DE102005046269B4

DE102005046269B4 - Rohrfeder und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102005046269B4
Application number: DE102005046269A
Authority: DE
Inventors: Klaus Frietsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: DE102005046269A1

Abstract

Eine Rohrfeder (12) für einen insbesondere piezoelektrischen Aktor (10), welcher etwa der Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils für Kraftstoffeinspritzanlagen dient, weist mehrere Reihen von peripher gegeneinander versetzten Freisparungen (13) auf, die quer zur Hohlkörper-Achse (14) verlaufen. Die erfindungsgemäße Rohrfeder (11) ist mittels Pulverspritzgießens als im Querschnitt exakter Hohlzylinder mit gleich eingeformten Freisparungen (13) hergestellt und erbringt deshalb eine über den Umfang ihrer Stirnenden gleichmäßige Lastverteilung.

Description

Die Erfindung betrifft eine als Rohrfeder bekannte, axial zu belastende Hülse mit durchbrochener Wandung und ein Herstellungsverfahren für solche Rohrfedern gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Hauptansprüche.

Eine derartige Rohrfeder findet insbesondere zur Vorspannung eines aus einem Stapel piezoelektrischer oder magnetostriktiver Elemente aufgebauten Aktors Anwendung, der vorzugsweise sich durch das Innere der Hülse erstreckt und zwischen ihren Stirnenden eingespannt ist. Mittels derartiger Aktoren werden etwa Einspritzventile an Verbrennungsmotoren (vgl. WO 00/08353 A1 oder DE 1 01 49 746 C1 ) oder Laserspiegel zum Verändern ihrer Ausrichtung im Raum oder ihrer reflektierenden Topologie (vgl. DE 41 38 557 A1 ) gemäß elektrischer Ansteuerung druckbeaufschlagt.

Derartige Aktoren müssen zum Vermeiden ihrer Selbstzerstörung stets unter axialer mechanischer Druckbelastung betrieben werden; insbesondere sind Zug- oder Biegebeanspruchungen möglichst auszuschließen. Deshalb ist anzustreben, daß die Stirnflächen des Stapels der Aktor-Elemente ringsum völlig gleichmäßig und dadurch momentenfrei druckbeaufschlagt werden. Das ist aber nicht unbedingt gewährleistet, wenn eine solche Rohrfeder gemäß dem Stande der Technik aus gelochtem kaltgewalztem Stahlblech zu einem durchbrochenen Hohlzylinder gebogen wird, selbst wenn dieser Biegevorgang zu einem ideal runden Querschnitt führen würde. Denn in der Umgebung der Erzeugenden, bei welcher die beiden dann auf einander zu weisenden Ränder des Bleches stumpf zusammenstoßen, herrschen zwangsläufig andere Lastaufnahmegegebenheiten, als etwa gegenüberliegend im Bereiche der im Bogen durchgehenden Hohlzylinderwandung. Die Verhältnisse verschlechtern sich sogar noch, wenn jener Wandungsstoß zum Erhöhen der Tragfähigkeit verschweißt wird, weil das in der Umgebung der Schweißnaht veränderte Blechgefüge zu lokal anderen Material- und damit Federungseigenschaften führt und dadurch die anzustrebende, exakt axiale Druckbeanspruchung des Stapels der Aktor-Elemente unterbindet. Deshalb müssen die derart, in herkömmlicher Biegetechnik, erstellten Rohrfedern vor ihrem Einsatz Stück für Stück einem zeit- und kostenaufwendigen Ausleseprozeß hinsichtlich ihres Lastaufnahme- und Federverhaltens unterworfen werden, und die Fertigungsausbeute ist entsprechend mäßig. Eine bessere Produktionsausbeute verspricht insofern das Herstellen einer Rohrfeder durch Laserschneiden der Ausnehmungen in ein nahtlos gezogenes Stahlrohr, aber das Herstellungsverfahren ist teurer und garantiert gerade an den Rändern der funktionswesentlichen Ausnehmungen keine homogene Materialeigenschaften.

In der DE 25 01 397 A1 geht es darum, daß die auf lastabhängigen Verformungen beruhenden nichtlinearen Eigenschaften einer nur im entspannten Zustand wirklich hohlzylindrischen und torsionsspannungsfreien Schraubenfeder dadurch überwunden werden können, daß aus mehreren axial distanzierten koaxialen Ringgliedern eine käfigartige Feder erstellt wird, indem die Ringglieder durch in Umfangsrichtung unter großer Distanz gegeneinander versetzte achsparallele schmale Stege miteinander zu einem rohrförmigen Körper verbunden werden. Diese Verbindungsstege können im Interesse unterschiedlicher Flexibilität einzelner Federabschnitte verschiedene Längen und Stärken haben. Für die Herstellung der Feder ließen sich alle metallischen Technologien einsetzen, wie das Gießen, Fräsen, Sintern, Zerschneiden, Verschweißen oder Elektroerodieren. Wenn die Feder aus Kunststoff bestehe, könne sie kostensparend im Spritzguß gefertigt werden.

Aus der DE 1 01 18 254 A1 ist es bekannt, einen kompliziert geformten Gegenstand in einzelnen Teilen jeweils einfacherer Geometrie aus thermoplastisch gebundenem Pulver zu spritzen und diese einzeln erstellten Grünlinge dann zusammengefügt, also insgesamt zu entbindern und zu sintern.

In Erkenntnis der eingangs geschilderten Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, – möglichst sogar unter Reduzie rung des Herstellungsaufwandes bei Minderung des Fertigungsausschusses – eine Rohrfeder gattungsgemäßer Art mit gleichmäßig über ihre Stirnenden verteilter Lastaufnahme zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die jeweilige Kombination der in den Hauptansprüchen genannten wesentlichen Merkmale gelöst.

Nach dieser Lösung wird die Rohrfeder zum Vorspannen eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktors in der sogenannten MIM-(Metal-Injection-Molding)- oder in CIM-(Ceramic-Injection-Molding)-Technologie erstellt, also ähnlich wie beim Spritzgießen von Kunststoffteilen im Spritzgießverfahren mit gebundenem Pulver ein so genannter Grünling erzeugt, der anschließend z.B. thermisch entbindert und schließlich gesintert wird. Je nach Wahl des Werkstoffes können solche Rohrfedern nach dem Sintern auch noch gehärtet und angelassen oder vergütet werden. Da solche Rohrfedern nur für unter Aktor-Ansteuerung minimale Wege, der Vorspannung entgegen, ausgelegt sein müssen, kann die erforderliche Festigkeit schon durch bloßes Beimengen von Legierungsbestandteilen (wie insbesondere Cr, Ni oder C) in ein zu verarbeitendes Metallpulver erzielt werden. Das Pulvermaterial muß aber nicht Stahl, es kann wie erwähnt auch Keramik sein.

Jedenfalls ergibt sich unmittelbar eine Rohrfeder von exakt hohlzylindrischer Querschnittsgeometrie und deshalb mit über ihrem gesamten jeweiligen stirnseitigen Umfang gleich bleibender Lastaufnahmeverteilung.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung tritt so die bisher infolge lokaler Stanz-, Biege- und Schweißbeanspruchungen von Federblechen dem wünschenswerten Verhalten der Rohrfeder abträgliche Beeinflussung des Federmaterial-Gefüges, etwa längs einer Wandungsnaht und in der Umgebung ausgestanzter Wandungsdurchbrechungen, nicht mehr auf. Momenten- oder Querbeanspruchungen der Aktor-Elementenstapel infolge ungleichmäßiger Lastaufnahmeverteilung sind dadurch vermieden, und somit die bisher funktionsgefährdenden, überlagerten Querkräfte beim axialen Einspannen des Aktors in die Rohrfeder ausgeschaltet. Deshalb entfällt die bisher erforderliche Vielzahl komplexer Fertigungs- und Prüfarbeitsgänge, die Rohrfeder kann nun kostengünstig unter sehr geringem Zeitaufwand gefertigt werden.

Als Spritzgusswerkzeug können beispielsweise gesechselte Backenwerkzeuge eingesetzt werden, um deren radiales Öffnen behindernde Hinterschneidungen an exakt radial begrenzten Ausnehmungen in der Hohlzylinderwandung zu vermeiden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird für den Pulverspritzguß ein Bindemittel auf POM-(Polyacetal)-Basis eingesetzt. Das erbringt den Vorteil, mit diesem Material auch ein preisgünstiges kernartiges Einlegeteil für das Spritzwerkzeug erstellen zu können, welches beim Gießvorgang insbesondere die für die Federeigenschaften maßgeblichen Ausnehmungen in der Wandung der Rohrfeder sternförmig, radial bezüglich der Rohrachse, gleich mit freispart, indem es im Zuge des dann folgenden Entbinderns des Grünlings mit entfernt wird. Deshalb brauchen diese Freisparungen in der Hohlzylinderwandung nicht mittels radialer Vorsprünge an der Spritzgußform erzeugt zu werden, was den Einsatz der viel einfacheren und deshalb besonders preisgünstig erstellbaren Backenwerkzeuge nach Art von bloß hohlzylindrischen Halbschalen, also mit glatten Innenwandungen ermöglicht. Um möglichen Lufteinschlüssen im Grünling vorzubeugen, werden die Werkzeuge ergänzend zu den üblichen Entlüftungssystemen zweckmäßigerweise evakuiert betrieben.

Vorteilhaft ist es, als weiteres Einlegeteil in das Werkzeug eine die Außenwandung der Rohrfeder bestimmende Hülse aus Bindemittel einzusetzen. Damit kann sogar ein komplettes hohlzylindrisches Werkzeug als Verbrauchsteil aus Bindemittel erstellt werden, was die Werkzeugkosten weiter reduziert. Das erbringt darüber hinaus nicht nur den Vorteil, daß dadurch die sonst, vom Backenstoß, leicht am Grünling entstehenden Grate vermieden werden; sondern diese äußere Hülse wirkt auch als mechanischer Schutz des frisch spritzgegossenen aber noch nicht verfestigten Grünlings bei seinem Ausstoß aus der Spritzgussmaschine in einen Auffangbehälter, und danach beim weiteren Handhaben, etwa beim Einsetzen in die Entbinderungsanlage.

Statt am zentralen Kern – oder zusätzlich dazu – könnten die radial vorstehenden Profile zum Freisparen der Wandungsdurchbrechungen prinzipiell auch auf der Innenmantelfläche der äußeren Hülse ausgebildet werden, was allerdings auf der Außenmantelfläche des Kernes einfacher realisierbar ist.

Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Wandstärke der hohlzylindrischen Querschnittsgeometrie ist es vorteilhaft, einen zylindrischen Schleppkern im Spritzwerkzeug einzusetzen und dadurch die herkömmlichen Werkzeugkerne mit ihrer Entformungskonizität zu ersetzen. Am Außendurchmesser der Rohrfeder kann auf die Entformschräge auch dann verzichtet werden, wenn kein Backenwerkzeug verwendet wird, da der Außendurchmesser des Spritzteils von der Werkzeugwandung in Richtung der Rohrkörperachse schwindet. Andererseits kann durch die Formgebung, zumal im besonders knickgefährdeten mittleren Bereich der Rohrfeder, eine über ihre Längserstreckung konvexe Wandungsverstärkung gezielt erzeugt werden. Diese achsparallele, in der Form konkave Kontur kann prinzipiell in die Innenflächen des Backenwerkzeugs eingearbeitet werden. Vorteilhafter noch ist es, sie bei der Formgebung der erwähnten zusätzlichen Entbinderhülse zu berücksichtigen, die dann zu ihrem Entformen beispielsweise radial geteilt ist.

Im stirnseitigen Halte- und Zentrierbereich der Rohrfeder können praktisch beliebig gestaltete Flansche bzw. Zentrierbünde gleich mit angeformt werden, um damit Funktionen zusätzlicher Bauteile zu übernehmen. Dies erspart Kosten für getrennt beizustellende Aktorbauteile und diesbezügliche Montage- und Prüfoperationen. Besondere mechanische Anforderungen der Einbauumgebung, etwa hinsichtlich der Elastizität eines Montageflansches, können durch unterschiedliche Materialien in Zweikomponenten-Spritzgußtechnik gleich mit berücksichtigt werden.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich so in wenigen Arbeitschritten unmittelbar ein homogener Rohrkörper, insbesondere ohne Bindenaht und deshalb ohne Stirnbereiche mit Kerbwirkungen oder Spannungsüberhöhungen. Die bei Rohrfedern üblicherweise geforderten Toleranzen in Bezug auf Planparallelität, Durchmesser und Länge sind in der Technologie der erfindungsgemäß eingesetzten MIM- und CIM-Prozesse ohne weiteres einhaltbar. Die bisherige, aufwendige Nachbehandlung der Rohrfeder ist deshalb jedenfalls stark reduziert, unter Umständen sogar überhaupt nicht mehr erforderlich.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung einer bevorzugten praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt symbolisch vereinfacht und nicht ganz maßstabsgerecht skizziert:
1 eine Ausführung der Rohrfeder ohne Montageflansche in schräger Ansicht,
2 im Halbschnitt ein hohlzylindrisches, auf seiner Außenwandung profiliertes zentrales Einlegeteil für den Pulverspritzguß,
3 das Einlegeteil gemäß 2 in einem Spritzgußwerkzeug, skizziert im Querschnitt mittig durch auf die Außenmantelfläche des Einlegeteiles aufgeformte Profile,
4 entsprechend der Darstellung in 3 den zusätzlichen Einsatz einer äußeren Hülse als bei einfachem, hohlzylindrischem Kern innenwandig profilierbares Einlegeteil,
5 ein Sechsfach-Backenwerkzeug, wiederum im Querschnitt in Höhe von Ausnehmungen in der hohlzylindrischen Wandung der Rohrfeder, und
6 eine Rohrfeder entsprechend 1 aber mit angeformten Montageflanschen.
Die Rohrfeder 11 gemäß 1 oder 6 ist ein im Pulverspritzguß erstellter homogener hohlzylindrischer Körper mit vielfach durchbrochener Wandung 12. In den zentralen Hohlraum 9 der Rohrfeder 11 ist ein aus etwa piezoelektrischen Elementen gestapelter Aktor 10 axial eingespannt.
Die Wandung 12 durchbrechende Freisparungen 13, die in als solcher bekannter Weise wie skizziert in verschiedenen Axialebenen um Stege 15 peripher gegeneinander versetzte etwa knochenförmige Umrisse mit Längserstreckung quer zur Zylinderachse 14 aufweisen, bestimmen, abgesehen von den mechanischen Eigenschaften des Zylindermantelmaterials, über die Breite der dazwischen verbliebenen Stege 15 das elastische Verhalten der Rohrfeder 11.
Die etwa gemäß 6 an die Stirnenden 16 der Rohrfeder 11 gleich mit angeformte Flansche 17 dienen der anwendungsbezogenen Einbauzentrierung und Montagebefestigung dieser mit einem Aktor 10 bestückten Rohrfeder 11. Die Montage bezieht sich dabei sowohl auf das axiale Einspannen des Aktors 10 in den Hohlraum 9 der Rohrfeder 11 wie auch deren späterer Einbau in die Wirkumgebung.
Ein gemäß 2 bis 4 zentrales Einlegeteil 18 aus auch für das Pulver der Rohrfeder 11 verwandtem Bindermaterial fungiert als Kern in einer Spritzgußform 19. Die Außenwand 20 des Einlegeteils 18 kann gemäß 3 aufgeformte Profile 21 tragen, deren radiale Höhe der Wandstärke der Rohrfeder 11 entspricht und die im Grundriß jeweils die Knochenform der dadurch beim Spritzguß entstehenden Freisparungen 13 aufweisen. Zusätzlich kann etwa gemäß 4 ein zweites, die Wandung der Rohrfeder 11 umgebendes Einlegeteil 22 vorgesehen sein, wie einleitend dargestellt.
Die Form 19 kann abweichend von 3/4 auch etwa gemäß 5 als gestapeltes Backenwerkzeug aufgebaut sein. Dann liegt die Backentrennebene jeweils in der radialen Mittenachse einer Aussparung für einen Steg (15) zwischen zwei einander in Längsrichtung benachbarten Freisparungen (13) in der Rohrfeder-Wandung (11; vgl. 1).
Jedenfalls kann erfindungsgemäß in einem einzigen Spritzgußvorgang eine exakt hohlzylindrische Rohrfeder 11 mit ihren das Federverhalten beeinflussenden Freisparungen 13 als Grünling erstellt werden, aus dem gegebenenfalls ein zentrales Einlegeteil 18, auch ein zusätzliches äußeres Einlegeteil 22, im Zuge des Entbinderns des Grünlings gleich mit entfernt wird, wodurch zugleich die Freisparungen 13 durch die Hohlzylinderwand 12 der Rohrfeder 12 eingebracht sind.

Claims

Rohrfeder (11) mit durchbrochener Wandung (12) zur Aufnahme eines axial vorzuspannenden piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktors (10), dadurch gekennzeichnet, daß sie ein in einem Metall- oder Keramikpulverspritzgußverfahren mit durch seine Wandung (12) eingeformten Freisparungen (13) erstellter Hohlzylinder ist.
Rohrfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wandstärke partiell unterschiedlich ist.
Rohrfeder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an ihre Stirnenden Flansche (17) oder andere Montagehilfen angeformt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Rohrfeder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als hohlzylindrischer Grünling im Pulverspritzguß mit freigesparten Wandungsdurchbrechungen erstellt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzguß in eine Form mit Einlegeteil erfolgt, dessen Außenwand aufgeformte Profile für Freisparungen trägt.
Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres, den späteren Grünling dann hülsenförmig umgebendes Einlegeteil in die Spritzgußform eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einlegeteile aus einem Bindemittel, das auch für das Metall- oder Keramikpulver angewandt wird.
Verfahren nach einem der vier vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Polyacetal (POM) als Material für das Einlegeteil.
Verfahren nach einem der fünf vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines Backenwerkzeugs für das Spritzen des Grünlings.
Verfahren nach einem der sechs vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines Spritzgusswerkzeuges mit Schleppkern.
Verfahren nach einem der sieben vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrische Hülse der Rohrfeder im Zweikomponenten-Spritzgußverfahren aus anderem Material gespritzt wird, als deren Stirnbereich mit gegebenenfalls hier angeformten Zentrier- und Montageprofilen.
Verfahren nach einem der acht vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines evakuierten Spritzgußwerkzeugs.