FR2812682A1 - MULTI-PART LIGHTWEIGHT CONSTRUCTION VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une soupape de construction légère (1, 2, 3) constituée de plusieurs parties, pour des moteurs à combustion interne, avec une tige de soupape (6, 7) et un plateau de soupape (4) massif, qui est muni d'une ouverture centrale (5) pour recevoir, par une liaison à ajustement de forme, l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape (6, 7), les parties de soupape (4, 6, 7) étant reliées ensemble à demeure.Pour réaliser une soupape de construction légère en plusieurs parties pour des moteurs à combustion interne, de manière à permettre de résister aux charges thermiques et mécaniques se produisant pendant le fonctionnement du moteur, il est proposé selon l'invention que le plateau de soupape (4) soit relié à la tige de soupape (6, 7) par un procédé de façonnement de têtes à chaud.The invention relates to a lightweight multi-part valve (1, 2, 3) for internal combustion engines with a valve stem (6, 7) and a solid valve plate (4), which is provided with a central opening (5) for receiving, by a form-fitting connection, the end, located on the plate side, of the valve stem (6, 7), the valve parts (4, 6, 7) In order to realize a valve of lightweight construction in several parts for internal combustion engines, so as to make it possible to resist the thermal and mechanical loads occurring during the operation of the engine, it is proposed according to the invention that the valve plate (4) is connected to the valve stem (6, 7) by a hot head forming process.
Description
L'invention concerne une soupape de construction légère constituée deThe invention relates to a valve of light construction consisting of
plusieurs parties, pour des moteurs à combustion interne, avec une tige de soupape et un plateau de soupape massif, qui est muni d'une ouverture centrale pour recevoir, par une liaison à ajustement de forme, l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape, several parts, for internal combustion engines, with a valve stem and a solid valve plate, which is provided with a central opening to receive, by a form-fitting connection, the end, situated on the plate side, of the valve stem,
les parties de soupape étant reliées ensemble à demeure. the valve parts being permanently connected together.
Le EP 0 296 619 A1 décrit également une soupape de construction légère en plusieurs parties pour des moteurs à combustion interne, qui présente un plateau de soupape et une tige de soupape. Le plateau de soupape est muni, en face supérieure, d'un trou borgne devant recevoir l'extrémité, située côté plateau, de la tige qui peut être fixée dans le trou borgne par un processus de frettage, d'enfoncement à froid, de brasure, par une liaison mécanique, ou par une combinaison de ces techniques de liaison. Dans un cas représenté dans le dessin de ce document, l'intérieur du trou borgne est ondulé, la paroi située côté extrémité du tube de tige étant élargie, sous l'influence de la pression et de l'échauffement local, et venant alors s'insérer avec une liaison à ajustement de EP 0 296 619 A1 also describes a valve of light construction in several parts for internal combustion engines, which has a valve plate and a valve stem. The valve plate is provided, on the upper face, with a blind hole to receive the end, situated on the plate side, of the rod which can be fixed in the blind hole by a process of shrinking, cold pressing, solder, by a mechanical bond, or by a combination of these bonding techniques. In a case shown in the drawing of this document, the inside of the blind hole is corrugated, the wall located on the end side of the rod tube being enlarged, under the influence of pressure and local heating, and then coming s '' insert with adjustment link
forme, dans les ondes situés du côté perçage. shape, in the waves located on the drilling side.
Dans la soupape de construction légère connue par le EP 0 296 619 Al est désavantageux le fait que la liaison entre la tige de soupape et le plateau de soupape ne soit pas suffisamment résistante sous l'effet des charges statiques et dynamiques importantes, tant du point de vue thermique qu'également du point de vue mécanique. On peut In the light construction valve known from EP 0 296 619 A1, the disadvantage is that the connection between the valve stem and the valve plate is not sufficiently resistant under the effect of high static and dynamic loads, both from the point of thermal point of view as also from the mechanical point of view. We can
avoir à faire à des fluctuations de température allant de - have to deal with temperature fluctuations ranging from -
20 C à environ 900 C qui en partie se produisent sur un temps court, et les hautes températures pouvant, selon les cas, agir sur une longue durée. D'autre part, le point de liaison est en même temps exposé à de hautes charges dynamiques et statiques, également dans la direction de la traction. Cet ensemble de charges après une durée de fonctionnement relativement courte du moteur à combustion interne peut mener à un détachement de la liaison entre la tige de soupape et le plateau de soupape ce qui aurait comme conséquence pour le moteur à combustion interne, une 20 C to around 900 C which partly occurs over a short time, and the high temperatures can, depending on the case, act over a long period. On the other hand, the connection point is at the same time exposed to high dynamic and static loads, also in the direction of traction. This set of loads after a relatively short operating time of the internal combustion engine can lead to a detachment of the connection between the valve stem and the valve plate which would result in the internal combustion engine
panne immédiate et une destruction complète. immediate breakdown and complete destruction.
C'est pourquoi le but de l'invention est d'améliorer encore une soupape de construction légère, de manière à ce qu'elle puisse résister aux charges thermiques et mécaniques se produisant pendant le fonctionnement du moteur. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le plateau de soupape est relié à la tige de soupape This is why the object of the invention is to further improve a valve of light construction, so that it can withstand the thermal and mechanical loads occurring during the operation of the engine. This problem is solved according to the invention by the fact that the valve plate is connected to the valve stem
par un procédé de façonnement de têtes à chaud. by a process of shaping hot heads.
Un avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que, grâce au refroidissement pratiqué après le processus d'écrasement, les précontraintes élevées, agissant dans la direction de l'axe longitudinal de la soupape, donc des précontraintes axiales, se produisent dans l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape, qui fixent très fortement le plateau sur la tige de soupape, en particulier plus fortement que ce que donne un soudage. C'est-à-dire que la résistance par frettage est plus élevée par exemple que ce que permet une soupape obtenue par soudage. Du fait de la liaison à ajustement de forme, agissant en compression et en traction, dans les deux directions actives de la force axiale, liaison concernant la tige de soupape au plateau de soupape, le point de jointement peut être chargé sans endommagement et durablement par les charges thermiques et mécaniques que l'on rencontre pendant le fonctionnement du moteur. Au reste, cette technique de jointement provoque une réduction du coût de fabrication, précisément au niveau d'un processus d'emboîtement ou d'enfichage (insertion de l'extrémité de tige dans le perçage central), un processus An essential advantage of the invention resides in the fact that, thanks to the cooling practiced after the crushing process, the high preloads, acting in the direction of the longitudinal axis of the valve, therefore axial preloads, occur in the end, located on the plate side, of the valve rod, which very strongly fix the plate on the valve rod, in particular more strongly than what gives a weld. That is to say that the shrinking resistance is higher for example than what a valve obtained by welding allows. Due to the form-fitting connection, acting in compression and in tension, in both active directions of axial force, connection concerning the valve stem to the valve plate, the joint point can be loaded without damage and durably by thermal and mechanical loads encountered during engine operation. Moreover, this joining technique causes a reduction in the manufacturing cost, precisely at the level of a nesting or plugging process (insertion of the rod end into the central bore), a process
d'écrasement et, éventuellement, un processus de meulage- crushing and possibly a grinding process-
rectification (extrémité de tige côté plateau). rectification (rod end on plate side).
La technique de jointement selon l'invention, adoptée pour la soupape de construction légère en plusieurs parties, crée une liberté quant au choix du matériau, en particulier du point de vue du plateau de soupape. I1 peut alors s'agir d'un matériau qui ne soit pas soudable, ou bien d'un matériau qui ne soit pas soudable au matériau de The jointing technique according to the invention, adopted for the light construction valve in several parts, creates freedom in the choice of material, in particular from the point of view of the valve plate. It can then be a material which cannot be welded, or else a material which cannot be welded to the material of
la tige de soupape.the valve stem.
D'autres modes de réalisation et avantages de Other embodiments and advantages of
l'invention ressortent de la description et du fait que the invention will become apparent from the description and from the fact that
les dispositions suivantes sont de préférence adoptées: - le plateau de soupape est relié à la tige de soupape par un façonnage des têtes électrique, la tige de soupape étant chauffée avant le processus d'écrasement, par the following arrangements are preferably adopted: - the valve plate is connected to the valve stem by shaping the electric heads, the valve stem being heated before the crushing process, by
application d'une tension électrique. application of an electrical voltage.
- l'ouverture centrale du plateau de soupape s'étend axialement à travers la totalité du plateau de soupape, l'ouverture centrale étant limitée axialement sur le côté tige par un épaulement répondant à une rotation de symétrie, de préférence perpendiculaire à l'axe, et étant limitée, sur le côté plat situé du côté chambre de combustion opposée à la tige de soupape, par un contour de limitation répondant à une symétrie de rotation, et - la tige de soupape emboîtée dans l'ouverture centrale présente une collerette de forme annulaire, délimitant la profondeur d'emboîtement et appuyant sur l'épaulement du plateau de soupape, et l'extrémité, située côté plateau de la tige de soupape, est introduite, par un écrasement sur ou dans le contour de limitation, de l'ouverture centrale, d'une manière assurant un comblement du volume, faisant intervenir une the central opening of the valve plate extends axially through the whole of the valve plate, the central opening being limited axially on the stem side by a shoulder responding to a rotation of symmetry, preferably perpendicular to the axis , and being limited, on the flat side situated on the combustion chamber side opposite to the valve stem, by a limiting contour corresponding to a rotation symmetry, and - the valve stem fitted in the central opening has a flange of annular shape, delimiting the depth of fitting and pressing on the shoulder of the valve plate, and the end, located on the plate side of the valve stem, is introduced, by crushing on or in the limiting contour, of the central opening, in a manner ensuring filling of the volume, involving a
liaison par ajustement de forme.link by shape adjustment.
- avant l'écrasement, un anneau, constitué de brasure dure, est inséré entre le contour de limitation et la - before the crushing, a ring, made of hard solder, is inserted between the limitation contour and the
tige de soupape.valve stem.
- le plateau de soupape est constitué de céramique ou - the valve plate is made of ceramic or
d'aluminiure de titane (TiAl).titanium aluminide (TiAl).
- la tige de soupape est constituée d'un acier résistant à - the valve stem is made of a steel resistant to
la chaleur ou résistant aux hautes températures. heat or resistant to high temperatures.
- la tige de soupape est massive.- the valve stem is massive.
- la tige de soupape est tubulaire.- the valve stem is tubular.
- l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape est élargie sur ou dans le contour de limitation (9) situé côté chambre de combustion de l'ouverture centrale, d'une manière assurant un comblement de volume du contour de limitation, faisant intervenir une liaison à ajustement de forme, de manière que la tige de soupape soit assurée contre tout échappement axial hors de la tige de soupape, et - l'élargissement, situé côté extrémité de la tige de soupape tubulaire, est fermé de façon étanche aux gaz - the end, located on the plate side, of the valve stem is widened on or in the limitation contour (9) situated on the combustion chamber side of the central opening, in a manner ensuring the volume filling of the limitation contour , involving a form-fitting connection, so that the valve stem is secured against any axial escape from the valve stem, and - the widening, located on the end side of the tubular valve stem, is closed so gas tight
par un soudage par fusion.by fusion welding.
- l'élargissement de l'ouverture centrale est de - the widening of the central opening is
configuration conique.conical configuration.
L'invention est explicitée, à l'aide de trois exemples de réalisation, dans les dessins, dans lesquels: la figure lareprésente une vue en élévation en coupe d'un premier exemple de réalisation d'une soupape de construction légère réalisée selon l'invention, avant le processus d'écrasement, la figure lbreprésente la soupape de construction légère du premier exemple de réalisation après écrasement, la figure 2areprésente une vue en élévation en coupe d'un deuxième exemple de réalisation d'une soupape de construction légère avant l'écrasement, un anneau en brasure dure étant inséré entre le plateau de soupape et la tige de soupape, la figure 2breprésente la soupape de construction légère du deuxième exemple de réalisation après le processus d'écrasement, la figure 3areprésente une vue en élévation en coupe d'un troisième exemple de réalisation d'une soupape de construction avant le processus d'écrasement, la tige de soupape étant tubulaire, et la figure 3breprésente la soupape de construction légère du troisième exemple de réalisation après le The invention is explained, with the aid of three embodiments, in the drawings, in which: the figure shows a sectional elevation view of a first embodiment of a valve of light construction produced according to invention, before the crushing process, Figure l shows the light construction valve of the first embodiment after crushing, Figure 2 shows a sectional elevation view of a second embodiment of a light construction valve before crushing, a hard solder ring being inserted between the valve plate and the valve stem, Figure 2 shows the light construction valve of the second embodiment after the crushing process, Figure 3 shows a sectional elevation view of a third embodiment of a construction valve before the crushing process, the valve stem being tubular, and the Figure 3 shows the light construction valve of the third embodiment after the
processus d'écrasement.crushing process.
On va préalablement entrer brièvement dans le détail des points communs entre les différents exemples de réalisation, représentés sur les figures la, 2a et 3a, des soupapes de construction légères (numéros de référence 1 à 3) pour des moteurs à combustion interne, les figures lb, 2b et 3b représentant les soupapes de We will first enter briefly into the detail of the common points between the different embodiments, represented in FIGS. 1a, 2a and 3a, of light construction valves (reference numbers 1 to 3) for internal combustion engines, the figures lb, 2b and 3b representing the valves of
construction légère 1 à 3 après le processus d'écrasement. light construction 1 to 3 after the crushing process.
Les soupapes de construction légère 1 à 3 sont constituées de plusieurs pièces et présentent un plateau de soupapes 1 massif, ayant une ouverture centrale 5 pour assurer le logement, avec liaison par ajustement de forme, de l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6 massive afférente (figures 1 et 2), ou de la tige de soupape 7 tubulaire (figure 3). Les parties de soupapes citées sont reliées ensemble de façon permanente, la technique de jointement (façonnage des têtes à chaud/façonnage électrique) étant unitaire pour la totalité The lightly constructed valves 1 to 3 are made up of several parts and have a solid valve plate 1, having a central opening 5 to ensure the housing, with connection by shape adjustment, of the end, situated on the plate side, of the valve stem 6 afferent massive (Figures 1 and 2), or valve stem 7 tubular (Figure 3). The valve parts mentioned are permanently connected together, the jointing technique (hot-head shaping / electric shaping) being unitary for the whole
des trois variantes.of the three variants.
L'ouverture centrale 5 la plus cylindrique possible, servant à la fixation de la tige de soupape 6, 7 du plateau de soupape 4, passe axialement par la totalité du plateau de soupape 4. L'ouverture centrale 5 ménagée dans le plateau de soupape 4 est d'abord de forme cylindrique et va en s'élargissant vers une face plate 8 située côté chambre de combustion du plateau de soupape 4, en ayant la forme d'un contour de limitation 9 répondant à une symétrie de rotation, contour qui, dans les exemples de réalisation représentés, est réalisé sous la forme d'élargissement noyé dans la matière, ayant la forme d'un cône. A l'extrémité située côté tige, l'ouverture centrale 5 est limitée par un épaulement 10 perpendiculaire à l'axe, répondant à une symétrie de rotation, sur lequel la tige de soupape 6, 7 appuie avec transmission de pression, par une The most cylindrical possible central opening 5, used for fixing the valve stem 6, 7 of the valve plate 4, passes axially through the whole of the valve plate 4. The central opening 5 formed in the valve plate 4 is first of cylindrical shape and widens towards a flat face 8 situated on the combustion chamber side of the valve plate 4, having the shape of a limiting contour 9 responding to a rotation symmetry, contour which , in the exemplary embodiments shown, is produced in the form of widening embedded in the material, having the shape of a cone. At the end situated on the rod side, the central opening 5 is limited by a shoulder 10 perpendicular to the axis, responding to a rotation symmetry, on which the valve rod 6, 7 presses with pressure transmission, by a
collerette 11.flange 11.
La tige de soupape 6, 7 est emboîtée dans l'ouverture centrale 5, sachant que sa collerette 11 perpendiculaire à l'axe, délimitant la profondeur d'emboîtement, vient en appui sur l'épaulement 10 situé côté plateau de l'ouverture The valve stem 6, 7 is fitted into the central opening 5, knowing that its flange 11 perpendicular to the axis, delimiting the fitting depth, comes to bear on the shoulder 10 situated on the plate side of the opening
centrale 5.central 5.
L'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6, 7 emboîtée dans l'ouverture centrale 5 est introduite à l'extrémité située côté chambre de combustion de l'ouverture centrale 5, dans le contour de limitation 9, en pratiquant un processus d'écrasement électrique allant être explicité ci-après plus en détail et d'une manière comblant le volume et assurant une liaison par ajustement de forme, de manière que la tige de soupape 6, 7 soit assurée, par une liaison à ajustement de forme, contre toute possibilité d'extraction axiale hors du plateau de The end, located on the plate side, of the valve stem 6, 7 fitted into the central opening 5 is introduced at the end located on the combustion chamber side of the central opening 5, in the limiting contour 9, practicing an electric crushing process which will be explained below in more detail and in a manner filling the volume and ensuring a connection by shape adjustment, so that the valve stem 6, 7 is ensured, by an adjustment connection of form, against any possibility of axial extraction out of the plate of
soupape 4.valve 4.
Lors du façonnage électrique par écrasement, une tension électrique est appliquée sur la tige de soupape 6, 7, faisant que la tige de soupape 6, 7 est chauffée à environ 1000 à 1200 C à l'emplacement de sa section transversale minimale, c'est-à-dire de la zone de tige qui est emboîtée dans l'ouverture centrale 5. La tige de soupape 6, 7 est ensuite écrasée sous l'effet d'une pression, faisant que l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6,7 s'insère dans le contour de limitation, d'une manière assurant un comblement du volume et une liaison par ajustement de forme. Une fois que le processus d'écrasement est achevé, l'extrémité de la tige de soupape 6, 7 est très chaude, alors que, par contre, le plateau de soupape 4 est relativement froid. Suite au refroidissement effectué après le processus de façonnage électrique par écrasement, il y a rétraction thermique de l'extrémité de la tige de soupape 6, 7 dans la zone de la longueur d'emboîtement, faisant que, dans la tige de soupape 6, 7, sur toute la longueur d'emboîtement, il s'établit à l'intérieur de l'ouverture centrale 5 une précontrainte axiale très élevée, ce qui est tout à fait souhaité au sens de l'obtention d'une fixation sûre du plateau de soupape 4 sur l'extrémité de la tige 6, 7, malgré les différences de chauffage et/ou les différences de dilatation thermique de partenaires concernés de jointement, le plateau 4 étant fixé plus fortement que ce During electrical shaping by crushing, an electrical voltage is applied to the valve stem 6, 7, causing the valve stem 6, 7 to be heated to about 1000 to 1200 C at the location of its minimum cross section, c ' that is to say of the rod area which is fitted into the central opening 5. The valve rod 6, 7 is then crushed under the effect of a pressure, causing the end, situated on the plate side, to the valve stem 6,7 fits into the limiting contour, in a manner ensuring filling of the volume and a connection by shape adjustment. Once the crushing process is complete, the end of the valve stem 6, 7 is very hot, while, on the other hand, the valve plate 4 is relatively cold. Following the cooling effected after the process of electrical shaping by crushing, there is thermal retraction of the end of the valve stem 6, 7 in the region of the interlocking length, so that, in the valve stem 6, 7, over the entire interlocking length, a very high axial prestress is established inside the central opening 5, which is quite desirable in the sense of obtaining a secure fixing of the plate valve 4 on the end of the rod 6, 7, despite the differences in heating and / or the differences in thermal expansion of the partners involved in the joint, the plate 4 being fixed more tightly than
que donne une liaison par soudage.that gives a bond by welding.
Après avoir présenté les points communs entre les différents exemples de réalisation illustrés, on va à présent expliciter ci-après les figures en soi, eu égard au After having presented the common points between the various exemplary embodiments illustrated, we will now explain below the figures themselves, having regard to the
reste de la teneur de la description. rest of the content of the description.
A titre de sécurité, en particulier pour ce qui concerne les soupapes d'échappement plus fortement chargées thermiquement, on peut, avant de pratiquer le processus de façonnage par déformation électrique selon les figures 2a et 2b, insérer un anneau en brasure dure 12, dans l'ouverture centrale 5, l'anneau 12 appuyant notablement sur le contour de limitation 9 de l'ouverture centrale 5 et sur la tige de soupape 6 massive. La tige de soupape peut dans le présent cas également être tubulaire. Directement à l'occasion du façonnage électrique, il se produit, ainsi entre le plateau de soupape et la tige de soupape 6, une liaison par brasure, qui assure la tige de soupape 6 par une liaison par la matière, à titre supplémentaire, contre toute rotation radiale et jeu axial risquant de produire une sortie du plateau de soupape 4. Le plateau de soupape, avant le jointement, est préchauffé jusqu'à une température de 1000 C, afin que la brasure puisse s'écouler de façon optimale dans le joint de liaison entre le plateau et la tige. En variante ou en combinaison avec la fixation par brasure, on peut réaliser une liaison à ajustement de forme, grâce à des cannelures longitudinales/un profilage longitudinal de l'ouverture centrale 5 axiale du plateau de soupape 4 entre le plateau de soupape 4 et la tige de soupape 6, 7, également aux fins d'obtention d'une sécurité en rotation radiale du plateau 4 par rapport à la tige 6 et 7. Selon les figures 3a et 3b, la tige 7 tubulaire est fermée de façon étanche au gaz, à son extrémité opposée au plateau de soupape 4, par une pièce d'extrémité de tige de soupape 13 et, à son extrémité côté plateau, par un soudage par fusion. En outre il faut mentionner que l'espace creux de la soupape de construction légère 3 peut être rempli par un fluide de refroidissement par exemple du sodium, au moins si on utilise une soupape d'échappement qui est plus fortement sollicitée thermiquement. De manière appropriée, dans ce cas, on introduit le produit de refroidissement sur l'extrémité de tige opposée au plateau et on insère l'élément d'extrémité de soupape 13, en tant que dernière For safety, in particular with regard to the exhaust valves which are more highly thermally loaded, it is possible, before practicing the shaping process by electrical deformation according to FIGS. 2a and 2b, to insert a ring in hard solder 12, in the central opening 5, the ring 12 pressing notably on the limiting contour 9 of the central opening 5 and on the massive valve stem 6. The valve stem can in this case also be tubular. Directly during the electrical shaping, there occurs, thus between the valve plate and the valve stem 6, a connection by brazing, which ensures the valve stem 6 by a connection by the material, in addition against any radial rotation and axial play likely to produce an output of the valve plate 4. The valve plate, before the joint, is preheated to a temperature of 1000 C, so that the solder can flow optimally in the joint between the plate and the rod. As a variant or in combination with the brazed fixing, a form-fitting connection can be made, by means of longitudinal grooves / longitudinal profiling of the axial central opening 5 of the valve plate 4 between the valve plate 4 and the valve stem 6, 7, also for the purpose of obtaining a safety in radial rotation of the plate 4 relative to the stem 6 and 7. According to FIGS. 3a and 3b, the tubular stem 7 is closed in a gas-tight manner , at its end opposite to the valve plate 4, by a valve rod end piece 13 and, at its end on the plate side, by fusion welding. In addition, it should be mentioned that the hollow space of the lightly constructed valve 3 can be filled with a cooling fluid, for example sodium, at least if an exhaust valve is used which is more highly thermally stressed. Suitably, in this case, the coolant is introduced on the rod end opposite the plate and the valve end member 13 is inserted, as the last
partie, dans la soupape de construction légère 3. part, in the lightly constructed valve 3.
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- 2001-08-03 FR FR0110447A patent/FR2812682A1/en active Pending
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