DE10140201B4

DE10140201B4 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Federhülse und Verfahren zur Herstellung einer Federhülse

Info

Publication number: DE10140201B4
Application number: DE2001140201
Authority: DE
Inventors: Dieter Kienzler; Dietmar Schmieder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2021-08-17
Also published as: DE10140201A1

Abstract

Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer piezoelektrischen Aktuator-Einheit zur Betätigung von in einem Druckkörper (5) axial verschieblich angeordneten Kolben (4, 6), wobei zwischen den Kolben (4, 6) eine hydraulische Übersetzung (7) vorgesehen ist und die piezoelektrische Aktuator-Einheit mittels einer Federhülse (8) vorgespannt ist, die wenigstens annähernd als hohlzylindrisches Bauteil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Ende der Federhülse (8) ein erster Zentrierbund (14) vorgesehen ist, der mit einem Ringbund (11) des Druckkörpers (5) oder mit einem Einstellelement (13) zusammenwirkt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Federhülse nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und ein Verfahren zur Herstellung einer Federhülse gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 9 näher definierten Art.
Bei der Ansteuerung eines Ventils der einleitend genannten Art, welches in der Praxis z. B. als Kraftstoffeinspritzventil Verwendung findet, wird an dem piezoelektrischen Aktuator eine Spannung angelegt, wodurch sich der piezoelektrische Aktuator aufgrund bekannter physikalischer Effekte der Piezokeramik schnell ausdehnt und ein Ventilschließglied von einem Ventilsitz abhebt. Der piezoelektrische Aktuator hat eine gewisse Masse, die dabei beschleunigt wird.
Wird die angelegte Spannung reduziert, hat die Masse des piezoelektrischen Aktuators aufgrund der Beschleunigung und ihrer Trägheit trotzdem weiterhin das Bestreben, sich in axialer Expansionsrichtung zu bewegen. In Abhängigkeit der Ansteuergeschwindigkeit werden in dem piezoelektrischen Aktuator aufgrund der Beschleunigung und der Zurücknahme der Spannung Zugkräfte erzeugt, die ab bestimmten Werten zu Beschädigungen des piezoelektrischen Aktuators, insbesondere zu Rissen in den Lötverbindungen zwischen den einzelnen Schichten des piezoelektrischen Aktuators führen.
Um derartige Beschädigungen zu vermeiden, ist dazu übergegangen worden, den piezoelektrischen Aktuator mittels einer Federhülse in axialer Richtung vorzuspannen. Eine solche Federhülse wird beispielsweise auch in der DE 38 44 134 A1 beschrieben.
Aus der Praxis sind Federhülsen bekannt, die aus einem plattenartigen Material hergestellt werden. Dabei werden zunächst eine Mantelfläche eines wenigstens annähernd zylindrischen Körpers und Aussparungen in dieser Mantelfläche ausgestanzt. Anschließend wird dieses plattenartige Gebilde durch Rundbiegen in die wenigstens annähernd zylindrische Form gebracht und an dem Stoß der beiden Enden der Mantelfläche mittels Längsschweißen verbunden. Daran anschließend werden die beiden Stirnflächen des hohlzylindrischen Bauteiles zur Herstellung einer planen Anlagefläche der Federhülse bearbeitet.
Zur Vorspannung eines piezoelektrischen Aktuators eines Ventiles zum Steuern von Flüssigkeiten sind Federhülsen je weils koaxial zu zwei Kolben eines Steuerventiles angeordnet. Zwischen der Federhülse und den Kolben ist ein Druckkörper angeordnet, in welchem die beiden Kolben axial verschiebbar geführt sind. Die Federhülsen sind dabei zwischen einem Absatz des Druckkörpers und einem weiteren Absatz, der an einem der Kolben vorgesehen ist, eingebaut.
Die Federhülsen liegen jeweils mit ihren bearbeiteten Stirnflächen an dem Absatz des Druckkörpers und an dem weiteren Absatz des Kolbens an, wobei eine radiale Ausrichtung der Federhülsen in einem Gehäuse eines Kraftstoffeinspritzventiles über einen an einer Außenseite des Druckkörpers vorgesehenen Zentrierbund ausgeführt ist.
Diese aus der Praxis bekannten Federhülsen weisen jedoch den Nachteil auf, daß eine Positionierung z. B. in einem Kraftstoffeinspritzventil über den Zentrierbund des Druckkörpers nicht exakt einstellbar ist. Damit benötigen die Federhülsen einen großen Einbauraum.
Ein großer Bauraumbedarf der Federhülse führt jedoch nachteilhafterweise dazu, daß aufgrund des begrenzten radialen Bauraumes im Steuerventilgehäuse eine Wandstärke des Druckkörpers reduziert werden muß, wodurch eine Aufweitung des Druckkörpers unter den im Betrieb auftretenden hohen Betriebsdrücken im Kraftstoffeinspritzventil eintreten kann. Eine solche Aufweiterung führt zu einem unerwünscht hohen Leckagestrom aus einer zwischen den Kolben angeordneten Hydraulikkammer im Steuerventil.
Zu einem hohen Bauraumbedarf der bekannten Federhülsen trägt zudem bei, daß beim Rundbiegen nur eine unzureichende zylindrische Form der Federhülse erreicht wird, da die zunächst plattenförmige Mantelfläche mit den zwischen den Aussparungen ausgebildeten Stegen aufgrund der Inhomogenität beim Rundbiegen nicht in eine erwünschte runde bzw. zylindrische Form bringbar ist, sondern die Endform vielmehr einem Vieleck entspricht.
Daraus ergibt sich die Aufgabe eine Federhülse zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, daß eine Federhülse zum Vorspannen der piezoelektrischen Aktuator-Einheit auf einfache Art und Weise in dem Ventil positioniert werden kann und damit nur wenig Bauraum beansprucht.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Federhülse wenigstens an einem Ende einen ersten Zentrierbund aufweist, der mit einem Ringbund des Druckkörpers oder mit einem Einstellelement zusammenwirkt, so daß eine genaue radiale Führung der Federhülse vorliegt und der Bauraumbedarf der Federhülse im Ventil aufgrund der exakten Positionierung reduziert ist.
Aus der Reduzierung des Bauraumbedarfs der Federhülse ergibt sich der Vorteil, daß eine Erhöhung der Wandstärke des Druckkörpers des Ventils möglich ist, was z. B. zu einer Minimierung eines Leckagestroms aus einer Hydraulikkammer, die in bekannter Weise für einen Längenausgleich in einem Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen ist, führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Federhülse gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 bietet den Vorteil, daß eine Federhülse einfach und kostengünstig herstellbar ist, die einen geringen Bauraumbedarf bei hoher Festigkeit aufweist.
Wenn die Federhülse als ein wenigstens annähernd hohlzylindrischer, einstückiger Körper durch Tiefziehen gebildet wird und anschließend mehrere über den Umfang und die Länge des Körpers verteilte Aussparungen in die Mantelfläche eingebracht werden, wird eine hohe Festigkeit bei geringer Wandstärke der Federhülse erreicht, und die Federhülse weist eine gute Rundheit auf, wodurch der Bauraumbedarf vorteilhafterweise reduziert wird.
Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß kostenintensive Nachbearbeitungsschritte bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Federhülse nicht erforderlich sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele des Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen mit einer erfindungsgemäßen Federhülse;
2 eine erfindungsgemäße Federhülse in Alleinstellung, und
3 einen Längsschnitt der Federhülse entlang der Linie III-III in 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten in einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Kraftfahrzeuge mit einer piezoelektrischen Aktuator-Einheit 3. In der vorliegenden Ausführung ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 als ein Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff ausgebildet.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Aktorfuß 2 über den piezoelektrischen Aktuator 3 angesteuert, welche auf einer einem Ventilsteuerraum und einem Brennraum abgewandten Seite des Aktorfußes 2 angeordnet ist. Der verwendete piezoelektrische Aktuator 3 ist in üblicher Weise aus mehreren piezokeramischen Schichten aufgebaut.
Auf der dem piezoelektrischen Aktuator 3 abgewandten Seite des Aktorfußes 2 ist ein oberer bzw. erster Kolben 4 in einem Druckkörper 5 angeordnet, an welchen sich ein unterer bzw. zweiter Kolben 6 anschließt, der ebenfalls in dem Druckkörper 5 in axialer Richtung beweglich geführt ist.
Die Kolben 4 und 6 sind mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt. Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 7 ausgebildet, die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators 3 von dem ersten Kolben 4 auf den zweiten Kolben 6 überträgt. Die Hydraulikkammer 7 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 4 und 6, bei denen der Durchmesser des zweiten Kolbens 6 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Kolbens 4, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck p_sys herrscht. Die Hydraulikkammer 7 ist dabei derart zwischen den Kolben 4 und 6 eingespannt, daß der zweite Kolben 6 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 4 durch den piezoelektrischen Aktuator 3 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Der Aktorfuß 2, die Kolben 4 und 6 und der piezoelektrische Aktuator 3 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 7 können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Kraftstoffeinspritzventil 1 oder unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position eines anzusteuernden Ventil schließgliedes 12 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 auftritt.
Zur Vorspannung des piezoelektrischen Aktuators 3 ist eine aus einem hohlzylindrischen Körper gebildete Federhülse 8 vorgesehen, die mehrere über den Umfang und die Länge der Federhülse verteilt angeordnete Aussparungen 9, welche in der 2 näher dargestellt sind, aufweist.
Die Federhülse 8 ist vorliegend in vorteilhafter Weise als ein einstückiges Tiefziehteil ausgebildet, welches aus einem plattenartigen metallischen Werkstück hergestellt ist, wobei nach dem Tiefziehen die Aussparungen 9 aus dem zylindrischen Körper ausgestanzt werden. Durch das Tiefziehen weist die Federhülse 8 einen hohen Rundheitsgrad auf, weshalb sie auf einfache Art und Weise koaxial zu dem Druckkörper 5 in einem Gehäuse 10 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 montiert werden kann und nur einen geringen Bauraumbedarf hat.
Es liegt selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes, die Aussparungen 9 anstatt des Stanzvorganges mit einem anderen geeigneten Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Laserschweißen oder Bohren, oder einer Kombination geeigneter Herstellungsverfahren aus dem hohlzylindrischen Körper der Federhülse 8 herauszuarbeiten.
Die Federhülse 8 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 zwischen einem Bund 11 des Druckkörpers 5 und einem Einstellelement 13 eingebaut.
Wie auch nochmals der in den 2 und 3 dargestellten Alleinstellung der Federhülse 8 zu entnehmen ist, weist diese an ihren beiden Enden einen ersten Zentrierbund 14 und einen zweiten Zentrierbund 15 auf, welche vorzugsweise kegelstumpfartig ausgebildet sind.
Der erste Zentrierbund 14 schließt sich an ein zylindrisches Mittelteil 16 der Federhülse 8 an und ist im wesentlichen in einem Innenraum 17 der Federhülse 8 angeordnet. Weiter liegt der erste Zentrierbund 14 an dem Einstellelement 13 an, welches bei der Montage über den ersten Kolben 4 geschoben wird und in einem vorgespannten Zustand der Federhülse 8 mit dem ersten Kolben 4 verschweißt wird.
Der zweite Zentrierbund 15 schließt sich trichterförmig an das Mittelteil 16 an und überragt eine Außenseite 19 der Federhülse 8 bzw. des Mittelteiles 16. Die Federhülse 8 stützt sich mit dem zweiten Zentrierbund 15 an dem Ringbund 11 des Druckkörpers 5 ab. Die beiden Zentrierbunde 14, 15 sind zum Ausrichten der Federhülse 8 in dem Gehäuse 10 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 und gegenüber dem Druckkörper 5 vorgesehen, wobei eine der Federhülse 8 zugewandte Anlagefläche des Bundes 11 des Druckkörpers 5 und eine Anlagefläche des Einstellelementes 18 an dem ersten Kolben 4 jeweils eine der Federhülse 8 zugewandte kugelige Wölbung aufweisen, die eine einfache und effektive Zentrierung der Federhülse 8 in Bezug auf den Druckkörper 5 und die beiden Kolben 4, 6 ermöglichen.
Die beiden Zentrierbunde 14, 15 werden bevorzugt auf einfache Art in einem Fertigungsschritt beim Tiefziehen zusammen mit dem hohlzylindrischen Mittelteil 16 der Federhülse 8 hergestellt, so daß eine Bearbeitung der dem Einstellelement 18 und dem Bund 11 des Druckkörpers 5 zugewandten Anlageflächen der Federhülse 8 nicht erforderlich ist und die Herstellkosten der Federhülse 8 erheblich gesenkt werden.
Eine weitere Verbesserung der Funktion der Federhülse 8 wird erreicht, wenn zur Herstellung der Federhülse ein metallischer Werkstoff mit einem hohen Kohlenstoffanteil verwendet wird. Dann liegt für das Tiefziehverfahren vorteilhafterweise ein duktiler Werkstoff vor, der nach der Herstellung der gewünschten Form der Federhülse 8 einem Härte- und Anlaßverfahren unterzogen wird, um die Festigkeit der Federhülse 8 entsprechend den vorgegebenen Anforderungen zu erhöhen.
Aufgrund des geringen Bauraumbedarfes der Federhülse 8 kann eine Wandstärke des Druckkörpers 5 im Bereich des ersten Kolbens 4 größer ausgebildet werden als dies bei den aus der Praxis bekannten geschweißten Federhülsen der Fall ist. Die vergrößerte Wandstärke des Druckkörpers 5 im Bereich des ersten Kolbens 4 bewirkt, daß die im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventiles 1 herrschenden Betriebsdrücke nur eine reduzierte Aufweitung des Druckkörpers 5 zur Folge haben, so daß ein Leckagestrom aus der Hydraulikkammer 7 zwischen dem Druckkörper 5 und dem ersten Kolben 4 in einen Innenraum 20 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 minimiert wird.

Claims

Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer piezoelektrischen Aktuator-Einheit zur Betätigung von in einem Druckkörper (5) axial verschieblich angeordneten Kolben (4, 6), wobei zwischen den Kolben (4, 6) eine hydraulische Übersetzung (7) vorgesehen ist und die piezoelektrische Aktuator-Einheit mittels einer Federhülse (8) vorgespannt ist, die wenigstens annähernd als hohlzylindrisches Bauteil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Ende der Federhülse (8) ein erster Zentrierbund (14) vorgesehen ist, der mit einem Ringbund (11) des Druckkörpers (5) oder mit einem Einstellelement (13) zusammenwirkt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zentrierbund (14) kegelstumpfartig ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Zentrierbund (14) an ein zylindrisches Mittelteil (16) anschließt und in einem Innenraum (20) der Federhülse (8) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhülse (8) mit einem zweiten kegelstumpfartigen Zentrierbund (15) ausgebildet ist, der an einem Ende der Federhülse (8) angeordnet ist, das dem mit dem ersten Zentrierbund (14) versehenen Ende abgewandt ist und mit dem Ringbund (11) des Druckkörpers (5) oder dem Einstellelement (13) zusammenwirkt.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zentrierbund (15) eine Außenseite (19) des zylindrischen Mittelteils (16) überragt und sich trichterförmig an das Mittelteil (16) anschließt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhülse (8) als einstückiges Tiefziehteil ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine der Federhülse (8) zugewandte Anlagefläche des Ringbundes (11) und des Einstellelementes (13) eine der Federhülse (8) zugewandte kugelige Wölbung aufweisen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhülse (8) mit mehreren über ihren Umfang und ihre Länge verteilt angeordneten Aussparungen (9) ausgebildet ist.
Verfahren zu Herstellung einer Federhülse, insbesondere einer Federhülse (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens annähernd hohlzylindrischer, einstückiger Körper durch Tiefziehen gebildet wird und anschließend mehrere über den Umfang und die Länge der Federhülse (8) verteilte Aussparungen (9) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (9) mittels Stanzen und/oder Laserschweißen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhülse (8) gehärtet und angelassen wird.