Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Hohlraumventile, bei denen der Hohlraum am Ventilteller durch Reibschweißen eines Ventilbodens geschlossen wird, sowie zugehöriger Ventilboden und Werkzeug zum Halten des Ventilbodens.

Stand der Technik

Ventile (bzw. Tellerventile) von Brennkraftmaschinen, insbesondere Auslassventile, werden im Betrieb thermisch hoch beansprucht. So können im Bereich des Übergangs vom Ventilteller in den Ventilschaft Temperaturen von über 800°C auftreten, wodurch die Festigkeit des Ventilwerkstoffes erheblich reduziert wird. Einlassventile erreichen Temperaturen von ca. 300°C bis 550°C, Auslassventile können über 900°C heiß werden. Durch den Einsatz von natriumgekühlten Ventilen, d.h. Hohlraumventilen, in deren Hohlraum sich Natrium als Kühlmedium befindet (sogenannte Shaker-Kühlung), kann die Temperatur der Ventile um bis zu 150°C reduziert werden. Ein vergrößerter Hohlraum, der sich nicht nur entlang einer Bohrung im Ventilschaft erstreckt, sondern sich auch radial über die Bohrung hinaus in den Ventilteller erstreckt, fuhrt zu einer stärkeren Kühlung und auch zu einer Reduzierung des Gewichtes.

Hohlraumventile sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Reibschweißen als Verbindungtechnologie ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumventils besteht darin, zunächst einen Ventilkörper herzustellen, dann an der Ventilbodenseite einen Hohlraum in den Ventilkopf einzubringen (z.B. durch Drehen, Bohren oder Fräsen). Dieser Hohlraum an dem Ventilteller wird verschlossen, indem ein Deckel, bzw. ein Ventilboden, mit dem Ventilkörper verschweißt wird. Vorteil dieses Verfahrens gegenüber umformtechnisch hergestellten Hohlraumventilen ist eine höhere Variabilität des Hohlraums, d.h. durch das nachträgliche Verschweißen des Ventils mit einem Deckel besteht die Möglichkeit, die Geometrie des Hohlraumes flexibler zu gestalten.

Üblicherweise wird das Verschweißen von Hohlraumventilen durch einfache Verfahren, wie z.B. Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen, vorgenommen; vgl. z.B. DE 10209770 Al. Diese Verfahren unterliegen jedoch Beschränkungen in ihrer Anwendbarkeit. Beispielsweise müssen beim Laserschweißen Schweißstoß und Laserfokus exakt positioniert werden, was teure Führungselemente bedingt, beim Lichtbogenschweißen sind nur geringe Schweißgeschwindigkeiten möglich und es entstehen hohe Einbrandtiefen, d.h. große Wärmeeinflusszonen, was zu Verzug und einer Beeinflussung der Materialeigenschaften führt, und beim Reibscheißen kommt es zur Bildung großer Schweißwülste, was eine Nachbearbeitung nötig macht, die im Hohlraum, d.h. im Inneren des Ventils jedoch nicht möglich ist, so dass die dortige Schweißwulst stehen bleibt und die Kühlung negativ beeinflusst.

Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein bekanntes Reibschweißverfahren sowie die dazugehörigen Werkzeuge für eine Reibschweißverbindung zwischen einem Deckel (d.h. dem Ventilboden) und dem Ventilkörper (d.h. Hohlventil ohne Ventilboden) verbessert bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung stellt einen Ventilboden sowie ein Haltewerkzeug für einen Ventilboden zum Reibschweißen mit den Merkmalen jeweils der unabhängigen Ansprüche bereit. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilboden mit einer Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung oder einer Hirth-Verzahnung an einer Ventilbodenfläche zur Übertragung eines Drehmoments beim Reibschweißen bereitgestellt.

Die Ausführungen der Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung sind gegenüber einer Hirth-Verzahnung für Reibschweißanwendungen weniger exakt, können jedoch erheblich billiger hergestellt werden. Es ist möglich eine solche Verzahnung an einem Ventilboden in einem Sinterprozess oder durch Schmieden vorzugsweise Gesenkschmieden herzustellen. Durch die geringeren Toleranzen kann es möglich werden gröbere Strukturen zu verwenden und die Press- und Schmiedewerkzeuge länger im Einsatz zu halten.

Bei einer Ausführungsform des Ventilbodens weist dieser an einer Ventilbodenfläche eine umlaufende Zylinderwand oder eine umlaufende Kegelstumpfwand auf. Diese befindet sich hierbei radial außerhalb der Verzahnung. Eine Zylinderwand oder auch eine Kegelstumpfwand kann beispielsweise beim Schmieden oder beim Herstellen eines Ventilbodens durch ein pulvermetallurgisches Verfahren als umlaufender Grat entstehen, der an sich nicht gewünscht ist. Bei der vorliegenden Ausführung kann eine derartige Zylinder- oder Kegelstumpfwand jedoch zum Zentrieren des Ventilbodens an dem Haltewerkzeugs einer Reibschweißmaschine dienen. Es ist wird auch vorgesehen durch den Grat eine eventuelle Verwendung einer Vakuum- Haltevorrichtung zu verbessern, da der Grat zur Abdichtung des Spalts zwischen Kontaktflächen des Ventilbodens und des Haltewerkzeugs beitragen kann. Es ist ebenfalls vorgesehen anstelle eines mehr oder minder unregelmäßigen Grates eine Zylinderwand oder eine Kegelstumpfwand mit einer definierten Höhe und einer definierten Wanddicke an dem Ventilboden vorzusehen. Eine definierte Wand weist den Vorteil auf, dass diese so ausgestaltet werden kann, dass eine sichere Handhabung der Ventilböden möglich ist, ohne dass eine Gefahr besteht, dass der Grat beim Handhaben beschädigt werden könnte.

Ein Grat, der eine Zylinderwand bildet, kann sich ergeben, wenn der Ventilboden in einem zylinderförmigen Gesenk geschmiedet wird. Ein Grat, der eine Kegelstumpfwand bildet, kann sich ergeben, wenn der Ventilboden in einem Gesenk geschmiedet wird, das ebenfalls eine Kegelstumpfwand umfasst.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilbodens bildet die Verzahnung eine verallgemeinerte Kronenradverzahnung. Die Zähne der Verzahnung stehen also nicht in Radialrichtung ab wie es von Stimädem bekannt ist, sondern erstrecken sich in Umfangsrichtung, wobei die einzelnen Zähne in Axialrichtung vorstehen. Der Begriff „verallgemeinert“ ist hier so zu verstehen, dass der Begriff auch nicht-klassische Verzahnungen umfasst, deren Lückenbreite bzw. deren mittlerer Flankenabstand zwischen den Zähnen sich von der Zahnbreite unterscheidet.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens ist die Verzahnung als Stufenverzahnung, insbesondere als Rechteckverzahnung oder Trapezverzahnung, oder als Sägezahnverzahnung ausgeführt. Anstelle einer bekannten Hirth-Verzahnung wird bei dieser Ausführung eine weniger genaue dafür jedoch deutlich billiger und einfacher herzustellende Verzahnung gewählt. Auch die Prägeform / das Gesenk bzw. die Pressstempel zur Herstellung des Ventilbodens können deutlich vereinfacht werden. Vor allem durch eine Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung kann erreicht werden, dass höhere Flankenwinkel zur Übertragung des Drehmoments beim Schweißen zur Verfügung stehen, die eine größere Kraftübertragung bei gleicher Zahnhöhe gestatten.

Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodens ist die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung mit in Radialrichtung gleichbleibender Zahnhöhe ausgeführt. Hier wird anders als bei der Hirth-Verzahnung, in Radialrichtung immer die gleiche Zahnhöhe verwendet, wodurch insgesamt weniger Material nach dem Reibschweißen abgetragen werden muss. Auch hier ist eine Kronenverzahnung mit einheitlicher Zahnhöhe einfacher und damit kostengünstiger herstellbar. Diese einfachere Herstellung betrifft dabei auch die Schmiedeform bzw. das Gesenk oder die Presstempel, die zur Herstellung der Ventilböden erforderlich sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens weist die Stufenverzahnung im Deckel eine gleichbleibende Lückenweite auf. Der Begriff „Lückenweite“ beschreibt den Abstand der Flanken der Verzahnung in Umfangsrichtung auf halber Höhe der Zähne bzw. der halben Zahnhöhe der Verzahnung. Im Falle einer Kronenverzahnung kann dieser Wert von dem Radius abhängen in dem gemessen wird. Bei der vorliegenden Verzahnung besteht diese Beschränkung nicht. Im Falle einer als Rechteck-, Trapez oder Sägezahn- Verzahnung ausgeführten Verzahnung mit in Radialrichtung gleichbleibender Zahnhöhe, bilden die Lücken der Verzahnung am Deckel Nuten mit konstanter Höhe und konstanter Breite. Dies gestattet eine derartige Verzahnung besonders einfach herzustellen, wobei jede der Nuten durch einfaches Einpressen oder Sägen hergestellt werden kann.

Bei einer zusätzlichen Ausführung des Ventilbodens bildet die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung eine Geradeverzahnung oder eine Radialverzahnung. Dabei verlaufen die Mitten der Lücken bzw. die Mitten der Zähne geradlinig in Radialrichtung nach außen. Sie verlaufen bei dieser Ausführung geradlinig in Radialrichtung. Hier kann bei einer Geradeverzahnung können die einzelnen Zähne bzw. Lücken bzw. die Mittelinien der Zähne oder Lücken gerade verlaufen, müssen sich jedoch nicht alle in einem Schnittpunkt treffen. Hier ist vor allem eine Form ähnlich dem Torq-Set Schrauben- Antrieb zu nennen, der für drehmomentkritische Anwendungen entwickelt wurde, und in der Luftfahrt zum Einsatz kommt. Hier können die Flanken, asymmetrisch so versetzt sein, dass die Kräfte beim Anziehen senkrecht auf die Flanken wirken, wodurch der Reibschweißvorgang weiter verbessert werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodens ist die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung als eine Kurvenverzahnung ausgeführt. Die Zähne bzw. die Lücken bzw. die Mitte der Zähne bzw. der Lücken verlaufen in Radialrichtung auf einem gekrümmten Pfad, sodass sich eine Form wie bei einem kurvenverzahnten Kegelrad nur in einer Ausführung als Kronrad ergibt, der Anblick einer solchen Verzahnung entspricht in etwa dem Blick in den Ansaugstutzen eines Turboladers, wobei der Anblick im ehesten durch das kyrillische Zahlensymbol für Million dargestellt werden kann:

Eine weitere Ausführung des Ventilbodens weist einen Zentralbereich einer Außenfläche auf der Seite der Verzahnung auf, die im Wesentlichen einer Endform eines späteren Ventilbodens entspricht. Bei dieser Ausführung weist der Deckel in der Mitte der Verzahnung eine Einbuchtung auf, die bereits der Endform des Ventilbodens entspricht. Der Deckel weist damit keine zentrale kegelförmige Zentrierbohrung auf, sondern ist lediglich mit einem Sackloch versehen, dessen Grund im Wesentlichen der Endform des Ventilbodens in diesem Bereich entspricht, wobei kleine Nacharbeiten wie Oberflächenveredelungen, Polieren, Formdrehen und dergleichen noch möglich sein sollen. Die Endform ist dabei so weit angenähert, dass grobe Bearbeitungen wie ein Abfräsen mit einem Schrubbfräser oder ein Schrubbdrehen nicht notwendig und sinnvoll sind. Die Abweichungen von der endgültigen Endform betragen hier weniger als 1 mm, bevorzugt 0,5mm und weiter bevorzugt unter 0,3mm. Diese Ausführung basiert darauf, dass ein maximal mögliches übertragbares Drehmoment mit der Entfernung zu einer Rotationsachse steigt. Es wird hier hauptsächlich Material und Bearbeitungszeit für eine nicht notwendige Nacharbeit eingespart.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens weist der Ventilboden eine Reibschweißfläche auf, die kegelförmig bzw. kegelstumpfmantelförmig ist. Hier wird eine Reibschweißfläche vorgesehen, die bereits anfänglich eine größere Kontaktfläche aufweist, sodass mehr Reibung erzeugt werden kann. Bevorzugt ist die Reibschweißfläche so ausgelegt, dass diese zuerst einen inneren Bereich eines Ventilrohlings kontaktiert, sodass beim Reibschweißen an der inneren Seite der Reibschweißfläche zuerst Reibungswärme auftritt, und die Kegelform beim Erwärmen der Reibpartner an die Form des Reibpartners angepasst wird. Hier soll durch eine geeignete Kontaktflächenauslegung erreicht werden, dass die geringere Relativgeschwindigkeit näher an der Mitte des Deckels und damit eine geringere durch Reibung erzeugte Wärmemenge durch ein längeres Erwärmen der näher am Zentrum liegenden Abschnitte der Reibschweißfläche ausgeglichen wird. Dieser Effekt ist relativ klein, trägt jedoch zur Auslegung und Verbesserung der Wärmeeinwirkung beim Reibschweißen und somit auch zur Verbesserung der Reibschweißverbindung durch Beeinflussung der Wärmeeinwirkungszonen bei.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Ventilbodens, weist dieser eine Reibschweißfläche auf, die sich in radialer Richtung durch die Formel h=f(r)=a/(r+b) für (r>b)>0 bevorzugt für 0,2<(r+b)<2 weiter bevorzugt 0,5<(r+b)<l,5 darstellen lässt, wobei a ein Faktor ist, der zwischen 0,1 und 5 beträgt und b eine negative Zahl ist. Hier basiert die rotationsymmetrische Reibschweißfläche auf einer durch die Formel 1/x bzw. 1/r definierte Form. Der Faktor a bestimmt dabei die Höhe der Reibschweißfläche in Axialrichtung. Für einen Ventildeckel, der eine Reibschweißfläche in einem Bereich zwischen 0,2 und 20 (Längeneinheiten) aufweist, kann der Faktor b gleich null gesetzt werden. Durch den Korrekturfaktor wird erreicht, dass der für uns als relevant angesehene Abschnitt der Funktion 1/r zu dem Bereich hin verschoben wird, in dem die Reibschweißfläche gewünscht ist.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilboden beginnt Verzahnung mit einem Axialabstand zwischen 0,1 und 3mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1mm von der späteren Ventiltellerfläche. Damit soll beschrieben werden, dass die tiefste Stelle einer Lücke in der Verzahnung nicht weiter als 0,1 bis 1 mm von der Endform des Ventilbodens entfernt ist. Bei dieser Ausführung ist die Höhe des Ventilbodens maximal verringert, um die Nacharbeitung des Ventils am Ventilboden zu minimieren. Die Höhe des Ventilbodens ist dabei so gering, dass ohne eine Kühlung eine Gefahr besteht, dass der Deckel bei einem Reibschweißvorgang mit einem Reibschweißwerkzeug verschmilzt. Die Verwendung dieses Deckels ist mit einem herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich, da es zu einem zu großen Wärmeübertrag von der Schweißstelle zum Haltewerkzeug des Ventilbodens kommen würde, sodass eine Verschweißung oder zumindest Effekte von Feuerverschweißungen auftreten können. Es besteht ebenfalls die Gefahr, dass durch die große Nähe zur Schweißnaht die Verzahnung beim Schweißen durch Erwärmen geschwächt wird, so dass es zu einem Versagen der Verzahnung kommen könnte. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Verwendung eines entsprechenden gekühlten Haltewerkzeugs ermöglicht. Dabei wird die Kontaktfläche des Ventilbodens mit dem Haltewerkzeug so stark gekühlt, dass keine Materialverbindung zwischen dem Ventilboden und dem Haltewerkzeug auftreten und ebenfalls die Verzahnung so stark gekühlt wird, dass es zu keiner kritischen Situation kommt. Hier wird die Verzahnung mit einem Axialabstand zwischen 0,1 und 3mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1mm von der späteren Ventiltellerfläche beginnen. Diese Ausführung kann nur zusammen mit einem entsprechend gekühlten Haltewerkzeug verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens erstreckt sich die Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung in einem Bereich zwischen 3 und 25% des Radius, bevorzugt zwischen 5 und 15% und weiter bevorzugt zwischen 7 und 10% eines Radius, des Ventilbodens. Hier wird die radiale Breite der Verzahnung im Vergleich zum Radius bzw. Durchmesser des Ventilbodens beansprucht, wobei dieser Wert deutlich unter der herkömmlich verwendeten Breite von Eingriffsstrukturen liegt. Dies kann durch eine größere Höhe der Verzahnung in Axialrichtung erreicht werden. Eine in Axialrichtung höhere Verzahnung gestattet es ebenfalls, die Verzahnung durch ein sehr einfaches Verfahren abzutrennen, indem die Verzahnung durch Sägen entfernt wird. Hier muss ein sehr viel geringerer Teil der Verzahnung tatsächlich zerspant werden, was die Herstellung kostengünstiger auch im Hinblick auf Werkzeugverschleiß ermöglicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Haltewerkzeug für einen Ventilboden bereitgestellt, wobei das Haltewerkzeug an einem Ende mit einer Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung oder Hirth-Verzahnung versehen ist, die zu der Stufenverzahnung oder Sägezahnanstelle des zugehörigen Ventilbodens komplementär ist. Hier wird ein Haltewerkzeug beschrieben, das dazu eingerichtet ist, einen der vorstehend beschriebenen Ventilböden für einen Reibschweißvorgang zu halten.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden weist dieses eine Stufen Verzahnung, die als Rechteck- oder Trapez Verzahnung ausgeführt ist, oder eine Sägezahnverzahnung auf, die komplementär zu einer Verzahnung eines Ventilbodens ist, wie sie vorstehend beschrieben wurde.

Bei einer Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden weist das Haltewerkzeug an dem Ende mit der Stufenverzahnung oder der Sägezahnverzahnung oder der Hirth-Verzahnung mindestens eine Ansaugöffnung auf, die sich zumindest teilweise in Axialrichtung erstreckt, wobei die Ansaugöffnung mit einem relativ geringeren Druck beaufschlagt werden kann. Diese Ansaugöffnung ist also entweder mit einer Ansaugvorrichtung versehen oder die Vorrichtung ist mit einer Überdruckvorrichtung versehen, die es gestattet, einen höheren Umgebungsdruck zu erzeugen, so dass in der Ansaugöffnung ein geringerer Druck als in einer Umgebung besteht. Hier wird ein Haltewerkzeug beschrieben, das es gestattet einen Ventilboden durch Unterdrück zu halten, der durch Reibschweißen mit einem zugehörigen Hohlventilrohling verbunden werden soll. Durch eine kontinuierliche Ansaugung kann verhindert werden, dass der Ventilboden von dem Haltewerkzeug herabfallt, bevor er zum Reibschweißen gegen den Ventilrohling gepresst wird.

In einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs ist das Haltewerkzeug mit einer Anlagefläche für eine Zylinder- oder Kegelstumpfwand an dem Ventilboden versehen. Die Anlagefläche erstreckt sich radial außerhalb der Verzahnung um diese. Auch diese Version ist ausgelegt, um einen der vorstehend beschriebenen Ventilböden aufzunehmen, wobei der Spalt zwischen der Zylinder- oder Kegelstumpfwand des Ventilbodens und der Anlagefläche an dem Haltewerkzeug möglichst gering zu halten ist. Mit einem geringen Spaltmaß kann einerseits eine Zentrierung erreicht werden und andererseits eine Abdichtung des Spalts zwischen dem Haltewerkzeug und dem Ventilboden verbessert werden, um beispielsweise eine Vakuumbefestigung des Ventilbodens an dem Haltewerkzeug zu ermöglichen.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden ist dieses weiter mit einer Außenzentrierung für den Ventilboden versehen. Die Außenzentrierung kann dabei die Form einer Zylinderwand einnehmen, die sich von dem Haltewerkzeug in Axialrichtung auf den gehaltenen Ventilboden erstreckt diesen an einer (radialen) Außenfläche des Ventilbodens von außen bezüglich des Haltewerkzeugs zentriert. Die Außenzentrierung kann dabei direkt außen an dem Ventilboden anliegen. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Außenzentrierung außen an einer Außenfläche einer Zylinderwand des Ventilbodens anliegt.

Bevorzugt ist die Außenzentrierung radial außerhalb der Verzahnung angeordnet. Die Außenzentrierung hilft dabei den Ventilboden gegenüber dem Haltewerkzeug zu zentrieren und sofern der Ventilboden durch Unterdrück an dem Außenzentrierung gehalten wird auch zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Haltewerkzeug und Ventilboden. Es ist ebenfalls vorgesehen, eine Innenwand der Außenzentrierung zylindrisch oder leicht konisch auszuführen. Die Innenwand kann innen in Richtung eines zu haltenden Ventilbodens leicht konisch auseinanderlaufend ausgefuhrt sein. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Zylinderwand an einem freien Ende eine konische Fläche bzw. Fase aufweist, die ein Einsetzen eines Ventilbodens in das Haltewerkzeug vereinfacht.

Bei einer weiteren Ausfuhrungsform des Haltewerkzeugs ist dieses mit mindestens einem Kühlkanal versehen, der innerhalb des Haltewerkzeugs verläuft. In dieser weiteren Ausfuhrungsform ist das Haltewerkzeug mit einem Kühlkanal versehen, durch den große Mengen an Kühlmittel geleitet werden können. Bei herkömmlichen Reibschweißvorgängen kann ein Haltewerkzeug wie eine Spannzange nur mit einem Mindestabstand zu einer Schweißnaht angesetzt werden, da es sonst vorkommen könnte, dass die Wärme der Schweißnaht einen negativen Effekt auf die Spannzange ausüben könnte. Hier ist ein Spannungsfreiglühen oder eine Rekristallisation möglich, die vermieden werden sollte. Außerdem kann der Kraftschluss bei erhöhten Temperaturen verringert sein. Durch mindestens einen Kühlkanal kann erreicht werden, dass sich eine kleinere Wärmeeinflusszone bildet. Dieser Effekt kann während des Schweißens selbst gering ausfallen, zudem wenn die Schweißtemperatur und Wärmeleistung beim Schweißen die Kühlleistung deutlich übersteigt. Ein nicht so offensichtlicher Vorteil besteht jedoch in einer möglichen Steigerung der Taktrate, da das Werkzeug schneller seine für den Betrieb notwendige Temperatur erreicht, und bei dem Takten zwischen den Schweißvorgängen schneller abkühlt. Der Wärmeeinfluss wird hier durch längere und andauernde Abkühlung auch in den Schweißpausen begrenzt.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs weist dieses im Wesentlichen eine Drehsymmetrie auf und der mindestens eine Kühlkanal verläuft zumindest teilweise koaxial zu dieser Drehsymmetrieachse. Hier kann durch eine geeignete Auswahl der Kühlkanalgeometrie eine deutlich erhöhte Kühlleistung erzielt werden.

Bei einer weiteren Ausfuhrungsform des Haltewerkzeugs ist dieses zumindest teilweise durch ein 3-D Druckverfahren hergestellt. Die zumindest teilweise Verwendung eines 3-D Druckverfahrens für das Werkzeug gestattet es relativ einfach, auch komplizierte Kühlkanäle und Ansaugöffnungen für eine Beaufschlagung mit einem Unterdrück auch in relativ komplizierten Geometrien auszuführen.

In einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden ist dieses mit einer Dichtung versehen, die geeignet ist, einen Fluiddurchgang zwischen Kontaktflächen zwischen dem Haltewerkzeug und dem Ventilboden zu verhindern oder zumindest zu verringern. Bevorzugt ist diese Dichtung in einem Bereich der Anlagefläche für eine Zylinderoder Kegelstumpfwand angeordnet. In dieser zusätzlichen Ausfuhrungsform kann an dem Haltewerkzeug für einen Ventilboden zusätzlich eine Dichtung angebracht sein, die einerseits eine Rückhaltefunktion und andererseits eine Abdichtfunkton erfüllen kann. Mit einer besseren Abdichtfunktion ist es möglich, den Ventilboden durch einen Unterdrück am Haltewerkzeug zu halten, bevor der Ventilboden rotierend zum Reibschweißen gegen einen Ventilrohling gepresst wird.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden ist dieses zusätzlich mit eine Zylinderwand versehen, die eingerichtet ist, einen in dem Haltewerkzeug gehaltenen Ventilboden zu zentrieren. Die Zylinderwand kann innen in Richtung eines zu haltenden Ventilbodens leicht konisch ausgeführt sein. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Zylinderwand an einem freien Ende eine konische Fläche aufweist, die ein Einsetzen eines Ventilbodens in das Haltewerkzeug vereinfacht.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen beschrieben.

Figuren 1 bis 6 zeigen einen Reibschweißvorgang bei dem Ventilboden, wo über einen Hohlraum in einem Ventilkopf geschweißt wird.

Figuren 7 bis 11 zeigen Ausführungsformen erfmdungsgemäßer Ventilböden mit unterschiedlichen Verzahnungen.

Figuren 12 bis 16 stellen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Ventilböden mit unterschiedlichen Verzahnungen dar, die teilweise mit Zylinder- und/oder kegelförmigen Anlageflächen versehen sind.

Sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht notwendigerweise die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.

Figuren 1 bis 6 zeigen einen Reibschweißvorgang bei dem der Ventilboden über einen Hohlraum 8 in einem Ventilkopf 12 geschweißt wird. In der Figur 1 ist ein Ventilboden 2 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei in der Mitte eine Strömungsbeeinflussungsstruktur 50 vorgesehen ist. In der Mitte ist durch eine Strichpunktlinie eine Drehsymmetrieachse eingezeichnet. Unten in der Mitte des Ventilbodens 2 ist eine Zentrieröffnung 52 vorgesehen, in die ein entsprechender Dom an einem Haltewerkzeug eingreifen kann. Die Zentrieröffnung 52 umgebend ist eine Verzahnung zum Eingriff mit einem Haltewerkzeug vorgesehen, über die Axial- und Drehkräfte übertragen werden können. Der Ventilboden 2 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf.

Figur 2 stellt eine Explosionsansicht aus dem Ventilboden 2 der Figur 1 und einer Teilansicht eines Ventilkörpers 4 sowie einem Haltwerkzeug für den Ventilboden 38 dar. Das Haltwerkzeug ist mit einer zu der Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 komplementären Verzahnung 18 versehen.

Figur 3 zeigt die Elemente der Figur 2 am Beginn eines Reibeschweißvorgangs. Der Ventilkörper 4 ist von oben drehbar und in Axialrichtung verschiebbar in einer Arbeitsspindel einer Reibschweißvorrichtung eingespannt. Der Ventilboden 2 liegt auf dem Haltwerkzeug 40 auf und die Verzahnung 16 und die komplementäre Verzahnung 18 stehen miteinander in Eingriff. Nun wird durch die nicht dargestellte Arbeitsspindel der Ventilkörper in Rotation versetzt und leicht gegen den Ventilboden 2 gedrückt. Durch die Drehung wird durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen des Ventilkörpers 4 und dem Ventilboden 2 Reibungswärme erzeugt, bis eine Erweichungstemperatur erreicht wird.

In der Figur 4 wurde durch die Reibung eine Temperatur erreicht, die ein Verschweißen ermöglicht, und der Ventilkörper 4 wurde nach unten gepresst, sodass das erweichte Metall in dem schraffierten Überlappungsbereich 10 und in angrenzenden Bereichen zu einem erheblichen Maß nach außen und innen verdrängt und vermischt wird. Durch die Verdrängung und eine Vermischung von Material entsteht eine Schweißverbindung unter Bildung von nicht dargestellten Schweißgraten. Die Schweißgrate wurden hier der Klarheit der Figuren wegen nicht dargestellt. Nach einem Abkühlen des nun vorliegenden Hohlventilrohling ist der Ventilkörper 4 mit dem Ventilboden 2 verschweißt.

In Figur 5 wurde das Haltwerkzeug 40 entfernt und man kann erkennen, dass der mit dem Ventilboden 2 verschweißte Ventilkörper 4 noch einiger Arbeitsschritte bedarf.

In Figur 6 ist dargestellt, wie man durch spanendes Bearbeiten eine Endform des Ventilrohlings durch Drehen mit einem Drehmeißel herstellt. Spanende Bearbeitungsschritte sind im Allgemeinen nicht besonders effektiv. Die bisher verwendeten Formen von Ventilböden weisen alle den Nachteil auf, dass der Anteil des Ventilbodens, der später durch ein spanendes Verfahren entfernt werden muss sehr hoch ist. Zum einen werden Verzahnungen verwendet, die empfindlich auf eine Erweichung des Materials durch Wärmeeinfluss reagieren. Weiterhin weisen insbesondere große Zentrieröffnungen 52 zur Aufnahme von Zentrierdomen 54 von Haltewerkzeugen einen erheblichen Platzbedarf in Axialrichtung auf.

Durch den Zentrierdom 54 und eine Notwendigkeit die Temperatur der Verzahnung zumindest des Haltewerkzeugs vor einem Ausglühen und einem damit verbundenen Festigkeits Verlust zu bewahren ist es erforderlich einen Mindestabstand in Axialrichtung zwischen der Schweißstelle und der Verzahnung aufrecht zu erhalten. Durch diesen Mindestabstand erscheint es bisher nicht ohne weiteres möglich eine spanende Endbearbeitung durchzuführen, bei der nicht große Teile des angeschweißten Ventilbodens 4 wieder entfernt werden müssen. Figur 7 zeigt einen Ventilboden 2 mit einer Hirth-Verzahnung 26 in einer teilgeschnittenen perspektivischen Ansicht, ohne eine Zentrieröffnung 52. Hier wird der Ventilboden nur durch die Form der Verzahnung zentriert. Der Ventilboden 2 kann beispielsweise durch eine Magnetisierung an dem Haltewerkzeug 40 angebracht werden. Der Ventilboden 2 wird sich selbst zentrieren so bald ein Reibschweißvorgang gestartet wird. Dadurch, dass der Ventilboden direkt vor einem Aufsetzen auf das Werkzeug magnetisiert wird, können die meisten Probleme, die mit magnetisierten Komponenten in einer Fertigung verbunden sind, umgangen werden.

In den Figuren 7 bis 11 sollten gekühlte Haltewerkzeuge verwendet werden, um eine zu starke Erwärmung des Haltewerkzeugs 40 und insbesondere der komplementären Verzahnung 18 des Haltewerkzeugs 40 entgegenzuwirken.

In der Figur 8 wird anstelle der Dreiecksverzahnung eine Sägezahnverzahnung 24 verwendet, die den Vorteil aufweist, dass sie in einer Richtung ein viel höheres Drehmoment übertragen kann als eine Dreiecksverzahnung. Diese Verzahnung gestattet es ebenfalls, das Drehmoment und die aufzubringende Axialkraft völlig unabhängig voneinander einzustellen.

Figur 9 stellt eine Trapez Verzahnung 22 dar, die an dem Ventilboden 2 eingesetzt wird. Eine Trapezverzahnung 22 gestattet es aufgrund der Zähne 28 mit einer höheren Zahnbreite größere Drehmomente zu übertragen. Weiterhin gestattet es eine Trapez Verzahnung 22 die Verzahnung in Axialrichtung flacher zu gestalten. Je nach Wahl der zugrundeliegenden Trapezform ist es auch hier möglich die Anpresskraft frei im Verhältnis zur Drehkraft zu wählen. Je steiler die Anlageflächen in Umfangsrichtung stehen, desto geringer ist die Gefahr, dass die Verzahnung einen Zahn 28 überspringt.

Figur 10 stellt einen Ventildeckel 2 mit einer Rechteckverzahnung 20 dar. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass sie einerseits selbstzentrierend 1st, und andererseits eine gleichmäßige Kraftübertragung ermöglicht. Zudem gestattet eine Rechteckverzahnung 20 eine relativ geringe Bauhöhe der Verzahnung in Axialrichtung. Das Herstellen einer derartigen Verzahnung ist jedoch sehr aufwändig, da beide Flanken und der Grund jedes Zahns und jeder Lücke einzeln winkelgetreu gefräst werden müssen, und nicht einfach durch Sägen hergestellt werden können. Die Rechteckverzahnung 20 kann in beide Drehrichtungen hohe Drehmomente übertragen.

Figur 11 zeigt einen Ventilboden 2 mit einer Rechteckverzahnung 20, die Zähne 28 mit einer gleichbleibenden Zahnbreite aufweist. Die komplementäre Verzahnung 18 an der Haltevorrichtung 40 weist eine gleichbleibende Lückenweite auf. Hier kann die Haltevorrichtung 40 und auch ein Gesenk oder eine Pressform für Ventilböden durch einen Sägevorgang hergestellt werden, ohne dass hier komplizierte Fräsvorgänge zur Anwendung kommen müssen. Solange die Zahnbreite der Zähne 28 der Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 groß genug ist, können auch ausreichend große Drehmomente übertragen werden. Der Ventilboden 4 ist mit einem zentralen Bereich versehen, der nahe an der Endform 56 des Ventilbodens liegt. Dadurch muss quasi nur noch die Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 nach dem Verschweißen entfernt werden. Durch die große zentrale Ansaugöffnung 44 der Figur 11 ist es möglich den Ventilboden 2 durch einen Unterdrück an das Haltewerkzeug anzusaugen.

Figuren 12 bis 16 stellen Ausführungsformen mit Verzahnungen dar, wie sie bereits in den Figuren 7 bis 11 verwendet wurden. Die Ausführungen sind weiter mit einem Grat 34 oder einer Zylinderwand 36 bzw. Rohrwand versehen, die sich in Radialrichtung außerhalb der Verzahnung jeweils in Axialrichtung zum Werkzeughalter erstreckt.

Figur 12 zeigt eine Ausführung eines Ventilbodens 2 mit einer Hirth-Verzahnung 26, und einem Press-, Guss- oder Schmiedegrat 34. Der Grat 34 bildet eine Art Rohransatz, der es gestattet den Ventilboden 2 gegenüber dem Haltewerkzeug 40 zu zentrieren. Durch die Außenzentrierung ist es ebenfalls möglich einen sehr geringen Spalt zwischen dem Haltewerkzeug 40 und dem Ventilboden 2 zu verwirklichen. Hier kann das Haltewerkzeug zusätzlich mit einer Ansaugöffnung bzw. einem Ansaugkanal 44 versehen werden, durch den der Ventildeckel auf dem Haltewerkzeug gehalten werden kann. Der so gehaltene Ventilboden 2 kann durch Reibung und durch das Ansaugen handhabungssicher auf dem Halter 40 gehalten werden. Sobald der Reibschweißvorgang beginnt, sorgt die Hirth- Verzahnung 26 dafür, dass der Ventildeckel 4 sich nicht gegenüber dem Haltwerkzeug 40 verdrehen kann.

In der Figur 13A ist die Ausführung der Figur 8 zusätzlich mit einer direkt angeformten Zylinderwand 36 und nicht nur mit einem Grat 34 versehen, die eine sichere Zentrierung gestattet. Hier kann die Wanddicke der Zylinderwand 36 so groß gewählt werden, dass sie sich auch bei jeglicher Handhabung bei und nach dem Herstellungsprozess nicht verformen kann. Die Höhe der Wand in Axialrichtung ist so bemessen, dass sie gerade die Verzahnung des Haltewerkzeugs 40 abdeckt. In der Ausführung von Figur 13 wird im Vergleich zu den anderen Ausführungen eine in Radialrichtung sehr viel schmalere Verzahnung eingesetzt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Teil der Zähne, der sich weiter von dem Zentrum oder der Drehsymmetrieachse entfernt befindet ein anteilsmäßig höheres Drehmoment übertragen kann. Hier wird zu formendes Material eingespart was wiederum die Umformung, Urformung oder eine spanende Bearbeitung vereinfacht. Diese Auslegung gestattet es ebenfalls einen weitaus größeren Bereich des Ventilbodens bereits vor dem Reibverschweißen nahe der Endform zu gestalten und so den späteren Arbeitsschritt, in dem die mechanische Schnittstelle, sprich die Verzahnung und die Randwand durch Drehen oder Spanen entfernt werden muss, zu vereinfachen.

Weiterhin ist der Ventilboden mit einer Reibschweißfläche versehen, die als Kegelstumpfmantel ausgeführt ist. Die Kontaktfläche bzw. die Reibschweißnaht beim Rotations-Reibschweißen unterliegt im Gegensatz zu einem Oszillationsreibschweißen einer linearen Inhomogenität, die durch die unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten der Rotationsreibschweißnaht näher an der Symmetrieachse und näher am Rand des Ventilbodens bedingt ist. Dem kann durch eine leicht kegelstumpfmantelförmige Reibschweißfläche entgegengewirkt werden.

Die Figur 13B zeigt eine Abwandlung der Ausführung der Figur 13A, wobei das Haltewerkzeug 40 mit einer Außenzentrierung versehen ist, um einen Ventilboden 2, der keine Zylinderwand 36 aufweist, aufzunehmen. Die Aufgabe der Zentrierung des Ventilbodens 2 in Bezug auf das Haltewerkzeug wird hier von der Außenzentrierung in Form einer Zylinderwand 36 übernommen. Die Ausführungsform der Figur 13B ist zudem noch mit einer Fehlmontageschutzvorrichtung versehen, die als zentraler Stab in dem Haltewerkzeug ausgeführt ist, der durch Kontakt mit der Strömungsbeeinflussungsstruktur des Ventilbodens 2 ein Einsetzen des Ventilbodens 2 in einer falschen Position verhindert.

In der Figur 13C ist eine direkte Weiterentwicklung der Ausführung der Figur 13A dargestellt. Auch hier weist das Haltewerkzeug 40 zusätzlich eine Außenzentrierung in Forme einer Zylinderwand 36 auf, wobei die Ausführung darauf gerichtet ist, die gleichen Ventilböden wie in der Figur 13A aufzunehmen. Die Außenzentrierung ist hier wie in Figur 13B in einer perspektivischen Teilschnitt- Ansicht dargestellt. Die Ausführung der Figur 13C stellt eine bessere Zentrierung sowie eine bessere Abdichtung bereit und kann ebenfalls durch eine größere Kontaktfläche zwischen den Ventilboden und dem Haltewerkzeug einen besseren Wärmeübertrag bei einem gekühlten Haltewerkzeug bereitstellen.

Die Figur 14 basiert auf der Ausführung der Figur 9 mit der Trapezverzahnung 22. Auch hier ist eine Zylinderwand 34 direkt angeformt.

Die Figur 15 basiert auf der Ausführung der Figur 10 mit der Rechteckverzahnung 20. Im Unterscheid zu den Figuren 12 bis 14 ist die Zylinderwand 36 und auch das Haltewerkzeug 40 mit einer konischen Anlagefläche 42 versehen. Die konische Anlagefläche 42 des Haltwerkzeugs 40 vereinfacht die Handhabung. Der Ventilboden wird durch die konische Anlagefläche 38 beim Aufstecken auf das Haltewerkzeug 40 selbst zentriert, Ein Einrasten der Rechteckverzahnung 20 kann durch eine Ermittlung einer Axialposition des Ventilbodens 2 in Bezug auf das Haltewerkzeug sicher ermittelt werden. Das Haltwerkzeug 40 der Figur 15 ist mit einer konischen Anlagefläche versehen. Durch ein Zusammenwirken der Kegelfläche 38 und der konischen Anlagefläche 42 kann zudem eine Abdichtung bezüglich eines Unterdrucks in dem Ansaugkanal 44 erreicht werden, diese Ausführung erfordert jedoch sehr geringe Toleranzen bei der Fertigung.

Die Ausführung von Figur 15 weist, im Vergleich zu den anderen Ausführungen eine in Radialrichtung sehr viel schmalere Verzahnung auf. Dies wird hier durch eine in Axialrichtung relativ große Zahnhöhe ermöglicht, sodass auch eine in Radialrichtung relativ schmale Verzahnung ein Drehmoment übertragen kann, das eine Rotationsreibverschweißung ermöglicht. Auch hier kann Material eingespart werden, was sich positiv auf die Umformung, Urformung oder eine spanende Bearbeitung des Ventilbodendeckels auswirkt. Diese Auslegung gestattet es ebenfalls einen weitaus größeren Bereich des Ventilbodens bereits vor dem Reibverschweißen nahe der Endform zu gestalten. Durch diese Auslegung kann der folgende Arbeitsschritt, bei dem die Mechanische Schnittstelle, sprich die Verzahnung und die Randwand entfernt werden vereinfacht werden. Durch eine in Axialrichtung relativ hohe Verzahnung kann die Verzahnung und die Randwand auch durch Sägen entfernt werden, um eine folgende Bearbeitung durch Drehen oder Schleifen zu verkürzen. Das zugehörige Ventil kann also durch Reibschweißen des Deckels an den Ventilkopf eines Hohlventilrohlins gefolgt von einem Absägen der Verzahnung und einem Abdrehen, Feindrehen und Polieren des Ventilbodens hergestellt werden. Die Breite der Verzahnung in Radialrichtung beträgt in etwa nur 10% des Durchmessers des Ventilbodendeckels.

Weiterhin ist der Ventilboden mit einer Reibschweißfläche versehen, die gemäß der Gleichung h=f(r)=a/(r+b) ausgeführt ist, wobei h einer Höhe in Axialrichtung entspricht, r dem Radius der Reibschweißfläche entspricht, wobei a ein allgemeiner positiver oder negativer Faktor (ungleich Null) ist, der die Höhenskalierung der Reibschweißfläche betrifft und b eine negative Zahl darstellt, die kleiner ist als der Radius des inneren Randes der Reibschweißfläche. Die Form basiert auf der Funktion 1/r bzw -1/r, je nach Blickrichtung, durch den Faktor a kann die Richtung und die Höhe bzw. die Höhenänderung der Reibschweißfläche an eine gewünschte Geometrie angepasst werden. Durch den Wert b kann der hier als relevant angesehene Bereich der 1/r-Funktion zwischen 0,2 bis 2,5 bzw. 0,5 bis 2 oder 0,7 bis 1 ,5 gewählt werden, und durch den allgemeinen Faktor a kann die Höhe an die gewünschte Konfiguration der Reibschweißfläche angepasst werden. Auch hier wurde diese Konfiguration gewählt, um der Inhomogenität der erzeugten Reibungswärme beim Rotations-Reibschweißen entgegenzuwirken. Die Figur 16 basiert auf der Ausführung der Figur 11 mit der Rechteckverzahnung 20 mit konstanten Zahnbreite auf Seiten des Ventilbodens 2. Auch hier wurde eine Zylinderwand 36 hinzugefugt, die einen Zylinderabschnitt und eine Kegelfläche oder eine Kegelanlagefläche 38, Kegelwand, bzw. Kegelinnenfläche 38 umfasst. Die Kegel- Anlagefläche 38 dient hier nur zur Zentrierung beim Aufstecken des Ventilbodens 4 auf das Haltwerkzeug 40. Das Haltwerkzeug 40 ist nicht mit einer konischen Anlagefläche 42 versehen und daher kann diese Ausführung nicht dazu dienen eine Abdichtung bezüglich eines Unterdrucks in dem Ansaugkanal zu erreichen. Das Haltewerkzeug 40 ist mit einer konischen Anlagefläche versehen. Die konische Anlagefläche vereinfacht die Handhabung. Der Ventilboden wird durch die konische Anlagefläche 38 beim Aufstecken auf den Halter selbst zentriert, Ein Einrasten der Rechteckverzahnung 20 kann durch eine Ermittlung einer Axialposition des Ventilbodens 2 in Bezug auf das Haltewerkzeug sicher ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

2 Ventilboden

4 Ventilkörper

8 Hohlraum

10 Überlappungsbereich in dem eine erhebliche Materialverdrängung stattfmdet

12 Ventilkopf

14 Drehstahl

16 Verzahnung des Ventilboden

18 komplementäre Verzahnung des Haltewerkzeugs

20 Rechteckverzahnung

22 Trapezverzahnung

24 Sägezahnverzahnung

26 Hirth-Verzahnung

28 Zahn

30 Lücke

32 Lücke mit gleichbleibender Breite

34 Grat

36 Zylinderwand

38 Kegelförmige Anlagefläche des Ventilbodens

40 Haltewerkzeug für einen Ventilboden

42 Kegelförmige Anlagefläche des Haltewerkzeugs

44 Ansaugöffnung / Ansaugkanal

46 Kühlkanal

48 Dichtelement

50 Strömungsbeeinflussungsstruktur

52 Zentrieröffnung

54 Zentrierdom

56 Endform