DE10149746C1 - Verfahren zur Herstellung einer Rohrfeder sowie Aktoreinheit mit einer solchen Rohrfeder - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rohrfeder (12) in Form eines zylindrischen Hohlkörpers, insbesondere zur Vorspannung eines piezoelektrischen Aktorelements (2) einer Aktoreinheit (1) eines Kraftstoffinjektors, bei dem ein dünnwandiges, nahtlos gezogenes Stahlrohr mittels Laserschneiden mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten länglichen Ausnehmungen (14) versehen wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft zudem eine Aktoreinheit (1) mit einem in einem dünnwandigen zylindrischen Hohlkörper angeordneten piezoelektrischen Aktorelement (2), wobei der Hohlkörper elastisch ausgebildet ist und das Aktorelement (2) vorspannt und wobei der Hohlkörper ein mit einer Vielzahl von länglichen Ausnehmungen (14) versehenes nahtlos gezogenes Stahlrohr ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rohrfeder, insbesondere für eine Aktoreinheit eines Kraftstoffinjektors, sowie eine solche Aktoreinheit mit einer Rohrfeder.

Kraftstoffeinspritzsysteme der neuen Generation weisen Piezo­ aktorelemente als Schalt- und Stellglieder auf. Diese sog. Piezostacks, die aus aufeinander gestapelten Piezoeinheiten bestehen, sind aus Gründen der Dauerhaltbarkeit elastisch vorgespannt. Die hierfür verwendeten Vorspannelemente müssen sehr hohe Vorspannkräfte bei geringem Bauvolumen aufbringen. Sie sollen zudem eine relativ geringe Steifigkeit sowie ein einfaches und robustes Design aufweisen. Weiterhin ist eine Dauerhaltbarkeit bei hochdynamischer Belastung gefordert.

Aus der DE 38 44 134 A1 ist ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor bekannt. Der Aktor ist in einer zy­ lindrischen Rohrfeder angeordnet und wird von dieser gegen das Gehäuse des Einspritzventils vorgespannt. Bei diesem Auf­ bau der Aktoreinheit hängt jedoch die Vorspannung des piezo­ elektrischen Aktors stark von den Fertigungstoleranzen des Gehäuses des Einspritzventils ab. Der Einbau der Aktoreinheit ist zudem aufwendig und erfordert einen hohen Wartungsauf­ wand, da bei jedem Ein- und Ausbau die Vorspannung auf den piezoelektrischen Aktor durch die Rohrfeder neu eingestellt werden muss. Darüber hinaus besteht bei den verwendeten Rohr­ federn auch das Problem, dass zur Erreichung einer ausrei­ chenden Elastizität der Längsbewegung des piezoelektrischen Aktors die Rohrfeder extrem dünnwandig ausgeführt werden muss, was deren Festigkeit und die Lebensdauer der Aktorein­ heit beeinträchtigt.

Eine gattungsgemäße Rohrfeder zur Vorspannung eines piezo­ elektrischen Aktors eins Kraftstoffeinspritzventils ist zu­ dem aus der WO 00/08353 A1 bekannt. Diese Rohrfeder besteht aus einem dünnwandigen Hohlzylinder, in den eine Vielzahl von knochenförmig ausgebildeten Ausnehmungen eingebracht sind. Diese Ausnehmungen bewirken eine gewünschte Längselastizität der Rohrfeder. Diese bekannte Rohrfeder erfordert eine rela­ tiv aufwendige Fertigung, da die Ausnehmungen in einem Stanz­ prozess eingebracht sind. Zudem muss ein ebenes Stahlblech nach dem Stanzvorgang in eine zylindrische Form gebracht und an seiner Stoßkante verschweißt werden.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Her­ stellung eines Vorspannelements für ein Aktorelement einer Aktoreinheit, sowie eine Aktoreinheit an sich zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe Elastizität aufweist.

Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand der unab­ hängigen Patentansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dem gemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Rohrfeder in Form eines Hohlkörpers, insbesondere zur Vor­ spannung eines piezoelektrischen Aktorelements einer Akto­ reinheit eines Kraftstoffinjektors ein dünnwandiges Metall­ rohr mittels Strahlschneiden mit einer Vielzahl von regelmä­ ßig angeordneten, länglichen Ausnehmungen versehen.

Durch die Ausnehmungen, die länglich ausgeformt sind, ist ge­ währleistet, dass der Hohlkörper auch bei den üblicherweise angelegten Vorspannungen auf den piezoelektrischen Aktor von ca. 800 N bis 1000 N eine ausreichende Festigkeit zeigt und gleichzeitig genügend elastisch zum Ausführen der von dem piezoelektrischen Aktor erzeugten Längsbewegungen ist. Mit­ tels des Strahlschneidens ist es möglich, sehr schmale und kleine Ausnehmungen in den zylindrischen Hohlkörper einzu­ bringen, wie sie mittels eines Stanzvorgangs nicht in dieser Form eingebracht werden könnten. Es können somit auf gleicher Fläche wesentlich mehr Ausnehmungen untergebracht werden, was zu einer signifikanten Absenkung der Federrate der strahlge­ schnittenen Variante der Rohrfeder führt. Dagegen sind typi­ sche Abmessungen von gestanzten Ausnehmungen aufgrund der er­ forderlichen Mindestabmessungen des Stanzstempels und der da­ mit verbundenen Stanzzeit des Stanzwerkzeugs in relativ engen Grenzen vorgegeben. Somit ist bei gestanzten Ausnehmungen auch die Anzahl der Ausnehmungen je Flächeneinheit begrenzt, was zu einer relativ hohen Federrate führt.

Aufgrund der relativ geringen Federsteifigkeit der strahlge­ schnittenen Rohrfeder geht ein nur sehr geringer Teil der vom Aktor ausgeführten Bewegungsenergie durch die Federsteifig­ keit des Vorspannelements als Nutzhub verloren.

Der Hohlkörper kann vorzugsweise eine zylindrische Kontur aufweisen. Als Material für den Hohlkörper kommt insbesondere ein dünnwandiges, nahtlos gezogenes Stahlrohr in Frage.

Als Strahlschneidverfahren eignet sich bspw. Laserstrahl­ schneiden, Wasserstrahlschneiden oder Elektronenstrahlschnei­ den. Alle diese Strahlschneidverfahren lassen sich mit hoher Präzision durchführen und führen zu sehr exakten und maßhal­ tigen Werkstücken.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass durch den Einsatz eines geeigneten Füllkör­ pers im Inneren des Hohlzylinders während des Strahlschnei­ dens eine definierte Formgebung der Strahlaustrittskante er­ reicht und eine Beschädigung der Gegenseite verhindert wird.

Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sieht vor, dass die Ausnehmungen länglich sind und ihre jeweilige Längsachse im wesentlichen senkrecht zur Zy­ lindermittelachse der Rohrfeder ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann der Rohrfeder in Richtung ihrer Längsachse eine gewünschte Federsteifigkeit aufgeprägt werden. Gemäß einer weiteren Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Aus­ nehmungen in Reihen angeordnet, wobei die Ausnehmungen be­ nachbarter Reihen jeweils gegeneinander seitlich versetzt an­ geordnet sind. Diese Gestaltung weist den Vorteil eines idea­ len Federungsverhaltens der Rohrfeder auf, da die abwechselnd aufeinandertreffenden Stege und Ausnehmungen zu einer mögli­ chen Eindrückung der Ausnehmungen führen können, wobei die dazwischenliegenden Stege jeweils ihre Form beibehalten kön­ nen.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Variante beträgt ein minimaler Abstand zwischen benachbarter Ausnehmungen zweier Reihen das 0,3- bis 4-fache der Wandstärke des zylindrischen Hohlkörpers der Rohrfeder. Je nach gewählten Abmessungen der Ausnehmungen sowie der Wandstärke der Rohrfeder kann eine i­ deale Federkonstante gewählt werden.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rohrfeder bietet die Möglichkeit, zwischen einer relativ großen Anzahl von mögli­ chen Werkstoffen auszuwählen, da bei gleichbleibender Feder­ rate eine Absenkung der Spannungen möglich ist. So können beispielsweise Werkstoffe gewählt werden, die zwar eine nied­ rige Festigkeit aufweisen, die aber für später folgende Schweißprozesse eine bestmögliche Werkstoffpaarung darstel­ len. Weiterhin können auch Werkstoffe gewählt werden, die op­ timal für den Strahlschneidvorgang bzw. den Laserschneidpro­ zess geeignet sind, d. h. solche mit einem relativ niedrigen Schwefelgehalt von weniger als 0,25%.

Das für die Rohrfeder verwendete nahtlos gezogene Metallrohr weist vorzugsweise eine Stärke von weniger als 1,0 mm auf. Wahlweise kann die Stärke jedoch auch größer gewählt werden, um auf diese Weise auch bei einem verwendeten Stahl von ge­ ringerer Festigkeit zu einer gewünschten Federsteifigkeit zu gelangen.

Vorzugsweise ist das für die Rohrfeder verwendete nahtlos ge­ zogene Metallrohr ein Federstahl, da ein solcher relativ günstige elastische Eigenschaften auch bei sehr kleinen Ab­ messungen aufweist.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Ausnehmungen jeweils eine hantelförmige Kontur mit einge­ schnürtem Mittelbereich aufweisen, wodurch wiederum eine ge­ zielte Beeinflussung der gewünschten Federsteifigkeit reali­ sierbar ist.

Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Vorteile des er­ findungsgemäßen Verfahrens. Durch den Einsatz eines Strahl­ schneideverfahrens wird eine hohe Genauigkeit der Aussparun­ gen der Rohrfeder erreicht. Es sind über das Strahlschneiden hinaus keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte erforderlich. Zudem kann damit eine hohe Oberflächengüte in den Ausnehmun­ gen erzielt werden, wie sie mittels eines Stanzvorganges nicht erreichbar wäre.

Die Verwendung von nahtlos gezogenen Stahlrohren ermöglicht eine verbesserte Maßhaltigkeit der gewünschten Zylinderkontur der Rohrfeder. Aufgrund des Verzichts auf eine Längsschweiß­ naht, wie sie bei bekannten Verfahren notwendig ist, ergeben sich weniger potentielle Fehlstellen im Metall. Zudem kann auf die üblicherweise notwendige Nahtbearbeitung verzichtet werden.

Eine erfindungsgemäße Aktoreinheit weist einen dünnwandigen zylindrischen Hohlkörper auf, der um ein piezoelektrisches Aktorelement angeordnet ist, wobei der Hohlkörper elastisch ausgebildet ist und das Aktorelement vorspannt und wobei der Hohlkörper ein mit einer Vielzahl von länglichen Ausnehmungen versehenes Metallrohr, insbesondere ein nahtlos gezogenes Stahlrohr ist. Eine Aktoreinheit mit einem derartigen zylind­ rischen Hohlkörper als Rohrfeder kann mit sehr exakt gewähl­ ten Eigenschaften der Rohrfeder versehen werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aktoreinheit in schematischer Querschnittdar­ stellung,

Fig. 2 eine Rohrfeder in schematischer Seitenansicht, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herge­ stellt ist,

Fig. 3 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform der Rohrfeder gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 eine Detailansicht einer alternativen Ausführungs­ form der Rohrfeder.

Fig. 1 zeigt eine Aktoreinheit 1, bestehend aus mehreren ge­ stapelten, piezoelektrischen Einzelelementen. Die piezoelekt­ rische Aktoreinheit 1 wird mittels Kontaktstiften 4 mit e­ lektrischer Spannung beaufschlagt. Die Kontaktstifte 4 sind jeweils längs der Aktoreinheit 1 angeordnet und stehen mit dem Aktorelement 2 in elektrisch leitender Verbindung. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kontaktstiften 4 wird ei­ ne Längsdehnung des piezoelektrischen Aktorelements 2 er­ zeugt, die beispielsweise zum Stellen eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Das piezo­ elektrische Aktorelement 2 mit den Kontaktstiften 4 ist in einem als Rohrfeder 12 ausgebildeten zylindrischen Hohlkörper angeordnet.

Das piezoelektrische Aktorelement 2 liegt mit seinen Stirn­ flächen jeweils an einer Abdeckplatte 6 bzw. Bodenplatte 8 an, wobei die obere Abdeckplatte 6 Durchführungen 10 auf­ weist, durch die sich die Kontaktstifte 4 erstrecken. Die Ab­ deckplatte 6 und die Bodenplatte 8 sind jeweils form- und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise durch Anschweißen, mit der Rohrfeder 12 verbunden. Alternativ kann die Verbindung zwischen der Rohrfeder 12 und den beiden Platten 6, 8 auch mit Hilfe einer Bördelung erfolgen, wobei die umgebördelten oberen und unteren Randbereiche des Hohlkörpers jeweils in der Abdeck- 6 bzw. Bodenplatte 8 eingreifen. Das piezoelekt­ rische Aktorelement 2 ist durch die beiden Platten 6, 8, die von der Rohrfeder 12 in Position gehalten werden, mit einer definierten Kraft von vorzugsweise 800 N bis 1000 N vorge­ spannt. Um diese Vorspannung aufrechterhalten zu können, wird der das piezoelektrische Aktorelement 2 aufnehmende Hohlkör­ per vorzugsweise aus Federstahl gefertigt, da Federstahl sich durch einen hohen Festigkeitskennwert auszeichnet. Alternativ können jedoch auch andere Materialien, beispielsweise Werk­ stoffe mit niedrigem Elastizitätsmodul, wie zum Beispiel Kup­ fer-Beryllium-Legierungen, eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt die Rohrfeder 12 in Seitenansicht. Die Rohrfe­ der 12 ist ein zylindrischer Hohlkörper, der aus einem Me­ tallrohr gefertigt ist. In eine Mantelfläche 18 der Rohrfeder 12 sind eine Vielzahl von Ausnehmungen 14 eingebracht, die mittels Laserschneiden hergestellt sind. Die länglichen Aus­ nehmungen sind jeweils im wesentlichen senkrecht zur Mit­ telachse 16 der Rohrfeder 12 orientiert. Die Ausnehmungen 14 sind jeweils in Reihen angeordnet, wobei die Ausnehmungen 14 benachbarter Reihen jeweils gegeneinander seitlich versetzt angeordnet sind. Der minimale Abstand zwischen benachbarter Ausnehmungen 14 zweier benachbarter Reihen kann das 0,3- bis 4-fache der Wandstärke der Rohrfeder betragen.

Als Metallrohr kommt insbesondere ein nahtlos gezogenes Stahlrohr, bspw. aus Federstahl, in Frage.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht der mit Ausnehmungen 14 ver­ sehenen Mantelfläche 18 der Rohrfeder 12 gemäß Fig. 2. Hier­ bei sind die Ausnehmungen 14 jeweils keulenartig ausgebildet, so dass sie in einem mittleren Bereich jeweils eine Einschnü­ rung aufweisen. Diese Gestaltung wirkt sich günstig auf die Materialbelastung aus und ermöglicht damit geringe Federstei­ figkeiten der gesamten Rohrfeder 12.

Wahlweise können die Ausnehmungen 14 in Form von regelmäßigen Langlöchern bzw. schmalen Rechtecken ausgebildet sein, wie dies in Fig. 4 beispielhaft dargestellt ist. Als Konturen für die Ausnehmungen 14 kommen annähernd beliebige Formen in Frage, welche zu einer geringeren Federrate in axialer Rich­ tung der Rohrfeder führen. So können die Ausnehmungen bspw. auch als längliche Ausnehmungen mit halbrundförmigen Enden ausgestaltet sein.

Die Rohrfeder kann beispielsweise aus einem nahtlos gezogenen Stahlrohr mit einer Dicke von 1,0 mm oder weniger gefertigt sein. Ein Stahlrohr mit einer Dicke von mehr als 1,0 mm eig­ net sich insbesondere dann, wenn ein Stahl geringerer Festig­ keit verwendet wird.

Um die Festigkeit der Rohrfeder nach dem Laserschneidvorgang weiter zu steigern, kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Alternativ zu den in Fig. 2 gezeigten geradlinigen Stoßkanten der Rohrfeder 12 können beliebige andere Stoßkan­ tenformen, beispielsweise in Form einer Sinuswelle oder einer Zickzacklinie ausgebildet sein, wobei zum Fixieren der Rohr­ feder dann eine entsprechend geformte Schweißnaht bzw. eine Punktschweißung verwendet wird.

Statt einer Fixierung der Rohrfeder 12 durch Schweißen kann eine Fixierung auch durch die oberen und unteren Platten 6, 8 erfolgen, so dass die Stoßkanten nur aneinander anliegen. Hierdurch kann sich eine vorteilhafte Verteilung der Druck- und Federkräfte im Hohlkörper ergeben.

Eine Ausbildung der Aktoreinheit mit einem äußeren Hohlkör­ per, der vorzugsweise als Rohrfeder ausgebildet ist und in dem der piezoelektrische Aktor mittels form- und/oder kraft­ schlüssig mit dem Hohlkörper verbundenen oberen und unteren Abdeckungen vorgespannt ist, ermöglicht aufgrund seines kom­ pakten Aufbaus einen einfachen Transport und einen leichten Ein- und Ausbau, zum Beispiel in ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Rohrfeder (12) in Form eines Hohlkörpers, insbesondere zur Vorspannung eines piezoelektrischen Aktorelements (2) einer Aktoreinheit (1) eines Kraftstoffinjektors, bei dem ein Rohr, insbe­ sondere ein dünnwandiges nahtlos gezogenes Stahlrohr, mittels Strahlschneiden mit einer Vielzahl von regelmä­ ßig angeordneten länglichen Ausnehmungen (14) versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlscheidverfahren insbesondere Laser-, Wasser­ strahl oder Elektronenstrahlschneiden eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Strahlscheiden ein Füllkörpers innerhalb des Hohlkörpers eingefügt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längserstreckungsrichtung jeder Ausnehmung (14) je­ weils im Wesentlichen senkrecht zur Zylindermittelachse (16) der Rohrfeder (12) ausgerichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14) in Reihen angeordnet werden, wobei die Ausnehmungen (14) benachbarter Reihen jeweils gegen­ einander seitlich versetzt angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Abstand zwischen benachbarten Ausnehmungen (14) zweier Reihen das 0,3- bis vierfache der Wandstärke des zylindrischen Hohlkörpers der Rohrfeder (12) beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Rohrfeder (12) verwendete nahtlos gezogene Stahlrohr eine Wandstärke von weniger als 1,0 Millimetern aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff des für die Rohrfeder (12) verwendeten nahtlos gezogenen Stahlrohres ein Federstahl verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrfeder (12) mit Ausnehmungen (14) versehen wird, die insbesondere hantelförmige Konturen mit eingeschnürtem Mittelbereich aufweisen.

10. Aktoreinheit (1) mit einem in einem dünnwandigen zylindrischen Hohlkörper angeordneten piezoelektrischen Aktorelement (2), wobei der Hohlkörper elastisch ausgebildet ist und das Aktorelement (2) vorspannt und wobei der Hohlkörper ein mit einer Vielzahl von länglichen Ausnehmungen (14) versehenes nahtlos gezogenes Stahlrohr ist.

11. Aktoreinheit nach Anspruch 10, bei dem der zylindrische Hohlkörper mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.