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Gegenstand
der Erfindung ist eine verdrehsichere Dichtkegelverbindung zwischen
einem Anschlussnippel und einer Einspritzleitung zur Kraftstoffeinspritzung
bei einer Brennkraftmaschine, wobei der Anschlussnippel eine korrespondierende
Aufnahme für
den Dichtkegel aufweist. Die Verbindung zwischen Dichtkegel und
Aufnahme ist mittels einer, den Dichtkegel an seinem der Dichtfläche abgewandten Ende
entlang einer umlaufenden Schulter umgreifenden, mit dem Anschlussnippel
verschraubbaren Überwurfmutter
herstellbar.
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Dichtkegelverbindungen
der vorstehend beschriebenen Art sind, insbesondere bei heute gebräuchlichen
Common-Rail-Einspritzsystemen, enormen Belastungen ausgesetzt, die
zum einen von dem hohen Einspritzdruck und zum anderen von den Schwingungen
herrühren,
denen sie durch die Vibrationen der Brennkraftmaschine ausgesetzt
sind.
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In
der Praxis hat sich gezeigt, dass zu diesen ohnehin hohen Belastungen
montagebedingte weitere Belastungen hinzu kommen, weil es häufig zu
erheblichen Spannungen in den Einspritzleitungen kommt, wenn diese
mittels der Überwurfmuttern
mit den Anschlussnippeln z.B. am Rail verschraubt werden. Der Grund
liegt darin, dass die Überwurfmuttern,
neben den axialen Dichtkräften, aufgrund
der Reibung zwischen Dichtkegelschulter und Überwurfmutter, beim Aufschrauben
ein Drehmoment unkontrollierbar in die Leitungen einleiten. Dies
führt zu
einer Torsion der eingespannten Leitungen, die in Verbindung mit
den bereits vorher angesprochenen unvermeidlichen Belastungen zu
Leitungsbrüchen
führen
kann, woraus ein erhebliches Sicherheitsrisiko, insbesondere bei
in Fahrzeugen, wie z.B. Automobilen oder Schiffen betriebenen derartigen
Brennkraftmaschinen resultiert.
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Ausgehend
von den vorstehenden Gegebenheiten ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Anordnung anzugeben, die Torsionsspannungen in den Einspritzleitungen
sicher vermeidet.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches
1, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, den Dichtkegel und/oder die korrespondierende Aufnahme für den Dichtkegel
im Anschlussnippel so auszubilden, dass beim Aufschrauben der Überwurfmutter
auf den Anschlussnippel bereits bei sehr kleinem Anpressdruck Formschluss
eintritt. Erreicht wird dies in vorteilhafter Weise dadurch, dass
Dichtkegel und/oder Aufnahme zumindest in Teilbereichen eine Form
aufweisen, die, hinsichtlich des Querschnittes durch den Dichtkegel
und/oder die Aufnahme senkrecht zur Kegelachse, von der Kreisform
abweicht.
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Die
Formabweichung kann dabei im Makrobereich liegen und ist dann an
beiden Verbindungsteilen, dem Dichtkegel und der Aufnahme korrespondierend
vorhanden. Besonders vorteilhaft lassen sich dabei Formabweichungen
realisieren, die einer Ellipse oder einem Polygon angenähert sind.
Unter Makrobereich wird dabei der Größenbereich verstanden, in dem
korrespondierende Formabweichun gen an Dichtkegel und Aufnahme durch
Umformung oder spanabhebende Bearbeitung gezielt herstellbar sind. Nicht
unter diesen Größenbereich
fallen sogenannte Mikrostrukturen, auf die nachfolgend eingegangen wird.
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Die
Formabweichung muss nicht an der gesamten Dichtfläche zwischen
Dichtkegel und Aufnahme vorhanden sein, es genügt vielmehr, wenn sie in vorteilhafter
Weise nur in Teilbereichen vorhanden ist. Dies eröffnet die
Möglichkeit,
die eigentliche Dichtwirkung in dem nicht von der Formabweichung betroffenen
Bereich vorzusehen, was die Herstellkosten der Anordnung erheblich
reduziert.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit,
Formschluss zwischen dem Dichtkegel und der Aufnahme für den Dichtkegel
zu erreichen, besteht darin, an Dichtkegel und/oder Aufnahme sogenannte
Mikrostrukturen vorzusehen, die bereits bei kleinem Anpressdruck
zu einer Mikroverzahnung und damit zu Formschluss zwischen Dichtkegel
und Aufnahme führen.
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Besonders
vorteilhaft erzeugbar sind derartige Mikrostrukturen durch Aufrauen
der Oberfläche. Zum
Erreichen einer entsprechenden, für die Mikroverzahnung notwendigen
Rauigkeit lassen sich vorteilhaft Verfahren einsetzen, bei denen
die zu behandelnde Oberfläche
mit Kleinpartikel gestrahlt wird. Dies bewirkt neben dem Erzeugen
der gewünschten Rauigkeit
auch ein vorteilhaftes Verfestigen der Oberfläche durch die mit dem Strahlen
verbundene Kaltverformung.
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Die
Mikrostrukturen können
vorteilhaft sowohl an dem Dichtkegel als auch an der Aufnahme jeweils
miteinander korrespondierend vorgesehen sein, um die Mikroverzahnung
zu optimieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante ist die erfindungsgemäße, den
Formschluss erzeugende Formabweichung im Makrobereich nur an einem
der korrespondierenden Teile, also an dem Dichtkegel oder an der
Aufnahme vorgesehen, der andere jeweils korrespondierende Teil ist
dagegen plastisch verformbar auszubilden, so dass der Formschluss durch
die plastische Verformung dieses Teils bei der Montage herbeiführbar ist.
Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass beim Erzeugen
der Formabweichung nicht auf ihre Winkellage auf dem Umfang des
Dichtkegels bzw. der Aufnahme geachtet werden muss, die richtige
Winkelstellung ist vielmehr bei der Montage erzeugbar.
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Beispiele,
aus denen sich weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung
ergeben, sind nachfolgend unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch Dichtkegel, Aufnahme und Überwurfmutter
entlang der Symmetrieachse in einer ersten Ausführungsform
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Anordnung entlang der Linie A-A in 1
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3 eine
Schnittdarstellung durch die Anordnung entlang der Linie B-B in 1
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4 eine
Schnittdarstellung durch die Anordnung entlang der Linie C-C in 1
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5 eine
Schnittdarstellung analog der Darstellung in 3 mit einer
alternativen Ausführungsform
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6 eine
Schnittdarstellung durch Dichtkegel, Aufnahme und Überwurfmutter
entlang der Symmetrieachse in einer zweiten Ausführungsform
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Ein
Schnitt durch eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
ist in 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Dargestellt
sind ein Dichtkegel 1, eine Überwurfmutter 2 und
ein Anschlussnippel 3 in montiertem Zustand, die Schnittebene
verläuft
entlang der Symmetrieachse 4 der Anordnung. Der Dichtkegel 1 ist
durch Aufstauchen an eine röhrenförmige Einspritzleitung 5 angeformt
und weist an seiner Rückseite
eine umlaufende Schulter 6 auf, die als Anlage für die an
der Überwurfmutter 2 angeordnete
ebenfalls umlaufende Andruckfläche 7 dient.
Der Dichtkegel 1 liegt in der Aufnahme 8 des Anschlussnippels 3,
der ebenfalls röhrenförmig ausgebildet
ist und sich z.B. an einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Druckrohr (Rail) einer Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen
(nicht dargestellt) befindet. Die Verbindung und Abdichtung der Anordnung
wird durch die Überwurfmutter 2 bewirkt, die über ein
Gewinde 9 mit dem Anschlussnippel verbunden ist. Beim Aufschrauben
der Überwurfmutter 2 auf
den Anschlussnippel 9 drückt diese über ihre umlaufende Andruckfläche 7 auf
die umlaufende Schulter 6 und presst den Dichtkegel 1 in
die Aufnahme 8 des Anschlussnippels 3. Die Dichtwirkung
wird nun dadurch erreicht, dass der Dichtkegel 1 im Bereich der
Schnittlinie A-A ohne Zwischenraum an die Aufnahme 8 angepresst
ist. Der Schnitt entlang der Schnittlinie A-A ist in 2 gezeigt.
Es ist erkennbar, dass der Dichtkegel 1 durch die mittels
der Überwurfmutter
in Richtung der Symmetrieachse 4 wirkende Kraft in die
Aufnahme 8 hineingepresst ist, wodurch sich eine druckfeste
Abdichtung ergibt.
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Um
zu vermeiden, dass beim Aufschrauben der Überwurfmutter 2 auf
den Anschlussnippel 3 eine Torsionskraft in die Einspritzleitung 5 eingeleitet
wird, sind sowohl der Dichtkegel 1 als auch die Aufnahme 8 so
ausgebildet, dass ihre Form hinsichtlich des Querschnittes senkrecht
zur Dichtkegelachse im Bereich der Schnittlinie B-B von der Kreisform
abweicht, wie dies in der den Schnitt B-B zeigenden 3 gezeigt
ist. Der von der Überwurfmutter 2 in
die Aufnahme 3 gepresste Dichtkegel 1 ist in diesem
Bereich als elliptischer Kegel ausgebildet, was sich in der Schnittdarstellung
in der elliptischen Umfangslinie zeigt. Die Form der Aufnahme 8 ist
in dem dargestellten Bereich korrespondierend. Der Übergang
von dem kreisförmigen
Bereich in 2 zu dem elliptischen Bereich
in 3 erfolgt im gezeigten Beispiel kontinuierlich,
kann aber natürlich
vom dargestellten Beispiel abweichend auch klar abgegrenzt erfolgen.
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Wird
bei der vorstehend beschriebenen Anordnung die Überwurfmutter 2 angezogen,
tritt bereits bei geringen Andruckkräften zwischen Dichtkegel 1 und
Aufnahme 8 Formschluss ein, eine Torsion der Einspritzleitung
durch das Festziehen der Überwurfmutter
kann nicht mehr erfolgen. Einen Schnitt durch die Anordnung im Bereich
der umlaufenden Schulter 6 entlang der Schnittlinie C-C
zeigt 4. Die Überwurfmutter 2 presst über die
umlaufende Schulter 6 den Dichtkegel 1 in die
Aufnahme 8.
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Für das Erzeugen
der in 3 gezeigten Formabweichung kommen im Grunde alle
formgebenden Verfahren in Frage. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Formabweichung am Dichtkegel zusammen mit dem Anstauchen des
Dichtkegel an der Einspritzleitung erfolgt, die korrespondierende
Formabweichung der Aufnahme lässt
sich ebenfalls vorteilhaft durch Kaltumformung erreichen, dabei
kann es, wie in 1 gezeigt, hilfreich sein, an
dem Anschlussnippel, an dessen dem Dichtkegel zugewandtem Ende,
einen um die Aufnahme 8 konzentrisch umlaufenden dünnen Kragen 10 vorzusehen,
der außerhalb
des Gewindes 9 liegt und sich so ohne Einfluss auf die
Dichtfläche
zwischen Dichtkegel 1 und Aufnahme 3 sowie ohne
Einfluss auf das Gewinde 9, in der notwendigen Weise umformen
lässt.
Selbstverständlich
kann auch die Formgebung an der Aufnahme 8 mit allen bekannten
Formgebungsverfahren erfolgen.
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Eine
von dem vorstehend beschriebenen Beispiel abweichende Form von Dichtkegel
und Aufnahme ist in 5 gezeigt. Auch hier handelt
es sich um eine Schnittdarstellung entlang der in 1 mit B-B
bezeichneten Linie. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Schnitt
durch den Dichtkegel 1' eine an
ein Quadrat angenäherte
Polygonform auf, die Aufnahme 3' ist korrespondierend, also ebenfalls
der Polygonform angenähert
ausgebildet.
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Selbstverständlich ist
die Formgebung an Dichtkegel und Aufnahme nicht auf die vorstehend aufgezeigten
Formen begrenzt, es können
vielmehr alle einen Formschluss herstellenden Formen gewählt werden.
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Zu
solchen alternativen Formen zählen
auch sogenannte Mikrostrukturen, die, wenn man die vorstehend in
Verbindung mit den 3 und 5 beschriebenen
Querschnittflächen
heranzieht, einem unregelmäßigen Polygon
entsprechen. Von den vorstehend angesprochenen Mikrostrukturen ist
es bekannt, dass bei deren Anpressen an eine Fläche, die über eine gewisse Rauigkeit
verfügt,
Mikroverzahnung und damit Formschluss eintritt.
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Eine
entsprechende Anordnung ist beispielhaft in 6 gezeigt.
Nachdem in dieser Figur wiederum die gleichen Bauteile wie in 1 auftauchen, sind
die jeweiligen Bezugszeichen um 10 erhöht. Es werden in Verbindung
mit 6 nur die von 1 abweichenden
Merkmale beschrieben, zu allen übrigen
Aspekten wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
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Die 6 zeigt
an dem Dichtkegel 11 angeordnet eine bandförmig umlaufende
Mikrostruktur 20 die in dem Bereich des Dichtkegels 11 liegt,
der in die Aufnahme 18 des Anschlussnippels 13 eintaucht, bzw.
an dieser anliegt. Im unteren Bereich der Dichtkegeldarstellung
ist dieser ausgebrochen gezeigt, so dass erkennbar wird, dass eine
zur ersten Mikrostruktur 20 korrespondierende zweite Mikrostruktur 21 auch
auf der Oberfläche
der Aufnahme 18 angeordnet ist. Bei den Mikrostrukturen
handelt es sich um mikroskopische Erhöhungen bzw. Vertiefungen die
regelmäßig oder
dem Zufallsprinzip folgend in dem jeweiligen Bereich angeordnet
sind. Werden Dichtkegel 11 und Aufnahme 18 mittels
der Überwurfmutter
zusammengepresst, kommt es bereits bei geringen Anpressdrücken zwischen
der ersten Mikrostruktur 20 und der zweiten Mikrostruktur 21 zu
einer sogenannten Mikroverzahnung und damit zum Formschluss auf
mikroskopischer Ebene, Dichtkegel 11 und Aufnahme 18 können keine
Relativbewegung zueinander mehr ausführen, eine Torsion der Einspritzleitung 15 kann
durch das Anziehen der Überwurfmutter
nicht mehr erfolgen.
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Zur
Herstellung der Mikrostrukturen 20, 21 bieten
sich Verfahren an, mit denen ein Aufrauen der Oberfläche erreichbar
ist, dazu zählen
z.B. Strahlverfahren mit Kleinpartikel, die unter dem volkstümlichen
Begriff „Sandstrahlen" bekannt sind. Mit
solchen Verfahren lässt
sich neben der notwenigen Rauigkeit auch eine Verfestigung der Oberfläche erreichen,
weil es durch den Strahlprozess zu Kaltverformungen der Oberflächen in
gestrahlten Bereich kommt, die bekanntermaßen zu der angesprochenen Verfestigung
führen.
Eine solchermaßen
aufgeraute und verfestigte Oberfläche eignet sich bestens zum Herbeiführen der
gewünschten
Mikroverzahnung bereits bei geringen Anpressdrücken.
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Die
vorstehend beschriebene Anordnung der Mikrostrukturen an beiden
Bauteilen, also an Dichtkegel 11 und Aufnahme 18 ist
nicht zwingend, weil jede Oberfläche
eine gewisse Rauigkeit besitzt. Es kann also ausreichend sein die
Mikrostruktur nur an einer Oberfläche also an Dichtkegel 11 oder
Aufnahme 18 vorzusehen.
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Desweiteren
können
die Mikrostrukturen 20, 21 an der eigentlichen
Abdichtung der Anordnung beteiligt sein, es besteht aber auch die
Möglichkeit, dass
die eigentliche Abdichtung in einem anderen Bereich der Anordnung
erfolgen.
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In
Abwandlung des in 1 gezeigten Beispieles kann
es schließlich
vorgesehen sein, die Formabweichung im Makrobereich nur an einen
Bauteil, z.B. am Dichtkegel vorzusehen und das andere Bauteil also
z.B. die Aufnahme in dem zur Formabweichung korrespondierenden Bereich
plastisch verformbar auszubilden. Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise
eröffnet
die Möglichkeit,
z.B. bei der Anformung des Dichtkegels an eine Einspritzleitung durch
Anstauchen, die Winkellage der Formabweichung an dem einen Bauteil
außer
Acht zu lassen und die Formabweichung am Gegenstück, also z.B. an der Aufnahme,
erst bei der Montage herzustellen. Dies kann in der Weise erfolgen,
dass der in 1 dargestellte umlaufende Kragen 10 kreisförmig aber plastisch
verformbar ausgebildet ist und die Formabweichung an der Aufnahme
vor der Montage mittels eines Werkzeuges durch Verformen des umlaufenden
Kragens 10 so erzeugt wird, dass die Winkellage der Formabweichung
der am Dichtkegel entspricht. Eine andere Möglichkeit, die Formabweichung
in richtiger Winkellage herbeizuführen besteht darin, den Kragen 10 erst
beim Herstellen der Verbindung mittels der Überwurfmutter durch den Anpressdruck des
Dichtkegels, zu verformen.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungen
lassen sich selbstverständlich
mit dem Fachmann zugänglichem
Fachwissen auf vielfältige
Weise ausgestalten, ohne den grundlegenden erfinderischen Gedanken
zu verlassen, es kommt diesen Ausführungsformen somit nur Beispielcharakter
zu.