberseite der Metallplatte24 , welche die nockenberührende Fläche bildet, ballig gestaltet ist. Die Oberseite der Metallplatte24 ist also in Längsrichtung der Metallplatte24 gekrümmt. Zusätzlich kann sie in Querrichtung geneigt sein. -
6 zeigt den Ventilstößel der4 und5 von hinten her gesehen. Wie aus6 ersichtlich ist, durchsetzt ein Mittelbereich27 der Metallplatte24 den erhabenen Bodenbereich6 des Ventilstößels1 . Die Versteifungsrippen15 –23 sind unmittelbar an den Mittelbereich27 der Metallplatte24 angespritzt, wodurch der Halt der Metallplatte zusätzlich verbessert wird. - Aus Sicht der Erfindung wesentlich ist bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen, dass das Verdrehsicherungselement integraler Bestandteil des Ventilstößels ist und aus demselben Basismaterial besteht wie der Ventilstößel
1 .
Claims (22)
- Ventilstößel (
1 ), der zur Übertragung einer Öffnungskraft von einem Nocken einer Nockenwelle auf einen Schaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, wobei der Ventilstößel (1 ) einen Boden (3 ,6 –8 ) und einen hohlzylindrischen Mantel (2 ) aufweist, der zur Führung des Ventilstößels (1 ) in einer Verschieberichtung (4 ) vorgesehen ist und wobei an einer Außenseite des Mantels (2 ) ein sich in Verschieberichtung (4 ) erstreckendes Verdrehsicherungselement (5 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstößel (1 ) aus einem Material auf Kunststoffbasis besteht und das Verdrehsicherungselement (5 ) integraler Bestandteil des Ventilstößels (1 ) ist. - Ventilstößel (
1 ) nach Anspruch 1, wobei das Verdrehsicherungselement (5 ) eine vom Mantel (2 ) rippenartig abstehende Erhebung ist. - Ventilstößel (
1 ) nach Anspruch 2, wobei die rippenartige Erhebung (5 ) einen halbkreiszylindrischen Querschnitt aufweist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 – 3, wobei der Ventilstößel ein Spritzgussteil ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 – 4, wobei das Basismaterial des Ventilstößel ein Thermoplast ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 – 5, wobei dem Material auf Kunststoffbasis Nanopartikel beigemengt sind, die in dem Material des Ventilstößels fein verteilt sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 – 5, wobei das Material auf Kunststoffbasis Nanopartikel enthält, die in dem Material in Form von Nanoröhren lokal konzentriert verteilt sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Nanopartikel reibungsmindernde Eigenschaften haben. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Material aus Kunststoffbasis ein Poly-Ether-Ehter-Keton ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Nanopartikel Grafitpartikel sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Nanopartikel aus Kohlenstoff sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 – 9, wobei die Nanopartikel Keramikpartikel sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 – 9, wobei die Nanopartikel Metallpartikel sind. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 – 13, wobei der Boden (3 ,6 –8 ) eine nockenberührende Fläche (6 ) aufweist, an der der Nocken anliegt und eine ventilberührende Fläche, an der der Schaft des Ventils anliegt. - Ventilstößel (
1 ) nach Anspruch 14, wobei die nockenberührende Fläche (6 ) ballig bzw. konvex ausgeführt ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die nockenberührende Fläche durch einen rippenartig vorstehenden Teilbereich (6 ) des Bodens (3 ,6 –8 ) gebildet ist, wobei die nockenberührende Fläche über seitliche Verbindungsflächen mit Bodenflächen (7 –8 ) verbunden ist, die in Bezug auf den rippenartig vorstehenden Teilbereich (6 ) des Bodens (3 ,6 –8 ) zurückversetzt sind. - Ventilstößel (
1 ) nach Anspruch 16, wobei der rippenartig vorstehende Teilbereich (6 ) des Bodens (3 ,6 –8 ) über Versteifungsrippen (9 –14 ) mit den zurückversetzten Bodenbereichen (7 ,8 ) verbunden ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei in den Boden (3 ,6 –8 ) des Ventilstößels (1 ) im Bereich der nockenberührenden Fläche eine Metallplatte (24 ) integriert ist. - Ventilstößel (
1 ) nach Anspruch 18, wobei die Metallplatte (24 ) vollständig in den Boden (3 ,6 –8 ) eingespritzt ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Metallplatte (24 ) aus dem Boden (3 ,6 –8 ) hervortritt und die nockenberührende Fläche des Ventilstößels (1 ) durch eine Grundfläche der Metallplatte gebildet ist. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 18 – 20, wobei die Metallplatte Löcher bzw. Profilierungen aufweist, die mit dem Material auf Kunststoffbasis ausgespritzt bzw. umspritzt sind, wodurch der Halt der Metallplatte verbessert wird. - Ventilstößel (
1 ) nach einem der Ansprüche 18 – 21, wobei die Metallplatte (24 ) den Boden (3 ,6 –8 ) durchsetzt, wobei die Grundfläche der Metallplatte (24 ) eine Anlagefläche für den Schaft des Ventils bildet.
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