CN102597514B - 用于高压流体应用的带相交通路的外壳 - Google Patents

用于高压流体应用的带相交通路的外壳 Download PDF

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Abstract

用于高压流体应用的外壳(30)包括：第一钻孔(32a,32b)，限定第一轴线，且具有由第一平面中的上边界(36)和在第二平面中的下边界(38)界定的扩大直径区域(32b)；以及，第二钻孔(42)，限定第二轴线，且经由相交区域(44)与第一钻孔(32a,32b)相交。相交区域(44)包括第一基本平的表面(54)，第一基本平的表面(54)限定相交区域(44)的顶面且其与扩大直径区域(32b)的上边界(36)相交；以及，第二基本平的表面(56)，其与第一基本平的表面(56)相对且其限定相交区域(44)的底面且与扩大直径区域(32b)的下边界(38)相交。由于平表面与最大环向应力的区域对准(即，在第一钻孔的扩大直径区域的上边界和下边界)，它们并不充当相交区(44)处的显著应力集合源。在本发明的另一方面，第一钻孔无需具有扩大直径区域，且相交区域具有第一钻孔圆周的切向表面使得相交区域并不与环向应力区域相交。

Description

用于高压流体应用的带相交通路的外壳
技术领域
本发明涉及用于高压力流体应用的外壳，其包括相交钻孔或通路。特别地，本发明涉及在通路相交区域中的外壳形状。本发明应用于(但不限于)汽车应用的高压泵领域。特别地，但非排他性地，本发明涉及用于在高压钻孔之间具有成形相交区的共轨压缩点燃(柴油)内燃机的泵组件的一部分。
背景技术
在设计和操作具有相交通路的工程构件中常常遇到的一个问题在于当通路处于压力下时在通路之间的相交区或过渡区出现应力集中。举例而言，在诸如泵的液压应用中，通路运送高压流体，高压流体作用于通路壁上以形成高应力集中，其能通过在相交区附近或在相交区处的疲劳而导致构件损毁。在一些应用中，诸如共轨燃料泵中，所生成的应力可极其高，这归因于在泵内生成的燃料的显著压力。
图1(a)示出了用于共轨柴油机中的已知泵组件的部分。该泵组件包括泵外壳10，泵外壳10具备盲孔12，在盲孔12内，泵送柱塞(未图示)在驱动布置(也未图示)的影响下在使用中往复运动。柱塞和其孔12同轴延伸穿过泵外壳10，且孔的上部区域限定用于燃料的泵腔室14。在相对较低压力的燃料在入口止回阀(未图示)的控制下通过入口通路16递送到泵腔室14。随着柱塞在孔12内往复运动，燃料在泵腔室14内加压，一旦压力到达预定水平，燃料经由出口阀(未图示)递送到出口通路，整体上被称作18，出口通路横向于孔12延伸。出口通路18与凹口20中的柱塞孔12相交，与沿着孔的其余部分的直径相比，凹口20具有扩大的直径。出口通路18递送加压燃料到燃料喷射系统的下游共轨。
由于在泵送循环期间在泵腔室14内循环地生成的高压，在上述类型的泵组件内可出现的一个问题在于由于在柱塞孔12、20与出口通路18之间的相交区域中增加的应力造成的部件的高压疲劳。随着柱塞在其孔12内往复运动且燃料在泵腔室14内加压到高水平，在泵外壳10内出现脉动拉伸应力，这可造成裂缝生长。脉动拉伸应力在泵外壳10内具有两种主要影响：环向应力作用于柱塞孔12、20周边周围，特别地在泵腔室14附近，且轴向应力沿着柱塞孔12、20的长度作用。
已经在先前示出了能通过在一个通路的端部成形相交区，例如通过将相交区倒圆以减少在相交区的尖锐特征和材料薄区域的存在，从而减少了在流体通路之间相交区的应力集中。图1(b)示出了泵组件的截面以说明在出口通路48与柱塞孔凹口20之间相交区的倒圆。在其相交端，出口通路18包括圆锥形表面22且止于在圆锥22与柱塞孔凹口20之间接合（blend）倒圆部24。
授予给本申请者的欧洲专利No. EP 06256052描述了将相交区更复杂地成形，相交区可用于高压共轨中的出口通路与柱塞孔之间以进一步减小出口通路与柱塞孔会合处的应力集中。该解决方案提出了相交区域以大体上矩形的形状朝向柱塞孔扩口，且倒圆部设于扩口上以使得扩口与柱塞孔之间的过渡平滑。
虽然这些方法在到特定压力水平操作的高压泵应用中是成功的，但是在当前共轨泵需要不断增加的高压下，在相交区域的应力集中并未充分减小到足以明显地减小疲劳问题。
本发明的目的在于提供一种高压燃料泵，且更大体而言，用于高压流体应用的外壳，其中与已知的解决方案相比，进一步减小了在相交通路之间的应力集中。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于高压流体应用的外壳，该外壳包括：第一钻孔，其限定第一轴线且具有由第一平面中的上边界和第二平面中的下边界界定的扩大直径区域；以及，第二钻孔，其限定第二轴线且经由相交区域与第一钻孔相交。相交区域包括：第一基本平的表面，其限定相交区域的顶面且其与扩大直径区域的上边界相交；以及，第二基本平的表面，其与第一基本平的表面相对且其限定相交区域的底面且与扩大直径区域的下边界相交。
优选地，第一和第二基本平的表面分别以基本上90度与上边界和下边界相交以便与上边界和下边界中的相应一个的平面对准。因此平表面彼此平行。以此方式，平表面与最大环向应力的区域对准(即，在扩大直径区域的上边界和下边界处)且它们并不充当在相交区处的显著应力集合源。
相交区域包括侧壁，侧壁可包括第一和第二相对的切向表面，第一和第二相对的切向表面形成第一钻孔圆周的切面。作为补充或作为替代，相交区域可包括第一和第二相对的倒圆表面以限定相交区域的侧壁。
第一和第二相对的倒圆表面中每一个优选地形成第一和第二相对的切向表面中相应一个的切面。
本发明特别地应用于燃料泵组件中，例如用于主泵外壳的泵头，其中第一钻孔为用于接纳泵送柱塞的孔且第二钻孔为用于在使用中从柱塞孔向泵出口(例如，出口通路)输送高压燃料的通路。在此情况下，扩大直径区域形成柱塞孔凹口，在柱塞孔凹口内限定用于对燃料加压的泵腔室。认识到相交区可形成有上平表面和下平表面，上平表面和下平表面与柱塞孔凹口的边界对准，而不是如本领域技术中已知的那样进入到柱塞孔凹口壁内，由该相交区避免了集中环向应力区域且因此显著地减轻了部件的疲劳和损毁。
另外的益处在于柱塞孔凹口的深度基本上与出口通路直径相同且因此与已知的布置相比减小了泵腔室的死体积。
在一替代实施例中，相交区域可呈锥形，且锥形方向使得第一和第二基本平的表面在其分别与扩大直径区域的上边界和下边界相交处是发散的。或者，锥形方向使得第一和第二基本平的表面在其分别与扩大直径区域的上边界和下边界相交处是会聚的。
优选地，第一和第二基本平的表面为类似三角形的形式，即，它们具有端对端联结以形成三边的多边形的三个侧边，即使在侧边并不精确地直的情况下。举例而言，第一和第二基本平的类似三角形的表面中的每一个可具有基部和与基部相对的顶点，基部与上边界和下边界中相应的一个连接，顶点与第二钻孔的端部相交。
方便地，第一钻孔和第二钻孔的第一轴线和第二轴线分别彼此相交，尽管并非必需为这种情况。
在本发明的特别优选实施例中，提供一种用于燃料泵组件的外壳，其中，第一钻孔为用于接纳泵柱塞的孔且第二钻孔为用于在使用中从柱塞孔向泵出口输送高压燃料的通路。
根据本发明的第二方面，提供一种用于高压流体应用的外壳，其包括：第一钻孔，其限定第一轴线；以及，第二钻孔，其限定第二轴线且经由相交区域与第一钻孔相交。相交区域包括侧壁。侧壁由第一和第二相对的切向表面限定，第一和第二相对的切向表面形成第一钻孔的圆周的切面。第一基本平的表面限定相交区域的顶面；以及，第二基本平的表面，其与第一基本平的表面相对，限定相交区域的底面。
在一实施例中，侧壁还包括第一和第二相对的倒圆表面，其每一个形成第一和第二相对的切向表面中相应一个的切面。
在此布置中，由于相交区域处在第一钻孔圆周的切面，相交区域与第一钻孔的环向应力不干涉。
应了解本发明的第一方面的优选和/或可选的特征也可单独地或以适当组合地结合于本发明的第二方面中。
附图说明
图1(a)已经展开了描述，示出了共轨燃料泵的已知泵组件的一部分的截面图以说明用于高压燃料的出口钻孔与柱塞孔凹口之间的相交区域；以及图1(b)示出了沿着线A-A的泵组件的相同部分的截面图。
现将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：
图2(a)和图2(b)以与图1(a)和1(b)比较的方式示出了本发明的第一实施例的泵组件的一部分的截面图以说明在高压燃料的出口钻孔与柱塞孔凹口之间的相交区域；
图3为在图2(a)和2(b)中的相交区域的透视图；
图4为在图1(a)和图1(b)的已知泵组件中在与出口钻孔相交的区域中柱塞孔的扩大凹口的发展视图，且以与图4比较的方式；
图5示出了在图2(a)和图2(b)的泵组件中在与出口钻孔相交的区域中柱塞孔的发展视图；
图6为在本发明的第二实施例中在柱塞孔与出口钻孔之间的相交区域的截面图；以及
图7为图6中的相交区域的透视图。
具体实施方式
在下文的描述中对“上部”、“下部”和“侧部”和暗示方位的其它术语的提及预期并无限制意义且仅指在附图所示的部件的方位。
本发明可应用于高压流体应用，其中运送高压流体的两个钻孔在外壳中的相交区域内彼此相交。
本发明的一个特定实施例在于用于共轨燃料喷射系统的燃料泵组件。参看图2(a)、2(b)和图3，泵组件包括呈泵头形式的外壳30，泵头具备用于接纳泵组件的柱塞(未图示)的柱塞孔。柱塞被布置成在使用中在驱动布置的影响下在柱塞孔内往复运动，如本领域技术人员熟知的那样。通常，泵头附连到组件的主泵外壳(未图示)。
柱塞孔包括两个不同的区域：均匀直径的下部孔区域32a和扩大直径的上部孔区域32b，被称作柱塞孔凹口。柱塞孔凹口32b与上部圆锥形通路33连接，其内表面限定用于到泵组件的入口阀(未图示)的阀座。上边缘限定于圆锥形通路33与柱塞孔凹口32b之间，且下边缘限定于柱塞孔凹口32b与下部孔区域32a之间使得上边缘限定柱塞孔凹口32b的上边界36且下边缘限定柱塞孔凹口32b的下边界38。柱塞孔凹口具有限定于上边界36与下边界38之间的深度D。柱塞孔凹口32b的扩大直径通常由于在外壳30内形成柱塞孔的方法而造成且为已知泵组件的特点。
泵腔室40在使用中用于接收低压燃料且燃料在其内随着柱塞往复移动而加压到高水平，该泵腔室40限定于柱塞孔凹口32b内。在泵的使用中，燃料通过入口通路41递送到泵腔室40且在泵送冲程期间在泵腔室40内加压，在泵送冲程期间，柱塞从其在柱塞孔内最下部的位置(在其冲程底部)向其柱塞孔内最上部的位置(其冲程顶部)移动。
自泵腔室40的出口钻孔42与柱塞孔凹口32b连通且在使用中将在泵腔室40内加压的燃料运送到泵出口(未图示)，泵出口与下游共轨(也未图示)连通。出口钻孔42垂直于柱塞孔且具有最小直径d，最小直径d基本上与柱塞孔凹口的深度D相同。本发明特别关注出口钻孔42经由出口钻孔42与柱塞孔凹口之间的相交区域44与柱塞孔凹口连通的方式。
如在图2(a)截面图中示出的那样，相交区域44被成形为包括一对倒圆形式的相对表面46、48(被称作倒圆表面)，其设于出口钻孔42端部。倒圆表面中的仅一个可在图2(b)的截面中看出。在其距出口钻孔42较远的端部，倒圆表面46、48与在切面处的相对应成对的相对表面50、52连接。进而相对表面50、52与在切面处的柱塞孔凹口32b的周向表面相交(因此，它们被称作切向表面50、52)，使得倒圆表面46、48与切向表面50、52一起限定相交区域44的相对侧壁。
相交区域44还包括一对类似三角形式的相对平表面54、56，其中的仅一个可在图2(a)的截面中看到。类似三角形的表面54中的第一个限定相交区域44的顶面且类似三角形的表面56中的第二个限定相交区域44的底面。在图3中的相交区44的透视图更详细地示出了倒圆表面46、48、切向表面50、52和平表面54、56的布置。每个类似三角形的表面定向成使得其基部与柱塞孔凹口32b的上边界36和下边界38中相应的一个以基本上90度连接且与基部相对的其顶点与出口钻孔42的端部的倒圆开始处连接。
应了解类似三角形的表面54、56并不精确地为具有三个直边的三角形式，特别是基部，其与柱塞孔凹口32b的周向表面连接且因此形成它们所连接的弧。然而，表面54、56由端对端联结的三个线段闭合，以形成三边的多边形且因此具有类似三角形形式。
对于上述形状，在出口钻孔42端部与柱塞孔凹口32b之间的相交区域44并不绕出口钻孔42轴线旋转对称，而是沿着穿过柱塞孔轴线和钻孔轴线的平面且穿过与前述平面成90°角并与钻孔轴线相交的平面成镜像对称。
比较图1和图2，其分别示出了在已知泵组件和本发明中相当的相交区域，可看出本发明与现有技术的显著不同在于相交区域44的倒圆表面46，48，切向表面50、52和类似三角形的表面54、56。在图1中，相交区域包括在出口钻孔18端部的圆锥形表面22与柱塞孔凹口20之间的周向连续的接合倒圆部24，且接合倒圆部24进入到柱塞孔凹口20本身内。相比而言，在本发明中，相交区域44包括两个不同的倒圆表面46、48和柱塞孔凹口32b的两个切向表面50、52，在相交区域44的端部并无接合倒圆部，而是经由平表面54、56与柱塞孔凹口20的上边界和下边界确切对准的相交区域。
图4和图5分别示出了在图1的已知泵组件中柱塞孔12、20和在本发明中柱塞孔32a、32b的发展视图。比较这些附图能看出在本发明中的柱塞孔凹口32b与在已知泵组件中的柱塞孔凹口20相比具有更浅深度。而且，相交区域的平表面54、56与柱塞孔凹口32b的上边界36和下边界38对准使得它们与该区域内的环向应力平面对准但并不与环向应力平面相交。通过使得相交区域44的平表面54、56与柱塞孔凹口的边界36、38对准，且因此与环向应力平面对准，在该相交区并无应力集合效应。这与图1中的已知泵组件相反，在已知泵组件中在出口钻孔18的端部的倒圆表面24并不与柱塞孔凹口20的边界对准且因此在此区域中的环向应力增加(在图1和图4中以X指示)。因此到柱塞孔12内的出口钻孔18充当在现有技术中的应力集合源，其能由于高压力疲劳而导致部件损毁。
本发明的另一优点在于柱塞孔凹口32b具有与已知的泵组件相比减小的深度，其能引起泵腔室40减小的死体积(即，当柱塞在其冲程结束时在柱塞孔中其最上部位置时保持填充燃料的泵腔室40的体积)。这改进了泵输出，特别是在高燃料压力下。
图6和图7示出了本发明的第二实施例，其中出口钻孔的最小直径d具有比图2所示的出口钻孔更长的长度L'。在所有其它方面，在出口钻孔42与柱塞孔32b之间的相交区域44在图6和图7中与其在图2和图3中相同。
在先前所述的本发明的实施例中。柱塞孔凹口32b深度具有与出口钻孔42在其最小直径点d处的直径基本上相同的尺寸。换言之，柱塞孔凹口深度D与出口钻孔42的直径d基本上相同。
在其它实施例(未图示)中，这些直径d、D无需精确地相等。举例而言，相交区域44可具有在出口钻孔42与柱塞孔凹口32b之间渐变的锥形。锥形可定向为使得相对的平表面54、56在它们分别与上边界36和下边界相交时会聚，或者使得相对平表面54、56在其与上边界36和下边界38相交时发散。但实际上，最佳布置如先前所述的那样，其中第一平表面54和第二平表面56基本上彼此平行且基本上垂直于柱塞孔的轴线使得每个平表面的平面与上边界36和下边界38中相应的一个对准。
在本发明的另外的实施例中，与第二钻孔42相交的第一钻孔32a可具有均匀直径使得不存在第一孔的扩大直径区域(即，不存在区域32b)。在此情况下，相交区域以如先前所述的类似方式成形，除了不存在与相交区域的平表面54、56相交的边界。替代地，相交区域44具备倒圆表面46、48，其分别形成切向表面50、52的切面，进而切向表面50、52形成第一钻孔32a的圆周的切面。此实施例可更适用于共轨和泵外壳应用，而不是先前所述的泵头，其中第一钻孔并不具有扩大直径区域，如在用于泵头中泵送柱塞的孔的情况下。

Claims (16)

1.一种用于高压流体应用的外壳(30)，所述外壳包括：
第一钻孔(32a, 32b)，其限定第一轴线且具有由第一平面中的上边界(36)和第二平面中的下边界(38)界定的扩大直径区域(32b)；以及
第二钻孔(42)，其限定第二轴线且经由相交区域(44)与所述第一钻孔(32a, 32b)相交；
其特征在于，所述相交区域(44)包括，
第一基本平的表面(54)，其限定所述相交区域(44)的顶面且其与所述上边界(36)相交；以及
第二基本平的表面(56)，其与所述第一基本平的表面(54)相对且其限定相交区域(44)的底面且与所述下边界(38)相交，
其中，所述第一和第二基本平的表面(54, 56)基本上垂直于所述第一轴线，以便与所述上边界和下边界(36, 38)中相应的一个的平面对准。
2.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述相交区域(44)还包括由相对的第一和第二切向表面(50, 52)限定的侧壁，所述相对的第一和第二切向表面(50, 52)形成所述第一钻孔(32a, 32b)圆周的切面。
3.根据权利要求2所述的外壳，其中，所述相交区域(44)还包括由相对的第一和第二倒圆表面(46, 48)限定的侧壁。
4.根据权利要求3所述的外壳，其中，所述相对的第一和第二倒圆表面(46, 48)分别形成所述相对的第一和第二切向表面(50, 52)中相应一个的切面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的外壳，其中，所述相交区域(44)在所述第二钻孔(42)与所述第一钻孔(32a, 32b)之间渐进地呈锥形。
6.根据权利要求5所述的外壳，其中，所述锥形的方向使得所述第一和第二基本平的表面(54, 56)在其分别与所述扩大直径区域(32b)的上边界和下边界(36, 38)相交处是发散的。
7.根据权利要求5所述的外壳，其中，所述锥形的方向使得所述第一和第二基本平的表面(54, 56)在其分别与所述扩大直径区域(32b)的上边界和下边界(36, 38)相交处是会聚的。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的外壳，其中，所述第一和第二基本平的表面(54, 56)为类似三角形的形式。
9.根据权利要求8所述的外壳，其中，所述第一和第二基本平的类似三角形的表面中的每一个具有基部和与所述基部相对的顶点，所述基部与所述上边界和下边界(36, 38)中相应一个连接，所述顶点与所述第二钻孔(42)的端部相交。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的外壳(30)，其中，所述第一轴线和第二轴线彼此相交。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的外壳，其呈用于燃料泵组件的外壳的形式，其中，所述第一钻孔(32a, 32b)为用于接纳所述燃料泵的柱塞的柱塞孔且所述第二钻孔(42)为用于在使用中从所述柱塞孔(32a, 32b)向泵出口输送高压燃料的通路。
12.一种用于高压流体应用的外壳(30)，所述外壳包括：
第一钻孔(32a, 32b)，其限定第一轴线；
第二钻孔(42)，其限定第二轴线且经由相交区域(44)与所述第一钻孔(32a, 32b)相交；
其特征在于，所述相交区域(44)包括：侧壁，其呈相对的第一和第二切向表面(50, 52)的形式，相对的第一和第二切向表面(50, 52)形成所述第一钻孔(32a, 32b)的圆周的切面；第一基本平的表面(54)，其限定所述相交区域(44)的顶面；以及，第二基本平的表面(56)，其与所述第一基本平的表面(54)相对且其限定相交区域(44)的底面。
13.根据权利要求12所述的外壳(30)，其中，所述侧壁还包括相对的第一和第二倒圆表面(46, 48)。
14.根据权利要求13所述的外壳，其中，所述相对的第一和第二倒圆表面(46, 48)形成所述第一和第二切向表面(50, 52)中相应一个的切面。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的外壳(30)，其中，所述第一轴线和第二轴线彼此相交。
16.根据权利要求12-14中任一项所述的外壳，其呈用于燃料泵组件的外壳的形式，其中，所述第一钻孔(32a, 32b)为用于接纳所述燃料泵的柱塞的柱塞孔且所述第二钻孔(42)为用于在使用中从所述柱塞孔(32a, 32b)向泵出口输送高压燃料的通路。
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