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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Schaltventil nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her bekannt sind Schaltventile, welche mittels eines Elektromagneten betätigbar sind, beispielsweise Mengensteuerventile oder Einspritzventile in Kraftstoffsystemen von Brennkraftmaschinen. In einer ersten Ausführung solcher Ventile kann das Ventil ohne Bestromung des Elektromagneten durch eine Feder offen gehalten werden. Bei Bestromung wird ein Ventilelement mittels Magnetkraft bewegt, so dass das Ventil schließen kann. In einer alternativen zweiten Ausführung kann das Ventil ohne Bestromung des Elektromagneten schließen und bei Bestromung mittels Magnetkraft öffnen.
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Beispielsweise ist ein Anker des Elektromagneten fest auf einem Endbereich eines zylindrischen (nadelartigen) Ventilelements angeordnet, welches die eigentliche Ventilfunktion ausführt. Das Ventilelement kann auch eine so genannte Führungsnadel sein, welche einen Ventilkörper zur Durchführung der Ventilfunktion betätigen kann. Ebenfalls bekannt ist es, den Anker auf das Ventilelement aufzupressen. Dies ist ein kostengünstiges Verfahren, das zu einer robusten Verbindung von Anker und Ventilelement führt.
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Weiterhin ist es bekannt, den Anker von jener axialen Richtung her aufzupressen, welche dem besagten Endbereich des Ventilelements entspricht. Dazu wird im Allgemeinen eine Kraft auf das von dem Anker abgewandte Ende des Ventilelements aufgebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Schaltventil nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein Anker eines Elektromagneten auf einen Endbereich eines im Wesentlichen nadelartigen Ventilelements eines Schaltventils aufgepresst werden kann, wobei eine Stirnfläche des Ankers und eine Stirnfläche bzw. ein Endbereich des Ventilelements, welche eine spezifische Funktion beim Betrieb des Schaltventils ausführen, nicht beschädigt und/oder in der Maßhaltigkeit verschlechtert werden. Außerdem kann der Pressvorgang robust durchgeführt, und die Herstellung des Ankers vereinfacht und somit verbilligt werden.
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Die Erfindung berücksichtigt, dass der Anker ein erstes Ende (Stirnfläche) aufweist, welche die Funktion eines Anschlags – beispielsweise an einem Polkern – hat, und dass der Anker ein zweites Ende (Stirnfläche) aufweist, welches in vielen Fällen keine spezifische Funktion hat. Ebenso wird berücksichtigt, dass das Ventilelement an einem ersten Endbereich ein erstes Ende (Stirnfläche) aufweist, welches keine spezifische Funktion hat, und dass das Ventilelement an einem zweiten Endbereich ein zweites Ende (Stirnfläche) aufweist, welche beispielsweise mit einem Dichtabschnitt des Schaltventils zusammenwirkt. Die Attribute ”erst” und ”zweit” bedeuten dabei für den Anker und das Ventilelement jeweils gleichsinnige axiale Richtungen. In dem verpressten Zustand des Ankers und des Ventilelements weisen die erste Stirnfläche des Ankers und die zweite Stirnfläche des Ventilelements also in gegensätzliche axiale Richtungen. Weiterhin wird berücksichtigt, dass die axiale Länge des Ventilelements größer ist als die axiale Länge des Ankers und somit das Ventilelement in zumindest einer axialen Richtung über den Anker übersteht.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die zur Herstellung der Pressverbindung erforderlichen axialen Kräfte groß sind, und somit der Anker und/oder das Ventilelement beschädigt werden können. Die mögliche Beschädigung des Ankers und/oder des Ventilelements ist jedoch dann wenig erheblich, wenn die für den Pressvorgang erforderlichen Kräfte auf solche (axialen) Flächen des Ankers und des Ventilelements aufgebracht werden, die im Betrieb des Elektromagneten bzw. des Schaltventils keine spezifische Funktion übernehmen und somit vergleichsweise unempfindlich gegen Beschädigung oder eine verschlechterte Maßhaltigkeit sind. Daher wird erfindungsgemäß der Anker von dem zweiten Endbereich des Ventilelements her auf das Ventilelement aufgeschoben und weiter in Richtung des ersten Endbereichs geschoben, bis der Anker seine axiale Endlage in Bezug auf das Ventilelement erreicht hat.
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Das Verfahren wird verbessert, wenn der erste Endbereich des Ventilelements, an dem der Anker mit dem Ventilelement befestigt ist, einen größeren Durchmesser aufweist als der restliche Bereich des Ventilelements, über den der Anker auf das Ventilelement aufgeschoben wird. Dadurch wird erreicht, dass der Anker über den vergleichsweise langen restlichen Bereich des Ventilelements – also im Wesentlichen der zweite Endbereich – geschoben werden kann, ohne dass dazu erhebliche Kräfte erforderlich sind und ohne dass eine Beschädigung des Ankers und/oder des Ventilelements erfolgt. Erst in der Umgebung der axialen Endlage des Ankers – also an dem ersten Endbereich des Ventilelements – wird die axial aufzubringende Kraft entsprechend dem größeren Durchmesser des Ventilelements und entsprechend der gewünschten Presskraft größer. Dabei werden die zum Pressen erforderlichen Kräfte über den axial kleinsten Abstand auf die beiden Presspartner aufgebracht, und somit auch einer eventuellen Verbiegung des Ventilelements vorgebeugt.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der Anker auf das Ventilelement aufgepresst wird, indem das erste Ende des Ventilelements und das von diesem abgewandte Ende des Ankers mit Kraft und Gegenkraft beaufschlagt werden. Dadurch werden jeweils jene Enden des Ventilelements bzw. des Ankers während des Pressvorgangs mit axialer Kraft beaufschlagt, welche im Betrieb des Schaltventils im Wesentlichen funktionslos sind, so dass sich eventuelle Beschädigungen der Enden nicht auf die Eigenschaften des Schaltventils auswirken können.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht bei einem Ventilelement mit unterschiedlichen Durchmessern vor, dass das Ventilelement mit einem stetigen Übergang zwischen dem ersten Endbereich und dem restlichen Bereich hergestellt wird. Beispielsweise kann der Übergang längs einer vergleichsweise kurzen axialen Strecke mit einer konstanten Steigung erfolgen, wobei der Übergang an seinem Anfang und an seinem Ende auch ”abgerundet” ausgeführt sein kann. Dadurch können Kraftspitzen während des Pressvorgangs vermieden werden, und die Dauerfestigkeit des Ventilelements im Betrieb erhöht werden.
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Die Herstellung des Ankers wird vereinfacht und verbilligt, wenn die Ankerkontur einschließlich einer mittigen Bohrung für die Aufnahme des Ventilelements und vorzugsweise einer Einführfase in einer einzigen Aufspannung gedreht wird. Diese vorteilhafte einseitige Bearbeitung wird durch die Erfindung erst ermöglicht, indem die Einführfase des Ankers auf derselben axialen Seite angeordnet ist, wie die plane Stirnfläche des Ankers, welche im Betrieb mit einem Polkern magnetisch zusammenwirkt und daher besonders enge Toleranzen erfordert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Ankerkontur, die mittige Bohrung und die Einführfase zueinander maximal zentrisch hergestellt werden können, da ein Umspannen des Werkstücks entfällt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die vom zweiten Ende des Ventilelements abgewandte Stirnseite des Ankers verchromt oder in einer anderen Weise hart beschichtet wird. Weil dieses Ende des Ankers für den Pressvorgang nicht mit Kraft beaufschlagt wird, kann die Verchromung bereits in einem vorangehenden Herstellschritt erfolgen. Dadurch können Herstellkosten gesenkt werden. Die oben beschriebene Einführfase kann außerdem einen eventuellen so genannten ”Chromüberlauf” aufnehmen.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine teilweise Schnittdarstellung eines Schaltventils eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 einen Anker und ein Ventilelement des Schaltventils von 1 vor einem Pressvorgang; und
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3 den Anker und das Ventilelement von 2 nach dem Pressvorgang.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch. bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Teilansicht eines Schaltventils 10 in einer Schnittdarstellung. Das Schaltventil 10 ist ein Element eines Mengensteuerventils einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine und ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse 12 ausgeführt. Das Schaltventil 10 umfasst mehrere verschiedenartige Abschnitte eines Gehäuses 14, in welchen Elemente des Schaltventils 10 angeordnet sind. In einem mittleren Bereich der Zeichnung ist ein axial bewegbarer Anker 16 angeordnet, welcher axiale Ankerbohrungen 18 aufweist. Der Anker 16 ist an einem – in der Zeichnung oberen – ersten Endbereich 19 eines Ventilelements 20 befestigt. Der erste Endbereich 19 des Ventilelements 20 weist einen ersten Durchmesser 21 auf. Ein in der Zeichnung oberes erstes Ende 22 des Ankers 16 – welches vorliegend eine plane Stirnfläche ist – ist in der gezeigten axialen Position des Ankers 16 über einen Ankerspalt 24 von einem Polkern 26 beabstandet. In einem Raumabschnitt 28 ist eine (nicht dargestellte) Wicklung einer Spule des Schaltventils 10 angeordnet. Der Anker 16 ist mittels eines ringförmigen Führungsabschnitts 30 des Gehäuses 14 radial geführt. Oberhalb des Ankers 16 ist zwischen dem Anker 16 bzw. einem konischen Endabschnitt (ohne Bezugszeichen) des Ventilelements 20 und einem Abschnitt des Gehäuses 14 eine Ankerfeder 31 angeordnet, welche den Anker 16 – und daraus folgend das Ventilelement 20 – in der Zeichnung nach unten beaufschlagt.
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Ein – in der Zeichnung unterer – zweiter Endbereich 32 des Ventilelements 20 ist in einem Führungsabschnitt 34 radial geführt. Der zweite Endbereich 32 weist einen zweiten Durchmesser 35 auf. Ein zweites Ende 37 des Ventilelements 20 bildet den so genannten ”Nadelanschlag” und ist in der hier gezeigten geöffneten Schaltstellung an einer konkaven Ausnehmung eines Ventilkörpers 36 angeschlagen. Das Ventilelement 20 beaufschlagt den Ventilkörper 36 in der Zeichnung nach unten gegen die Kraft einer Ventilfeder 38, so dass der Ventilkörper 36 an einem Ruhesitz 40 anliegt.
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Ferner umfasst das Gehäuse 14 eine radiale Öffnung 42, durch welche Kraftstoff in einen Fluidraum 44 des Schaltventils 10 fließen kann. Ebenso weist der den Führungsabschnitt 34 bildende Abschnitt des Gehäuses 14 eine axiale Öffnung 46 für den Kraftstoff auf. in der Zeichnung unterhalb davon ist ein Dichtkörper 48 mit einem Dichtsitz 50 angeordnet, an welchem der Ventilkörper 36 anschlagen kann. Vorliegend ist der Ventilkörper 36 durch einen Spalt 51 von dem Dichtsitz 50 beabstandet.
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In 1 ist der geöffnete Zustand des Schaltventils 10 dargestellt. Dabei ist die Spule des Schaltventils 10 nicht bestromt und der Ventilkörper 36 wird mittels der Ankerfeder 31 und des Ventilelements 20 in die gezeigte Offenstellung beaufschlagt.
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Wenn die Spule des Schaltventils 10 bestromt ist, wird der Anker 16 durch magnetische Kraft in der Zeichnung nach oben von dem Polkern 26 angezogen, so dass der Ankerspalt 24 im Wesentlichen verschwindet. Die Ventilfeder 38 beaufschlagt den Ventilkörper 36 in der Zeichnung nach oben gegen den Dichtsitz 50, so dass das Schaltventil 10 schließen kann.
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2 zeigt den Anker 16 und das Ventilelement 20 als getrennte Elemente in einem Verfahrensschritt zur Herstellung des Schaltventils 10 vor einem Pressvorgang, mittels dessen der Anker 16 an dem ersten Endbereich 19 des Ventilelements 20 befestigt wird. Der Anker 16 umfasst eine mittige Bohrung 52 für die Aufnahme des Ventilelements 20 sowie eine (in der 1 nicht gezeigte) Einführfase 54. Axial gegenüber dem ersten Ende 22 weist der Anker 16 ein zweites Ende 56 auf. Das erste Ende 22 des Ankers 16 weist vergleichsweise enge Toleranzen und eine hohe Oberflächengüte auf, wogegen das zweite Ende 56 – wie aus 1 ersichtlich – funktionslos ist und daher vergleichsweise große Toleranzen aufweisen darf. Die Ankerkontur einschließlich der mittigen Bohrung 52 und der Einführfase 54 wurden in einer einzigen Aufspannung des Rohteils gedreht. Das erste Ende 22 des Ankers 16 ist vorliegend verchromt.
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Das Ventilelement 20 umfasst, wie teilweise bereits in 1 beschrieben, einen ersten Endbereich 19 und einen zweiten Endbereich 32. Dem ersten Endbereich 19 ist ein erstes Ende 58 und dem zweiten Endbereich 32 ist das zweite Ende 37 benachbart. Ein Übergang 60 zwischen dem Durchmesser 21 des ersten Endbereichs 19 und dem kleineren Durchmesser 35 des zweiten Endbereichs 32 ist stetig, gratfrei und in etwa rampenförmig ausgeführt. Der Durchmesser 21 weist ein in Bezug auf die mittige Bohrung 52 erforderliches Übermaß auf, um die Pressverbindung herzustellen. Der Durchmesser 35 weist ein gleiches oder geringfügig kleineres Maß als die mittige Bohrung 52 auf. Ein Endabschnitt des ersten Endbereichs 19 ist konusförmig ausgeführt.
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Ein Pfeil 62 zeigt die Richtung des Pressvorgangs an. Pfeile 64 und 66 symbolisieren die auf den Anker 16 aufzubringende Kraft bzw. die auf das Ventilelement 20 aufzubringende Gegenkraft.
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Der Pressvorgang erfolgt, indem das Ventilelement 20 beispielsweise an dem konusförmigen Endabschnitt und/oder an dem ersten Ende 58 gehalten und mit der jeweils erforderlichen Kraft beaufschlagt wird. Der Anker 16 wird über den zweiten Endbereich 32 des Ventilelements 20 geschoben und dann mittels Krafteinleitung auf das zweite Ende 56 auf den ersten Endbereich 19 axial aufgepresst. Dadurch ergibt sich eine vormontierte Baugruppe, bestehend aus dem Anker 16 und dem Ventilelement 20, wie in 3 dargestellt.
