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Die Erfindung betrifft einen Dichtabschnitt für ein Bauteil, insbesondere ein rotationssymmetrisches Bauteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines rotationssymmetrischen Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere ein rotationssymmetrisches Bauteil, bevorzugt eine Hülse für einen Kraftstoffinjektor, wobei das Bauteil einen erfindungsgemäßen Dichtabschnitt und/oder das Bauteil durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.
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Bei einem Dichtelement, wie einem Dichtring an/auf einem Bauteil, z. B. einem Gummidichtring auf einer Metallhülse für einen Kraftstoffinjektor, tauchen immer wieder Probleme bei einer Montage des Bauteils mit darauf sitzendem Dichtelement auf. Bei der Montage kann das Dichtelement gegenüber dem Bauteil vergleichsweise einfach verrutschen, wodurch das Dichtelement später z. B. im Kraftstoffinjektor nicht seine ordnungsgemäße Position einnehmen kann, was wenigstens nachteilig für eine dadurch entstehende Abdichtung ist.
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Im Stand der Technik wird versucht dem dadurch zu begegnen, dass eine ausreichend hohe Reibkraft durch eine vergleichsweise hohe radiale mechanische Vorspannung im Dichtelement auf das Bauteil ausgeübt ist. Diese hohe radiale mechanische Vorspannung ist jedoch nachteilig für das Dichtelement und dessen Lebensdauer. Ferner gibt es Lösungen, ein Dichtelement z. B. in eine Nut einzusetzen, welche ein Herausrutschen des Dichtelements verhindern soll. Solch eine Lösung benötigt eine ausreichende Wandstärke des betreffenden Bauteils und hat eine nicht immer erwünschte spanende Herstellung des Bauteils zur Folge.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Dichtabschnitt für ein Bauteil, insbesondere eine verbesserten Metallhülse für einen Kraftstoffinjektor; ein Herstellverfahren für ein Bauteil mit einem verbesserten Dichtabschnitt; sowie ein Bauteil mit einem verbesserten Dichtabschnitt, insbesondere eine Metallhülse für einen Kraftstoffinjektor; anzugeben. Hierbei soll ein Dichtelement des Bauteils dauerhaft sicher an/in/auf der Dichtfläche des Bauteils für eine Montage des Bauteils an/in/auf einem anderen Bauteil ansitzen. Insbesondere soll es in einer Ausführungsform der Erfindung möglich sein, auf eine spanende Fertigung des verbesserten Dichtabschnitts verzichten zu können, damit möglichst wenig Verunreinigungen im Herstellprozess entstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Dichtabschnitts für ein Bauteil, insbesondere ein rotationssymmetrisches Bauteil, gemäß Anspruch 1; durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines rotationssymmetrischen Bauteils, gemäß Anspruch 7; und mittels eines Bauteils, insbesondere eines rotationssymmetrischen Bauteils, bevorzugt eine Hülse für einen Kraftstoffinjektor, gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Dichtabschnitt des Bauteils weist eine Dichtfläche auf, an/in/auf welcher ein Dichtelement vorsehbar ist. Gemäß der Erfindung weist die vergleichsweise glatte Dichtfläche des Dichtabschnitts eine dieser gegenüber vergleichsweise raue Struktur auf. D. h. die vergleichsweise glatte Dichtfläche und die vergleichsweise raue Struktur wechseln einander an/in/auf dem Dichtabschnitt ab. Die raue Struktur kann z. B. eine mesoskopische oder eine makroskopische Struktur an/in/auf der Dichtfläche sein. Hierbei ist die Struktur der Dichtfläche derart ausgebildet, dass das auf der Dichtfläche vorsehbare Dichtelement mittels der Struktur an/in/auf der Dichtfläche verbessert halterbar ist.
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D. h. die neu entstandene Dichtfläche umfasst nun nicht mehr ausschließlich eine vergleichsweise glatte Fläche, sondern die Dichtfläche umfasst zusätzlich die vergleichsweise raue Struktur, welche in die vergleichsweise glatte Fläche eingebettet ist. Somit umfasst die entstandene Dichtfläche vergleichsweise glatte und vergleichsweise raue Abschnitte. Die Struktur vergrößert dabei die Oberfläche des Dichtabschnitts und verbessert dabei zusätzlich die Wärmeaustauschfähigkeiten des Bauteils.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Struktur mittels eines Verfahrens zur Laserstrukturierung an/in/auf die vergleichsweise glatte Dichtfläche einbringbar. Ferner ist die Struktur mittels eines spanlosen oder eines spanabhebenden bzw. spanenden Verfahrens an/in/auf die Dichtfläche einbringbar und/oder aufbringbar. Letztere Verfahren sind z. B. Verfahren zum Strahlen, Rändeln, Ätzen, Beschichten, Beschichten mit Partikeln, Drehen, Fräsen, Stoßen, Feilen, Raspeln, Schaben, Meißeln, Schleifen etc.
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Hierbei kann die Struktur eine Naht, eine Rippe, eine Rille, eine Nut, eine Noppe etc. aufweisen (1. Fall, siehe im Folgenden). Ferner kann die Struktur eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen, welche eine Oberfläche der Dichtfläche vergrößern (2. Fall, siehe im Folgenden). Im ersten Fall besitzt die Struktur primär eine reguläre Form (Fernordnung, z. B. idealisiert die eines Kreises, siehe unten) und im zweiten Fall besitzt die Struktur primär oder sekundär eine irreguläre Form, wobei beide Formen einzeln oder in Kombination vorgesehen sein können. D. h. es möglich, lediglich eine irreguläre Form der Struktur an/in/auf der Dichtfläche vorzusehen, also ein unregelmäßiges Muster, welches eine Nahordnung und nicht eine Fernordnung besitzt.
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Die Struktur kann eine Mehrzahl von im Wesentlichen zueinander parallelen Nähten, insbesondere Lasernähten, aufweisen. Bevorzugt sind hierbei drei, vier, fünf oder sechs Nähte, wobei eine andere Anzahl von Nähten natürlich anwendbar ist. Hierbei kann die Struktur derart an/in/auf der Dichtfläche vorgesehen sein, dass das auf der Dichtfläche montierbare Dichtelement ebenfalls auf der Struktur montierbar ist. Es ist jedoch auch zusätzlich oder alternativ möglich, die Struktur derart an/in/auf der Dichtfläche vorzusehen, dass das auf der Dichtfläche montierbare Dichtelement seitlich an der Struktur vorsehbar ist.
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Gemäß der Erfindung kann die Struktur einstückig, stofflich einstückig, integral oder monolithisch mit dem Dichtabschnitt bzw. dem Bauteil ausgebildet sein. Ferner kann die Struktur durch ein partielles Aufschmelzen des Dichtabschnitts an/in/ auf dem Dichtabschnitt eingerichtet bzw. vorgesehen sein. In Ausführungsformen der Erfindung kann auf der Dichtfläche das Dichtelement, insbesondere ein Dichtring, vorgesehen sein, wobei der Dichtring z. B. ein Gummiring sein kann. Ein anderes Dichtelement bzw. ein anderer Dichtring können natürlich angewendet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils wird zunächst ein Dichtabschnitt am/im Bauteil vorgesehen bzw. eingerichtet. In einer zeitlichen Folge wird am/im Dichtabschnitt des Bauteils eine mesoskopische oder eine makroskopische Struktur eingerichtet bzw. vorgesehen. Hierbei kann an/in/auf dem vergleichsweise glatten Dichtabschnitt die demgegenüber vergleichsweise raue Struktur vorgesehen werden, wobei beispielsweise ein Material des Bauteils teilweise entfernt und/oder teilweise aufgehäuft wird. Dies kann z. B. thermisch, mechanisch, chemisch und/oder durch eine Beschichtung erfolgen.
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Die Struktur wird bevorzugt durch ein partielles Aufschmelzen des Dichtabschnitts an/in/auf dem Dichtabschnitt eingerichtet. Bevorzugt wird die Struktur mittels eines Verfahrens zur Laserstrukturierung vorgesehen, wobei aber auch ein spanloses oder ein spanabhebendes bzw. spanendes Verfahren angewendet werden kann. In einem zeitlichen Anschluss an das Verfahren kann ein Dichtelement, insbesondere ein Dichtring, auf der Dichtfläche montiert werden. Hierbei ist der Dichtring wiederum bevorzugt ein Gummiring. Der Dichtabschnitt bzw. die Dichtfläche kann dabei wie obiger Dichtabschnitt bzw. wie obige Dichtfläche des Bauteils ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Bauteil, insbesondere das rotationssymmetrische Bauteil, bevorzugt die (Metall-)Hülse insbesondere für den Kraftstoffinjektor, weist einen erfindungsgemäßen Dichtabschnitt auf und/oder ist durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt. Hierbei kann das Bauteil auf einer Dichtfläche seines Dichtabschnitts ein Dichtelement aufweisen, wobei das Dichtelement ferner auf oder seitlich neben einer vergleichsweise rauen Struktur der vergleichsweise glatten Dichtfläche ansitzt.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, ein Dichtelement, insbesondere einen Dichtring, wie z. B einen Gummiring, gegen ein Verschieben, z. B. ein axiales Verschieben, an/in/auf einem erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Dichtabschnitt eines Bauteils, insbesondere für die Montage des Bauteils (mit Dichtelement), zu sichern. Durch das Bauteil mit dem verbesserten Dichtabschnitt kann das Dichtelement dauerhaft sicher an/in/auf der Dichtfläche des Bauteils für eine Montage des Bauteils an/in/auf einem anderen Bauteil ansitzen. Hierbei ist es in Ausführungsformen der Erfindung möglich, auf eine spanabhebende bzw. spanende Fertigung des Dichtabschnitts zu verzichten. Insbesondere ergibt sich aufgrund der Struktur eine erhöhte Haft- und/oder Gleitreibung an/in/auf seiner Dichtfläche.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Elemente oder Bauteile, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in den verschiedenen Figuren (Fig.) der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In den Fig. der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Längsseitenansicht einer erfindungsgemäßen Metallhülse für einen Kraftstoffinjektor eines Kraftfahrzeugs;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1, welcher einen Dichtabschnitt mit einer erfindungsgemäß laserstrukturierten Dichtfläche der Metallhülse darstellt;
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3 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Dichtfläche eines Dichtabschnitts, welcher eine einzelne Lasernaht als erfindungsgemäße Struktur umfasst; und
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4 ein beispielhaftes zweidimensionales Schliffbild einer Struktur aus der 2 mit Materialauswüchsen und Materialausnehmungen an/in einem Oberflächenbereich der Metallhülse (analog auch zur 3).
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand spezieller Ausführungsformen insbesondere anhand einer Metallhülse (Bauteil, siehe oben) für einen Kraftstoffinjektor eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs näher erläutert. Die Erfindung ist natürlich nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf sämtliche Dichtabschnitte bzw. Dichtflächen von Bauteilen angewendet werden, bei welchen eingangs genannte Problematik auftaucht.
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Die 1 zeigt eine im wesentlichen rotationssymmetrische Hülse 1 bevorzugt aus einem Metall oder einer Metalllegierung, mit einem in Axialrichtung A und in Umfangsrichtung U der Hülse 1 verlaufenden Dichtabschnitt 2. Auf einer Dichtfläche 10 (siehe unten) des Dichtabschnitts 2 ist ein ringförmiges Dichtelement (in der Zeichnung nicht dargestellt) mit bevorzugt einer mechanischen Radialvorspannung platzierbar. Die Dichtfläche 10 kann dabei den gesamten Dichtabschnitt 2 abdecken oder ein kleinerer Teil von ihr sein.
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Die 2 zeigt den Dichtabschnitt 2 in einer ausschnittsweisen Vergrößerung, wobei die Dichtfläche 10 des Dichtabschnitts 2 gut zu erkennen ist. Die Dichtfläche 10 ist abgesehen von einer erfindungsgemäßen Struktur 12 (siehe unten) bevorzugt als eine Außenoberfläche eines geraden Kreiszylinders ausgebildet. Andere Formen, z. B. auch eine Innenoberfläche, sind natürlich anwendbar. D. h. abgesehen von der erfindungsgemäß vorzusehenden bzw. einzurichtenden Struktur 12 bleibt die ursprüngliche vergleichsweise glatte Dichtfläche 10 erhalten.
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Gemäß der Erfindung wird an/in/auf der ursprünglichen Dichtfläche 10 eine in Bezug auf eine Glattheit der ursprünglichen Dichtfläche 10 vergleichsweise raue Struktur 12 vorgesehen. Diese Struktur 12 kann prinzipiell eine beliebige Form besitzen, solange sie es ermöglicht, eine Haft- und/oder Gleitreibung zwischen dem Dichtelement und der Hülse 1 zu vergrößern und so ein Herunterrutschen (vgl. oben) des Dichtelements von der Dichtfläche 10 bzw. des Dichtabschnitts 2 zu verhindern. – Dies kann im Stand der Technik z. B. bei einem Verbauen der Hülse 1 mit Dichtelement und/oder in einem Betrieb der Hülse 1 passieren.
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So kann gemäß der Erfindung an/in/auf die ehemals im Wesentlichen als idealisiert zylinderförmig angenommene Außenoberfläche der Dichtfläche 10 als erfindungsgemäße Struktur 12 wenigstens eine Naht 100 vorgesehen bzw. eingerichtet werden. Hierbei wird die Naht 100 an/in/auf einer Wandung 20 bzw. einem Material 20 der Hülse 1 vorgesehen. Bevorzugt ist es dabei, im Wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung A der Hülse 1 in Umfangsrichtung U teilweise oder vollständig umlaufend die Naht 100 einzurichten. Insbesondere ist es bevorzugt, eine Mehrzahl solcher Nähte 100 vorzusehen, die in Axialrichtung A zueinander beabstandet sind, was gut in den 1 und 2 zu erkennen ist.
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Bevorzugt erfolgt die Erhöhung der Haft- und/oder Gleitreibung des Dichtelements an/in/auf der Hülse 1 durch eine Laserstrukturierung der Dichtfläche 10 mittels wenigstens einer Lasernaht 100 (vgl. 2 und 3), um ein Verschieben des Dichtelements während der Montage und/oder des Betriebs des Bauteils zu verhindern. Hierbei wird mit einem Laser das Material 20 der Hülse 1 aufgeschmolzen, wobei sich durch eine Volumenausdehnung des Materials an/in der Oberfläche des Bauteils ein Materialauswuchs 102 bildet. Im Material 20 selbst bildet sich in einem Gegenzug durch eine Volumenschrumpfung beim Erstarren ein Lunker 112 (Materialausnehmung 112). Siehe hierzu das Schliffbild der 4.
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Hierdurch ergibt sich eine kostengünstige Lösung, wobei keine Spanbildung und somit keine weitere Verschmutzung auftritt, was z. B. bei einer Herstellung von Kraftstoffinjektoren von Vorteil ist. Es ergeben sich kurze Taktzeiten und große zu erreichende Profilunterschiede der Lasernähte 100 mit vergleichsweise steilen Flanken, sowie eine hohe Prozesssicherheit bei der Laserstrukturierung. – Es ist natürlich möglich, andere Verfahren anzuwenden, welche bei einer gegebenen Anwendung geeignet sind, die erfindungsgemäße Struktur 12 vorzusehen bzw. einzurichten (siehe oben).
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Wie in der 2 zu sehen, sind eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung U vollständig umlaufende Nähte 100 bevorzugt. Eine einzelne z. B. gelaserte Naht 100 (vgl. auch die 3 und 4) hat dabei primär insbesondere die Form eines Kreises. Andere Formen, z. B. eine ovale, eine spiralförmige und/oder eine Musteranordnung, sind natürlich anwendbar. Vorliegend sind fünf in Axialrichtung A mit identischem Abstand beabstandete Umfangsnähte 100 vorgesehen. Eine andere Anzahl und/oder unterschiedliche Abstände zwischen den Nähten 100 sind natürlich anwendbar.
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Eine bevorzugte, ggf. durchschnittliche Höhe der insbesondere gelaserten Struktur 12, kann je nach einem gewählten Einsatzgebiet bzw. einer gewünschten Dichtigkeit gewählt werden. Solch geeignete Höhen betragen beispielsweise: 30µm, 50µm, 75µm, 100µm, 150µm, 200µm oder 300µm jeweils ±15%, ±25%, ±50% oder ±75%. Ferner kann die erfindungsgemäße Struktur 12 bzw. können Teile davon in Umfangsrichtung U abschnittsweise vorgesehen sein, um z. B. eine Art Labyrinthdichtung in Axialrichtung A der Hülse 1 zu realisieren.
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Eine Möglichkeit die Struktur 12 an/in/auf der Dichtfläche 10 vorzusehen, welche Form und/oder Höhe sie besitzt, hängt von einer späteren Dichtigkeit des Dichtabschnitts 2 gegenüber dem auf/an/in ihm sitzenden Dichtelement ab. Ergeben sich hohe Dichtigkeitsanforderungen, so ist es bevorzugt, die Struktur 12 im Wesentlichen seitlich bezüglich des Dichtelements vorzusehen, sodass ein genügend breiter und bevorzugt vollständig umlaufender vergleichsweise dichten Dichtbereich zwischen dem Dichtabschnitt 2 und dem Dichtelement gewährleistet ist. Ergeben sich geringere Dichtigkeitsanforderungen, z. B. lediglich gegenüber Partikel, so kann die Struktur 12 auch dort vorgesehen sein, wo sich später der Dichtbereich befindet.
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Bevorzugt sind Strukturen, die im Wesentlichen beides gewährleisten. Also in einem Überdeckungsbereich zwischen dem Dichtelement und dem Dichtabschnitt 2, einerseits einen bevorzugt vollständig umlaufenden vergleichsweise dichten Dichtbereich und andererseits die Struktur 12 innerhalb des Überdeckungsbereichs zwischen dem Dichtelement und dem Dichtabschnitt 2. Hierdurch ist einerseits eine hohe Dichtigkeit und andererseits ein guter Schutz gegen ein Herunterrutschen des Dichtelements vom Dichtabschnitt 2 der Hülse 1 bzw. des Bauteils 1 gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil, insbesondere rotationssymmetrisches Bauteil, z. B. Hülse für einen Kraftstoffinjektor
- 2
- Dichtabschnitt des Bauteils 1 mit Dichtfläche 10
- 10
- Dichtfläche, Dichtoberfläche des Bauteils 1, vergleichsweise glatt
- 12
- Struktur an/in/auf der Dichtfläche 10, vergleichsweise rau
- 20
- Wandung, Material des Bauteils 1, der Hülse 1
- 100
- Naht, insbesondere Lasernaht
- 102
- Erhebung z. B., Materialauswuchs aufgrund Laserstrukturierung
- 112
- Vertiefung, z. B. Materialausnehmung, Lunker aufgrund Laserstrukturierung
- A
- Axialrichtung des Bauteils 1, der Hülse 1
- U
- Umfangsrichtung des Bauteils 1, der Hülse 1
