[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Montage mindestens
einer Ventilanordnung, bei der ein Ventilstößel fest mit einem Ventilschaft verbunden
wird.
[0002] Aus der EP 1 375 842 A1 ist eine Ventilanordnung für eine Brennkraftmaschine bekannt,
welche ein Ventilelement mit einem Ventilschaft enthält, der an seiner Oberseite von
einem tassenförmigen Ventilstößel umgeben ist, wobei der Ventilstößel zum Beispiel
durch Schweißen fest mit dem Ventilschaft verbunden ist. Um definierte Abstände zwischen
der Oberseite des Ventilstößels und den Nocken einer Nockenwelle einstellen zu können,
werden dabei austauschbare Einstellscheiben unterschiedlicher Dicke verwendet.
[0003] Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur weiteren
Vereinfachung der beschriebenen Ventilanordnung bereitzustellen.
[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
[0006] Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Montage mindestens einer Ventilanordnung
der vorstehend erläuterten Art, bei welcher ein Ventilstößel fest mit einem Ventilschaft
verbunden wird. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Einstellung
einer definierten Positionierung des Ventilstößels auf dem im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
vormontierten Ventilschaft eingerichtet ist, bevor der Ventilstößel und der Ventilschaft
endgültig miteinander verbunden werden. Unter einer "definierten Positionierung" ist
dabei insbesondere eine solche Positionierung zu verstehen, bei welcher der Ventilstößel
in seiner endgültigen Gebrauchsposition einen vorgegebenen gewünschten Abstand zu
den Nocken einer Nockenwellenanordnung aufweist. Insbesondere kann dieser Abstand
("lash") dabei so gewählt werden, daß er dem einzuhaltenden Spiel zwischen Ventilstößel
und Nocken entspricht, so daß keine weiteren Einstellscheiben erforderlich sind. Durch
die Materialeinsparung der Einstellscheiben sowie die entsprechend schnellere Montage
der Ventilanordnung können erhebliche Kosten eingespart werden.
[0007] Für die konkrete Ausgestaltung der Vorrichtung gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Gemäß einer ersten Alternative weist die Vorrichtung mindestens einen Lagerbereich
mit mindestens einem (vorzugsweise daran angrenzenden) Stempelbereich auf. Der Lagerbereich
ist dabei so ausgestaltet, daß dieser in ein Nockenwellenlager eingeführt werden kann,
wobei während dieser Einführung der zugehörige Stempelbereich gleichzeitig einen Ventilstößel,
der auf einem Ventilschaft vormontiert ist, in seine definierte Position drückt. Lagerbereich
und Stempelbereich der Vorrichtung wirken somit gemeinsam wie ein Formstück bzw. eine
Matrize, welche durch Bewegen des Lagerbereiches in eine Referenzposition (Nokkenwellenlager)
dafür sorgt, daß der Ventilstößel auf dem Ventilschaft in die gewünschte Sollposition
gedrückt wird. Eine Vorrichtung dieser Art kann insbesondere rotationssymmetrisch
ausgebildet sein, so daß Lagerbereich und/oder Stempelbereich zylindrisch sind. Dies
hat den Vorteil, daß auf die exakte Winkelausrichtung der Vorrichtung nicht geachtet
werden muß, was deren Anwendung entsprechend vereinfacht.
[0008] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist diese dahingehend ausgebildet,
in mehreren zu einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine gehörigen Ventilanordnungen
parallel bzw. gleichzeitig eine Positionierung zu bewirken. So kann beispielsweise
eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ähnlich einer Nockenwelle stangenförmig
ausgebildet sein, wobei sich die Lagerbereiche genau an den Stellen der Drehlager
einer Nockenwelle befinden und wobei die zugehörigen Stempelbereiche an den Positionen
der Nocken liegen. Durch Einsetzen einer derartigen Vorrichtung in die Lager der später
zu montierenden Nokkenwelle kann dann gleichzeitig an allen Zylindern die definierte
Positionierung der dortigen Ventilstößel vorgenommen werden.
[0009] Gemäß einer Weiterbildung bzw. alternativen Realisierung der Vorrichtung weist diese
mindestens einen Sensor auf, mit welchem die aktuelle Position des Ventilstößels und/oder
des Ventilschaftes erfaßt werden kann. Mit Hilfe des Sensors kann daher überwacht
werden, wann der Ventilstößel bzw. der Ventilschaft eine Sollposition erreicht, in
welcher die feste Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilstößel hergestellt werden
kann. Der Sensor kann insbesondere dahingehend ausgebildet sein, die Position des
Ventilstößels relativ zu dem Träger der Ventilanordnung zu messen, beispielsweise
relativ zu (mindestens) einem Nockenwellenlager.
[0010] Die Vorrichtung enthält ferner optional Mittel zur Fixierung der Position des Ventilschaftes,
so daß dieser sich nicht bewegen kann, wenn die Relativposition des Ventilstößels
auf dem Ventilschaft eingestellt wird. Insbesondere können diese Mittel so ausgestaltet
sein, daß diese den Ventilschaft in der Schließposition des Ventils fixieren. So können
die Mittel beispielsweise als ein Stempel ausgebildet sein, welcher von der Zylinderinnenseite
einer Brennkraftmaschine her gegen das Ventil drückt und dieses in der Schließposition
hält. Ebenso können die Mittel auch dahingehend ausgebildet sein, einen bestimmten
Überdruck im Zylinder einer Brennkraftmaschine zu erzeugen bzw. aufrecht zu erhalten,
welcher das Ventil in der Schließposition hält.
[0011] Die Vorrichtung kann gemäß einer anderen Weiterbildung Halteeinrichtungen wie beispielsweise
Greifer aufweisen, mit denen Teile der Ventilanordnung gehalten und zu ihrem Montageort
transportiert werden können. Bei diesen Teilen kann es sich insbesondere um den Ventilstößel,
um Dichtungskomponenten und/oder um die Ventilfeder handeln. Vermöge der Halteeinrichtung
erlaubt es die Vorrichtung, in einem Arbeitsgang die genannten Teile der Ventilanordnung
zuzuführen und sie nach korrekter Positionierung des Ventilstößels dort dauerhaft
zu montieren.
[0012] In ähnlicher Weise können weitere Einrichtungen in die Vorrichtung integriert werden,
mit denen beispielsweise die Verbindung von Ventilschaft und Ventilstößel vorgenommen
werden kann, oder die Aktuatoren oder Komponenten für andere Montagevorgänge darstellen.
[0013] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer Ventilanordnung, welches
die folgenden Schritte umfaßt:
- a)
- Vormontage eines Ventilschaftes im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine.
- b)
- Vormontage eines Ventilstößels auf dem genannten Ventilschaft. Dabei wird beispielsweise
ein mit einer Bohrung oder Hülse versehener Ventilstößel gerade so weit auf den Ventilschaft
aufgesteckt, daß dieser dort vorübergehend hält, ohne abzufallen.
- c)
- Weiteres Aufschieben des Ventilstößels auf den Ventilschaft, bis der Ventilstößel
eine definierte Positionierung erreicht hat. Wie vorstehend erläutert liegt dabei
in der "definierten Positionierung" genau der gewünschte Abstand zwischen dem Ventilstößel
und den Nocken einer Nockenwelleneinrichtung im Gebrauchszustand der Ventilanordnung
vor.
- d)
- Herstellen einer festen Verbindung zwischen dem Ventilstößel und dem Ventilschaft.
Dieser Schritt kann insbesondere simultan zum vorangehenden Schritt c) ablaufen, wenn
die Verbindung zwischen den Komponenten beispielsweise über einen Preßsitz hergestellt
wird. Andere mögliche Verbindungsarten sind das Bonding, das Klemmen, das Kleben und
das Schweißen, insbesondere das Laserschweißen oder Reibschweißen.
[0014] Das Verfahren kann insbesondere mit einer Vorrichtung der vorstehend erläuterten
Art ausgeführt werden. Daher kann hinsichtlich weiterer Einzelheiten, Vorteile und
Weiterbildungen des Verfahrens zusätzlich auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, daß in einem einzigen Arbeitsgang eine gebrauchsfähige
Positionierung und Fixierung der Ventilstößel auf den Ventilschäften erfolgt, ohne
daß beispielsweise später eine Nachjustierung mit einer Einlegescheibe notwendig wäre.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Erreichen der definierten
Positionierung sensorisch überwacht. Auf diese Weise kann in einem rückgekoppelten
Verfahren das Aufschieben des Ventilstößels beendet werden, wenn dieser genau seine
Sollposition erreicht hat.
[0016] Für die Festlegung und anschließende Überwachung der definierten Positionierung gibt
es verschiedene Möglichkeiten. So kann die definierte Positionierung insbesondere
relativ zur Position von einem oder mehreren Referenzpunkten am Träger der Ventilanordnung
(beispielsweise dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine) bestimmt werden. Bevorzugte
Referenzpunkte sind dabei die Lager der Nockenwelle oder der Ventilsitz. Insbesondere
kann die Positionierung eines jeden Ventilstößels relativ zu (mindestens) einem zugehörigen
Nockenwellenlager bestimmt werden.
[0017] Bei einer anderen Ausführungsform wird die definierte Positionierung relativ zur
gemittelten Position von mindestens zwei Referenzpunkten am Träger der Ventilanordnung
bestimmt. Beispielsweise kann der Mittelwert der Position von zwei benachbarten Nockenwellenlagern
festgestellt werden, und die Position der zu diesen Nockenwellenlagern gehörigen Ventilstößel
kann relativ zu diesem Mittelwert bestimmt werden.
[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen vereinfachten Querschnitt durch einen Ventilschaft mit aufgesetztem Ventilstößel,
- Fig. 2
- schematisch eine Aufsicht auf eine Reihe von vier Zylindern mit zu montierenden Ventilstößeln
sowie eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Montagevorrichtung, und
- Fig. 3
- das Prinzip einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Montage eines Ventilstößels
auf einem Ventilschaft.
[0019] In Figur 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform für eine Ventilanordnung dargestellt,
deren Montage im Rahmen der vorliegenden Erfindung verbessert werden soll. Diese Ventilanordnung
ist dadurch gekennzeichnet, daß ein tassenförmiger Ventilstößel 21 mit einer Aufnahmehülse
im Inneren auf dem oberen Ende eines Ventilschaftes 25 fixiert ist. Die feste Verbindung
zwischen Ventilschaft 25 und Ventilstößel 21 kann dann dabei beispielsweise durch
Bonding, Preßsitz, Klemmen, Kleben oder Schweißen hergestellt werden. Eine derartige
Ventilanordnung ist aus der EP 1 375 842 A1 bekannt, welche durch Bezugnahme vollständig
in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
[0020] Problematisch bei der Montage einer solchen Ventilanordnung ist, daß in engen Toleranzgrenzen
ein definierter Abstand zwischen der Oberseite des Ventilstößels 21 und den Nocken
einer Nockenwelle (nicht dargestellt) eingehalten werden muß. Variationen im Abstand
bzw. Spiel (lash) zwischen Ventilstößel und Nocken treten üblicherweise vor allem
durch produktions- und montagebedingte Schwankungen beim Ventil, Zylinderkopf, Ventilsitz
und Ventilstößel auf. Toleranzen in den Abmessungen der Nockenwellen spielen dagegen
eine geringere Rolle, da diese in sehr engen Bereichen von typischerweise 40 µm (für
den Abstand zwischen Nockenwellenlager und Nockenfläche) liegen. Angesichts dieser
Situation bestand Bedarf für ein möglichst einfaches und genaues Montageverfahren
für Ventilanordnungen der in Figur 1 gezeigten Art.
[0021] Figur 2 zeigt diesbezüglich eine erste Lösungsvariante. Dabei sind im unteren Teil
der Figur schematisch vier Zylinder 24 der Zylinderreihe einer Brennkraftmaschine
dargestellt, welche jeweils Ventilanordnungen 20 mit vier Ein- bzw. Auslaßventilen
aufweisen. Hiervon sind in der Figur die kreisförmigen Ventilsitze 23 erkennbar.
[0022] Des Weiteren sind in der Figur für eine der Nockenwellen vier Nockenwellenlager 22
angedeutet, die sich jeweils zwischen zwei Ventilen eines Zylinders befinden. In den
Nockenwellenlagern 22 wird eine Nockenwelle (nicht dargestellt) drehbar gelagert,
wobei in der Regel ein zweiteiliger Aufbau der Nockenwellenlager aus einer Basis und
einer darüber befestigten Kappe (in Figur 2 weggelassen) vorliegt (vgl. EP 1 350 931
A1). Schließlich sind in Figur 2 noch für den ersten Zylinder 24 zwei zur genannten
Nockenwellenreihe gehörige Ventilstößel 21 angedeutet. Zur Vereinfachung der Darstellung
sind diese bei den übrigen Zylindern weggelassen.
[0023] Im oberen Teil von Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Montagevorrichtung 10 zur Montage
von Ventilstößeln 21 auf Ventilschäften dargestellt. Die rotationssymmetrische Vorrichtung
10 weist große Ähnlichkeit mit einer Nockenwelle auf und umfaßt im Kern eine Welle
13 aus Walzstahl. Bei jedem der Zylinder 24 hat diese Welle 13 einen Lagerbereich
11 sowie links und rechts hieran angrenzend jeweils einen Stempelbereich 12. Die Lagerbereiche
11 befinden sich exakt an den Positionen der Drehlager einer zugehörigen Nockenwelle
bzw. an den Positionen der Nockenwellenlager 22 auf dem Zylinderkopf. Der Durchmesser
der Lagerbereiche 11 entspricht typischerweise dem Durchmesser der entsprechenden
Nockenwelle an dieser Stelle zuzüglich der doppelten Breite des Nockenwellenspaltes
(d.h. dem Spalt zwischen einem Nockenwellenlager 22 und einer darin befindlichen Nockenwelle).
[0024] Die Stempelbereiche 12 befinden sich an den Stellen, wo bei der zugehörigen Nockenwelle
die Nocken sitzen, und sie sind im dargestellten Beispiel zylindrisch ausgebildet.
Der Durchmesser D dieser Stempelbereiche 12 entspricht dem Doppelten des minimalen
Radius bzw. Basisradius R der zugehörigen Nocken zuzüglich dem gewünschten Spiel L:
D = 2·(R+L).
[0025] Die Montage der Ventilanordnungen 20 bei einer Zylinderreihe gemäß Figur 2 beginnt
damit, daß die Ventilelemente mit den Ventilschäften sowie die Ventilstößel 21 und
andere einzelne Komponenten der Ventilanordnungen (beispielsweise Ventilschaftdichtungen
oder die Ventilfeder) bei allen zu einer Nockenwelle gehörenden Ventilen in den Bohrungen
des Zylinderkopfes vormontiert werden. Bei dieser Vormontage werden die Ventilstößel
21 nur ein kleines Stück auf die zugehörigen Ventilschäfte 25 aufgesteckt, so daß
sie dort zwar halten, jedoch für das Erreichen ihrer endgültigen Position noch weiter
aufgeschoben werden müssen. Dieses weitere Aufschieben wird dann mit der Montagevorrichtung
10 vorgenommen, wobei die Ventilschäfte jeweils durch eine Fixierung des zugehörigen
Ventils fest in ihrem Platz gehalten werden. Diese Fixierung kann beispielsweise durch
entsprechende (ein- oder mehrteilige) Stempel bzw. Stanzwerkzeuge von der Brennkammer
her erfolgen (nicht dargestellt). Alternativ kann auch ein hoher Gas- oder Flüssigkeitsdruck
im Inneren der Brennkammer des Motors erzeugt werden, welcher eine Öffnungsbewegung
der Ventile verhindert.
[0026] Die Montagevorrichtung 10 wird sodann mit den Lagerbereichen 11 in die zugehörigen
Nockenwellenlager 22 eingelegt. Während dieses Vorgangs drücken die Stempelbereiche
12 simultan auf die Ventilstößel 21, so daß diese weiter auf die Ventilschäfte aufgeschoben
werden. Wenn die Lagerbereiche 11 ihre formschlüssig definierte Position in den Nockenwellenlagern
22 erreichen, haben auch die Ventilstößel 21 ihre korrekte, definierte Positionierung
auf den Ventilschäften erreicht. Da jegliche von einem Monteur oder einem Montageroboter
ausgeübte Bewegung über die Montagevorrichtung 10 auf die Ventilstößel übertragen
wird, ist dieses Positionierungsverfahren äußerst robust gegen Schwankungen im Montageprozeß.
Durch das Einsetzen des Werkzeugs 10 in die Nockenwellenlager 22 kann somit in einfacher
Weise an allen Ventilanordnungen 20 gleichzeitig eine korrekte Positionierung der
Ventilstößel auf den Ventilschäften gewährleistet werden.
[0027] Zum Abschluß des Verfahrens wird die endgültige, feste Verbindung zwischen den Ventilstößeln
21 und den Ventilschäften hergestellt, wofür insbesondere das Bonding, die Preßverbindung,
das Klemmen und das Kleben geeignet sind. Vorteilhaft an diesen Verbindungsarten ist,
daß sie ihre Wirkung unmittelbar beim Aufstecken des Ventilstößels auf den Ventilschaft
entfalten, in der Regel als nach der Positionierung keine besondere Tätigkeit mehr
erforderlich ist.
[0028] Es sei darauf hingewiesen, daß Figur 2 nur eine möglichst einfache Ausführungsform
einer Montagevorrichtung 10 zeigt. Andere Ausführungsformen könnten beispielsweise
nicht-rotationssymmetrisch sein oder mit Gelenken oder Verbindungen zu Aktuatoren
und/oder anderen Bauteilen ausgestattet sein. Femer könnte das Werkzeug 10 auch Halteeinrichtungen
aufweisen, mit denen vormontierte Ventilstößel bzw. weitere Komponenten wie eine Ventilschaftdichtung
oder die Ventilfeder von einer Zufuhr zum Zylinderkopf transportiert und dort auf
die Ventilschäfte aufgesetzt werden könnten.
[0029] Das in Figur 2 dargestellte System kommt für die korrekte Positionierung der Ventilstößel
im Prinzip ohne den Einsatz von Sensoren aus (wenngleich natürlich optional Sensoren
verwendet werden können). Demgegenüber zeigt Figur 3 eine Variante, bei welcher ein
Sensor 111 die Positionierung eines Ventilstößels 21 auf einem Ventilschaft 25 überwacht.
Der Ventilstößel wird dabei von einer ein- oder mehrteiligen Stanzvorrichtung 110
bis zum Erreichen der gewünschten Position auf den Ventilschaft 25 gedrückt, während
der Ventilschaft 25 gleichzeitig festgehalten wird. Der Sensor 111 zeigt in diesem
Falle an, wann das Aufschieben zu stoppen ist. Für die Messungen geeignete Sensoren
111 sind beispielsweise ein Kontaktsensor, ein Näherungssensor, ein Ultraschallsensor,
eine Lichtschranke oder dergleichen.
[0030] Falls als Verbindungsmethode zwischen Ventilschaft 25 und Ventilstößel 21 das Reibschweißen
gewählt wird, bei welchem der Ventilschaft 25 zur Erzeugung von Hitze in Rotation
versetzt wird, muß zusätzlich zur Höhe des Ventilstößels 21 auch die Höhe des Ventilschaftes
25 relativ zum Nockenwellenlager 22 gemessen werden.
[0031] Die Position von Ventilstößel 21 und/oder Ventilschaft 25 kann individuell in Bezug
auf jeweils einen Referenzpunkt gemessen werden, zum Beispiel in Bezug auf das zugeordnete
Nockenwellenlager 22 oder den Ventilsitz (nicht dargestellt). Alternativ kann der
Referenzpunkt für die einzustellende Höhe des Ventilstößels 21 auch als Mittelwert
von zwei Referenzpunkten am Zylinderkopf bestimmt werden, beispielsweise als Mittelpunkt
der Positionen von zwei (benachbarten) Nockenwellenlagern 22.
1. Vorrichtung (10, 110) zur Montage mindestens einer Ventilanordnung (20), bei der ein
Ventilstößel (21) fest mit einem Ventilschaft (25) verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
diese zur Einstellung einer definierten Positionierung des Ventilstößels (21) auf
dem vormontierten Ventilschaft (25) vor der endgültigen Verbindung zwischen Ventilstößel
(21) und Ventilschaft (25) eingerichtet ist.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
diese mindestens einen Lagerbereich (11) mit mindestens einem angrenzenden Stempelbereich
(12) enthält, wobei der Lagerbereich (11) in ein Nockenwellenlager (22) eingeführt
werden kann, während der Stempelbereich (12) gleichzeitig einen auf einem Ventilschaft
(25) vormontierten Ventilstößel (21) in dessen definierte Position drückt.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dahingehend ausgebildet ist, in mehreren zu einer Nockenwelle gehörigen Ventilanordnungen
(20) parallel eine Positionierung zu bewirken.
4. Vorrichtung (110) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
diese mindestens einen Sensor (111) enthält, mit welchem die aktuelle Position
des Ventilstößels (21) und/oder des Ventilschaftes (25) erfaßt werden kann.
5. Vorrichtung (10, 110) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
diese Mittel zur Fixierung der Position des Ventilschaftes (25) enthält, vorzugsweise
zur Fixierung in der Schließposition des Ventils.
6. Vorrichtung (10, 110) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch
Halteeinrichtungen zum Halten von Teilen der Ventilanordnung (20) für deren Transport
zum Montageort.
7. Verfahren zur Montage einer Ventilanordnung (20), umfassend die Schritte:
a) Vormontage eines Ventilschaftes (25) im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine;
b) Vormontage eines Ventilstößels (21) auf dem Ventilschaft (25);
c) weiteres Aufschieben des Ventilstößels (21) auf den Ventilschaft, bis eine definierte
Positionierung erreicht ist;
d) Herstellen einer festen Verbindung zwischen dem Ventilstößel (21) und dem Ventilschaft
(25).
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Erreichen der definierten Positionierung sensorisch überwacht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die definierte Positionierung relativ zur Position von einem oder mehreren Referenzpunkten
am Träger (22) der Ventilanordnung bestimmt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die definierte Positionierung relativ zur gemittelten Position von zwei Referenzpunkten
am Träger (22) der Ventilanordnung bestimmt wird.