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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilstößel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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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.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Ventilstößel zu schaffen, der hinsichtlich
des Standes der Technik grundlegend verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Ventilstößels gemäß der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung des Ventilstößels der 1 von
der Rückseite
her gesehen;
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3 einen
Schnitt durch den Ventilstößel der 1 und 2;
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4 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Ventilstößels mit
einer in den Stößelboden
eingespritzten Metallplatte;
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5 eine
perspektivische Darstellung des Ventilstößels der 4;
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6 eine
perspektivische Darstellung der "Rückseite" des Ventilstößels der 5.
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1 zeigt
einen Ventilstößel 1,
der zur Übertragung
einer Öffnungskraft
von einem Nocken einer Nockenwelle auf einen Schaft eines Ventils
eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Der Ventilstößel 1 weist
einen hohlzylindrischen Mantel 2 und einen Bodenbereich 3 auf.
Der hohlzylindrische Mantel 2 dient zur axialen Führung des
Ventilstößels 1 in einer
hier nicht näher
dargestellten Führungseinrichtung,
in der der Ventilstößel 1 entlang
einer Verschieberichtung 4 hin und her verschieblich ist.
An der Außenseite
des Mantels 2 ist ein Verdrehsicherungselement 5 vorgesehen,
das bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
durch eine halbzylindrische rippenartige Erhebung gebildet ist,
die von der Außenseite des
Mantels 2 absteht und die sich in Verschieberichtung 4 erstreckt.
Das Verdrehsicherungselement 5 greift in eine entsprechend
gestaltete nutartige Führung
der hier nicht näher
dargestellten Führungseinrichtung
ein.
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Der
Bodenbereich 3 des Ventilstößels 1 ist durch einen
erhabenen Mittelbereich 6 gebildet, dessen Oberfläche ballig
bzw. konvex ausführt
ist, und durch zwei seitlich von dem erhabenen Mittelbereich 6 vorgesehene
Bodenbereiche 7, 8, die in Verschieberichtung 4 bezüglich des
erhabenen Mittelbereichs 6 zurückversetzt sind. Der erhabene
Mittelbereich 6 ist mit den zurückversetzten Bodenbereichen 7, 8 bei dem
hier gezeigten Ausführungsbeispiel über Versteifungsrippen 9 – 14 verbunden.
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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 Verschieberichtung 4 hin und her
verschoben wird.
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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.
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2 zeigt
einen Ventilstößel 1 der 1 von
der Rückseite
her gesehen. Aus 2 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.
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An
der in 2 dargestellten "Innenseite" des erhabenen Bodenbereichs 6 sind
mehrere radial nach außen
zu den zurückversetzten
Bodenbereichen 7, 8 bzw. zum hohlzylindrischen
Mantel 2 verlaufende Versteifungsrippen 15 – 23 vorgesehen.
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Der
in den 1 und 2 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 Ventilstößels 1 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.
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3 zeigt
einen Schnitt durch den in den 1 und 2 dargestellten
Ventilstößel 1 entlang der
Versteifungsrippen 10 bzw. 13.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei den in den erhabenen Mittelbereich 6 des Ventilstößels 1 eine
Metallplatte 24 eingespritzt ist. Die Oberseite der Metallplatte 24 bildet
die "nockenberührende Fläche". Anders ausgedrückt wälzt der
Nocken der Nockenwelle (nicht dargestellt) unmittelbar auf der Oberseite
der Metallplatte 24 ab. Durch eine in den Boden des Ventilstößels eingelassene
Metallplatte wird die Steifigkeit und die Schlagfestigkeit des Ventilstößels 1 weiter
verbessert. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Unterseite 25 der Metallplatte zumindest teilweise
mit Kunststoffmaterial 26 des Ventilstößels 1 "überspritzt". Dies muss nicht zwingend der Fall
sein. Die Metallplatte 24 kann auch lediglich an ihren
Randbereichen in den Ventilstößelboden
eingespritzt sein. Der Halt der Metallplatte 24 wird zusätzlich durch
die Versteifungsrippen 9, 10 bzw. 13, 14 verbessert.
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5 zeigt
eine perspektivische Darstellung des in 4 gezeigten
Ventilstößels 1.
Aus der hier gezeigten Darstellung ist besonders gut ersichtlich, dass
die Metallplatte bzw. die Oberseite der Metallplatte 24,
welche die nockenberührende
Fläche
bildet, ballig gestaltet ist. Die Oberseite der Metallplatte 24 ist
also in Längsrichtung
der Metallplatte 24 gekrümmt. Zusätzlich kann sie in Querrichtung
geneigt sein.
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6 zeigt
den Ventilstößel der 4 und 5 von
hinten her gesehen. Wie aus 6 ersichtlich
ist, durchsetzt ein Mittelbereich 27 der Metallplatte 24 den
erhabenen Bodenbereich 6 des Ventilstößels 1. Die Versteifungsrippen 15 – 23 sind
unmittelbar an den Mittelbereich 27 der Metallplatte 24 angespritzt,
wodurch der Halt der Metallplatte zusätzlich verbessert wird.
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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.