DE2526656A1 - Valve rod for IC engine - has hollow shaft electron welded to base of harder material - Google Patents
Valve rod for IC engine - has hollow shaft electron welded to base of harder materialInfo
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Abstract
Description
HÖGER - STELLRECHT - »BF^ESSBACH - HAECKERHÖGER - LEGAL RIGHT - »BF ^ ESSBACH - HAECKER
Λ 40 505 b
b - 135 .
30. Mai 1975Λ 40 505 b
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May 30, 1975
Firmacompany
J. Wizemann & Co.J. Wizemann & Co.
7 Stuttgart - 50 7 Stuttgart - 50
Quellenstraße 7Quellenstrasse 7
VentilstösselValve tappets
Die Erfindung betrifft einen Ventilstössel mit einem hohlen Schaft aus einem Einsatzstahl und einem hieran längs einer Naht stoffschlüssig befestigten, eine Lauffläche aufweisenden Bodenstück aus einem legierten Stahl.The invention relates to a valve stem with a hollow shaft made of a case-hardened steel and a shaft along one Seam firmly attached, having a tread Alloy steel base.
Die üblichen Ventilstössel sind massiv und bestehen aus einem einzigen Hartgußteil, bei dessen Herstellung die Lauffläche gegen Kokille gegossen wird, um dort eine senkrecht zur Lauffläche orientierte Karbideinstrahlung und damit.eine hohe Druckfestigkeit zu erhalten. Nun wurdenThe usual valve tappets are massive and consist of a single chilled cast part The running surface is cast against the mold in order to receive a carbide radiation oriented perpendicular to the running surface and thus. to obtain a high compressive strength. Well were
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in der Vergangenheit die spezifischen Motorleistungen vor allem durch Erhöhung der Drehzahl beträchtlich gesteigert; eine Drehzahlerhöhung bedingt aber eine Erhöhung der Ventilfederkräfte, die ihrerseits zu höheren Flächenpressungen an den Laufflächen der Ventilstössel führen. Die Folge hiervon ist eine sog. Pittingsbildung und damit ein zunehmend stärker werdender Verschleiss der Ventilstössel-Laufflächen. Auch das relativ hohe Gewicht der massiven Gußstössel wirkt sich natürlich mit ansteigenden Drehzahlen immer negativer aus, und zwar auch auf die Standzeit der Lauffläche.In the past, the specific engine output was increased considerably, mainly by increasing the speed; however, an increase in speed causes an increase in the valve spring forces, which in turn lead to higher surface pressures on the running surfaces of the valve tappets. The consequence one of these is a so-called pitting formation and thus an increasing one increasing wear of the valve tappet running surfaces. The relatively high weight of the massive cast ram also has an effect, of course, with increasing speeds more and more negative, including the service life of the tread.
Es sind nun schon die verschiedensten Versuche unternommen worden, einen Ventilstössel mit einer verschleißfesteren Lauffläche herzustellen; so ist es beispw. schon bekannt, auf die Bodenfläche eines massiven Guß-Ventilstössels eine Hartmetallplatte aufzulöten. Die letztere erhöht jedoch den Preis des Ventilstössels derart, daß er für die meisten Anwendungsfälle zu teuer ist. Ferner ist es bekannt, auf die Bodenfläche eines Ventilstössels eine verschleißfeste Schicht wie z.B. eine Boridschicht oder eine Titankarbidschicht aufzubringen, die dann die Lauffläche bildet, jedoch sind diese zwar sehr harten Laufschichten so spröde, daß infolge der Stoßbeanspruchung im Ventiltrieb die verschleißfesten Schichten alsbald abplatzen.A wide variety of attempts have now been made to provide a valve stem with a more wear-resistant one Manufacture tread; it is already known, for example, to place a valve on the bottom surface of a solid cast valve tappet Solder hard metal plate. The latter, however, increases the price of the valve stem so that it is for most Use cases is too expensive. It is also known to the bottom surface of a valve stem has a wear-resistant layer such as a boride layer or a titanium carbide layer to apply, which then forms the running surface, but these very hard running layers are so brittle that As a result of the impact stress in the valve train, the wear-resistant layers soon flake off.
bekannt, Schließlich ist ein Ventilstössel der eingangs erwähnten Art'/known, Finally, a valve stem of the type mentioned '/
(Herstellerin: General Motors Corporation), bei dessen Schaft es sich um eine fließgepresste Hülse handelt und dessen Bodenstück ein gering legiertes Gußteil ist.Das letztere(Manufacturer: General Motors Corporation), the shaft of which is an extruded sleeve and the base of which is a low-alloy casting. The latter
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beide Teile ist verbronzt und/werden durch Löten miteinanderboth parts are bronze-plated and / are soldered together
verbunden, wobei die Bronze als Lot dient. Die Bauart dieses in einem PkW-Motor eingesetzten Ventilstössels würde sich für die sehne Häufenden LkW-Dieselmotoren aus verschiedenen Gründen nicht eignen: Zum einen weist die Lauffläche des Bodenstücks keine ausreichende Verschleißfestigkeit auf, und zum anderen besitzt eine Lötverbindung nicht die bei solchen Ventilstösseln zu fordernde Festigkeit: Insbesondere bei sog. Tellerstösseln, bei denen also das Bodenstück einen größeren Durchmesser als der Schaft aufweist, entsteht am übergang vom Teller zum Schaft bei außermittigem Nockenangriff ein beträchtliches Biegemoment, so daß es nicht selten vorkommt, daß massive Gußventilstössel an dieser Stelle des maximalen Biegemoments brechen. Dieser Beanspruchung wäre ein gelöteter Ventilstösselunter Umständen nicht gewachsen. Auf der anderen Seite möchte man wegen des geringen Gewichts an einem Ventilstössel mit hohlem und möglichst dünnwandigem Schaft sowie möglichst flachem Bodenstück festhalten, wobei noch zu bemerken ist, daß sich natürlich durch die Dünnwandigkeit des Schafts nur eine außerordentlich schmale Ringfläche ergibt, längs der Schaft und Bodenstück miteinander verbunden werden können.connected, with the bronze serving as a solder. The design of this valve stem used in a car engine would look great for the heaped truck diesel engines Not suitable for various reasons: On the one hand, the running surface of the base piece does not have sufficient wear resistance On the other hand, a soldered connection does not have the strength required for such valve tappets: Especially with so-called plate pestles, in which the base piece has a larger diameter than the shaft, there is a considerable bending moment at the transition from the plate to the shaft when the cam is attacked off-center, so that it It is not uncommon for massive cast valve tappets to be attached break this point of the maximum bending moment. A soldered valve tappet would be exposed to this stress under certain circumstances not grown. On the other hand, because of the low weight, one would like to have a valve stem with a hollow and Hold the thinnest-walled shaft and the flat bottom piece as possible, it should also be noted that of course, due to the thinness of the shaft, only an extremely narrow annular surface results along the shaft and bottom piece can be connected to each other.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen möglichst leichtgewichtigen Ventilstössel für schnellaufende Dieselmotoren zu schaffen, der sich noch verhältnismäßig billig herstellen läßt und die zu fordernden Standzeiten aufweist. Ausgehend von einem Ventilstössel der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bodenstück aus einem legierten Werkzeugstahl, ,The invention was now based on the object of providing a valve tappet which is as lightweight as possible for high-speed diesel engines to create that can still be produced relatively cheaply and has the required service life. Based on a valve stem of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that the bottom piece made of an alloyed tool steel,
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aus Chrominsbesondere/einem ungefähr 12% Chrom enthaltenden/Stahl besteht und mit dem Schaft durch eine Elektronenstrahlschweißnaht verbunden ist. Die letztere ergibt eine derart homogene Verbindung zwischen Bodenstück und Schaft/ daß der letztere relativ dünnwandig ausgebildet und im Prinzip auf einen in den Hohlraum des Schafts eingreifenden Zapfen am Bodenstück verzichtet werden kann, da eine sich über eine schmale Ringzone erstreckende Schweißnaht sich als ausreichend erwiesen hat. Künstlich erzeugte Gewaltbrüche haben gezeigt, daß ein erfindungsgemäßer Ventilstössel niemals an der Schweißnaht bricht. Während nun der Schaft aus einem verhältnismäßig billigen Material besteht, so daß er insbesondere auch fließgepresst werden kann, gewährleistet der für das Bodenstück verwendete Chromstahl hohe Verschleißfestigkeit. Für den Schaft wird zweckmäßigerweise ein Einsatzstahl verwendet, so daß er durch einfaches Oberflächenhärten an seiner Führungsfläche ausreichend verschleißfest gemacht werden kann. Bevorzugt werden Einsatzstähle wie 15Cr3«of chromium in particular / a steel containing approximately 12% chromium and to the shaft by an electron beam weld connected is. The latter results in such a homogeneous connection between the base piece and the shaft / that the latter is relatively thin-walled and in principle on a pin engaging in the cavity of the shaft can be dispensed with on the bottom piece, since a weld seam extending over a narrow ring zone is has proven sufficient. Artificially produced force fractures have shown that a valve stem according to the invention never breaks at the weld seam. While the shaft is made of a relatively cheap material, so The high chrome steel used for the base ensures that it can in particular also be extruded Wear resistance. A case-hardening steel is expediently used for the shaft, so that it can be simply Surface hardening can be made sufficiently wear-resistant on its guide surface. Case-hardening steels are preferred like 15Cr3 «
Es ist zwar schon bekannt, das Elektronenstrahlschweißverfahren bei der Fertigung von Motorenteilen einzusetzen, so z.B. bei der Herstellung verhältnismäßig komplizierter Kolben. Dieser Umstand konnte aber die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe nicht nahelegen, denn die bisher für sehneHäufende LkW-Dieselmotoren verwendeten massiven Gußstössel lassen erkennen, daß trotz der offensichtlichen Vorteile leichtgewichtiger Ventilstössel es der Fachmann im Hinblick auf die unüberwindlich erscheinendenIt is already known to use the electron beam welding process in the manufacture of engine parts, For example, it is relatively more complicated to manufacture Pistons. However, this circumstance could not suggest the inventive solution of the problem, because the previously used for many truck diesel engines solid cast tappets indicate that, despite the obvious advantages of lightweight valve tappets the expert with regard to the seemingly insurmountable
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Schwierigkeiten an der Verbindungsstelle offensichtlich nicht gewagt hat, zweiteilige Ventilstössel einzusetzen.Difficulties at the connection point obviously did not dare to use two-part valve tappets.
Das erfindungsgemäße Konzept kommt sowohl für sog. Topfstössel, d.h. oben offene zylindrische Stössel, als auch für zylindrische, hohle Stössel, d.h. oben geschlossene Stössel,und für sog. Tellerstössel in Frage, bei denen das Bodenstück einen größeren Durchmesser als der Schaft aufweist. Bei Topfstösseln ergibt sich durch den erfindungs-The concept according to the invention applies to so-called pot tappets, i.e. cylindrical tappets open at the top, as well for cylindrical, hollow tappets, i.e. tappets closed at the top, and for so-called plate tappets in which the Bottom piece has a larger diameter than the shaft. In the case of pot tappets, the inventive
Ofop'rsp'ite des gemäßen Aufbau der Vorteil, daß sich die indie /BodenstüdcsOfop'rsp'ite des proper structure the advantage that the indie / Bodenstüdcs
einzuformende Kugelpfanne natürlich an einem separaten Bodenstück einfacher herstellen läßt als an einem kompletten Topfstössel.Ball socket to be formed can of course be produced more easily on a separate base piece than on a complete one Pot pusher.
Da das Elektronenstrahl-Schweißverfahren im Vakuum durchgeführt wird und man die Schäfte und Bodenstücke außerhalb der Vakuumkammer zusammensetzt, empfiehlt es sich bei Ventilstösseln, deren Schaft oben geschlossen ist,, den von Schaft und Bodenstück gebildeten Hohlraum mit einer Entlüftungsöffnung zu versehen, die insbesondere die Form eines Lochs in der Schaftwand oder einerKerbe am unteren Rand des Schafts hat. Es wird dann weniger Zeit benötigt, um den Hohlraum zu evakuieren.Because the electron beam welding process is carried out in a vacuum and you have the shafts and bottom pieces outside the vacuum chamber, it is recommended for valve tappets whose shaft is closed at the top, that of Shank and bottom piece formed cavity to be provided with a vent opening, in particular the shape a hole in the shaft wall or a notch on the lower edge of the shaft. It then takes less time to evacuate the cavity.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventilstössels das Bodenstück vor dem Schweißen, insbesondere als Schüttgut,gehärtet und dann mit dem Schaft verschweißt wird, worauf Lauffläche und Schaftumfang fertiggeschliffen werden,und wenn dann der% It is particularly advantageous if, for the production of a valve stem according to the invention, the base piece is hardened before welding, in particular as a bulk material, and then welded to the shaft, whereupon the running surface and shaft circumference are finish-ground, and if the %
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komplette Stössel gasnitriert wird. Durch das Gasnitrieren entsteht sowohl an der Lauffläche als auch an der Führungsfläche des Schafts eine sog. Verbindungszone, die sehr hart ist und hinsichtlich eines Reibverschleisses günstige Lauf·* eigenschaften besitzt. Nach dem Nitrieren ist keinerlei weitere Nachbearbeitung mehr erforderlich. Die vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsverfahren lassen sich besonders billig durchführen.complete ram is gas nitrided. The gas nitriding creates a so-called connection zone, which is very hard, on both the running surface and the guide surface of the shaft is and with regard to a frictional wear favorable running * possesses properties. No further post-processing is required after nitriding. The above The heat treatment processes mentioned can be carried out particularly cheaply.
Sofern die Stösselstange an der Kugelpfanne des Ventilstössels hohe spezifische Flächenpressungen hervorruft, ist es u.U. zweckmäßig, das vorstehend geschilderte Verfahren dahingehend abzuwandeln, daß das ungehärtete Bodenstück mit einem bereits eingesetzten Schaft verschweißt und der komplette Stössel nach dem Fertigschleifen gehärtet wird. Dieses Härten des kompletten Stössels kann beispw. in einem Trommelofen bei 97O°C und anschließendem Abschrecken in öl erfolgen.If the push rod causes high specific surface pressures on the ball socket of the valve stem it may be useful to modify the method described above so that the uncured bottom piece with welded to an already inserted shaft and the complete ram is hardened after finish grinding. This hardening of the complete ram can, for example, in a drum furnace at 970 ° C. and subsequent quenching done in oil.
Welchen Fortschritt die Erfindung bei Ventilstösseln für schnellaufende LkW-Dieselmotoren mit sich bringt, läßt sich am Besten daran erkennen, daß ein bisheriger massiver Gußstössel mit einem Gewicht von zirka 200 Gramm durch einen erfindungsgemäßen Stössel von nur zirka 130 Gramm ersetzt werden kann. Beim Bodenstück kann es sich um ein Automaten-Drehteil und beim Schaft um eine Kaltfließpresshüle handeln, in die eine Kugelpfanne bereits während des Kaltfließpressens durch die Matrize bzw. durch den Ausstoßer eingeformt wird.What progress the invention in valve tappets for high-speed truck diesel engines brings with it, can best be recognized by the fact that a previous massive Cast ram with a weight of approximately 200 grams through a ram according to the invention of only approximately 130 grams can be replaced. The base piece can be a machine turned part and the shaft can be a cold extrusion sleeve act, in which a ball socket already during the cold extrusion through the die or through the ejector is molded.
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V/eitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung zweier Ventilstössel; es zeigenFurther details, features and advantages of the invention emerge from the attached claims and / or from the attached drawing and the following description of two valve tappets; show it
Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Tellerstössel, undFig. 1 shows an axial section through a plate ram, and
Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen zylindrischen Topfstössel. 2 shows an axial section through a cylindrical pot tappet.
Die Figur 1 läßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Schaft sowie ein als Teller ausgebildetes Bodenstück 12 erkennen, welches mit einem zirka lmm hohen Zentrierzapfen 14 versehen ist und mit diesem in einen zylindrischen Hohlraum 16 des Schafts eingreift. Dieser weist an seinem Umfang - bei einer Länge von zirka 70mm - eine Wandstärke von nur 2,5mm auf, so daß das Verschweißen längs einer Ringzone 18 erfolgt, deren Breite ebenfalls nur 2,5mm beträgt. Oben ist in den Schaft noch eine Kugelpfanne 20 als Auflage für eine nicht dargestellte Stösselstange eingeformt.FIG. 1 has one designated as a whole by 10 Recognize the shaft and a base piece 12 designed as a plate, which has an approximately 1 mm high centering pin 14 is provided and engages with this in a cylindrical cavity 16 of the shaft. This points to his Circumference - with a length of about 70mm - a wall thickness of only 2.5mm, so that the welding along a Ring zone 18 takes place, the width of which is also only 2.5mm. At the top there is still a ball socket 20 in the shaft Molded support for a push rod, not shown.
Das Bodenstück soll aus X21OCrl2 bestehen, während es sich bei dem Schaft 10 um ein Teil aus Einsatzstahl handelt, der sich von seiner Festigkeit her noch kaltfließpressen läßt.The bottom piece should consist of X21OCrl2 while it is the shaft 10 is a part made of case-hardened steel, which can still be cold-extruded in terms of its strength.
Der in Figur 2 gezeigte Topfstössel besitzt einen einfachen Schaft 22 in Form eines RohrsThe pot tappet shown in Figure 2 has a simple shaft 22 in the form of a tube
und ein Bodenstück 24, in welches vor dem Zusammenschweißen eine Kugelpfanne 26 eingeformt worden ist.and a bottom piece 24 into which a ball socket 26 has been molded before welding.
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Auch hier erfolgt das Elektronenstrahlschweißen wieder längs einer Ringzone 28 mit außerordentlich geringer Breite.Here, too, the electron beam welding takes place along an annular zone 28 with an extremely small width.
Bei einem Ventilstössel mit geschlossenem Hohlraum, wie ihn die Fig. 1 zeigt, versieht man zweckmäßigerweise die Wand des Schafts 10 mit einem kleinen Loch 3d oder diesen an /unteren Rand mit einer Kerbe, so daß der Hohlraum 16 in der für das Elektronenstrahlschweißen erforderlichen Vakuumkammer schnell evakuiert wird.In the case of a valve stem with a closed cavity, as shown in FIG. 1, it is expedient to provide the Wall of the shaft 10 with a small hole 3d or this on / lower edge with a notch, so that the cavity 16 in the vacuum chamber required for electron beam welding is quickly evacuated.
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Claims (7)
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|---|---|---|---|
| DE19752526656 DE2526656A1 (en) | 1975-06-14 | 1975-06-14 | Valve rod for IC engine - has hollow shaft electron welded to base of harder material |
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| DE19752526656 DE2526656A1 (en) | 1975-06-14 | 1975-06-14 | Valve rod for IC engine - has hollow shaft electron welded to base of harder material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE2526656A1 true DE2526656A1 (en) | 1976-12-23 |
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| DE19752526656 Pending DE2526656A1 (en) | 1975-06-14 | 1975-06-14 | Valve rod for IC engine - has hollow shaft electron welded to base of harder material |
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| DE (1) | DE2526656A1 (en) |
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- 1975-06-14 DE DE19752526656 patent/DE2526656A1/en active Pending
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