Ventildrehvorrichtung

Abstract

 Eine Ventildrehvorrichtung mit einem Grundkörper (10), einem Deckel (20), der aus einer Ausgangsposition in eine relativ zum Grundkörper verdrehte Endposition bewegt werden kann, in welcher der Abstand zum Grundkörper verringert ist, mindestens einer Laufbahn (14) im Grundkörper, einem Wälzkörper (16), der auf dieser Laufbahn (14) aus einer Ausgangsstellung am Anfang (A) der Laufbahn (14) in eine Belastungsstellung am Ende (E) der Laufbahn (14) abrollen kann, und einer Tellerfeder (18), die zwischen dem Grundkörper (10) und dem Deckel (20) angeordnet ist und an der sich der Wälzkörper (16) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) an ihrem Anfang (A) einen anderen Abstand von der Mittelachse (M) der Ventildrehvorrichtung hat als an ihrem Ende (E).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung mit einem Grundkörper, einem Deckel, der aus einer Ausgangsposition in eine relativ zum Grundkörper verdrehte Endposition bewegt werden kann, in welcher der Abstand zum Grundkörper verringert ist, mindestens einer Laufbahn im Grundkörper, einem Wälzkörper, der auf dieser Laufbahn aus einer Ausgangsstellung am Anfang der Laufbahn in eine Belastungsstellung am Ende der Laufbahn abrollen kann, und einer Tellerfeder, die zwischen dem Grundköper und dem Deckel angeordnet ist und an der sich der Wälzkörper abstützt.

[0002] Eine solche Ventildrehvorrichtung wird heutzutage überwiegend bei Großmotoren eingesetzt, um eine Zwangsdrehung eines Einlaß- oder Auslaßventils zu bewirken. Durch die Zwangsdrehung wird eine ausgeglichene Temperatur am Kopf des Ventils gewährleistet, und es werden Ablagerungen am Ventilsitz verhindert.

[0003] Die Funktionsweise einer Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art wird nachfolgend kurz anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben. Der Grundkörper 10 der Ventildrehvorrichtung ist drehfest mit einem (nicht dargestellten) Motorventil verbunden, das konzentrisch mit der Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung angeordnet ist. Im Grundkörper 10 sind mehrere Taschen 12 ausgebildet, deren Boden jeweils eine schräge Laufbahn 14 für einen Wälzkörper 16 bildet. Als Wälzkörper werden meist Kugeln verwendet. Die Wälzkörper 16 stützen sich auf ihrer von der Laubahn 14 abgewandten Seite an einer Tellerfeder 18 ab, die zwischen dem Grundkörper 10 und einem Deckel 20 angeordnet ist. Dabei liegt der äußere Rand der Tellerfeder 18 am Deckel 20 an, während der innere Rand der Tellerfeder 18 am Grundkörper 10 geführt ist. Am Grundkörper 10 ist ein Sprengring 22 angeordnet, der verhindert, daß sich der Deckel 20 vom Grundkörper 10 löst.

[0004] Wenn das Motorventil geschlossen ist, befindet sich die Ventildrehvorrichtung in dem in Figur 1 gezeigten Ausgangszustand. Die Tellerfeder 18 hält dabei den Grundkörper 10 und den Deckel 20 im Abstand voneinander. Wenn das Motorventil geöffnet werden soll, wird die zum Öffnen des Ventils erforderliche Kraft auch auf die Ventildrehvorrichtung übertragen. Dabei gibt die Tellerfeder 18 nach, so daß der Grundkörper 10 näher zum Deckel 20 gedrückt wird. Bei dieser Bewegung rollen die Wälzkörper 16 auf den schräg angeordneten Laufbahnen 14 ab, wodurch sie entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder 24 aus der in Figur 2 gezeigten Ausgangsstellung am Anfang einer Laufbahn in eine gestrichelt gezeigte Belastungsstellung 16' am Ende der Laufbahn abrollen (siehe Figur 2). Die Drehbewegung der Wälzkörper wird dabei auch auf die Tellerfeder 18 übertragen, wobei die Drehbewegung der Tellerfeder dem doppelten Rollweg eines Wälzkörpers entspricht. Durch die Abstützung auf den Wälzkörpern wird der Druck der Tellerfeder 18 auf den inneren Rand des Grundkörpers 10 verringert, so daß hier ein Gleiten stattfindet. Hingegen ist die Tellerfeder 18 mit dem Deckel 20 durch einen Reibschluß drehfest verbunden. Durch die Abrollbewegung der Wälzkörper 16 auf der Tellerfeder 18 wird also insgesamt eine Relativdrehung zwischen dem Deckel 20 und dem Grundkörper 10 erzeugt, der wiederum auf das Motorventil übertragen wird. Wenn das Motorventil geschlossen wird, wird die Tellerfeder 18 entlastet, wodurch auch die Wälzkörper 16 entlastet werden. Diese werden dann, ohne abzurollen, von den Rückstellfedern 24 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückgeschoben.

[0005] Um die Hertzsche Pressung zwischen den Wälzkörpern 16 und der Tellerfeder 18 nicht übermäßig groß werden zu lassen, ist auf der den Wälzkörpern 16 zugewandten Seite der Tellerfeder eine Tellerfederrille 26 (siehe Figur 4) ausgebildet, in der die Wälzkörper 16 normalerweise abrollen. Die Tellerfederrille 26 ist konzentrisch zur Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung angeordnet; ihr Radius entspricht dem Mittelradius R der Taschen 12 (siehe auch Figur 2). Allerdings hat sich herausgestellt, daß die Tellerfederrille 26 zu einigen Nachteilen führt. In der Ausgangsstellung der Ventildrehvorrichtung (siehe Figur 1) ist die den Wälzkörpern 16 zugewandte Seite der Tellerfeder 18 geneigt. Hieraus resultiert, daß die Wälzkörper 16 nicht mehr optimal in der Tellerfederrille 26 liegen können, sondern an den inneren Rand der Tellerfederrille 26 gedrückt werden (siehe Figur 4). Erst wenn die Tellerfeder vollständig zusammengedrückt ist und ihre Oberfläche senkrecht zur Belastungsrichtung der Wälzkörper 16 ist, liegen die Wälzkörper 16 wieder optimal am Boden der Tellerfederrille 26. Aus der Schrägstellung der Tellerfeder 18 zu Beginn des Öffnens des Motorventils, also wenn sich die Ventildrehvorrichtung in der Ausgangsstellung befindet, resultiert eine schlechtere Laufruhe der Ventildrehvorrichtung sowie ein höherer Verschleiß der Tellerfeder. Außerdem ergibt sich ein Verlust hinsichtlich der Drehung des Motorventils, die von der Ventildrehvorrichtung bei einmaliger Betätigung hervorgerufen wird. Wenn die Ventildrehvorrichtung aus der Ausgangsposition belastet wird und sich die Wälzkörper 16 in der in Figur 4 gezeigten Stellung befinden, führt das Zusammendrücken der Ventildrehvorrichtung anfangs nur dazu, daß die Wälzkörper 16 auf den Boden der Tellerfederrille 26 rutschen, anstatt auf der Laufbahn in den Taschen 12 abzurollen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich eine verbesserte Laufruhe, ein geringerer Verschleiß sowie ein besserer Wirkungsgrad beim Umsetzen der translatorischen Relativbewegung zwischen Grundkörper und Deckel in eine rotatorische Relativbewegung ergibt.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Laufbahn an ihrem Anfang einen anderen Abstand von der Mittelachse der Ventildrehvorrichtung hat als an ihrem Ende. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Wälzkörper 16 idealerweise, um über den gesamten Betätigungsweg der Ventildrehvorrichtung am Grund der Tellerfederrille 26 abrollen zu können, eine spiralförmige Bewegung ausführen. Dies wird zur Verdeutlichung wieder anhand von Figur 4 erläutert. In der Ausgangsstellung der Ventildrehvorrichtung müßte der Wälzkörper 16, um am Boden der Tellerfederrille 26 zu liegen, radial betrachtet weiter außen liegen; er müßte sich in einem Abstand von der Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung befinden, der größer ist als der Radius R der Tellerfederrille 26 und der Taschen 12. Wenn gedanklich der Wälzkörper 16 in den Figuren 3 und 4 weiter nach "außen" versetzt wird, also nach rechts, würde der Wälzkörper auf dem Boden der Tellerfederrille 26 aufliegen. Allerdings gilt dies nur, solange die Tellerfeder 18 eine kegelstumpfförmige Gestalt hat. Wenn die Tellerfeder 18 vollständig flachgedrückt ist, liegt die Tellerfederrille 26 wieder mittig unterhalb der Wälzkörper. Der Abstand der Wälzkörper 16 von der Mittelachse M der Ventildrehvorrichtung sollte dann wieder gleich dem Radius R sein, auf dem sich die Tellerfederrille 26 befindet.

[0008] Idealerweise verläuft die Laufbahn in den Taschen spiralförmig. Dieser Verlauf ergibt sich geometrisch aufgrund der variablen Ausrichtung der Tellerfederrille 26 relativ zu den Wälzkörpern 16 während des Zusammendrückens der Ventildrehvorrichtung.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Laufbahn gerade verläuft. Auf den ersten Blick ist es überraschend, daß eine gerade Laufbahn in den Taschen verwendet wird, während die Tellerfederrille, in der die Wälzkörper laufen, kreisförmig ist. Allerdings hat sich herausgestellt, daß eine gerade Laufbahn, wenn sie richtig ausgerichtet ist, eine hinreichend gute Annäherung an den theoretisch optimalen, spiralförmigen Verlauf darstellt, der noch dazu den Vorteil bietet, daß er fertigungstechnisch sehr große Vorteile bietet. Eine spiralförmige Laufbahn kann nur mit sehr hohem Aufwand auf numerisch gesteuerten Fräsmaschinen fertigen lassen. Außerdem würde sich bei einem spiralförmigen Verlauf der Laufbahn und damit auch der Taschen eine starke Biegebelastung der Rückstellfeder 24 ergeben, was ungünstig wäre.

[0010] Wenn die Wälzkörper sich auf der Außenseite der Tellerfeder abstützen, muß der Anfang der Laufbahn einen größeren Abstand von der Mittelachse der Ventildrehvorrichtung haben als das Ende. Dies ist oben bereits mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 erläutert worden. Für den Fall, daß die Tellerfeder umgekehrt verwendet wird, also sich die Wälzkörper auf der Innenseite der Tellerfeder abstützen, muß der Anfang der Laufbahn einen kleineren Abstand von der Mittelachse der Ventildrehvorrichtung haben als das Ende.

[0011] Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

• Figur 1 einen Querschnitt durch eine Ventildrehvorrichtung;
• Figur 2 eine Unteransicht eines Grundkörpers 10 einer Ventildrehvorrichtung nach dem Stand der Technik;
• Figur 3 in vergrößertem Maßstab den rechten Wälzkörper der Ventildrehvorrichtung von Figur 1 zusammen mit der rechten Seite der Tellerfeder;
• Figur 4 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IV von Figur 3;
• Figur 5 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt der Unteransicht eines Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung;
• Figur 6 eine Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 3 bei einer erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung;
• Figur 7 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt VII von Figur 6;
• Figur 8 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 5 einen Grundkörper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
• Figur 9 eine weitere Variante des in Figur 8 gezeigten Grundkörpers.

[0012] Anhand der Figuren 5 bis 7 wird nun die Anordnung einer Laufbahn 14 einer Tasche 12 im Grundkörper 10 erläutert, mit der die Wälzkörper 16 auf der theoretisch perfekten Bahn geführt werden, um optimal in der Tellerfederrille 26 abrollen zu können. Gestrichelt ist der Verlauf der Tellerfederrille (und damit auch der Verlauf der Laufbahn 14 im Stand der Technik) angedeutet. Mit dem Bezugszeichen I ist dagegen der ideale Verlauf der Laufbahn 14 der Tasche 12 gezeigt. Mit "A" ist der Anfang der Laufbahn 14 bezeichnet, also der Punkt, an dem der entsprechende Wälzkörper 16 die Laufbahn 14 berührt, wenn sich die Ventildrehvorrichtung in der Ausgangsposition befindet, und mit "E" das Ende der Laufbahn. Hinter dem Ende E der Laufbahn ist noch ein Widerlager 30 für die Rückstellfeder 24 ausgebildet. Vergleicht man den Verlauf der Laufbahn 14 im Stand der Technik mit dem in Figur 5 gezeigten, idealen Verlauf, ist zu sehen, daß die Laufbahn 14 erfindungsgemäß spiralförmig und nicht mehr kreisbogenförmig verläuft. Dieser Kreisbogen ist so "verdreht", daß der Anfang A der Laufbahn 14 radial weiter außen liegt als das Ende E. Genauer gesagt liegt der Anfang A auf einem Radius, der größer ist als der Radius R der Tellerfederrille 26, während das Ende E der Laufbahn etwa auf dem Radius R liegt. Vergleicht man die Position des Wälzkörpers 16 bezüglich der Tellerfederrille 26, wie sie sich bei der in Figur 5 gezeigten Anordnung der Laufbahn 14 ergibt, mit der im Stand der Technik sich ergebenden Position (siehe die Figur 4), ist zu sehen, daß der Wälzkörper 16 sich nun am Boden der Tellerfederrille 26 befindet, da er in der Ausgangsstellung radial weiter außen liegt als im Stand der Technik. Wenn die Ventildrehvorrichtung zusammengedrückt wird, wandert der Wälzkörper 16 bei seiner Abrollbewegung auf der Laufbahn 14 radial weiter nach innen, bis er schließlich bei flach zusammengedrückter Tellerfeder 18 auf dem Radius R der Tellerfederrille 26 liegt.

[0013] In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Der Unterschied zu der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß die Laufbahn 14 hier gerade verläuft. Zur Verdeutlichung ist hier verlängert mit dem Bezugszeichen 14' bezeichnet der Verlauf der Laufbahn 14 angedeutet. Die Laufbahn 14 selber ist nicht bloß eine Tangente an einen Radius R, der durch das Ende E der Laufbahn 14 verläuft. Wie in Figur 8 zu sehen ist, ist der Verlauf 14' der Laufbahn 14 gegenüber einer Tangente T an den Verlauf der Tellerfederrille 26 im Endpunkt E um den Winkel α nach "außen" verdreht; der Anfang A ist also noch weiter nach außen verdreht, als dies bei einem tangentialen Verlauf der Laufbahn 14 der Fall wäre. Ein solcher Verlauf der Laufbahn 14 stellt eine sehr gute Annäherung an den idealen, spiralförmigen Verlauf dar, wie er in Figur 5 gezeigt ist. Allerdings ist eine Tasche 12 mit gerade verlaufender Laufbahn 14 sehr viel einfacher zu fertigen als eine spiralförmige Tasche mit spiralförmiger Laufbahn.

[0014] In Figur 9 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, die sich von der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß die Tasche 12 hinter dem Ende E der Laufbahn 14 und im Bereich des Widerlagers 30 für die Rückstellfeder 24 mit einer Verengung 32 ausgeführt ist. Die Verengung verhindert, daß der entsprechende Wälzkörper 16 über das Ende E der Laufbahn 14 hin zum Widerlager 30 bewegt werden kann und dadurch die Rückstellfeder 24 übermäßig stark zusammendrückt. Außerdem ergibt sich so eine bessere Führung für die Rückstellfeder 18.

Ansprüche

1. Ventildrehvorrichtung mit einem Grundkörper (10), einem Deckel (20), der aus einer Ausgangsposition in eine relativ zum Grundkörper verdrehte Endposition bewegt werden kann, in welcher der Abstand zum Grundkörper verringert ist, mindestens einer Laufbahn (14) im Grundkörper, einem Wälzkörper (16), der auf dieser Laufbahn (14) aus einer Ausgangsstellung am Anfang (A) der Laufbahn (14) in eine Belastungsstellung am Ende (E) der Laufbahn (14) abrollen kann, und einer Tellerfeder (18), die zwischen dem Grundkörper (10) und dem Deckel (20) angeordnet ist und an der sich der Wälzkörper (16) abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) an ihrem Anfang (A) einen anderen Abstand von der Mittelachse (M) der Ventildrehvorrichtung hat als an ihrem Ende (E).

2. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) kreisbogenförmig verläuft.

3. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) spiralförmig verläuft.

4. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) gerade verläuft.

5. Ventildrehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper (16) sich auf der Außenseite der Tellerfeder (18) abstützt und daß der Anfang (A) der Laufbahn (14) einen größeren Abstand von der Mittelachse (M) der Ventildrehvorrichtung hat als das Ende (E).

6. Ventildrehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper (16) sich auf der Innenseite der Tellerfeder (18) abstützt und daß der Anfang (A) der Laufbahn (14) einen kleineren Abstand von der Mittelachse (M) der Ventildrehvorrichtung hat als das Ende (E).

7. Ventildrehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahn (14) durch den geneigten Boden einer Tasche (12) im Grundkörper (10) gebildet ist.

8. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasche (12) an ihrer vom Anfang (A) der Laufbahn (14) gesehen hinter deren Ende (E) liegenden Seite eine Verengung (32) aufweist, in der eine Rückstellfeder (24) angeordnet ist.

9. Ventildrehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper eine Kugel (16) ist.

Zeichnung