DE69403843T3

DE69403843T3 - Ultraleichtes Ventil für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69403843T3
Application number: DE69403843T
Authority: DE
Inventors: David Louis Bonesteel; Jay Michael Larson
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: DE69403843D1; JP3736863B2; CN1094123A; DE69403843T2; US5619796A; US5413073A; EP0619419B1; KR100308400B1; EP0619419B2; EP0619419A1; JPH06299816A; CN1048312C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Sitzventile für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf ein Ventil, welches von außergewöhnlich leichtem Gewicht ist, während es Charakteristiken mit einem großen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht beibehält.
Verbrennungsmotor-Sitzventile werden gewöhnlicherweise hergestellt durch maschinelle Bearbeitung, Schmieden oder Extrudieren eines festen Rohteils aus hochfestem, wärmebeständigem Metall und dann durch Unterwerfen des Rohteils einer Endbearbeitung und/oder Schleifvorgängen. Bei gewissen Anwendungen machen es Leistungsanforderungen notwendig, ein Ventil mit einem hohlen Schaft vorzusehen, in welchem ein Kühlmittel, wie beispielsweise Natrium, während des Fabrikationsprozesses hinzugefügt werden kann. Im Stand der Technik sind solche hohlen Schäfte durch Mittel gebildet worden, wie beispielsweise das Ausbohren des Schaftes oder durch Extrudieren oder Schmieden des Schaftes über einen Dorn bzw. eine Spindel oder einen entfernbaren Kern. Das US-Patent 5 054 195 offenbart ein Sitzventil, welches durch Kaltumformen eines rohrförmigen Rohteils (Rohling) zu einem gewünschten Schaftdurchmesser hergestellt wird, durch Formen des Übergangsbereiches zwischen dem Schaftdurchmesser und dem Rohteildurchmesser in einen Bogen, um den Kehlteil des Ventils zu definieren, und zwar mittels eines Knet- bzw. Umformprozesses oder ähnlichem, das Abschneiden des Rohteils auf oder nahe dem Außendurchmesser des Kehlteils, das Anbringen einer Kappe, die den Kopf des Ventils definiert, und dann das Zufügen eines zusätzlichen Teils, um den Hohlraum am Spitzenende des Ventils zu schließen. Ein bekannter Heiß-Extrusionsprozeß wird in JP-A-63 109 206 beschrieben, wobei in diesem Heiß-Extrusionsprozeß ein Block geformt bzw. umgeformt und extrudiert wird, um einen Ventilschaft zu bilden, wobei darauffolgend eine Kappe an der Stelle befestigt wird. Eine weitere Form eines bekannten Ventils wird beschrieben in FR-A-2 072 186, bei der ein Teil des Schaftes hohl ist, wobei die Spitzenregion jedoch von fester bzw. ausgefüllter Konstruktion ist.
Die JP 63-306212 offenbart ein hohles Motorventil. Eine Gewichtseinsparung im Vergleich zu anderen Ventilen wird dadurch erreicht, daß ein Rohr für den Schaftteil mit einem sich erweiternden Endteil verwendet wird. Eine Kappe ist am sich erweiternden Ende durch einen nachfolgenden Prozeß angebracht. Der hohle Schaftteil wird am anderen Ende des Rohrteils durch Einfügen eines Stopfens oder Füllglieds geschlossen. Es wird ebenso vorgeschlagen, daß ein anderes Verfahren zur Ausbildung eines Rohrs unter Verwendung eines Tiefziehverfahrens zur Ausbildung eines an einem Ende geschlossenen Rohres verwendet wird.
Während Hohlventile, die durch den bekannten Fabrikationsprozeß erzeugt werden, beträchtlich leichter sind als feste bzw. ausgefüllte Ventile des Standes der Technik, erfordern immer weiter steigende strenge Leistungsstandards, die Brennstoffeinsparung und die Emissionssteuerung eine weitere Gewichtsreduzierung, was wirtschaftlich nicht mit Verfahren des Standes der Technik erreicht werden kann. Darüber hinaus prägt die gegenwärtige Entwicklungsarbeit in einer nockenlosen Ventilbetätigung, bei der das Ventil direkt durch eine elektrische oder strömungsmittelbetätigte Betätigungsvorrichtung geöffnet und geschlossen wird, Ventilmassenbegrenzungen auf, um die übermäßige Betätigungsenergie zu vermeiden, die von der Masse der herkömmlichen Ventile erfordert wird.
Um das Ziel des minimalen Gewichts zu erfüllen, sieht die vorliegende Erfindung ein ultraleichtes Sitzventil vor, welches aus einem Schaftteil besteht, einem Kappenteil, einem Spitzenteil und einem ausgestellten bzw. erweiterten Kehlteil, der eine Übergangsregion zwischen dem Schaftteil und dem Kappenteil definiert, wobei der Kappenteil definiert wird durch ein scheibenartiges Kappenglied, welches an dem Kehlteil befestigt ist; und wobei der Schaftteil, der Spitzenteil und der Kehlteil durch ein hohles zylindrisches Glied aus einem Stück definiert werden, welches am Kehlende davon offen ist, und welches am Spitzenende geschlossen ist; gekennzeichnet dadurch, daß das hohle zylindrische Glied aus einem Stück aus einem duktilen Metallblech hergestellt ist, das so geformt ist, so daß der Kehl- bzw. Übergangsteil eine erste maximale Wanddicke t&sub1; besitzt, der Schaftteil eine zweite maximale Wanddicke t&sub2; besitzt, die dünner ist als die erste maximale Wanddicke, und der End- oder Spitzenteil eine dritte Wanddicke t&sub3; besitzt, die dicker ist als die zweite maximale Wanddicke.
Gemäß eines weiteres Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen ultraleichten Sitzventils für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, und zwar gekennzeichnet durch die Schritte des Vorsehens eines flachen Metallrohteils, das Unterwerfen des Rohteils einer Vielzahl von Kaltform- bzw. Kaltumformschritten, wobei Dorne bzw. Spindeln von abnehmendem Durchmesser und steigender Länge sequentiell mit dem Rohteil in Eingriff gebracht werden, um das Rohteil in einen langgezogenen Zylinder mit einem im wesentlichen flachen geschlossenen Ende und einem ausgestellten bzw. erweiterten offenen Ende zu ziehen, und das Schweißen eines im wesentlichen scheibenförmigen Kappengliedes auf das ausgestellte Ende.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist die Ventilsitzstirnseite auf dem Kappenelement ausgebildet, während in alternativen Ausführungsbeispielen die Sitzstirnseite als Teil der Schweißverbindung zwischen dem Kehl- und dem Schaftelement oder auf dem Schafte lement ausgebildet ist. Gemäß der Erfindung ist das Schaftelement in Form einer Tasse mit einem ausgestellten bzw. erweiterten offenen Ende, welches die Kehlregion des Ventils definiert, und mit einem geschlossenen Ende, welches die Spitze definiert, und ist bis zur Spitze hohl. Gemäß der Erfindung ist der Wandabschnitt des Schaftelementes relativ dick in der Schaftregion, verjüngt sich nach unten zu einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke für den Rest des Schaftes und ist wieder relativ dick am Spitzenende.
In der vorliegenden Erfindung wird das Schaftelement mittels eines Tiefziehprozesses hergestellt, wobei ein Start-Rohteil in Form einer flächenelementartigen bzw. blattartigen Scheibe einer Vielzahl von Kaltziehschritten unterworfen wird, die eine langgestreckte ausgestellte Tasse bzw. einen Napf zur Folge haben, wobei die Außenkante des ausgestellten Endes und das Spitzenende im wesentlichen die gleiche Dicke haben wie das Start-Rohteil. Gemäß eines Aspektes der Erfindung sind eine oder mehrere Haltenuten in den hohlen Schaft eingerollt, und zwar als zusätzlicher Schritt zum Ziehprozeß.
Bis jetzt ist der Tiefziehprozeß, der gemäß der Erfindung verwendet wird, nicht als praktisch bzw. anwendbar zur Herstellung von Motorventilen betrachtet worden, und insbesondere von Auslaßventilen, da Materialien mit ausreichender Duktilität bzw. Verformbarkeit, um tiefgezogen zu werden, nicht als im Besitz von ausreichend großen Heißfestigkeitseigenschaften zur Anwendung in Motorventilen angesehen wurden. Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch ein gezogenes Schaftelement in Kombination mit den Kühl- und Festigkeitsverbesserungsmerkmalen, die die Anwendung von hochduktilen Materalien machen für diese Anwendung geeignet bzw. praktisch durchführbar machen.
Gemäß anderer Aspekte der Erfindung ist das Kappenelement optimal geformt, um die Festigkeit und Steifigkeit des Ventils zu verbessern, und die Kappe ist auf dem Schaft in einer Region aufgeschweißt, wo es eine optimale Beziehung zwischen Beanspruchung und Temperatur gibt, und gemäß alternativer Ausführungsbeispiele weist die Kappe Rippen auf, die dazu dienen, die Steifigkeit der Verbrennungsstirnseite des Ventils zu steigern, und die Wärmeübertragung zwischen der Verbrennungsstirnseite und dem inneren Kühlmittel zu verbessern.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gesehen wird, in denen die Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1a eine Teilquerschnittsansicht, die eine alternative Konstruktion für den Spitzenteil des Ventils der Fig. 1 zeigt;
Fig. 2a eine vergrößerte Schnittansicht des Kappenteils des in Fig. 1 gezeigten Ventils;
Fig. 2b und 2c Schnittansichten von alternativen Ausführungsbeispielen des in Fig. 2a gezeigten Kappenteils;
Fig. 3a-3d schematische Schnittansichten von verschiedenen Schritten bei der Herstellung des Schaftteils des in Fig. 1 gezeigten Ventils;
Fig. 4 eine bruchstückhafte Schnittansicht zum Aufzeigen eines Verfahrens zur Bildung einer Haltenut in dem Schaftteil;
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 der Fig. 4;
Fig. 6a-6c typische Spannungs- und Temperaturverteilungen auf der Oberfläche eines Auslaßventils des Standes der Technik;
Fig. 7a-7c typische Spannungs- und Temperaturverteilungen auf der Oberfläche eines Auslaßventils gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine bruchstückhafte Schnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 der Fig. 8;
Fig. 10-12 bruchstückhafte Querschnittsansichten von weiteren alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
Fig. 13a eine Schnittansicht eines festen bzw. ausgefüllten Ventils des Standes der Technik;
Fig. 13b eine Schnittansicht eines hohlen Ventils des Standes der Technik; und
Fig. 13c eine Schnittansicht eines Ventils der Erfindung, welches im wesentlichen in dem gleichen Maßstab gezeigt ist wie die Fig. 13a und 13b.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Sitzventil 10 veranschaulicht, welches ein Schaftelement 12 und ein Kappenglied 14 aufweist, welches an dem Schaftelement angeschweißt oder anderenfalls befestigt ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Schaftelement für ein Einlaßventil hergestellt werden, unter Verwendung eines duktilen bzw. verformbaren Metallblechproduktes, wie beispielsweise einen SAE 1008-Stahl, während das Schaftelement für das Auslaßventil hergestellt werden kann unter Verwendung eines rostfreien Stahls, wie beispielsweise UNS305 oder Incoloy 800, wobei die Kappe in jedem Fall aus einem rostfreien Stahl oder anderem kompatiblen Material hergestellt werden kann. Es sei bemerkt, daß die speziellen Materialien abhängig von der Motoranwendung variieren können.
Wie im weiteren Detail unten beschrieben wird, wird das Schaftelement 12 durch einen Tiefziehprozeß geformt bzw. gebildet, der eine erste Wanddicke t&sub1; in der Kehlregion 16 zur Folge hat, und die maximal an der äußeren Ausdehnung der Kehlregion ist; eine zweite Dicke t&sub2; geringer als die Dicke t&sub1; über die Länge des Schaftes besitzt und eine dritte Dicke t&sub3; an der Spitze 18 besitzt, die annähernd die gleiche ist wie die Dicke t&sub1;. Fig. 1a zeigt ein alternatives Spitzendesign bzw. eine Spitzenkonstruktion, bei der die Spitze 18a eine Schräge 19 aufweist, um die Steifigkeit des Spitzenendes des Ventils zu steigern. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Schräge vorzugsweise in einem Winkel von 40 ± 10º ausgebildet.
Insbesondere mit Bezug auf Fig. 2a ist das Kappenglied 14 eine Scheibe, die vorzugsweise mit einer konvexen Verbrennungsstirnseite bzw. Brennstirnseite 22 und einer konkaven inneren Stirnseite 23 gebildet ist. Eine Sitzstirnseite 20 kann geformt bzw. ausgebildet werden, und zwar durch maschinelle Bearbeitung, Ablagerung bzw. Abscheidung und maschinelle Bearbeitung oder durch andere bekannte Verfahren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der Scheibe maximiert durch Verjüngen der Wand von der Außenseite, und zwar derart, daß der Winkel b größer ist als der Winkel a. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Winkel a ungefähr 5º zu einer Linie senkrecht zur Längsachse des Schaftes, und der Winkel b ist ungefähr 10º zu einer solchen Linie. Während das obige ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, können auch Konfigurationen verwendet werden, in denen der Winkel a gleich dem Winkel b ist, wie in Fig. 2b gezeigt, und wobei der Winkel a größer als der Winkel b ist, wie in Fig. 2c gezeigt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Kappe an das Schaftelement bei 24 angeschweißt, und eine Haltenut 26 wird in den Schaft nahe dem Spitzenende des Ventils eingerollt. Die Schweißung bzw. Scheißnaht 24, die durch eine Vielzahl von bekannten Prozessen durch geführt werden kann, wie beispielsweise Laser-, TIG-, MIG-, EB- bzw. Elektronenstrahl- und Widerstandsschweißtechniken, ist an der Schnittstelle zwischen der Außenkante der Kehle 16 und einer Oberfläche 25 gelegen, die auf der Kappe benachbart zur Sitzstirnseite ausgebildet ist, was, wie unten beschrieben, ein Gebiet von relativ niedriger Temperatur und somit höheren Materialfestigkeitseigenschaften ist als benachbarte Gebiete. Bei Anwendungen, in denen das Ventil direkt durch einen strömungsmittelbetätigten oder elektrischen Betätiger geöffnet und geschlossen wird, kann es unnötig sein, eine Haltenut aufzuweisen.
Gemäß der Erfindung wird das Schaftelement mittels eines Kaltumformprozesses ausgebildet, der als Tiefziehen bekannt ist, der typischerweise auf einer sogenannten Transferpresse ausgeführt wird. Bei diesem Prozeß wird eine Serie von Ziehschritten an einem Werkstück ausgeführt, welches als eine flache Blechscheibe beginnt, und welches schrittweise von einem Satz von Ziehwerkzeugen zu einem anderen übertragen (transferiert) wird, und zwar mit einer Vielzahl von Schritten, die innerhalb einer einzigen Transfermaschine ausgeführt werden, wobei jedoch jeder der Schritte einzeln durch Nocken betätigt bzw. angetrieben wird. Das Ergebnis dieses Prozesses ist die Umwandlung der flachen Scheibe in ein langgestrecktes Tassen- bzw. Napfglied, welches mit Durchmessern nahe dem Nenndurchmesser und mit außergewöhnlicher Festigkeit ausgebildet wird. Der Prozeß kann Teile erzeugen, die außergewöhnlich dünne Wände besitzen, jedoch relativ große Festigkeit, und zwar auf Grund der inneren Kaltverfestigung des Materials im Laufe des Ziehprozesses.
Mit Bezug auf die Fig. 3a-3d sind schematisch verschiedene typische Schritte im Transferprozeß veranschaulicht, und zwar beginnend mit einer Blechscheibe 12(a) in Fig. 3a und voranschreitend durch eine Anzahl von Zwischenschritten abhängig von der Endlänge des Ventils, wie durch die Fig. 3b und 3c gezeigt, wobei das Werkstück in Befestigungen 28b-28d gehalten wird, während nockenbetätigte Stößel oder Dorne bzw. Spindeln 30b-30d mit dem Werkstück in Eingriff stehen, um es in die gewünschte Form zu ziehen. Zusätzliche Schritte zum Trimmen bzw. Umformen des offenen ausgestellten Endes auf den richtigen Radius des Kehlteils und um den Enddurchmesser des Schaftteiles zu erhalten, können im Laufe des Ziehprozesses ausgeführt werden oder nach seiner Vollendung. Ein weiterer Preßvorgang kann auch ausgeführt werden, um sicherzustellen, daß die Spitze des Ventils in ihrer gewünschten endgültigen Form ist (flach in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen).
Mit Bezug auf Fig. 4 und 5 kann die vorliegende Erfindung auch einen Schritt aufweisen, in dem die Haltenut 26 als Teil des Kaltformprozesses geformt bzw. ausgebildet wird. In diesem Schritt wird das Werkstück in seiner nahezu vollendeten Form zu einer Station innerhalb der Transferpresse übertragen bzw. geführt (transferiert), wo das Werkstück zwischen zwei Formen bzw. Formmitteln 32 und 34 aufgenommen wird, die durch Zahnräder bzw. Getriebe oder anders miteinander verbunden sind, um sich in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, wie von den Pfeilen in Fig. 5 angezeigt, um das Werkstück zwischen ihnen zu rollen. Um die Nut 26 zu formen, besitzt die Form 32 eine gerändelte oder andere Oberfläche 33 mit hoher Reibung, die darauf ausgebildet ist, um das Werkstück zu ergreifen, und die Form bzw. Formmittel 34 besitzen einen Vorsprung 35 darauf, und zwar in Form einer Rampe, um das Material der Werkstückwand zu verschieben bzw. zu verformen, um die Haltenut zu bilden. Andere Verfahren zum Ausbilden der Nut können auch verwendet werden, und zwar einschließlich einer Vielzahl von radial bewegli chen kreisförmigen Formen bzw. Formmitteln in umgebender bzw. umlaufender Beziehung zum Werkstück. Wegen der Verschiebung bzw. Verformung des Materials werden die Endschritte zum Sicherstellen bzw. Festlegen der Form des Spitzenendes genauso wie um die Endabmessungen des Schaftteils zu erhalten nach dem Nutenrollschritt ausgeführt. Eine einzelne Nut ist darin gezeigt, jedoch sei bemerkt, daß mehrere Nuten von unterschiedlicher Form ausgebildet bzw. eingeformt werden können, falls es für eine spezielle Motorkonstruktion erforderlich ist, oder um zusätzliche Steifigkeit vorzusehen.
Das endgültige Schaftelement 12, welches aus dem obigen Prozeß resultiert, wird durch ein integrales Spitzenende und durch eine sehr dünne Wand über die Länge des geraden Teils des Schaftes gekennzeichnet, wobei jedoch die Dicke t&sub1; und t&sub3; in den Gebieten der Kehle und der Spitze jeweils im wesentlichen die Dicke des ursprünglichen Metallblechs 12a in Fig. 3a sind.
Die Wichtigkeit der Wanddickenbeziehungen und der Konstruktion der Kappe 14 werden mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 klar, die vergleichende Temperatur-, Spannungs- und Festigkeitsprofile für ähnlich konfigurierte hohle Auslaßventile vorsehen, die zu 50% mit einem Natrium- Kalium-Kühlmittel gefüllt sind.
Fig. 6a-6c bilden ein ausgebohrtes Ventil des Standes der Technik ab, welches aus einem martensitischen rostfreien Stahl der 400-Serie oder einem rostfreien 21-2n-Stahl hergestellt ist, und weisen Ergebnisse auf, die aus experimentellen Daten und/oder einer Finite-Elemente-Analyse abgeleitet wurden. Die Fig. 7a- 7c bilden ein Ventil gemäß der Erfindung ab und weisen Ergebnisse auf, die empirisch und/oder durch Finite- Elemente-Analyse erhalten wurden.
Mit Bezug auf die Fig. 6b und 6c ist zu beobachten, daß sowohl die maximale Spannung als auch die maximale Temperatur im Kehlgebiet um die Mitte zwischen der Mittellinie und der Sitzstirnseite auftreten, und daß die ausgeprägte Spitze in der Temperaturkurve an diesem Punkt ein entsprechendes Tief bzw. einen Tiefpunkt in der Materialfestigkeitskurve zur Folge hat.
Die Fig. 7b und 7c stellen Charakteristiken dar, von denen erwartet werden kann, daß sie bei dem erfindungsgemäßen Ventil erhalten werden, wobei die extrem dünne Wandkonstruktion verbesserte Wärmeübertragungscharakteristiken und ein verbessertes Spannungsprofil zur Folge hat. Es kann beobachtet werden, daß, während die maximale Temperatur im gleichen Gebiet auftritt, wie beim Ventil des Standes der Technik, die Temperaturkurve nahezu flach ist. Beim erfindungsgemäßen Ventil neigt der extrem dünne Wandabschnitt des Schaftteils kombiniert mit einer Kappenkonstruktion, die den ausgestellten bzw. erweiterten Kehlteil des Schaftes überbrückt, dazu, das Gebiet der höchsten Spannung nach außen von der Mittellinie des Ventils zur Außenkante des Ventils hin zu bewegen, wo die Temperatur auf einem relativ niedrigen Niveau ist. Es ist in Fig. 7c zu sehen, daß das Gebiet der maximalen Spannung an einem Punkt bei mindestens 70% des Radialabstandes von der Mitte des Ventils ist. Diese Trennung des Gebietes der maximalen Spannung vom Gebiet der maximalen Temperatur bietet mehr Flexibilität bei der Auswahl der Materialien, die verwendet werden können, da die Materialfestigkeitseigenschaften bei niedrigeren Temperaturen größer sind. Die relativ flache Ausbildung der Festigkeitskurve trägt auch zu einer größeren Flexibilität bei der Materialauswahl bei. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist, daß die Schweißverbindung zwischen dem Schaftteil und der Kappe auch in einem Gebiet mit relativ niedriger Temperatur gelegen sein kann.
Mit Bezug auf Fig. 2a wird die Lage und das Niveau der maximalen Spannung zu beträchtlichem Ausmaß durch die Konstruktion der Kappe 14 beeinflußt, wobei das dort veranschaulichte bevorzugte Ausführungsbeispiel eine optimale Kombination von maximierter Festigkeit und Steifigkeit und minimiertem Gewicht bietet. Mit Bezug auf Fig. 8 und 9 ist dort ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, wo die Kappe 14b eine flache Verbrennungs- bzw. Brennstirnseite 22a besitzt, und wo eine Vielzahl von Rippen 28 an der inneren Stirnseite ausgebildet sind, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 8 gezeigt, oder auf der Verbrennungsstirnseite 28', wie durch die unterbrochene Linie gezeigt. Die Rippen wirken als Versteifungsmittel für die Kappe und dienen im wesentlichen der gleichen Funktion wie die winkelartige Konfiguration des Ausführungsbeispiels der Fig. 1. Die Rippen wirken weiter dahingehend, das Oberflächengebiet der Kappe zu vergrößern, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Mit Bezug auf Fig. 10 ist dort ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Kappe 14b derart dimensioniert ist, daß ein Spalt im Gebiet der Sitzstirnseite gelassen wird. Dieser Spalt wird mit einem harten Sitzstirnseitenmaterial ausgefüllt, wie beispielsweise Stellit oder ein anderes bekanntes Material mit harter Oberfläche bzw. Hartbeschichtungsmaterial. und wird dann zur endgültigen Sitzstirnseitenkonfiguration endbearbeitet, um eine gehärtete Sitzstirnseite 20a zu definieren, genauso wie um die Kappe an dem Schaftelement 12a anzubringen. Eine solche Konstruktion wird in Anwendungen verwendet, wo eine extrem harte Sitzstirnseite erforderlich ist, wie beispielsweise bei Flugzeugmotoren, und kombiniert die Anbringung der Kappe am Schaftelement und das Ausbil den einer harten Sitzstirnseite in einem einzigen Vorgang.
In dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Schaftelement 12b derart geformt bzw. ausgebildet, daß die Sitzstirnseite 20b am Schaftelement ausgebildet ist, und daß die Kappe 14b in das Schaftelement hineinpaßt und daran bei 38 angeschweißt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Kappe mit einer flachen Verbrennungsstirnseite ausgebildet, es sei jedoch bemerkt, daß die Kappe in einer Vielzahl von speziellen Formen ausgebildet werden kann, und zwar einschließlich jenen, die hier beschrieben wurden, und auch die oben beschriebenen Rippenkonfigurationen aufweisen kann.
Fig. 12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, wobei die Sitzstirnseite 20c auf dem Schaftelement ausgebildet bzw. geformt ist, und wobei die Kappe 14c an das Schaftelement bei 39 angeschweißt, insbesondere stumpfgeschweißt ist. Wiederum kann die spezielle Form der Kappe variiert werden, wie mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben.
Während das Ventil 10 der Erfindung ohne Zufügen eines Kühlmittels verwendet werden kann, insbesondere als Einlaßventil, um Vorteil aus seinem extrem leichten Gewicht zu ziehen, wird erwartet, daß für Auslaßventilanwendungen ein Kühlmittel, wie beispielsweise Natrium-Kalium (NaK) oder Wasser zu einem ausgewählten Niveau zugefügt werden wird, wie bezeichnet durch 42 und in Fig. 1 in unterbrochener Linie gezeigt, und zwar vor dem Vollenden der Schweißung der Kappe 14 an das Schaftelement 12, um die Kühlung zu verbessern. Während das Zufügen eines solchen Kühlmittels in der Technik bekannt ist, steigert der extrem dünne Wandabschnitt des vorliegenden Ventils beträchtlich das Volumen, welches für das Kühlmittel verfügbar ist und steigert die Wärmeübertragungsfläche, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist, wie durch Vergleich der Fig. 13b und 13c veranschaulicht. Da in kühlmittelgefüllten Ventilen die Ventilwand auch als eine Grenze bzw. Barriere gegen eine Wärmeübertragung vom inneren Kühlmittel zur äußeren Zylinderkopfventilführung wirkt, minimiert der extrem dünne Wandabschnitt des Ventils der Erfindung diesen Barriereneffekt.
Während das Zufügen eines inneren Kühlmittels zu einem Auslaßventil wohl bekannt ist, hat das Zufügen bzw. Einfüllen eines solchen Kühlmittels in ein Einlaßventil eine beträchtliche Verringerung der Ablagerungen entlang der Kehlregion bei gewissen Anwendungen gezeigt. Von dem gesteigerten Kühleffekt eines Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung kann erwartet werden, daß er weiter solche Ablagerungen senkt.
Die Fig. 13a, 13b und 13c zeigen Motorventile mit dem gleichen Schaft- und Kopfdurchmesser und der gleichen Länge, jedoch unter Verwendung von drei unterschiedlichen Strukturen. Fig. 13a zeigt ein festes bzw. ausgefülltes Ventil des Standes der Technik, Fig. 13b zeigt ein Ventil des Standes der Technik mit ausgebohrtem Schaft und Fig. 13c zeigt ein Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Tabelle 1 unten vergleicht die Spezifikationen für ein typisches PKW-Motorventil, welches unter Verwendung von berechneten Werten für das verdrängte Volumen (d. h. das Gesamtvolumen der äußeren Ventilumhüllung) und das Gewicht und die Anwendung von ähnlichen Materialien berechnet wurden. Tabelle 1
Mit Bezug auf die Tabelle ist zu sehen, daß das Ventil gemäß der Erfindung 59% leichter ist als ein ausgefülltes bzw. festes Ventil der gleichen Abmessungen und 47% leichter als das ausgebohrte Ventil im leeren Zustand. Es ist auch zu sehen, daß auch, wenn ein Kühlmittel, insbesondere eine 50%-ige Füllung von NaK zum Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung zugegeben wird, es immer noch einen signifikanten Gewichtsvorteil gibt.
Das Ventil der Fig. 13c veranschaulicht ein typisches Ventil, welches gemäß der Erfindung hergestellt wurde, und die minimale Wanddicke von 0,50 mm soll nur ein Minimum für das veranschaulichende Ventil zeigen, nicht ein absolutes Minimum. Sogar noch dünnere Wandabschnitte können erreicht werden, wenn ein Kühlmittel, welches bei der Ventilbetriebstemperatur verdampft, zugefügt wird, da der gesteigerte Innendruck, der daraus resultiert, wenn das Kühlmittel verdampft, zusätzliche Steifigkeit für die Ventilstruktur vorsehen wird, und zwar in der gleichen Weise wie eine Aluminiumdose versteift wird, wenn sie mit einem mit Kohlensäure versetzten Getränk gefüllt wird.
Tabelle 2 vergleich die Innen- und Außenschaftdurchmesser und das gesamte verdrängte Volumen und das Hohlraumvolumen für eine Reihe von tatsächlichen Einlaß- und Auslaßventilkonstruktionen des Standes der Technik der Konfiguration der Fig. 13b und für tatsächliche Konstruktionen der erfindungsgemäßen Konfiguration, wie in Fig. 13c gezeigt. Tabelle 2

Claims

1. Ultraleichtes Sitzventil (10) für einen Verbrennungsmotor, wobei folgendes vorgesehen ist: einen Schaftteil (12), einen Kappenteil (14), einen End- oder Spitzenteil (18) und einen sich erweiternden Kehl- bzw. Übergangsteil (16), welcher eine Übergangsregion bildet zwischen dem Schaftteil und dem Kappenteil, wobei der Kappenteil durch ein scheibenartiges Kappenglied befestigt an dem Kehl- bzw. Übergangsteil definiert ist; und wobei der Schaftteil, der Endteil und der Kehl- bzw. Übergangsteil durch ein einstückiges hohles zylindrisches Glied definiert sind, welches am Kehl- bzw. Übergangsende offen und am spitzen Ende geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige hohle zylindrische Glied aus einem duktilen bzw. verformbaren oder ziehfähigen Metallblech hergestellt ist, das so geformt ist, daß der Kehl- bzw. Übergangsteil eine erste maximale Wanddicke t&sub1; besitzt, der Schaftteil eine zweite maximale Wanddicke t&sub2; besitzt, dünner als die erste maximale Wanddicke, und der End- oder Spitzenteil eine dritte Wanddicke t&sub3; besitzt, die dicker ist als die zweite maximale Wanddicke.

2. Ventil nach Anspruch 1, wobei die dritte Wanddicke t&sub3; des End- oder Spitzenteils im wesentlichen gleichförmig ist und wobei die erste maximale Wanddicke t&sub1; des Kehl- bzw. Übergangsteils und die dritte Wanddicke t&sub3; im wesentlichen gleich sind.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste maximale Wanddicke t&sub1; des Kehl- bzw. Übergangsteils und die dritte Wanddicke t&sub3; des End- bzw. Spitzenteils im wesentlichen gleich sind und im wesentlichen die gleiche Dicke wie das duktile Metallblech besitzen, aus dem das hohle zylindrische Glied gefertigt ist.

4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3 mit einer sich verjüngenden Oberfläche (19), gebildet am Schnitt von Schaftteil und Endteil.

5. Ventil nach Anspruch 4, wobei die verjüngte Oberfläche mit einem Winkel von 40 ± 10º gebildet ist.

6. Ventil nach Anspruch 1, wobei die obere Oberfläche (Oberseite) des Kappenglieds eine Verbrennungsstirnseite (22) definiert, und zwar ausgesetzt gegenüber durch den Motor erzeugten Verbrennungsdrücken; wobei die Oberfläche eine Drehoberfläche ist, gebildet mit einem ersten Winkel (a) gegenüber einer Linie senkrecht zur Längsachse des Schaftteils, und wobei die Oberfläche entgegengesetzt zu der Verbrennungsoberfläche unter einem zweiten Winkel (b) gebildet ist, und zwar gegenüber der Linie senkrecht zur Längsachse des Schaftteils.

7. Ventil nach Anspruch 6, wobei der erste Winkel 0º ist und wobei der zweite Winkel 0º ist.

8. Ventil nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Winkel jeweils größer sind als 0º und gleich sind.

9. Ventil nach Anspruch 6, wobei der erste Winkel größer als der zweite Winkel ist.

10. Ventil nach Anspruch 6, wobei der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Kappenglied eine oder mehrere radial angeordnete daran ausgeformte Rippen (28) aufweist.

12. Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ventil eine Ventilsitzeingriffsfläche (20), geformt an dem Kappenglied, aufweist.

13. Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ventil eine Ventilsitzeingriffsfläche oder -stirnseite (20b, 20c) aufweist, und zwar gebildet an dem Kehl- bzw. Übergangsteil.

14. Ventil nach Anspruch 1, wobei der Schaftteil einen Wandabschnitt aufweist, der hinreichend dünn ist, um zu bewirken, daß der Punkt maximaler Beanspruchung in dem Ventil infolge von Verbrennungsdrücken, erzeugt durch den Motor, an einem Punkt angeordnet ist, der mindestens 70% des Radialabstandes von der Längsmittellinie zur Außenkante des Ventils angeordnet ist.

15. Ventil nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser im Bereich der Zone oder Region zwischen dem Übergangsteil und dem äußeren Ende des Spitzen- oder Endteils kleiner als 1,25 ist.

16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einer oder mehreren Nuten (26), ausgeformt im Schaftteil davon.

17. Verfahren zur Herstellung eines ultraleichten Sitzventils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Vorsehen eines flachen Metallrohlings, Aussetzen des Rohlings (12a) einer Vielzahl von Kaltformschritten, wobei Dorne (30b, 30c, 30d) von abnehmendem Durchmesser und ansteigender Länge sequentiell mit dem Rohling in Eingriff kommen, um den Rohling in einen langgestreckten Zylinder (12, 16, 18) zu ziehen, und zwar mit einem im wesentlichen flachen geschlossenen Ende und einem sich erweiternden offenen Ende, und Schweißen eines im wesentlichen scheibenartigen Kappengliedes an das sich erweiternde Ende.

18. Verfahren nach Anspruch 17 einschließlich des Schrittes des Formens einer Ringnut in dem Zylinder durch Innenversetzung bzw. Umformung nach innen der Wand des Zylinders.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Wand versetzt bzw. verformt wird, und zwar durch Ergreifen des Zylinders zwischen den Oberflächen paralleler Werkzeugelemente (32, 34) und durch Bewegung der Werkzeugelemente in entgegengesetzten Richtungen parallel zu den Oberflächen, wobei eines der Werkzeugelemente einen rampenartigen Vorsprung (35), darauf gebildet, aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das andere Werkzeugelement eine Reibungsoberfläche, ausgeformt darauf und in Eingriff bringbar mit dem Zylinder, aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20 einschließlich des Schrittes des Hinzufügens bzw. Einfüllens eines Kühlmittels in das Innere des Ventils vor dem Schweißschritt.