[0001] Die Erfindung betrifft einen Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventilfedertellers.
[0002] Ventilfederteller werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um die Kraft einer einen
Ventilschaft umgebenden Schraubenfeder auf den Ventilschaft zu übertragen. Die Schraubenfeder
stützt sich am Ventilteller ab, und dieser ist beispielsweise mit zwei Klemmkegelhälften
am Ventilschaft fixiert. Diese Verbindung bewirkt einen komplexen Kräfteverlauf im
Ventilfederteller. Infolge des geringen Keilwinkels der die Klemmkegelhälften aufnehmenden,
konischen Öffnung im Ventilfederteller verursacht die eingeleitete. Federkraft eine
große Radialkraft. Dadurch werden im Kern des Ventilfedertellers neben axial wirkenden
Zugspannungen auch hohe Umfassungsspannungen hervorgerufen.
[0003] Der Übergangsbereich vom Kern zur Auflagefläche der Ventilfeder wird auf Schub und
Biegung beansprucht.
[0004] üblicherweise werden Ventilfederteller aufgrund . dieser Beanspruchungen aus Einsatzstählen
hergestellt.
[0005] Es wäre wünschenswert, dieses Material durch leichtere - Materialien zu ersetzen,
um die Massenkräfte des Steuerantriebes möglichst gering zu halten. Es ist bereits
bekannt, Ventilfederteller aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen (Dr. D.Lutz "Gerichtete
Kohle-Kurz-Fasern im Automobilbau", Vortrag auf der Koordinationskreissitzung "Faserverbundwerkstoffe"
1983; "Plastic Engine is off and Running", Mach. Des. 52 (1980) 10). Bei bekannten
Ventilfedertellern werden diese aus kurzfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, und
es hat sich dabei herausgestellt, daß sich nur geringe Festigkeit und Steifigkeit
ergeben, so daß diese Ventilfederteller große elastische und plastische Deformationen
erfahren.
[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Ventilfederteller mit verbesserter
Steifigkeit und Festigkeit herzustellen.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem Ventilfederteller der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß mehrere übereinanderliegende Kohlefasergewebelagen in den Ventilfederteller
eingebettet sind, daß eine konische Öffnung senkrecht zu den Gewebelagen durch diese
hindurchläuft, daß die Schuß- und Kettfäden der Gewebeeinlagen aus dem Querschnitt
der öffnung nach außen gedrängt sind und sich jeweils über einen Teil des Umfangs
der öffnung erstrecken und daß im Randbereich der öffnung die verdrängten Schuß-und
Kettfäden eine größere Dicke der Gewebelagen ausbilden als in von der Öffnung entfernten
Bereichen.
[0008] Die Verwendung von Gewebelagen mit sich kreuzenden Schuß-und Kettfäden und die Verdrängung
der Fäden im Bereich der die Gewebelage durchdrängenden Öffnung ermöglichen einen
besonders günstigen Faserverlauf in dem Kunststoff, der den jeweils auftretenden Beanspruchungen
in verschiedenen Bereichen des Ventilfedertellers angepaßt ist. Die Fasern verlaufen
längs der Öffnung im wesentlichen in Umfangsrichtung und nehmen somit die Dehnungsbeanspruchung
längs des öffnungsumfanges auf, am äußeren Rand dagegen verlaufen die Fasern annähernd
radial.
[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gewebelagen im Bereich der öffnung in Richtung
auf deren Ende mit kleinerem Durchmesser ausgebaucht sind. Dadurch verlaufen die Gewebelagen
in dem die Öffnung umgebenden Ringbereich nicht parallel zur Stirnfläche des Ventilfedertellers,
sondern schräg dazu, so daß in dem äußeren, auf Biegung beanspruchten Bereich eine
besonders günstige Versteifung erzielt werden kann.
[0010] Günstig ist es dabei, wenn sich die Ausbauchung bis in den Randbereich des Ventilfedertellers
erstreckt, wenn also auch im Randbereich die Gewebelagen noch gegenüber der Stirnfläche
geneigt verlaufen.
[0011] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausbauchung der Gewebelagen in Richtung auf
das Ende der öffnung mit kleinerem Durchmesser zunimmt. Dies wird z.B. in einfacher
Weise dadurch erreicht, daß die Gewebelagen in unmittelbarer Umgebung der Öffnung
dicker sind als in von der Öffnung entfernten Bereichen, so daß der Abstand der einzelnen
Gewebelagen im öffnungsbereich größer wird als in der Nähe des äußeren Randes.
[0012] Vorteilhaft ist es, wenn übereinanderliegende Gewebelagen so gegeneinander verdreht
sind, daß die Fäden übereinanderliegender Gewebelagen nicht parallel verlaufen. Beispielsweise
können übereinanderliegende Gewebe um 45° verdreht sein, es ist aber auch möglich,
geringere Drehwinkel von Gewebelage zu Gewebelage vorzusehen. Auf diese Weise kann
der Ventilfederteller in Bezug auf seine Festigkeitseigenschaften weitgehend rotationssymmetrisch
ausgebildet werden.
[0013] Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Ventilfedertellers anzugeben.
[0014] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß man mehrere Gewebelagen aus Kohlenstoffasern auf einen konischen
Dorn so weit aufdrückt, daß der Dorn durch die Gewebelagen hindurchdringt, daß man
die mit aushärtbarem' Kunststoff getränkten Gewebelagen zusammendrückt und daß man
dabei den Kunststoff aushärten läßt.
[0015] Das Aufdrücken der Gewebelagen auf einen konischen Dorn verteilt in einfacher Weise
die Kett- und Schußfäden im Gewebe in der gewünschten Weise, d.h. diese-Fäden werden
vom Dorn zur Seite geschoben und dabei bereichsweise an den Umfang des Dornes angelegt,
so daß sie im unmittelbar an die vom Dorn gebildete Öffnung angrenzenden Bereich längs
eines Umfangsabschnittes verlaufen. Diese Verformung setzt sich auch in die etwas
weiter von der öffnung entfernten Bereich fort und verliert sich im weiter außen liegenden
Bereich zunehmend.
[0016] Es ist dabei möglich, daß man mit aushärtbarem Kunststoff vorimprägnierte Gewebelagen
auf den Dorn aufdrückt, man kann aber auch den aushärtbaren Kunststoff erst nach dem
Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufbringen.
[0017] Die Gewebelagen lassen sich einzeln auf den Dorn aufdrükken, bei einem anderen Verfahren
werden mehrere übereinanderliegende Gewebelagen gleichzeitig auf den Dorn aufgedrückt.
[0018] Bei dem Aufdrücken bauchen sich die übereinandergelegten Gewebelagen aufgrund der
größeren Gewebedicke im Umfangsbereich der Öffnung stärker aus, so daß eine in Richtung
der Spitze des Dornes zunehmende Ausbauchung der einzelnen Gewebelagen auftritt.
[0019] Es ist vorteilhaft, wenn man einen Dorn verwendet, dessen Konizität der der Klemmkugelhälften
entspricht, mit deren Hilfe der Ventilfederteller an einem Ventilschaft fixiert wird.
Es ist dadurch nicht mehr notwendig, die innere öffnung nachzubearbeiten.
[0020] Besonders vorteilhaft läßt sich das Verfahren durchführen, wenn man nach dem Aufbringen
der Gewebelagen auf den Dorn eine Form über den Dorn setzt, die die Gewebelagen auf
ein gewünschtes Volumen zusammendrückt, und wenn man die Aushärtung des Kunststoffes
bei aufgesetzter Form vornimmt. Durch die Verwendung einer solchen Form werden die
Gewebelagen definiert zusammengedrückt und nehmen ein genau vorgegebenes gewünschtes
Volumen ein, so daß Ventilfederteller mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar
sind.
[0021] Nach dem Aushärten können die Ventilfederteller an den Außenflächen mechanisch bearbeitet
werden, so daß sie die gewünschte Außenkontur erhalten.
[0022] Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im
Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung in einem Verbrennungsmotor
mit einem erfindungsgemäßen Ventilfederteller;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Dornes und einer Form zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Ventilfedertellers;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ventilfedertellers und
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Faserverlauf in einer Gewebelage im Innern des erfindungsgemäßen
Ventilfedertellers.
[0023] In Figur 3 ist im Querschnitt ein Ventilfederteller 1 dargestellt, der eine obere
ebene Stirnseite 2 und eine parallel dazu verlaufende untere Stirnseite 3 aufweist.
Von der oberen Stirnseite zur unteren Stirnseite läuft eine sich von oben nach unten
konisch verengende Öffnung 4 durch den Ventilfederteller. Der untere Teil des Ventilfedertellers
1 weist einen geringeren Durchmesser auf als der obere Teil, so daß im Übergangsbereich
eine Stufe 5 ausgebildet wird.
[0024] Am unteren Rand ist der Ventilfederteller 1 abgeschrägt.
[0025] Ein solcher Ventilfederteller mit einer an sich bekannten Formgebung kann in der
aus Figur 1 ersichtlichen Weise an einem Ventilschaft 7 befestigt werden. Zu diesem
Zweck werden zwei Klemmkegelhälften 8 verwendet, die den Ventilschaft 7 umgeben und
mit einem ringförmigen Vorsprung 9 in eine entsprechende Ringnug 10 des Ventilschaftes
eintauchen. Die Klemmkegelhälften 8 weisen einen Außenmantel 11 auf, dessen Konizität
mit der der öffnung 4 übereinstimmt.
[0026] Der Ventilfederteller 1 wird über die beiden Klemm-. kegelhälften 8 geschoben und
drückt dabei die beiden Klemmkegelhälften 8 fest gegen den Ventilschaft 7. Gleichzeitig
wird dadurch der Ventilfederteller 1 gegen eine weitere Verschiebung in Längsrichtung
des Ventilschaftes gesichert.
[0027] Die von der Stufe 5 ausgebildete Schulter 12 an der Unterseite des oberen Ventilfederringteils
bildet eine Anlagefläche für eine den Ventilschaft 7 umgebende Schraubenfeder 13,
die sich an dem Motorgehäuse 14 abstützt und über den Ventilfederteller den Ventilschaft
7 mit einer nach außen gerichteten elastischen Kraft beaufschlägt.
[0028] Durch einen von einer Nockenwelle 15 angetriebenen Nokkenhebel 16, der kugelig am
Ventilschaft 7 gelagert ist, kann der Ventilschaft entgegen der Kraft der Schraubenfeder
13 nach innen verschoben werden, wobei der Ventilfederteller die Aufgabe übernimmt,
die Kraft der Schraubenfeder in den Ventilschaft einzuleiten.
[0029] Der erfindungsgemäße Ventilfederteller wird aus einer größeren Anzahl von Kohlefasergewebelagen
6 und einem aushärtbaren Harz in der folgenden Weise hergestellt:
Auf einen konischen Dorn 17, dessen Konizität und Dikke der Konizität bzw. dem Durchmesser
der Öffnung 4 im Ventilfederteller entspricht und der von einer ebenen Auflagefläche
18 umgeben ist, werden nacheinander oder gleichzeitig eine größere Anzahl von Kohlefasergewebelagen
6 so aufgedrückt, daß die abgeschrägte Spitze 19 des Dornes 17 durch die Gewebelagen
hindurchtritt. Die Gewebelagen werden längs des Dornes in Richtung auf die ebene Auflagefläche
18 verschoben, wobei die Kett- und Schußfäden 20 bzw. 21 von dem Dorn seitlich aus
dem Bereich der durch den Dorn erzeugten öffnung herausgedrängt werden, wobei die
Fäden sich im öffnungsnahen Bereich an den Umfang der öffnung anlegen und über einen
bestimmten Winkelbereich längs dieses Umfanges verlaufen, wie dies in Figur 4 dargestellt
ist. Die Verdrängung der Fäden setzt sich auch in abgeschwächter Form bis in einen
von der öffnung entfernten Bereich fort, wobei in den äußenliegenden Bereichen nur
noch geringe Störungen des ursprünglichen Fadenverlaufs der Innengewebe zu beobachten
sind. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise in der Gewebelage im Bereich der öffnung
ein im wesentlichen ringförmiger Verlauf, in weiter außenliegenden Bereichen dagegen
kreuzen sich die Kett- und Schußfäden in der Art eines ungestörten Gewebes.
[0030] Durch die Verdrängung der Fasern werden diese im Umfangsbereich auBerdem'verdichtet,
so daß auch die Dicke der Gewebelagen im unmittelbaren Umfangsbereich der Öffnung
größer ist als--im weiter außenliegenden Bereich.
[0031] Die in dieser Weise einzeln oder als Packung mehrerer Gewebelagen auf den Dorn aufgedrückten
Gewebelagen bauchen sich wegen der größeren Dicke der Gewebelage im dornnahen Bereich
in Richtung zur Spitze des Dornes aus, wobei diese Ausbauchung in Richtung auf die
Spitze des Dornes immer mehr zunimmt. Diese Ausbauchung führt dazu, daß die Gewebelagen
gegenüber der oberen Stirnseite 2 geneigt verlaufen, wobei die Neigung in Richtung
auf den Dorn und in Richtung auf die Dornspitze zunimmt (Figur 2).
[0032] Die Gewebelagen können bereits mit einem aushärtbaren Kunststoff imprägniert sein,
wenn sie auf den Dorn aufgedrückt werden, es ist aber auch möglich, einen aushärtbaren
Kunststoff erst auf die Gewebelagen aufzutragen, wenn diese auf den Dorn aufgedrückt
sind.
[0033] Wenn die mit einem aushärtbaren Kunststoffharz versehenen Gewebelagen auf den Dorn
aufgedrückt sind, wird eine Form 22 auf den Dorn aufgesetzt. Diese Form 22 weist eine
der Auflagefläche 18 gegenüberliegende Wand 23 sowie seitlich mit der Auflagefläche
18 und der Wand 23 abschließende Seitenwände 24 auf, wobei auf der Innenseite der
Form 22 ein Formstück 25 eingesetzt ist, welches bei aufgesetzter Form zwischen sich
und der Auflagefläche einen im Querschnitt V-förmigen Ringraum freiläßt, in dem sich
die Gewebelagen und das aushärtbare Kunstharz befinden.
[0034] Beim Aufsetzen der Form auf den Dorn werden die Gewebelagen durch das Formstück 25
zusammengedrückt und gegebenenfalls weiter auf den Dorn aufgeschoben, wobei überschüssiges
Kunstharz seitlich aus der Form austreten kann. Es ist damit sichergestellt, daß die
Gewebelagen immer in der gleichen Weise verdichtet werden und daß der Anteil des Kunstharzes
am Gesamtmaterial des Ven-
. tilfedertellers immer gleich bleibt, beispielsweise kann der Faservolumenanteil bei
65% liegen, wenn man bekannte Harzsysteme verwendet, beispielsweise ein Gemisch aus
Triglycidylisocyanurat(TGIC) und Methylnadicsäureanhydrid (MNSA).
[0035] Wenn die Form vollständig geschlossen ist, beginnt der Aushärtvorgang durch eine
Wärmebehandlung. Das Formstück 25 kann dabei aus einem Material bestehen, das bei
Erwärmung eine starke Ausdehnung zeigt, so daß bei der Härtung auftretende Schrumpfungen
durch das Formstück ausgeglichen werden. Beispielsweise kann das Formstück aus sogenanntem
Thermal
-Expansions- Rubber (TER) bestehen, einem speziellen Siliconkautschuk mit besonders
hoher Wärmedehnung.
[0036] Nach dem Aushärten wird der so erhaltene Rohling an seinen Außenseiten mechanisch
bearbeitet, beispielsweise durch Drehen oder Schleifen, bis die gewünschte Außenkontur
erreicht ist. Die durch den Dorn 17 geformte Öffnung 4 benötigt jedoch keine weitere
Nachbearbeitung, wenn die Dimensionierung des Dornes und die Dimensionierung der Klemmkegelhälften
gleich ist.
1. Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet
, daß mehrere übereinanderliegende Kohlefasergewebelagen (6) in den Ventilfederteller
(1) eingebettet sind, daß eine konische Öffnung (4) senkrecht zu den Gewebelagen (6)
durch diese hindurchläuft, daß die Schuß- und Kettfäden (21, 20) der Gewebe lagen
(6) aus dem Querschnitt der Öffnung (4) nach außen gedrängt sind und sich jeweils
über einen Teil des Umfangs der Öffnung (4) erstrecken und daß im Randbereich der
öffnung (4) die verdrängten Schuß- und Kettfäden (21, 20) eine größere Dicke der Gewebelagen(6)
ausbilden als in von der Öffnung (4) entfernten Bereichen.
2. Ventilfederteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen
(6) im Bereich der öffnung (4) in Richtung auf deren Ende mit kleinerem Durchmesser
ausgebaucht sind.
3. Ventilfederteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausbauchung
bis in den Randbereich des Ventilfedertellers (1) erstreckt.
4. Ventilfederteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbauchung
der Gewebelagen (6) in Richtung auf das Ende der öffnung (4) mit kleinerem Durchmesser
zunimmt.
5. Ventilfederteller nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß übereinanderliegende Gewebelagen (6) so gegeneinander verdreht sind, daß die Fäden
(20, 21) übereinanderliegender Gewebelagen (6) nicht parallel verlaufen.
6. Verfahren zur Herstellung eines Ventilfedertellers aus kohlefaserverstärktem Kunststoff
nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß man mehrere Gewebelagen aus Kohlenstoffasern auf einen
konischen Dorn so weit aufdrückt, daß der Dorn durch die Gewebelagen hindurchdringt,
daß man die mit aushärtbarem Kunststoff getränkten Gewebelagen zusammendrückt und
daß man dabei den Kunststoff aushärten läßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit aushärtbarem Kunststoff
vorimprägnierte Gewebelagen auf den Dorn aufdrückt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man aushärtbaren Kunststoff
erst nach dem Aufdrücken der Gewebelagen auf den Dorn auf diese aufbringt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Gewebelagen einzeln auf den Dorn aufdrückt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere
übereinanderliegende Gewebelagen gleichzeitig auf den Dorn aufdrückt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man einen
Dorn verwendet, dessen Konizität der der Klemmkegelhälften entspricht, mit deren Hilfe
der Ventilfederteller an einem Ventilschaft fixiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man nach
dem Aufbringen der Gewebelagen auf den Dorn eine Form über den Dorn setzt, die die
Gewebelagen auf ein gewünschtes Volumen zusammendrückt, und daß man die Aushärtung
des Kunststoffes bei aufgesetzter Form vornimmt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man den
Ventilfederteller nach dem Aushärten lediglich an den Außenflächen mechanisch bearbeitet.