EP0066004B1

EP0066004B1 - Ventilstössel

Info

Publication number: EP0066004B1
Application number: EP81105521A
Authority: EP
Inventors: Kurt Wizemann; Manfred Ing. Grad. Pfiz
Original assignee: J Wizemann & Co GmbH
Current assignee: J Wizemann & Co GmbH
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1981-07-14
Publication date: 1986-04-16
Also published as: EP0066004A1; DE3174394D1; ATE19289T1; DE3121296A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilstössel mit einem hohlen Schaft und einem eine Lauffläche aufweisenden Bodenstück, welche längs einer kreisförmigen Ringzone durch Schweissen oder Löten mittels eines Energiestrahls miteinander verbunden sind, und mit einem im Stösselinnern angeordneten Abschirmelement, welches zwischen jedem Bereich der Ringzone und dem diesem diametral gegenüberliegenden Ringzonenbereich liegt.
Bei bekannten Ventilstösseln, bei denen ein hohler Schaft und ein Bodenstück längs einer kreisförmigen Ringzone durch Elektronenstrahlschweissen miteinander verbunden sind und die sich z. B. aus der DE-A-27 03 015 ergeben, treten infolge des Elektronenstrahlschweissens ab und zu Schwierigkeiten auf, die im Betrieb eines mit solchen Ventilstösseln versehenen Verbrennungsmotors zu einem Bruch eines Ventilstössels im Bereich der Schweissnaht führen können. Wählt man nämlich die Energie des Elektronenstrahls zu nieder, so besteht die Gefahr, daß der Innenwandbereich des Ventilstösselschafts nicht mehr einwandfrei mit dem Bodenstück verschweisst wird, was einen Dauerbrauch begünstigenden Kerbeffekt zur Folge hat. Arbeitet man hingegen mit einem zu energiereichen Elektronenstrahl, so kann dies zur Folge haben, daß der Elektronenstrahl, von aussen kommend, nicht nur - wie erwünscht - den gerade bearbeiteten Ringzonenbereich durchdringt, sondern auch noch auf die Innenseite des diametral gegenüberliegenden Ringzonenbereichs einwirkt und dort, sofern bereits geschweisst, zu Schädigungen führt, die ähnlich einem Kerbeffekt gleichfalls zu einem Dauerbruch führen können. Es versteht sich, daß Ähnliches für das Arbeiten mittels eines anderen Energiestrahls, z. B. eines Laserstrahls, und für das Verbinden von Schaft und Bodenstück durch Löten mittels eines Energiestrahls gilt. Ein Energiestrahl wird zum Löten dann verwendet, wenn man eine Erwärmung grösserer Bereiche der beiden miteinander zu verbindenden Teile vermeiden will. Die geschilderte, mit der Verwendung eines energiereichen Elektronen- oder Laserstrahls verbundene Gefahr ist deshalb besonders störend, weil man an sich einen energiereichen Strahl vorziehen würde, da er nicht so stark fokussiert werden müsste - ein stark fokussierter Energiestrahl erfordert eine äusserst genaue Positionierung des Schweiss- oder Lötgeräts relativ zu den Werkstücken, und eine ausserordentlich schmale Schweisszone führt auch zum Entstehen verhältnismässig starker Spannungen im Material beidseits der Schweissnaht, wodurch die Bruchgefahr weiter erhöht wird.
Nun ist aus der DE-A-2 526 656 ein Ventilstössel bekanntgeworden, bei dem ein hohler Schaft auf einen an ein Bodenstück angeformten Zentrierzapfen passend aufgeschoben und mit dem Bodenstück längs einer kreisförmigen Ringzone durch Elektronenstrahlschweissen verbunden ist. Zwar findet sich in der DE-A-2 526 656 an keiner Stelle eine Anregung dahingehend, in dem Zentrierzapfen ein Abschirmelement für den Elektronenstrahl zu sehen, welches zwischen jedem Bereich der Ringzone und dem diesem diametral gegenüberliegenden Ringzonenbereich liegt, jedoch verhindert dieser Zentrierzapfen in der Tat negative Einwirkungen eines zum Schweissen oder Löten verwendeten Energiestrahls auf einen Ringzonenbereich, der dem gerade bearbeiteten Ringzonenbereich diametral gegenüberliegt. Andererseits führt der Zentrierzapfen dieses bekannten Ventilstössels zu einer ganzen Reihe von Nachteilen : Für das Bodenstück muss ein hochfester und verschleissbeständiger Werkstoff verwendet werden, und da der hohle Ventilstösselschaft aus Kostengründen aus einem anderen Werkstoff hergestellt wird, muss die für das Vergüten des Bodenstücks erforderliche Wärmebehandlung vor dem Verschweissen von Bodenstück und Ventilschaft durchgeführt werden. Vergütete Werkstoffe sind jedoch kerbempfindlich, und das Bodenstück des bekannten Ventilstössels nach der DE-A-2 526 656 weist eine hinsichtlich der Kerbempfindlichkeit besonders kritische Stelle auf, nämlich die rechtwinklige Innenecke zwischen der erwähnten Ringzone des Bodenstücks, längs der geschweisst werden soll, und dem Umfang des Zentrierzapfens. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Ventilstössels ist darin zu sehen, daß er notwendigerweise ein verhältnismässig steifes Bodenstück aufweisen muss : Der an das Bodenstück angeformte Zentrierzapfen, welcher, um seine Zentrierfunktion erfüllen zu können, einen verhältnismässig grossen Durchmesser haben muss, versteift das Bodenstück ausserordentlich, was dazu führt, daß im Bodenstück beim Schweissen höhere Spannungen aufgebaut werden, die die Bildung von Rissen in der beschriebenen Innenecke zwischen der Ringzone des Bodenstücks und dem Umfang des Zentrierzapfens unter der Dauerwechselbeanspruchung, der ein Ventilstössel ausgesetzt ist, fördern. Auch lässt sich die vorstehend beschriebene rechtwinklige Innenecke des Bodenstücks nur theoretisch, nicht aber in der Praxis herstellen, denn jedes für das Drehen der Kontur des Bodenstücks verwendete Drehwerkzeug unterliegt einem gewissen Verschleiss, was zur Folge hat, daß an die Stelle eines rechten Winkels ein Winkel mit einer ausgerundeten « Ecke entsteht. Dies macht es wiederum erforderlich, am unteren, inneren Rand des Ventilstösselschafts eine Fase anzubringen, weil sonst Bodenstück und Ventilstösselschaft nicht genau aufeinanderpassen. Dadurch wird nicht nur die Fertigung des bekannten Ventilstössels verteuert, sondern die Fase hat zur Folge, daß nicht durch ein zerstörungsfreies Prüfverfahren festgestellt werden kann, ob eine einwandfreie Schweissnaht hergestellt wurde - im Bereich der Fase ergibt sich ein Hohlraum ohne Schweissverbindung von Schaft und Bodenstück. Schliesslich stellt dieser Hohlraum eine zusätzliche innere Kerbe dar, welche die Dauerstandfestigkeit des bekannten Ventilstössels weiter vermindert. Auch muss der an das Bodenstück angeformte Zentrierzapfen, um seine Zentrierfunktion zuverlässig erfüllen zu können, eine Mindesthöhe aufweisen (mindestens 0,5 bis 1 mm), um die vorstehend erläuterte unvermeidbar Fase zu überdecken. Da aber für das Bodenstück ein teuerer Werkstoff erforderlich ist, bedingt diese relativ grosse Höhe des Werkstücks, aus dem das Bodenstück des bekannten Ventilstössels hergestellt wird, verhältnismässig hohe Materialkosten.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen billig herstellbaren Ventilstössel mit einem hohlen Schaft und einem Bodenstück, welche längs einer Ringzone durch Schweissen oder Löten mittels eines Energiestrahls miteinander verbunden sind, zu schaffen, bei dem durch den Energiestrahl verursachte Schädigungen leicht vermieden werden können und der nicht Dauerbruch-gefährdet ist. Ausgehend von einem Ventilstössel der eingangs erwähnten Art lässt sich diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch lösen, daß ein hohlzylindrischer Ansatz des Bodenstücks stumpf gegen den hohlen Schaft anliegt. Bei der erfindungsgemässen Lösung wird also ganz bewusst von einem Zusammenfügen von Ventilstösselschaft und Bodenstück in der Weise, daß das Bodenstück mit einem angeformten Zentrierzapfen passend in den Ventilstösselschaft eingreift, abgegangen, und es werden Bodenstück und Schaft so ausgebildet, daß sie stumpf gegeneinander anliegen, in dem das Bodenstück mit einem hohlen, ringförmigen Ansatz versehen wird, der stumpf gegen den hohlen Schaft anliegt und mit diesem verschweisst oder verlötet wird, so daß das Abschirmelement nicht passend gegen den Schaft anliegen muss, denn es kommt ja nur darauf an, daß dieses Abschirmelement im Augenblick des Schweissens oder Lötens verhindert, daß der die Schaftwand durchdringende Energiestrahl den gegenüberliegenden Stösselbereich schädigt. Bei oben offenen Ventilstösseln könnte man also daran denken, ein Abschirmelement von oben in den Ventilschaft einzuführen und es nach Beendigung des Schweiss- bzw. Lötvorgangs wieder zu entfernen ; das Abschirmelement kann aber auch Bestandteil des Schafts oder des Bodenstücks sein.
Am einfachsten ist es, wenn das Abschirmelement die Form eines die Ringzone von innen her abdeckenden Rings aufweist, welcher insbesondere ein Zentrierelement von Schaft und Bodenstück bildet. Dieser Ring kann mit dem eigentlichen Ventilstössel verschweisst oder verlötet sein.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es an sich bekannt ist (FR-A-750 796), zwei Rohre längs einer Ringzone stumpf gegeneinander zu stossen, in die Rohre einen Ring einzulegen, der die Ringzone von innen her abdeckt und ein Zentrierelement für die beiden Rohre bildet, und dann die beiden Rohre von aussen längs der Ringzone miteinander zu verschweissen.
Bei Ventilstösseln mit einem oben offenen Schaft und einer (im Ventilstössel liegenden) Pfanne für die Abstützung einer Stösselstange kann das Abschirmelement als Pfanne ausgebildet werden, wobei man die Pfanne zweckmässigerweise mit der erwähnten Ringzone verschweisst bzw. verlötet.
Da man das Abschirmelement vor dem Zusammensetzen von Schaft und Bodenstück in den Ventilstösselschaft einführen kann, ist es möglich und empfehlenswert, das Abschirmelement gegen die Schaftinnenwand anliegen zu lassen und letztere mit einer das Abschirmelement übergreifenden und dieses in axialer Richtung sichernden Schulter zu versehen, so daß das Abschirmelement zwischen der Schulter und dem Bodenstück in axialer Richtung gesichert ist.
Die Erfindung eignet sich besonders für Ventilstössel, bei denen der Stösselschaft aus einem Einsatzstahl und das Bodenstück aus einem Werkzeugstahl oder einem Schnellarbeitsstahl besteht. Als Abschirmelement verwendet man zweckmässigerweise ein metallisches Teil.
Die Erfindung eignet sich aber auch für Ventilstössel, bei denen ein besonders verschleissfestes Bodenstück aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus einer Oxydkeramik, verwendet wird, das mit dem Schaft verlötet ist. Dabei wird zweckmässigerweise so vorgegangen, daß der mit dem Schaft zu verbindende Oberflächenbereich des Bodenstücks zunächst durch Bedampfen mit einer dünnen Metallschicht überzogen und dann mittels eines Energiestrahls mit dem Schaft verlötet wird.
Die Erfindung ermöglicht es also, stets mit einem so energiereichen Strahl zu arbeiten, daß mit Sicherheit eine grenzflächenfrei Verbindung zwischen Stösselschaft und Bodenstück entsteht, ohne daß auf der Innenseite des Stösselschafts Schädigungen durch den Energiestrahl in_' Kauf genommen werden müssen. Ausserdem kann nun mit einem breiteren Energiestrahl gearbeitet werden, so daß ein erfindungsgemässer Ventilstössel im Bereich der Verbindung nicht so rissgefährdet ist, wie dies der Fall ist, wenn mit einem scharf fokussierten Energiestrahl geschweisst wird. Wenn gewährleistet ist, daß sich die Verbindung über die gesamte Wandstärke des Stösselschafts erstreckt, lässt sich auch eine eindeutige Ultraschallprüfung der Ventilstössel durchführen, denn sonst kann man bei einer Ultraschallprüfung nicht zwischen einem Riss und einer Stelle unterscheiden, an der lediglich nicht ganz durchgeschweisst worden ist.
Im folgenden soll anhand dreier bevorzugter Ausführungsformen die Erfindung noch näher erläutert werden ; die beiliegende Zeichnung zeigt in

Figur 1 die erste Ausführungsform in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt ;
Figur 2 einen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform ;
Figur 3 einen Längsschnitt durch die untere Hälfte der dritten Ausführungsform, und in
Figur 4 den Ausschnitt « A aus Figur 3 in größerem Maßstab.

Die erste Ausführungsform nach Figur 1 hat einen Schaft 10, der oben geschlossen und mit einer nicht dargestellten Kugelpfanne für die Abstützung einer Stösselstange versehen ist. Die im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildete Schaftwand 12 ist auf einen ebenfalls kreiszylindrischen Ansatz 14 eines tellerförmig ausgebildeten Bodenstücks 16 aufgesetzt und mit diesem Ansatz längs einer kreisringförmigen Ringzone 18 verschweißt.
Erfindungsgemäß ist in den Stösselhohlraum 20 ein metallischer Schutzring 22 eingesetzt, der insbesondere ebenfalls die Gestalt eines hohlen Kreiszylinders besitzt und dicht an den Innenumfangsflächen der Schaftwand 12 und des Bodenstück-Ansatzes 14 anliegt. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet die Innenseite der Schaftwand 12 eine Ringschulter 26, zwischen der und dem Bodenstück 16 der Schutzring 22 in axialer Richtung gehalten wird.
Da das Bodenstück 16 eine Lauffläche 30 für einen nicht dargestellten Nocken bildet, muß dieses Bodenstück möglichst verschleißfest sein, weshalb es bevorzugt aus einem Werkzeug- oder Schnellstahl besteht. Hingegen empfiehlt es sich aus Kostengründen, den Schaft 10 aus Einsatzstahl im Kaltfließpressverfahren herzustellen.
Zur Herstellung des in Figur 1 gezeigten Ventilstössels wird der Schutzring 22 in das Bodenstück 16 eingesetzt und dann der Schaft 10 aufgesteckt. Die Teile durchlaufen dann eine Elektronenstahl-Schweißvorrichtung, die vor der eigentlichen Schweißstation mit einer Schleuse versehen ist, um die Teile für den Schweißvorgang in ein Vakuum bringen zu können. In der Schweißstation wird ein Elektronenstrahl 40 in radialer Richtung auf die Ringzone 18 gerichtet, worauf Ventilstössel und Elektronenstrahl um die Stössellängsachse so relativ zueinander gedreht werden, daß der Elektronenstrahl 40 um den Stössel herumläuft.
Die Energie des Elektronenstrahls 40 wird so groß gewählt, daß er die Schaftwand 12 bzw. den Ansatz 14 vollständig durchdringt, nicht jedoch die doppelte Wandstärke des Schutzrings 22, so daß beim Schweißen keine Schädigung der Ringzone 18 in demjenigen Bereich auftreten kann, der der gerade bearbeiteten Schweißstelle gegenüberliegt. Auf diese Weise wird nicht nur die Ringzone 18 durchgeschweißt, sondern der Schutzring 22 wird auch noch mit dem Schaft 10 bzw. dem Bodenstück 16 verschweißt.
Die Ausführungsform nach Figur 2 weist einen oben offenen Schaft 10' auf und unterscheidet sich im übrigen von der Ausführungsform nach Figur 1 dadurch, daß als Abschirmelement eine Kugelpfanne 22' verwendet wurde, die in gleicher Weise wie der Schutzring 22 bei der Ausführungsform nach Figur 1 zwischen dem Schaft 10' und einem Bodenstück 16' gehalten und beim Verschweißen der beiden Teile 10', 16' längs einer Ringzone 18' im Bereich dieser Ringzone mit den beiden Teilen 10', 16' verschweißt wird.
Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 soll ein mit einem hohlen Schaft 10" zu verbindendes Bodenstück 16" aus einer Oxidkeramik bestehen, die sich durch große Verschleißfestigkeit auszeichnet. Ein zylindrischer Ansatz 14" des Bodenstücks ist mindestens im Bereich seiner oberen Stirnfläche durch Bedampfen mit einer Metallschicht 52" versehen worden, so daß durch Einlegen einer Lötfolie 50" aus geeignetem Lot mit Hilfe eines Energiestrahls wie eines Elektronen- oder Laserstrahls durch nur örtliches Erwärmen das Bodenstück 16" mit dem metallischem Schaft 10" verlötet werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform ist zur Vermeidung einer Schädigung der Lötverbindung in dem der momentanen Lötstelle gegenüberliegenden Bereich ein Schutzring 22" eingelegt, der sich durch Einlegen einer Lötfolie 54" zumindest mit der Schaftwand 12" verbinden läßt.
Sitzt der Schutzring 22 bzw. die Kugelpfanne 22' in radialer Richtung spielfrei im Stösselinnern, so kann das Abschirmelement als Zentrierstück beim Zusammensetzen von Schaft und Bodenstück vor dem Schweißen dienen.
Die Wandstärke des Abschirmelements muß natürlich in Abhängigkeit vom verwendeten Material so gewählt werden, daß es seine Aufgabe erfüllen, d. h. verhindern kann, daß der gewählte Energiestrahl an der der momentanen Schweiß-oder Lötstelle gegenüberliegenden Stelle zu einer Schädigung führt.

Claims

1. Ventilstössel mit einem hohlen Schaft (10, 10', 10") und einem eine Lauffläche (30) aufweisenden Bodenstück (16, 16', 16"), welche längs einer kreisförmigen Ringzone (18, 18') durch Schweissen oder Löten mittels eines Energiestrahls miteinander verbunden sind, und mit einem im Stösselinnern angeordneten Abschirmelement (22, 22', 22"), welches zwischen jedem Bereich der Ringzone und dem diesem diametral gegenüberliegenden Ringzonenbereich liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohlzylindrischer Ansatz (14, 14") des Bodenstücks (16, 16', 16") stumpf gegen den hohlen Schaft (10, 10', 10") anliegt.

2. Ventilstössel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement die Form eines die Ringzone (18, 18') von innen her abdeckenden Rings (22, 22', 22") aufweist, welcher insbesondere ein Zentrierelement von Schaft (10, 10', 10") und Bodenstück (16, 16', 16") bildet.

3. Ventilstössel nach Anspruch 1, mit einem oben offenen Schaft (10') und einer Pfanne (22') für die Abstützung einer Stösselstange, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement als Pfanne (22') ausgebildet ist.

4. Ventilstössel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfanne (22') mit der Ringzone (18') verschweisst bzw. verlötet ist.

5. Ventilstössel nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (22, 22', 22") gegen die Schaftinnenwand anliegt und letztere mit einer das Abschirmelement übergreifenden und dieses in axialer Richtung sichernden Schulter (26) versehen ist.

6. Ventilstössel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenstück (16") aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus einer Oxydkeramik, besteht und mit dem Schaft (10") verlötet ist.