DE2361712A1 - Verfahren zur herstellung hohler ventile fuer verbrennungsmotoren und andere maschinen im allgemeinen, sowie hiernach hergestelltes hohlventil - Google Patents

Description

PATENTAN \Λ/ Ä '_ T E

DIPL.-INC. R. SPLANEMANN · DiPL.-CHEM. DR. B. REITZNER · DIPU-ING. J. RICHTER MÜNCHEN HAMBURG

2000 HAMBURG 30, den lo. 12. 1973

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_: 184-O-I-1156

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Patentanmeldung

Verfahren zur Herstellung hohler Ventile für Verbrennungsmotoren und andere Maschinen im allgemeinen , sowie hiernach hergestelltes

Hohlventil

Die besonders in Verbrennungsmotoren eingebauten Pilzventile sind oft als Hohlventile ausgebildet. Bekanntlich sind die Hauptgründe für eine Bevorzugung der Hohlventile gegenüber den Vollventilen die zwei folgenden:

- Hohlventile wiegen bedeutend weniger als Vollventile.

- Mit Natrium gefüllte Hohlventile werden gekühlt,

so daß sie thermische sowie mechanische Beanspruchungen besser aushalten.

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Beim heutigen Stand der Technik sind einige Verfahren zur Herstellung von hohlen Pilzventilen bekannt, die mit einem Kühlstoff wie Natrium, Natrium-Quecksilber-Amalgam oder anderem passenden Stoff gefüllt werden sollen.

Damit ein Kühlstoff im Ventilkörper enthalten werden kann, muß dieser bekanntlich mit einem längsverlaufenden Hohlraum versehen sein, der im Schaft ausgespart wird und sich gegebenenfalls im Bereich der Pilzkappe erweitert.

Eines der bekannten Herstellungsverfahren für Hohlventile, das in Fig. 1 und 2 schematisch angedeutet ist, sieht das Längsbohren des Schaftes mit Anfang am Schaftende und in Richtung zur Pilzkappe hin, das Füllen der so hergestellten Kammer A mit einem Kühlstoff und das darauffolgende Schließen des Bohrungsanfanges durch Schlagen der Zugabe B (Fig. l) vor, die am Ende des Schaftes C vorgesehen ist. Nachdem das Ende B auf denselben Durchmesser des Mantels des Schaftes C gebracht wurde, wird er nachgedreht und geschliffen. In Fig. 2 ist ein Venteil dargestellt, dessen Innenkammer verschlossen ist.

Die Hauptnachteile dieses Verfahrens rühren von der

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Notwendigkeit her, am Ende des Schaftes eine ringförmige Bearbeitungszugabe vorzusehen, die nach verschiedenen Verfahren, z.B. Drehen oder Warmgesenkschmieden angearbeitet werden kann. Aber jedes passende Verfahren ist unwirtschaftlich. Darüber hinaus muß die Abdichtung der Kammer C gesichert sein, wozu ein Schweißauftrag D (Fig. 1 ) nötig ist, was die Herstellungskosten des Ventils noch weiter steigert.

Ein weiteres, sehr verbreitetes Verfahren sieht das Längsbohren des Ventilschaftes mit Anfang von der Plizkappe aus vor (Tig. 3Λ)· Nach diesem Verfahren hat die blinde Bohrung A am Ende B des Schaftes C ihren Grund. Nach Füllen der Bohrung mit einem Kühlstoff, wird sie mit Aufschweißen einer Metallscheibe D in einer passenden Senkung verschlossen, die in der Mitte der Pilzkappe ausgespart wurde.

Der Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens liegt darin, daß die Schweißstelle der Metallscheibe D direkt an der Brennkammer liegt und daher hoher thermischer Beanspruchung unterliegt. Dieser Umstand kann natürlich leicht zu Beschädigungen der Schweißstelle oder gar zum Loslösen der Metallscheibe D führen.

Um obige Nachteile zu beseitigen und zugleich die Be-

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arbeitungskosten der pilzförmigen Hohlventile klein zu halten, hat die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ventilschaft aus zwei miteinander zu verschweißenden Teilen besteht. Der Ventilschaft von passender Länge wird in Axialrichtung gebohrt, indem das Bohren an dessen freiem Ende beginnt. Dann wird die Bohrung mit einem passenden Kühlstoff teilweise gefüllt. Danach wird die Axialbohrung durch Einzwängen in ihre öffnung einer Metallscheibe unter starkem Druck verschlossen, worauf auf das Bohrungsende des Ventilschaftes der andere Teil des Schaftes aufgeschweißt wird, nämlich der Teil, der mit dem Ventilstößel in Berührung kommen soll.

Nach einer ersten Änderung der Ausführungsform kann die in die Bohrung des Ventilschaftes einzuzwängende Metallscheibe entfallen, so daß am Ende des ersten Schaftteiles der zweite Schaftteil, der mit dem Ventilstößel in Berührung kommen soll, auf irgendeine Weise direkt verbunden wird.

Nach einer weiteren Ausführungeform wird der gebohrte Ventilschaftteil oben mit einem zweiten Ventilteil verschlossen, dessen zylinderfSrmige Verlängerung in die Bohrung des anderen Schaftteiles eindringt, wobei

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der zweite Schaftteil, der in Berührung mit dem Ventilstößel kommen soll, mit dem ersten, gebohrten Schaftteil fest verbunden wird.

In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren an Ventilen dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 5 ein von der Seite gesehenes Ventil,

Fig. 6 einen Längsschnitt, desselben Ventils, sowie des darüberstehenden zweiten Schaftteiles,

Fig. 7 die der Fig. 6 ähnlich sind, dasselbe und 8, Ventil in zwei verschiedenen Herstellungsstufen,

Fig. 9 die den Fig. 6,7, und 8 ähnlich sind, bis 11, ein Ventil gemäß der ersten erwähnten Xn- ■ derung,

Fig. 12,die Fig. 6 und 8 ähnlich ist, ein Ventil gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Schaftteiles,

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Pig· 13 eine vergrößerte Einzelheit dieses zweiten Schaftteiles und

Pig. 14 die Endstufen der Bearbeitung des Ventils und 15 nach Fig. 12 bis 15* wobei die den Fig.

5 bis 14 in der Zeichnung vorangestellten Fig. 1 bis 4 bekannte Ventilherstellungsverfahren aufzeigen.

Vie in Fig. 5 gezeigt, ist der Ventilschaft Io von mäßiger Länge und weist (Fig. 6) eine innere Längsbohrung 12 auf, die dann mit dem Kühlstoff 14 zum Teil gefüllt wird. Bekanntlich darf der Kühlstoff 14 nicht den ganzen Hohlraum 12 ausfüllen, sondern muß vielmehr die Möglichkeit haben, sich in demselben zu verteilen.

Schliesslich wird am Ende des ersten Schaftteiles Io der zweite Schaftteil 18 angeschweißt, der die Bohrung bzw. Hohlraum 12 dichtend verschließt und mit dem ersten Schaftteil Io ein Stück bildet.

Der zweite Schaftteil oder Ansatz 18 ist ebenfalls mit einer Längsbohrung 2o von mäßiger Tiefe versehen, die den Zweck erfüllt, bessere Sehweißverhältnisse gegenüber dem Ende des ersten Schaftteiles Io sicherzustellen.

Die Metallscheibe 16, die in die Bohrung 12, gleich nach Füllen derselben mit Kühlstoff, eingezwängt werden kann, verhindert eine etwaige Oxydierung und Karbonisierung des Natriums während der folgenden Bearbeitungsstufen des Ventils und verhindert, daß Schweißabfälle bei der Schweißung des Schaftansatzes 18 und dem Ende des eigentlichen Schaftes 12 erfolgen, in Berührung mit dem Kühlstoff kommen und dessen Funktion nachteilig beeinflussen.

Wie in Fig. 7 und 8 dargestellt, wird die weitere Bearbeitung des Ventils wie üblich zu Ende geführt.

Gemäss einer ersten Änderung der Ausführungsform wird die im Schaftteil Io ausgesparte, den Kühlstoff 14 enthaltende Bohrung, wie in Fig. 9 dargestellt, oben nicht mit einer Scheibe verschlossen, sondern auf den in passender Länge hergestellten ersten SchaftteilIo wird der zweite Schaftteil oder Ansatz 18 direkt angebracht, der gegebenenfalls mit dem Hohlraum 2o versehen ist, wenn derselbe zur Sicherung besserer Verbindungsverhältnisse zwischen den Schaftteilen Io und sich ä-s nützlich erweisen wird.

Die feste Verbindung zwischen den Schaftteilen Io und 18 kann unter Anwendung irgendeiner bekannten Technik

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erfolgen· Beide Teile können nämlich miteinander durch Abbrennstumpfschweißen, durch Löten usw. und u.U. auch durch Einschrauben des mit Gewinde versehenen Endes des einen Teiles in das Innengewinde des anderen verbunden werden.

Wie in Pig. 7 und 8 dargestellt, wird die weitere Bearbeitung des Ventils wie üblich ausgeführt.

Gemäss der Ausführungsform, die in Fig. 12 bis 15 dargestellt ist, wird - um die Technologie der Schließung der Hohlventile weiter zu entwickeln - ein Verfahren für das Verbinden der Enden der Schaftteile Io und 18 angewandt, nach welchem eine Lichtbogenschweißung unter Anwendung von Sauerauftragsdraht mit passender Schlacke und/ oder in einer zum Schutz des Lichtbogens und des geschmolzenen Metalls passenden Atmaphäre gewählt wird.

Vorzugsweise, jedoch nicht ausschliesslich, wird eine Schweißeinrichtung in der Art wie MIG verwendet.

In Fig. 12 und 15 wird ein Hohlventil bzw. dessen von dem der Pilzkappe entgegengesetzten Schaftende gebohrter Schaftabschnitt gezeigt, wobei die Bohrung mit Kühlstoff 14 gefüllt wurde und der Ansatz 22 vor dem Ventilschaft steht, um mit diese* vor dem Schweißen verbunden zu werden.

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In Fig. 15 bezeichnet 06 den Halbwinkel der stumpfkegeligen Abfassung vom Ende des ersten Schaftabschnittes und β den Halbwinkel des Mantelkegels am Ansatz 18, der eine der Flanken der Schweißnut bildet. Die Halbwinkel ei. und y6 können weitgehend variieren in Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen, den Ventilabmessungen, dem gewählten Schweißverfahren und schließlich den angewandten Arbeitsparametern. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Wahl dieser mehr oder weniger weiten Winkel maßgebend.

Mit T ist ein Radialspiel zwischen der zylinderförmigen Verlängerung 22a vom Ansatz 22 und der diese Verlängerung aufnehmenden Bohrung 12 bezeichnet. Mit S ist die Flanke der Schweißnut 22c bezeichnet, die im Bereich des Überganges der Zylinderfläche 22a in die Kegelfläche 22b vorgesehen ist. Mit P ist die Radiendifferanz zwischen Verlängerung 22a und Nutzgrund 22c bezeichnet, deren Wert zwar veränderlich aber stets negativ und stets vorhanden ist. Die geometrischen Größen S, R, P sind von wesentlicher Bedeutung, um eine einwandfreie Durchdringung zwischen Grundwerkstoff und Auftragswerkstoff sowie eine gute Metallbrücke zwischen erstem Ventilschaftteil und Ansatz herzustellen, ohne Schmälerung des Ventilquerschnittes in dem betreffenden Verbindungsbereich.

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Aus Fig. 14-, die das Ventil gleich nach erfolgter Schweißung zeigt, ist der Querschnitt der Schweißnaht 21 aus Auftragswerkstoff ersichtlich.

In Fig. 15 ist das fertiggestellte Ventil dargestellt, nach Abschluß der einzelnen, vorgesehenen Stufen des Bearbeitungsablaufes.

Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind folgende:

- Gegenüber dem Verfahren mit Bohrung von der Pilzkappe aus bleibt die Pilzkappe unversehrt und gleichmäßig im Gefüge.

- Im Vergleich zu dem Verfahren mit Bohrung des Ventilschaftes, wird die Forderung umgangen, dickere Werkstoff zugaben am Schaftende vorzusehen, womit auch die damit zusammenhängenden Nachdreharbeiten entfallen, was eine bedeutende Ersparnis an Werkstoff und an qualifiziertem Lohn darstellt.

- Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine geringfügige Vergrößerung des Durchmessers am Venteilsteuer - soviel wie für eine normale Schleifzugabe - vor den verschiedenen Bearbeitungsstufen vorgesehen.

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- Am Ende des Schaftteiles Io - soweit die Scheibe angewandt wird - kann ein Ansatz 18 aus härtbarem Werkstoff, wie etwa martensitischem Stahl, angeschweißt werden, um dieser Stelle die gewünschte Härte geben zu können.

Schliesslich sei noch erwähnt, dass das erfindungsgemäße Venteil nach Fertigstellung dem bekannten Verfahren der Stellitierung oder anderen, besonderen Behandlungen unterzogen werden kann, um dem Ventil bestimmte Eigenschaften zu verleihen.

- Patentansprüche -

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Claims (10)

Patentansprüche

1.)Verfahren zur Herstellung hohler Ventile für Verbrennungsmotoren und andere Haschinen im allgemeinen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ventil bei der Formung mit einem kürzeren Schaft (lo) als seine endgültige Länge hergestellt wird, an welchen längsgebohrten (12) mit passendem Kühlstoff (14) gefüllten Schaft ein Metallaneatz (18) angeschweißt oder durch Anwendung eines anderen Mittels verbunden wird, der die Gesamtlänge des Ventils verrollständigt, so daß dadurch gekühlte, vollständig verschlossene Ventile erhalten werden, deren Filzkappe ungeschwächt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ventilschaft ausgesparte Längsbohrung (12) mit einer in die Bohrung unter starkem Druck eingezwängten Metallscheibe (16) verschlossen wird, um zu verhindern, dass der in der Längsbohrung (12) enthaltene Kühlstoff (14-) den atmosphärischen und/oder sonstigen fremden Einflüssen während der weiteren Bearbeitung des Ventils ausgesetzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Schaftteiles (lo) des Ventils so gewählt ist, dass keine über eine normale Schleifzugabe gehende Verdickung des Schaftes entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft eines jeden Ventils aus zwei Teilen (lo,18) besteht, die aneinander fluchtend im Bereich des Schaftfußes, d.h. wo die thermische Beanspruchung am kleinsten ist, befestigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bie-4-y dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Schaftteiles (18) eine blinde Axialbohrung (2o) angebracht wird, die beim Zusammenbau der beiden Schaftteile mit der im anderen Schaftteil (lo) ausgesparten Bohrung (12) fluchtet.

6. Hohlventil hergestellt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Ansatzteiles (22) des Ventilschaftes mit einer zylinderförmigen Verlängerung (22a) versehen ist, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (12), in die die zylinderförmige Verlängerung (22a) einstekbar ist.

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7. Hohlventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkante des Schaftteiles (lo) so abgefaßt ist, dass ein Stumpfkegel entsteht, dessen frei gewählter Kegelwinkel oC seinen Scheitel an der Achse des Ventils gegen Ende seines Schaftteiles (lo) anliegen hat.

8. Hohlventil nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige Verlängerung des Ansatzteiles (22), die einen kleineren Durchmesser aufweist, einen dem Kegelwinkel am Ende des Schaftteiles (lo) entgegengesetzt gerichteten, stumpfkegeligen Teil (22b) aufweist, und dass zwischen dieser stumpfkegeligen Fläche (22b) und der Verlängerung (22a) eine Ringnut ausgespart ist.

9. Hohl ventil nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verlängerung (22a) des Ansatzteiles (22) in die Längsbohrung (12) des Schaftteiles (lo) mit einem Spiel (T) hineinpaßt, dessen Wert frei wählbar ist.

10. Hohlventil nach Anspruch 6 bis 9» durch ihre Konstruktion gekennzeichnet, bei der folgende Größen stets maßgebend sind:

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- Winkel der Kegelfläche am Ende des Schaftteiles (lo),

- ρ - Winkel der Kegelfläche des anderen Sphaft-

teiles zur Bildung der Schweißnut (22c),

- S - Flanke der Schweißnut,

-R- Hutzgrundradius mit frei wählbarem Wert,

-T- Radialspiel zwischen der Verlängerung (22a) des Ansatzteiles (22) und der Bohrung (12) im Schaftteil (lo).

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