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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsstruktur
eines Ventilsitzeinsatzes und betrifft insbesondere eine Struktur
und ein Verfahren zur Verbindung des Ventilsitzeinsatzes mit einem
Kopf durch Druckschweißen
so, dass der Kopf den Ventilsitzeinsatz physisch sichert, um einen
Ventilsitz für
eine interne Verbrennungskraftmaschine zu bilden.
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Bei
einem allgemeinen Ventil für
eine interne Verbrennungskraftmaschine besteht ein ringförmiger Ventilsitzeinsatz
aus einer gesinterten Eisenlegierung, und die Einlass- und Auslassöffnungen
eines Zylinderkopfes bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Der
Ventilsitzeinsatz ist mit dem Zylinderkopf durch Erwärmen und
Pressen des Ventilsitzeinsatzes in einer an jeder Öffnung ausgebildete
Aussparung verbunden.
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Bei
diesem Erwärmen
und Pressen muss der ringförmige
Ventilsitzeinsatz relativ dick ausgebildet sein, um den durch das
Schrumpfen erzeugten Spannungen standzuhalten. Daher wurde versucht,
das Verbinden des Ventilsitzeinsatzes durch Schweißen oder
andere Verfahren, die weniger innere Spannungen erzeugen, so durch zuführen, dass
der Ventilsitzeinsatz relativ dünn
ausgebildet ist. Die nicht geprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 11-50823 beschreibt, dass der Ventilsitzeinsatz mittels Reibschweißens verbunden
ist, welches eine Ultraschallschwingung aufbringt. Auch die japanische
nicht geprüfte
Patentveröffentlichung
Nr. 8-296417 und Nr. 2000-263241 beschreiben, dass der Ventilsitz
mittels elektrischem Widerstandsschweißens verbunden ist.
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Da
der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung besteht, und der Ventilsitzeinsatz
aus einer gesinterten Eisenlegierung besteht, die unterschiedliche
Materialien sind, wird durch irgendein verwendetes Verfahren ein
weicher Zwischenmetallbestandteil und eine Oxidationsschicht an
einer Übergangszone
zwischen dem Zylinderkopf und dem Ventilsitzeinsatz erzeugt, sodass
die Verbindungsfestigkeit dazwischen geschwächt wird. Um die Verbindungsfestigkeit
zu erhöhen,
kann daher der Ventilsitzeinsatz ein diffuses Material enthalten,
das mit einer Aluminiumlegierung verschmilzt, oder eine Schicht
des diffusen Materials umfassen, oder es kann Lötzinn zwischen dem Zylinderkopf
und dem Ventilsitzeinsatz angeordnet sein.
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Bei
der oben beschriebenen Verbindungsstruktur des Ventilsitzeinsatzes
mittels Reibschweißens
oder elektrischem Widerstandschweißen wird ein Freiheitsgrad
hinsichtlich der Auslegung sichergestellt, z.B. kann die Dicke des
Ventilsitzeinsatzes relativ dünn
sein. Die Struktur verhindert jedoch nicht vollständig ein
Herausfallen des Ventilsitzeinsatzes.
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Die
AT 003 599 U1 beschreibt
eine Verbindungsstruktur eines Ventilsitzeinsatzes gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. In diesem Dokument wird ein Ventilsitzeinsatz in
die Öffnung
durch Kühlen des
Ventilsitzeinsatzes und Erwärmen
des metallischen Kopfes eingesetzt, wobei man von dem Unterschied
der thermischen Ausdehnung zwischen dem Kopfmaterial und dem Ventilsitzeinsatzmaterial
Gebrauch macht.
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Gemäß der
DE 929157 C wird
ein Ventilsitzeinsatz in einen Zylinderkopf einer internen Verbrennungskraftmaschine
durch Einsetzen eines Ventilsitzeinsatzes in das flüssige Zylinderkopfmetall während des
Gießens
und durch Befestigen an einer bestimmten Position eingesetzt. Nach
dem Aushärten
der Schmelze ist der Ventilsitzeinsatz in dem Zylinderkopf eingesetzt.
Der Außendurchmesser
des Ventilsitzeinsatzes nimmt allmählich in Richtung der Innenseite
des Zylinders zu, sodass der Ventilsitzeinsatz in dem Zylinderkopf
verankert ist.
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Die
JP 10122035 A beschreibt
ein Verfahren zum Befestigen eines Ventilsitzeinsatzes an einem Zylinderkopf.
Bei diesem Verfahren wird ein Vorsprung eines Ventilsitzeinsatzes
durch Elektrifizieren geschmolzen, sodass nach dem Pressen des Ventilsitzeinsatzes
das halb geschmolzene Material des Vorsprungs eine Aussparung in
dem Zylinderkopf ausfüllt.
Der mechanische Eingriff zwischen dem Ventilsitzeinsatz und dem
Zylinderkopf wird auf diese Weise erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbindung zwischen
einem Ventilsitzeinsatz und einem Zylinderkopf zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Verbindungsstruktur eines Ventilsitzeinsatzes
gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
Das Verfahren zur Herstellung der Verbindungsstruktur ergibt sich
aus Anspruch 11.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere
Ausführungsformen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, die die Erfindung in beispielhafter Weise darstellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
als neu angesehenen Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich insbesondere aus den Ansprüchen.
Die Erfindung, zusammen mit ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen, wird
am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verstanden. Es zeigen
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1 eine
Schnittansicht eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes,
die zu einem Ventilmechanismus für
eine interne Verbrennungskraftmaschine zusammengebaut sind, nach
dem Verbinden gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Teilschnittansicht
eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes vor dem Verbinden
gemäß der ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3a bis 3f Teilschnittansichten
eines Verfahrens zum Verbinden eines Ventilsitzeinsatzes mit einem
Zylinderkopf gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes
vor dem Verbinden gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5a bis 5e Schnittansichten
eines Verfahrens zum Verbinden eines Ventilsitzeinsatzes mit einem
Zylinderkopf gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Schnittansicht eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes
vor dem Verbinden gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Schnittansicht eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes
vor dem Verbinden gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Schnittansicht eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes
vor dem Verbinden gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9a bis 9c Schnittansichten
eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes vor dem Verbinden
und ein Verfahren zum Verbinden des Ventilsitzeinsatzes mit dem
Zylinderkopf gemäß einer sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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10a bis 10c Schnittansichten
eines Ventilsitzeinsatzes und eines Zylinderkopfes vor dem Verbinden
und ein Verfahren zum Verbinden des Ventilsitzeinsatzes mit dem
Zylinderkopf gemäß einer
siebten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die 1 bis 3 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, besteht eine Verbindungsstruktur 1 eines
Ventilsitzes aus einem Zylinderkopf 5 und einem Ventilsitzeinsatz 6.
Am Ende der Öffnung 11 des
Zylinderkopfes 5 ist eine Aussparung 12 durch
Einpressen des Ventilsitzeinsatzes 6 in Richtung des Zylinderkopfes 5 ausgebildet.
Der Ventilsitzeinsatz 6, der eine ringförmige Form aufweist, ist mit
dem Zylinderkopf 5 so verbunden, dass er in die Aussparung 12 eingepasst
ist. Eine geneigte Fläche 23 an
einer äußeren Fläche mit
vermindertem Durchmesser, die ihren Durchmesser allmählich in Richtung
der gegenüberliegenden
Seite des Zylinderkopfes 5 vermindert, liegt an einem äußeren Umfang
des Ventilsitzeinsatzes 6. Ein verformtes Metall 14,
dessen Querschnitt keilförmig
ist, nimmt irgendeinen Spalt rings um die geneigte Fläche 23 ein
und ist ausgehärtet.
Das verformte Metall wird mit steigender Temperatur erweicht und
verflüssigt.
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Ein
innerer Umfang des Ventilsitzeinsatzes 6, der einer Verbrennungskammer
zugewandt ist, oder die gegenüberliegende
Seite des Zylinderkopfes 5, ist mit einer geneigten Fläche mit
einem Winkel von 45° relativ
zur Mittelachse der Öffnung 11 ausgebildet
und bildet so einen Ventilsitz 15. Bei der Verbindungsstruktur 1 des
Ventilsitzes ist der Ventilkörper 7 an
dem Ventilsitz 15 angeordnet, sodass er sich relativ zum
Ventilsitz 15 des Ventilsitzeinsatzes 6 auf- und
abbewegt. Auf diese Weise wird ein Ventil 2 für eine interne
Verbrennungskraftmaschine ausgebildet.
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2 zeigt
einen Ventilsitzeinsatz und einen Zylinderkopf vor dem Verbinden.
Der Zylinderkopf 5 besteht aus einem Metall, wie zum Beispiel
einer Aluminiumlegierung, zum Beispiel Al-Si. Der Ventilsitzeinsatz 6 besteht
aus einem Metall, zum Beispiel einer Eisenlegierung oder einem Sintermetall
jener Legierungen. Das Material des Ventilsitzeinsatzes 6 ist härter als
das des Zylinderkopfes 5.
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Die
Aussparung 21 des Zylinderkopfes 5 besteht aus
einer ersten Aussparung 211, deren Durchmesser D2 größer als
der Durchmesser D1 der Öffnung 11 ist,
einer zweiten Aussparung 212, deren Durchmesser D3 viel
größer als
der Durchmesser D2 der ersten Aussparung 211 ist und eine
Abstufung 213 zwischen der ersten Aussparung 211 und
der zweiten Aussparung 212.
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Der
Ventilsitzeinsatz 6 ist ringförmig und weist einen Innendurchmesser
D5, einen äußersten Durchmesser
D7 und eine Dicke von H5 auf. Der Ventilsitzeinsatz 6 schafft
eine kegelstumpfförmige erste
geneigte Fläche 23,
oder eine Außenfläche mit vermindertem
Durchmesser, die weiter von dem Zylinderkopf 5 als ein äußerster
Punkt 22 des Ventilsitzeinsatzes 6 angeordnet
ist. Der Ventilsitzeinsatz 6 schafft weiter eine kegelstumpfförmige zweite
geneigte Fläche 24,
die näher
an dem Zylinderkopf 5 als der äußerste Punkt 22 angeordnet
ist. Da das keilförmig
verformte Metall den Spalt rings um die erste geneigte Fläche 23 einnimmt,
liegt der Winkel α der
ersten geneigten Fläche 23 vorzugsweise
bei 10 bis 15°. Da
weiter die zweite geneigte Fläche 24 das
verformte Metall aus der ersten geneigten Fläche 23 herausdrückt, liegt
der Winkel β der
zweiten geneigten Fläche 24 vorzugsweise
bei 45° oder
darunter.
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Der äußerste Außendurchmesser
D7 des Ventilsitzeinsatzes 6 ist vorzugsweise ein wenig
kleiner als der Durchmesser D3 der zweiten Aussparung 212,
sodass das verformte Metall gut auf der ersten geneigten Fläche 23 strömt. Bei
dem Ventilsitzeinsatz 6 ist der untere Durchmesser D6 einer
dem Zylinderkopf 5 zugewandten Endfläche vorzugsweise ein wenig
kleiner als der Durchmesser D2 der ersten Aussparung 211,
sodass die zweite geneigte Fläche 24 gegen
die Kante der Abstufung 213 anstößt. Der Durchmesser D5 des
Ventilsitzeinsatzes 6 ist vorzugsweise ein wenig kleiner
als der Durchmesser D1 der Öffnung 11,
sodass ein Grad des verformten Metalls geführt wird. Die Dicke H5 des
Ventilsitzeinsatzes 6 ist vorzugsweise ein wenig größer als
die Tiefe H1 der Aussparung 21, sodass ein Raum zum Setzen
nach dem Pressen gegeben ist.
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3 zeigt
ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzeinsatzes 6 und
eines Zylinderkopfes 5. Der Ventilsitzeinsatz 6 wird
in Richtung des Zylinderkopfes 5 gedrückt, während er gedreht wird. Wie
in 3a gezeigt, wird der Ventilsitzeinsatz 6 in
die Aussparung 21 des Zylinderkopfes 5 eingepasst.
Der Rand der Abstufung 213 stößt gegen die zweite geneigte
Fläche 24 an.
In einem derartigen Zustand wird der Ventilsitzeinsatz 6 gegen
den Zylinderkopf 5 durch Aufbringen eines bestimmten Drucks
P auf den Ventilsitzeinsatz 6 gepresst. Wie in 3b gezeigt, wird der Ventilsitz 6 gepresst,
während
er gedreht wird, sodass der Rand der Abstufung 213 verformt wird
und längs
der zweiten geneigten Fläche 24 fließt.
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Wie
in 3c gezeigt, wird das verformte Metall
von dem äußersten
Punkt 22 weg über
den äußersten
Punkt 23 gedrückt
und fließt
längs der
ersten geneigten Fläche 23 in
Richtung der gegenüberliegenden
Seite des Zylinderkopfes 5. Wie in 3d gezeigt,
stößt das dem
Zylinderkopf 5 zugewandte Ende des Ventilsitzes 6 gegen
den Boden der ersten Aussparung 211 des Zylinderkopfes 5 und
wird weiter gegen den Zylinderkopf 5 gepresst, während es
gedreht wird, bis das verformte Metall irgendeinen Spalt rings um
die erste Aussparung 211 einnimmt. Wie in 3e gezeigt,
wird der Ventilsitzeinsatz 6 nicht weiter gedreht und nur
weiter gedrückt.
Da der gegen den Ventilsitzeinsatz 6 anstoßende Zylinderkopf 5 verformt
wird, wird der Ventilsitzeinsatz 6 weiter hereingedrückt. Das
verformte Metall wird aus der ersten geneigten Fläche 23 und
zur Öffnung 11 gedrückt.
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Nach
einer Abkühlung
im Zustand von 3e ist das keilförmig verformte
Metall 14 rings um die erste geneigte Fläche 23 des
Ventilsitzeinsatzes 6 verfestigt. Das verfestigte verformte
Metall 14 nimmt irgendeinen Spalt rings um den Ventilsitzeinsatz 6 ein
und sichert physisch den Ventilsitzeinsatz 6 an dem Zylinderkopf 5.
Wie in 3f gezeigt, wird die Verbindungsstruktur 1 des
Ventilsitzes mit den angegebenen Abmessungen durch folgende Schritte ausgebildet:
Entfernen eines Grates des verformten Metalls 14 durch
Bearbeiten der inneren Fläche
des Ventilsitzeinsatzes 6 und des distalen Endes des Ventilsitzeinsatzes
relativ zu dem Zylinderkopf 5 und Formen des Ventilsitzes 15 durch
Bearbeiten des Randes zwischen dem distalen Ende und der inneren Fläche.
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Wenn,
wie in 3f, das verformte Metall 14 nicht
den Spalt rings um die erste geneigte Fläche 13 ausreichend
einnimmt, wird das verformte Metall 14 nach Entfernen des
Grates einige Spalte fehlerhaft bilden. Daher kann die sichere Befestigung
des Ventilsitzes 15 durch Augenschein festgestellt werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die 4 und 5 beschrieben.
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Ein
Zylinderkopf 5A weist eine Aussparung 31 auf,
deren Durchmesser D13 und deren Tiefe H11 beträgt, und der Durchmesser D13
ist größer als
der Durchmesser D11 der Öffnung 11.
Ein ringförmiger Ventilsitzeinsatz 6A weist
einen Innendurchmesser D15, einen äußersten Durchmesser D17 und
eine Dicke H15 auf. Der Ventil sitzeinsatz 6A weist weiter eine
kegelstumpfförmige
geneigte Fläche 33 oder eine äußere Umfangsfläche verminderten
Durchmessers auf, wobei der Winkel der geneigten Fläche 33 α Grad senkrecht
zur Mittelachse der Öffnung 11 beträgt. Die
geneigte Fläche 33 ist
weiter vom Zylinderkopf 5A als ein äußerster Punkt 32 des
Ventilsitzeinsatzes 6A entfernt.
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Der äußerste Durchmesser
D17 des Ventilsitzeinsatzes 6A ist vorzugsweise ein wenig
kleiner als der Durchmesser D13 der Aussparung 31, sodass
das verformte Metall gut auf der geneigten Fläche 33 fließt. Der
Durchmesser D15 des Ventilsitzeinsatzes 6A ist vorzugsweise
ein wenig kleiner als der Durchmesser D11 der Öffnung 11, um so einen
Grat des verformten Metalls zu führen.
Die Dicke H15 des Ventilsitzeinsatzes 6A ist vorzugsweise
ein wenig größer als
die Tiefe H11 der Aussparung 31, um so Raum für ein Entspannen
nach dem Pressen auszubilden.
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5 zeigt
ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzeinsatzes 6A mit
einem Zylinderkopf 5A. Der Ventilsitzeinsatz 6A wird
in Richtung des Zylinderkopfes 5A gepresst, während er
gedreht wird. Wie in 5A gezeigt, wird
der Ventilsitzeinsatz 6A in die Aussparung 31 des
Zylinderkopfes 5A eingepasst. Das Ende des Ventilsitzeinsatzes 6A stößt gegen
den Boden der Aussparung 31 an. In einem derartigen Zustand
wird der Ventilsitzeinsatz 6A den Zylinderkopf 5A durch
Aufbringen eines bestimmten Drucks P auf den Ventilsitzeinsatz 6A gepresst.
Wie in 5a gezeigt, wird, da der Ventilsitzeinsatz 6A gepresst
wird, während
er gedreht wird, der Boden der Aussparung 31 verformt,
und das verformte Metall fließt über den äußersten
Punkt 22 und dann längs
der geneigten Fläche 33.
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Wie
in 5c gezeigt, wird der Ventilsitz 6A nicht
weiter gedreht und lediglich weiter gepresst. Da der Boden des Zylinderkopfes 5A gegen
den Ventilsitzeinsatz 6A anschlägt und verformt wird, wird
der Ventilsitzeinsatz 6A weiter hineingedrückt. Das
verformte Metall fließt
auf die geneigte Fläche 33 und
bildet einen Keil. Wie in 5d gezeigt,
verfestigt sich das keilförmig
verformte Metall 34 durch Abkühlung und vereinigt sich mit
einem Grundmetall des Zylinderkopfes 5A. Das keilförmig verformte
Metall 34 nimmt irgendeinen Spalt rings um den Ventilsitzeinsatz 6A auf
und sichert physisch den Ventilsitzeinsatz 6A an dem Zylinderkopf 5A.
Wie in 5e dargestellt, ist die Verbindungsstruktur 1A des
Ventilsitzeinsatzes mit Abmessungen durch folgende Schritte ausgelegt:
Entfernen eines Grates des verformten Metalls 34 durch
Bearbeiten der inneren Fläche
des Ventilsitzeinsatzes 6A und des distalen Endes des Ventilsitzeinsatzes 6A relativ
zu dem Zylinderkopf 5A und Ausbilden des Ventilsitzes 35 durch
Bearbeiten des Randes zwischen dem distalen Ende und der Innenfläche.
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Wenn
in 5e das verformte Metall 34 nicht
den Spalt rings um die geneigte Fläche 33 ausreichend
einnimmt, bildet das verformte Metall 34 fehlerhaft einige
Spalte nach dem Entfernen des Grates. Somit kann der Ventilsitz 35 sicher
durch Augenschein ausgewählt
werden.
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Eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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Wie
in 6 gezeigt, ist die Form des Zylinderkopfes 5B gleich
der der ersten Ausführungsform. Ein
Ventilsitzeinsatz 6B weist eine geneigte Fläche 43 und
eine äußere Umfangsfläche 42 mit
einem verminderten Durchmesser auf. Die geneigte Fläche 43 ist
näher am
Zylinderkopf 5B als eine äußerste Fläche 41 des Ventilsitzeinsatzes 6B,
wie bei der ersten Ausführungsform
angeordnet. Der Außenfläche verminderten
Durchmessers 42 mit ihrer halbkreisförmigen Form ist weiter vom
Zylinderkopf 5B als die äußerste Fläche 41 angeordnet.
Der Ventilsitzeinsatz 6B weist weiter eine zylindrische
Fläche 44 auf,
deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der äußersten
Fläche 41 an
seinem äußersten
Umfang ist. Die zylindrische Fläche 44 ist
weiter vom Zylinderkopf 5B als die Fläche 42 mit vermindertem
Außendurchmesser
angeordnet. Ein Spiel ε ist
zwischen der zylindrischen Fläche 44 und
der äußersten
Fläche 41 ausgebildet.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
fließt das
verformte Metall längs
der geneigten Fläche 43 und
dann über
die äußerste Fläche 41 und
nimmt dann irgendeinen Spalt rings um die Außenfläche 42 verminderten
Durchmessers ein. Das den Spalt rings um die Außenfläche 42 verminderten
Durchmessers einnehmende Metall wird verfestigt und vereinigt sich mit
einem Grundmetall des Zylinderkopfes 5B. Weiter wird das
den Spalt rings um die Außenfläche 42 verminderten
Durchmessers einnehmende Metall durch das Spiel ε gedrückt und strömt nach außen. Die Außenfläche 42 verminderten
Durchmessers ist daher mit dem verformten Metall gefüllt und
kann durch Augenschein überprüft werden.
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Eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Wie
in 7 gezeigt, ist die Form des Zylinderkopfes 5C die
gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Ein Ventilsitzeinsatz 6C weist eine geneigte Fläche 53 und
eine äußere Fläche verminderten
Durchmessers 52 an seinem Außenumfang auf. Die geneigte
Fläche 53 ist
näher am
Zylinderkopf 5C als ein äußerster Punkt 51 des
Ventilsitzeinsatzes 6C angeordnet, wie bei der ersten Ausführungsform.
Die Außenfläche 52 verminderten
Durchmessers, die eine Aufnahme bildet, ist weiter von dem Zylinderkopf 5C als
der äußerste Punkt 51 angeordnet.
Der Ventilsitzeinsatz 6C weist weiter einen weiteren Spitzenpunkt 54 an
seinem Außenumfang
auf, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des äußersten
Punktes 51 ist. Der Spitzenpunkt 54 ist weiter vom
Zylinderkopf 5C als die Außenfläche 52 verminderten
Durchmessers angeordnet ist. Ein Spiel ε ist zwischen dem Spitzenpunkt 54 und
dem äußersten Punkt 51 ausgebildet.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
fließt das
verformte Metall längs
der geneigten Fläche 53 und über den äußersten
Punkt 51 und nimmt dann irgendeinen Spalt rings um die
Außenfläche 52 verminderten
Durchmessers als Aufnahme ein. Das den Spalt rings um die Außenfläche 52 verminderten Durchmessers
einnehmende Metall verfestigt sich und vereinigt sich mit dem Grundmetall
des Zylinderkopfes 5C. Da das den Spalt rings um die Außenfläche 52 verminderten
Durchmessers einnehmende Metall durch das Spiel bzw. den Spalt ε nach außen gedrückt wird,
kann die mit dem verformten Metall gefüllte Außenfläche 52 verminderten
Durchmessers durch Augenschein überprüft werden.
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Eine
fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
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Wie
in 8 gezeigt, ist die Form des Zylinderkopfes 5D die
gleiche wie bei der ersten Ausführungsform,
mit der Ausnahme, dass die zweite Aussparung eine kegelstumpfförmige Aussparung 60 ist. Ein
Ventilsitzeinsatz 6D weist eine erste geneigte Fläche 61 und
eine zweite geneigte Fläche 62 an
seinem äußeren Umfang
auf. Die erste und zweite geneigte Fläche 61, 62 sind
kegelstumpfförmig
ausgebildet und am Außenumfang
des Ventilsitzeinsatzes 6D angeordnet. Der Ventilsitzeinsatz 6D weist
weiter eine Außenfläche 63 verminderten
Durchmessers als Aufnahme auf, die eine Ringnut ist. Die Außenfläche 63 verminderten
Durchmessers ist zwischen der ersten und zweiten geneigten Fläche 61, 62 angeordnet und
weist eine Abstufung auf, um zu verhindern, dass der Ventilsitzeinsatz 6D herausfällt. Ein
Spalt ε ist zwischen
der ersten und zweiten geneigten Fläche 61, 62 ausgebildet.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
fließt das
verformte Metall längs
der geneigten Fläche 61 und
nimmt dann irgendeinen Spalt rings um die Außenfläche 63 vermin derten
Durchmessers ein. Das den Spalt rings um die Außenfläche 63 verminderten Durchmessers
einnehmende verformte Metall verfestigt sich und vereinigt sich
mit dem Grundmaterial des Zylinderkopfes 5D. Das den Spalt
rings um die Außenfläche 63 verminderten
Durchmessers einnehmende Metall wird weiter durch den Spalt ε gedrückt, sodass
die Außenfläche 63 verminderten
Durchmessers mit dem darin aufgenommenen verformten Metall durch
Augenschein überprüft werden
kann.
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Eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 9a bis 9c beschrieben.
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Wie
in 9a gezeigt, verbleibt der Zylinderkopf 5E nach
dem Guss in seiner Form, ohne Bearbeitung zur Ausbildung einer Aussparung
an der Öffnung 11.
Ein Ventilsitzeinsatz 6E weist eine erste geneigte Fläche 73 als
Außenfläche verminderten Durchmessers
und eine zweite geneigte Fläche 74 an
seinem äußeren Umfang
auf. Die erste geneigte Fläche 73 ist
kegelstumpfförmig
ausgebildet und weiter vom Zylinderkopf 5E weg als ein äußerster
Punkt 72 des Ventilsitzeinsatzes 6E angeordnet.
Die zweite geneigte Fläche 74 ist
kegelstumpfförmig
ausgebildet und näher
an dem Zylinderkopf 5E als der äußerste Punkt 72 angeordnet.
Der Ventilsitzeinsatz 6E weist eine dritte geneigte Fläche 75 an
seinem inneren Umfang auf und weist einen Rand 76 an einem
Ende auf. In 9b wird der Ventilsitzeinsatz 6E in
Richtung des Zylinderkopfes 5E gedrückt, während er gedreht wird, wobei
die Öffnung 11 und
die Endfläche 13 des
Zylinderkopfes 5E verformt werden und das verformte Metall
nach außen
gedrückt
wird. Infolge des nach außen
gedrückten
verformten Metalls nimmt das verformte Metall irgendeinen Spalt
rings um die erste geneigte Fläche 73 ausreichend
ein. In 9c wird der Ventilsitz 77c durch
folgende Schritte ausgebildet: Ausbilden einer Öffnung 11 durch Bearbeiten
der Innenfläche 11a des
Zylinderkopfes 5E und der Innenfläche 77a des Ventilsitzeinsatzes 6E zusammen
Ausbilden eines plattenförmigen
Endes durch Bearbeiten des Endes 11b des Zylinderkopfes 5E und
des Endes 77b des Ventilsitzeinsatzes 77b zusammen
und Bearbeiten des Randes zwischen der Innenfläche 77a und des Endes 77b.
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In 9c nimmt das verformte Metall den Spalt
rings um die erste geneigte Fläche 73 ausreichend
ein, und die erste geneigte Fläche 73 wird
mit dem verformten Metall gefüllt
und kann nach dem Bearbeiten durch Augenschein überprüft werden.
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Eine
siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die 10a bis 10c beschrieben.
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In 10a weist der Zylinderkopf 5F am Ende
der Öffnung 11 eine
Aussparung 81 auf, die aus einer ersten Aussparung 811 und
einer zweiten Aussparung 812 besteht. Ein Ventilsitzeinsatz 6F weist eine
erste geneigte Fläche 83 als
Außenfläche verminderten
Durchmessers und eine zweite geneigte Fläche 84 als äußeren Umfang
auf. Die erste geneigte Fläche 83 ist
kegelstumpfförmig
ausgebildet und weiter vom Zylinderkopf 5F als ein Spitzenpunkt 82 des
Ventilsitzeinsatzes 6F angeordnet. Die zweite geneigte
Fläche 84 ist
kegel stumpfförmig
ausgebildet und näher
an dem Zylinderkopf 5F als der Spitzenpunkt 82 angeordnet.
Der Ventilsitzeinsatz 6F weist weiter einen Kappenabschnitt 85 und
eine Abstufung 85a auf. Der Kappenabschnitt 85 ist
am äußersten Ende
des Ventilsitzeinsatzes 6F relativ zum Zylinderkopf 5F angeordnet.
Die Abstufung 85a ist zwischen der ersten geneigten Fläche 83 und
dem Kappenabschnitt 85 angeordnet. Der Durchmesser des
Spitzenpunktes 82 ist im Wesentlichen gleich dem Durchmesser
der zweiten Aussparung 812. Der Durchmesser des Kappenabschnitts 85 ist
größer als der
Durchmesser des Spitzenpunktes 82. Ein Spalt δ ist zwischen
dem Kappenabschnitt 85 und dem Spitzenpunkt 82 ausgebildet.
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Da
der Ventilsitzeinsatz 6F, wie in 10b gezeigt,
in Richtung des Zylinderkopfes 5F gepresst wird, während er
gedreht wird, strömt
das verformte Metall auf die erste geneigte Fläche 83 des Ventilsitzeinsatzes 6F und
wird durch den Kappenabschnitt gesperrt, sodass die Einnahme des
verformten Metalls in dem Spalt rings um die erste geneigte Fläche 83 unterstützt wird.
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In 10c wird der Ventilsitz 87c durch
folgende Schritte ausgebildet: Bilden eines plattenförmigen Endes
durch Bearbeiten des Endes 11b des Zylinderkopfes 5F und
des Endes 87b des Ventilsitzeinsatzes 6F zusammen,
gleichzeitiges Entfernen eines Abschnitts entsprechend dem Kappenabschnitt 85 des
Ventilsitzeinsatzes 6F und Bearbeiten des Randes zwischen
der Innenfläche
des Ventilsitzeinsatzes 6F und des Endes 87b.
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In 10c nimmt das verformte Metall den Spalt
rings um die erste geneigte Fläche 83 ausreichend
ein, und die erste geneigte Fläche 83 wird
mit dem verformten Metall gefüllt
und kann nach der Bearbeitung durch Augenschein überprüft werden.
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Mit
den oben beschriebenen Ausführungsformen
erreicht man die folgenden Vorteile.
- (1) Bei
der ersten bis siebten Ausführungsform nimmt
das verformte Metall der Zylinderköpfe irgendeinen Spalt rings
um die geneigten Flächen 23, 33, 73, 83 als
Außenflächen verminderten Durchmessers
und rings um die Außenflächen verminderten
Durchmessers 42, 52, 63 als Aufnahme
ein und vereinigt sich mit den Basismetallen der Zylinderköpfe. Dadurch
werden die Ventilsitzeinsätze
physisch mit den Zylinderköpfen
verbunden. Entsprechend wird eine Verbindungsstruktur durch Reibschweißen, welches
eine schwierige Aufgabe bezüglich
der Verbindungsfestigkeit ist, erreicht. Da die Verbindungsstruktur physisch
mittels Reibschweißens
erreicht wird, wird die Begrenzung der Materialien, die für die Verbindungsfläche des
Ventilsitzeinsatzes geeignet sind, vermindert. Die Ventilsitzeinsätze können, verglichen
mit jenen durch Druckschweißen, dünner ausgebildet
werden, und die Auslegungsanforderungen hinsichtlich der Abmessungen
und der Materialien der Ventilsitzeinsätze können verbessert werden.
- (2) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform fließt das Metall,
da das verformte Metall die Spalte rings um die geneigten Flächen 23, 33, 73, 83 als
eine Außenfläche verminderten
Durchmessers oder die Außenflächen 42, 52, 63 verminderten
Durchmessers als Aufnahme einnimmt, längs den geneigten Flächen 23, 33, 73, 83 oder
fließt durch
den Spalt ε nach
außen,
wodurch die Verbindung hinsichtlich ihrer physikalischen Sicherheit
durch Augenschein geprüft
werden kann. Hierdurch können
alle Ventilsitze leicht überprüft werden
und es werden nur gesichert verbundene Ventilsitze produziert.
- (3) Bei der ersten, zweiten, sechsten und siebten Ausführungsform
ist das die Spalte rings um die geneigte Flächen 23, 33, 73, 83 einnehmende verformte
Metall, da die Außenflächen verminderten
Durchmessers die geneigten Flächen 23, 33, 73, 83 sind,
keilförmig
ausgebildet. Hierdurch werden die Ventilsitzeinsätze physisch an den Zylinderköpfen befestigt.
- (4) Bei der ersten, dritten bis fünften Ausführungsform weisen die Ventilsitzeinsätze an ihrem
Außenumfang
geneigte Flächen 24, 43, 53, 61 auf. Die
geneigten Flächen 24, 43, 53, 61 stoßen gegen
Abstufungen an, von denen eine als Abstufung 213 in 2 dargestellt
ist, und die Zylinderköpfe
werden verformt. Hierdurch wird die Druckkraft beim Beginn des Reibschweißens vermindert.
Ebenfalls strömt
das verformte Metall längs der
geneigten Flächen 24, 43, 53, 61,
dann zu der geneigten Fläche 23 als
Außenfläche verminderten
Durchmessers oder den Außenflächen 42, 52, 63 verminderten
Durchmessers als Aufnahme. Somit nimmt das verformte Metall sicher
die Spalte rings um die Ventilsitzeinsätze ein.
- (5) Bei der ersten und zweiten Ausführungsform können die
Ventilsitzeinsätze 6, 6A aus
einem Metall, wie zum Beispiel einem gesinterten Metall, leicht
ausgebildet werden, da die Formen des äußeren Umfangs der Ventilsitzeinsätze aus
zwei geneigten Flächen
oder einer geneigten Fläche bestehen.
Insbesondere weist die Form des Ventilsitzeinsatzes 6A der
zweiten Ausführungsform nur
eine geneigte Fläche
an ihrem äußeren Umfang
auf, sodass die geneigte Fläche
leicht ausgebildet werden kann.
- (6) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform wird jeder Zylinderkopf
infolge des Reibschweißens
verformt. Faktoren, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit, der Druck
und der Betrag zum Erreichen des Reibschweißens können leichter als beim elektrischen
Widerstandsschweißen
gesteuert werden mit der Folge einer hohen Reproduzierbarkeit, einer
gleichförmigen
Qualität
und einer Produktionsausrüstung
mit einfachem Aufbau.
- (7) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform werden Teile der
gegen die Ventilsitze anstoßenden
Zylinderköpfe
nach dem Schweißen
gepuddelt, da die Zylinderköpfe
infolge des Reibschweißens
verformt werden. Hierdurch wird die Zähigkeit der Zylinderköpfe verbessert.
Entsprechend wird die mechanische Eigenschaft des Grundmaterials,
das die Ventilsitzeinsätze
lagert, verbessert, und die Widerstandsfähigkeit der Ventilsitzeinsätze gegen
das Öffnen
und Schließen
der Ventilsitze erzeugten Stöße wird
insgesamt verbessert. Insbesondere bei Ventilen für eine interne
Verbrennungskraftmaschine wird, da ein Stoß beim Öffnen und Schließen der
Ventile groß ist, die
Anordnung von zähen
Materialien rings um den Ventilsitzeinsatz bevorzugt.
- (8) Bei der vierten und fünften
Ausführungsform können die Öffnungen
der Ventilsitzeinsätze 6C, 6D in
Richtung des einen Endes ihren Durchmesser vergrößern, während die Außenumfänge der Ventilsitzeinsätze 6C, 6D ihren
Durchmesser in Richtung des einen Endes vergrößern können. Da die Ventilsitzeinsätze 6C, 6D an
den Außenflächen verminderten
Durchmessers 52, 63 eine Aufnahme an ihrem äußeren Umfang
aufweisen, kann der Ventilsitzeinsatz 6C, 6D in
einem derartigen Zustand physisch mit den Zylinderköpfen 5C, 5D verbunden
werden. Da das die Spalte rings um die Außenflächen 52, 63 verminderten Durchmessers
einnehmende verformte Metall nach außen frei liegt, können die
Flächen 52, 63 verminderten
Durchmessers mit dem verformten Metall leicht durch Augenschein überprüft werden.
- (9) Bei der sechsten Ausführungsform
kann, da ein Ende des Ventilsitzeinsatzes 6E den Rand 76 aufweist,
die Anfangsdruckkraft zum Verformen des Zylinderkopfes 5E durch
Pressen des Ventilsitzeinsatzes 6E gegen die Endfläche 13 des
Zylinderkopfes 5E gleichzeitig mit dem Drehen des Ventilsitzeinsatzes 6E vermindert
werden. Hierdurch kann eine allgemein numerisch gesteuerte Maschine
oder eine NC-Maschine die Reibschweißung durchführen, ohne dass eine besondere
Reibschweißmaschine
verwendet wird. Da der Ventilsitzeinsatz 6E ebenfalls in
die Öffnung 11 des
Zylinderkopfes 5E ohne Ausbilden einer Aussparung rings
um das Ende der Öffnung 11E eingepresst
ist, wird eine relativ große
Menge des Zylinderkopfes 5E verformt. Hierdurch nimmt das verformte
Metall den Spalt rings um die erste geneigte Fläche 73 ausreichend
ein und ist keilförmig
ausgebildet und verfestigt sich dann.
Fläche 73 ausreichend
ein und ist keilförmig
ausgebildet und verfestigt sich dann.
- (10) Bei der siebten Ausführungsform
weist der Ventilsitzeinsatz 6F den Kappenabschnitt 85 an seinem
entfernten Ende relativ zum Zylinderkopf 5F auf. Hierdurch
sperrt der Kappenabschnitt 85 das auf die erste geneigte
Fläche 83 fließende verformte
Metall ab, und das verformte Metall nimmt dann den Spaltring um
die erste geneigte Fläche 83 ausreichend
ein, wird keilförmig
geformt und verfestigt sich dann. Das keilförmig verformte, den Spalt rings
um die erste geneigte Fläche 83 einnehmende
Metall wird nach außen durch
Entfernen des Kappanabschnitts 85 durch Bearbeiten frei
gelegt. Somit kann das keilförmig geformte
Metall, das den Spalt einnimmt, durch Augenschein überprüft werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt, sondern kann entsprechend den folgenden Beispielen abgeändert werden.
- (1) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform wird
der Zylinderkopf infolge von Reibschweißen durch ein Drehpressen verformt.
Der Zylinderkopf kann jedoch ebenfalls durch Reibschweißen mittels
Pressen eines Ultraschallvibrators verformt werden. In einem solchen
Zustand wird der Ventilsitzeinsatz gepresst und in Schwingungen
durch Pressen eines Schwingwerkzeugs versetzt.
- (2) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform besteht der Zylinderkopf
aus einer Aluminiumlegierung und der Ventilsitzeinsatz aus einer
gesinterten Legierung. Der Zylinderkopf kann jedoch aus Eisen oder
Gusseisen gegossen werden, während
der Ventilsitzeinsatz aus einem härterem Metall, verglichen zu
dem Zylinderkopf bestehen kann, einschließlich Wolframkarbid. D.h.,
der Ventilsitzeinsatz ist härter
als der Zylinderkopf, und das Material des Zylinderkopfes kann durch
Pressen des Ventilsitzeinsatzes verformt werden.
- (3) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform wird die vorliegende
Erfindung für
ein Ventil einer internen Verbrennungskraftmaschine verwendet. Wenn
ein Ventil jedoch wiederholt geöffnet
und geschlossen wird, und wenn ein Ventilsitzeinsatz am Ende der Öffnung eines
Kopfes eingebaut ist, kann die Verbindungsstruktur des Ventilsitzes
der beschriebenen Ausführungsformen
angewendet werden.
- (4) Bei der ersten bis siebten Ausführungsform ist die Verbindungsfestigkeit
zwischen den unterschiedlichen Metallen nicht so sehr erforderlich, da
der Ventilsitzeinsatz physisch mit dem Zylinderkopf verbunden ist.
Um die unterschiedlichen Teile fest zu verbinden und die Wärmeleitfähigkeit zu
erhöhen,
kann der Ventilsitzeinsatz, der aus einer gesinterten Legierung
besteht, ein Fließmaterial
und/oder eine Schicht von Fließmaterial,
wie z.B. Kupfer, Zink, Zinn und Magnesium als auch Legierungen von
diesen umfassen.
-
Bei
der dritten und vierten Ausführungsform kann
der Spalt ε Null
sein, und das auf den äußeren Flächen verminderten
Durchmessers 42, 52 fließende Metall kann eingeschlossen
sein. Bei der siebten Ausführungsform
kann der Kappenabschnitt 85 entfallen, und das den Spalt
rings um die geneigte Fläche 83 aufgenommene
verformte Metall kann eingeschlossen sein. Hierbei werden die die
Außenflächen 42, 52 und
die geneigte Fläche 83 einnehmenden verformten
Metalle auf andere Weise überprüft, z.B. durch
ein zerstörungsfreies
Prüfen.
-
Gemäß der oben
beschriebenen Erfindung wird der Zylinderkopf durch Pressen des
Ventilsitzes zum Kopf verformt und das verformte Metall nimmt den
Spalt rings um die Außenflächen verminderten Durchmessers
des Ventilsitzeinsatzes ein, wodurch der Ventilsitzeinsatz physisch
am Zylinderkopf befestigt wird. Hierdurch wird der Ventilsitzeinsatz
fest verbunden, unabhängig
vom Zustand zwischen der Verbindung zwischen den unterschiedlichen
Metallen. Ebenfalls kann infolge des Druckschweißens der Ventilsitzeinsatz
dünner
ausgeführt
werden, verglichen mit jenen, die durch Erwärmen und Presspassen hergestellten
Ventilsitze, und die Auslegungsanforderungen hinsichtlich der Abmessungen
und der Materialien des Ventilsitzeinsatzes können verbessert werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das den Spalt rings um die Außenfläche verminderten Durchmessers
des Ventilsitzeinsatzes einnehmende Metall durch Augenschein überprüft. Hierdurch
wird die Qualitätskontrolle
des Verbindungszustandes sichergestellt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung verbindet das verformte Metall, das den Spalt rings um
die Außenfläche verminderten
Durchmessers des Ventilsitzeinsatzes einnimmt, fest den Ventilsitzeinsatz.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung nimmt das verformte Metall leicht den Spalt rings um die
Außenfläche verminderten
Durchmessers des Ventilsitzeinsatzes ein und die Außenfläche verminderten Durchmessers,
die mit dem verformten Metall ausgefüllt ist, wird leicht überprüft.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung nimmt das verformte Metall den Spalt rings um die Außenfläche verminderten
Durchmessers des Ventilsitzeinsatzes ausreichend ein.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Anfangsdruckkraft beim Pressen vermindert.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung verbindet das verformte Metall durch Reibschweißen den Ventilsitzeinsatz
mit dem Kopf.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Ventilsitz bei einer internen Verbrennungskraftmaschine
verwendet, wobei die Auslegungsanforderungen hinsichtlich der Abmessungen
und der Materialien des Ventilsitzeinsatzes verbessert werden können, z.B.
kann die Dicke des Ventilsitzeinsatzes relativ dünn werden.
-
Die
Ausführungsbeispiele
werden daher als beispielhafte Darstellungen angesehen und begrenzen
nicht die Erfindung auf die hier beschriebenen Einzelheiten, die innerhalb
des Schutzumfangs der beigefügten
Ansprüche
verändert
werden können.