-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein digitales Einlassventil.
-
Einige Kraftfahrzeuge weisen Brennkraftmaschinen auf, denen durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe Kraftstoff bereitgestellt wird. Solche Kraftstoffhochdruckpumpen umfassen Ein- und Auslassventile, die je nach ihrer Bauart Systemdrücken von beispielsweise 200 bar bis 350 bar standhalten müssen. In diesem Zusammenhang sind unter anderem eine hohe statische Festigkeit und eine zuverlässige Haltekraft zusammenwirkender Komponenten der eingesetzten Ventile erforderlich, um in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auch hohen Druckschwankungen standhalten zu können. Entsprechend höhere Anforderungen bestehen bei Systemdrücken von deutlich über 350 bar.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE10 2015 219 892 A1 ist bekannt, ein Bauteil mit einem Dichtsitz durch Schweißen und zusätzlich durch Crimpen am Hochdruckanschluss einer Kraftstoffhochdruckpumpe anzubringen.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein digitales Einlassventil bereitzustellen, welche einen sicheren und zuverlässigen Betrieb eines digitalen Einlassventils auch bei relativ hohen Systemdrücken ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Das Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein digitales Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst ein Bereitstellen eines Gehäuses und einer Dichtungsscheibe, die dazu ausgebildet ist, mit einem Ventilkörper des Einlassventils zusammenzuwirken, um einen Durchfluss von Fluid durch das Gehäuse zu steuern. Das Verfahren umfasst weiter ein Anordnen der Dichtungsscheibe in dem Gehäuse, sodass ein Rand der Dichtungsscheibe eine Wandung des Gehäuses kontaktiert. Das Verfahren umfasst weiter ein Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Schweißen und dadurch Ausbilden einer Schweißnaht. Das Verfahren umfasst weiter ein Verpressen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses gegeneinander und dadurch Vorspannen der Schweißnaht. Das Verfahren umfasst ferner ein Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen und dadurch Ausbilden einer gecrimpten Formschlusskante und einer verspannten Schweißnaht zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse.
-
Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein zuverlässiges Einlassventil kostengünstig realisierbar, welches einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht, das an einer Hochdruckseite an einem Auslass des Ventils anliegt. Die Anordnung ermöglicht einen Betrieb mit Systemdrücken von deutlich über 350 bar, sodass ein entsprechendes Einlassventil zum Beispiel auch Spitzendrücken von über 550 bar standhalten kann. Solche Druckspitzen können unter anderem aufgrund von Druckschwankungen in einem Betrieb einer Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten und eine starke Belastung für die verbauten Ventile darstellen.
-
Das Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses und das Ausbilden der Schweißnaht kann insbesondere mittels Laserschweißen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schweißnaht mittels Kondensatorentladungsschweißen oder Elektronenstrahlschweißen ausgebildet werden.
-
Die Dichtungsscheibe dient in einer Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. in einem digitalen Einlassventil als Dichtelement zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und muss in einem Betrieb hohen Druckschwankungen widerstehen können, ohne dabei undicht zu werden, um eine zuverlässige und sichere Kraftstoffführung bereitzustellen. Die Dichtungsscheibe bilden zum Beispiel einen Teil eines Plattenventils aus.
-
Es ist eine Erkenntnis im Zusammenhang mit der Erfindung, dass ein alleiniges Fügen mittels Schweißen oder Crimpen eine zuverlässige Haltekraft und Festigkeit für Systemdrücke von 200 bar bis 350 bar ermöglicht. Schweißen realisiert ein Fügeverfahren zum stoffschlüssigen und dauerhaften Fügen Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken. Crimpen bezeichnet ein Fügeverfahren, bei dem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden. Dadurch, dass bei der beschriebenen Anordnung zuerst eine Schweißnaht ausgebildet wird, diese Schweißnaht mittels Krafteinwirkung vorgespannt wird und nachfolgend mittels Crimpen als vorgespannte Schweißnaht ausgebildet wird, ist eine deutlich stabilere Haltekraft und Festigkeit der Dichtungsscheibe an dem Gehäuse eingerichtet. Auf diese Weise können eine Haltekraft und Dauerfestigkeit erzielt werden, die auch Druckschwankungen von 500 bar bis 700 bar standhalten können.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen und das Ausbilden einer gecrimpten Formschlusskante ein Ansetzen eines Meißels an einer vorgegebenen Kante an der Wandung des Gehäuses und Ausüben einer Stoßkraft mittels des Meißels auf die Kante des Gehäuses und dadurch Umformen der Kante und Ausbilden der gecrimpten Formschlusskante. Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig eine plastische Umformung des Gehäuses realisiert werden, die zu einem Einspannen der verschweißten Dichtungsscheibe führt. In dem Bereich, in dem die Kante der Wandung mittels Crimpen auf einen Rand der Dichtungsscheibe umgeformt wird, wird in Ausgestaltung einer gecrimpten Formschlusskante eine formschlüssige Verbindung zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse ausgebildet.
-
Das beschriebene Verfahren umfasst vorzugsweise nachfolgend zu dem Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Schweißen und vor dem Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen ein Pressen der Dichtungsscheibe gegen die Wandung des Gehäuses mittels eines Niederhalters. Somit kann auf einfache Weise eine Vorspannung der Schweißnaht eingerichtet werden, welche zu einer erhöhten Dauerfestigkeit und Haltekraft der gefügten Komponenten beiträgt.
-
Mittels des beschriebenen Verfahrens ist somit eine kostengünstige Lösung für ein Festigkeitsproblem einer Dichtungsscheibe in einem Einlassventil realisierbar, das insbesondere aufgrund einer weiteren Steigerung von Systemdrücken in einem Betrieb zu erwarten ist. Ein Ausbilden der beschriebenen Anordnung ist mittels des beschriebenen Verfahrens unter geringfügiger Änderung weniger Prozesse und Geometrien kosteneffizient möglich.
-
Dabei wird über eine Kombination der Prozesse Schweißen und Crimpen hinaus eine vorgespannte Schweißnaht erzeugt, welche ein höheres Widerstandspotential für Drucksteigerungen zeigt. In einem Schritt wird eine Schweißung zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse an einer Seite und/oder Unterseite der Dichtungsscheibe durchgeführt.
-
In einem nachfolgenden Schritt wird an einer Oberseite der Dichtungsscheibe eine Crimpung zwischen dem Gehäuse und der Dichtungsscheibe mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial, zum Beispiel durch einen Meißel, erzeugt. Während des Crimpprozesses wird mittels eines Niederhalters eine Vorspannkraft in der Dichtungsscheibe und in dem Gehäuse erzeugt. Der Niederhalter ist zum Beispiel ein Presswerkzeug, das einen vorgegebenen Druck auf die Dichtungsscheibe nach unten gegen das Gehäuse ausübt, um die Schweißnaht vorzuspannen. Der Niederhalter wird in seiner pressenden Wirkung beibehalten bis eine Umformung des Gehäusematerials und somit das Crimpen abgeschlossen ist und der Meißel aus der Ausnehmung des Gehäuses entfernt wird. Die eingerichtete Vorspannkraft hinterlässt nach dem Rückfahren der Fügewerkzeuge eine Restklemmkraft in der Baugruppe aus verschweißter und gecrimpter Dichtungsscheibe und Gehäuse und sorgt somit für eine weitere Entlastung der vorgespannten Schweißnaht unter Druckpulsationen. Eine solche nutzbringende Restklemmkraft ist durch Fügesimulationen bestätigt.
-
Das Gehäuse stellt insbesondere ein Ventilgehäuse des Einlassventils oder ein Pumpengehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe dar und ist zum Beispiel aus Edelstahl gefertigt. Auch die Dichtungsscheibe ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt und hart genug, um dem Umformprozess mittels Crimpen standzuhalten.
-
In Bezug auf konventionelle Einlassventile bzw. Kraftstoffhochdruckpumpen sind daher im Design keine größeren Anpassungen erforderlich. Beide Prozesse, Schweißen und Crimpen, kommen in Serie zum Einsatz und sind gut beherrschbar. Daher können bereits vorhandene Produktionslinien geringfügig modifiziert bzw. ergänzt und wieder verwendet werden.
-
Die Anordnung, die mittels des beschriebenen Verfahrens ausbildbar ist, eignet sich zum Beispiel für hochbelastete Abdichtplatten, für Bohrungs- oder Blinddichtstopfen und unter Vorspannung stehende Berstscheiben. Auch kann eine solche Anordnung in Hydraulikventilen jeder Art eingesetzt werden, welche einen ähnlichen Aufbau gemäß dem eines Einlassventils für eine Kraftstoffhochdruckpumpe verwenden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der beschriebenen Anordnung anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs,
- 2 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffhochdruckpumpe für das Kraftfahrzeug,
- 3-5 verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für ein digitales Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 6-7 verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für ein digitales Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 8 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zum Herstellen der Anordnung für ein digitales Einlassventil.
-
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind gegebenenfalls nicht alle dargestellten Elemente in sämtlichen Figuren mit zugehörigen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Brennkraftmaschine 3, welche mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gekoppelt ist, die ein digitales Einlassventil 10 umfasst. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 stellt in einem Betrieb den für die Brennkraftmaschine 3 erforderlichen Kraftstoff bereit. Wie nachfolgend anhand der 2 bis 8 erläutert wird, ermöglicht das Einlassventil 10 mit einer Anordnung 16 einen besonders sicheren und stabilen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 auch bei hohen Systemdrücken von deutlich über 350 bar und Druckschwankungen mit Spitzendrücken von 500 bar bis 700 bar.
-
2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe 5, die das Einlassventil 10 und ein Auslassventil 7 umfasst. Das Einlassventil 10 weist eine Dichtungsscheibe 11 auf, die als Dichtelement zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 in einem Gehäuse 12 angeordnet ist. Die Dichtungsscheibe 11 bildet zum Beispiel einen Teil eines Plattenventils aus und wirkt mit einem Ventilkörper 19 des Einlassventils 10 zusammen, um einen Durchfluss von Fluid durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 und durch das Einlassventil 10 zu steuern. Zur Kompensation von Druckschwankungen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 einen Dämpfer 6 auf. Ferner ist ein Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 illustriert.
-
Die 3 bis 5 zeigen eine vergrößerte Darstellung des in der 2 gestrichelt eingezeichneten Bereichs der Anordnung 16 und repräsentieren verschiedene Schritte oder Positionen eines Verfahrens zum Herstellen der Anordnung 16 für das Einlassventil 10. Ein solches Herstellungsverfahren kann gemäß dem Ablaufdiagramm nach 8 durchgeführt werden.
-
In einem Schritt S1 werden die Dichtungsscheibe 11 und das Gehäuse 12 bereitgestellt. Die Dichtungsscheibe 11 wird in eine Ausnehmung des Gehäuses 12 eingesetzt oder eingepresst, sodass ein äußerer Rand 18 der Dichtungsscheibe 11 eine Wandung des Gehäuses 12 kontaktiert.
-
In einem weiteren Schritt S3 wird eine Schweißung zwischen der Dichtungsscheibe 11 und dem Gehäuse 12 an einer Seite der Dichtungsscheibe 11 durchgeführt und eine Schweißnaht 13 ausgebildet, die die Dichtungsscheibe 11 und das Gehäuse 12 stoffschlüssig miteinander verbindet (s. 3). Die Art der Schweißung richtet sich unter anderem nach dem für die Bearbeitung zur Verfügung stehenden Bauraum und der Zugänglichkeit entsprechender Werkzeuge. Vorteilhaft wird die Schweißnaht 13 mittels Laserschweißen, um auch eine längere Schweißnaht 13 kontrolliert und gut beherrschbar auszubilden.
-
In einem nachfolgenden Schritt S7 wird an einer Oberseite oder einer oberen Ecke der Dichtungsscheibe 11 eine Crimpung zwischen dem Gehäuse 12 und der Dichtungsscheibe 11 mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial durchgeführt (s. 4). Begriffe wie „Oberseite“, „Unterseite“, „oben“, „unten“ beziehen sich dabei auf eine Ausrichtung der Komponenten oder des Einlassventils 10, wie sie in den 2 bis 7 illustriert ist. Bezogen auf eine Längsachse L des Einlassventils 10 ist somit eine Kante an der Innenseite der Gehäusewandung vorgesehen, die oberhalb der Dichtungsscheibe 11 einen Meißelansatz 14 realisiert.
-
Ein Meißel wird gemäß dem illustrierten Pfeil an dem Meißelansatz 14 angesetzt und dient der abspanenden Umformung dieser Gehäusekante zum Ausbilden einer gecrimpten Formschlusskante 17 (s. 5).
-
Vor dem Crimpprozess wird in einem Schritt S5 mittels eines Niederhalters eine Vorspannkraft F in der Dichtungsscheibe 11 und in dem Gehäuse 12 erzeugt, die eine Restklemmkraft in der Anordnung 16 einrichtet. Der Niederhalter ist zum Beispiel ein Presswerkzeug, das einen vorgegebenen Druck auf die Dichtungsscheibe 11 nach unten gegen das Gehäuse 12 ausübt, um die Schweißnaht 13 vorzuspannen. Der Niederhalter wird in seiner pressenden Wirkung auch während des Crimprozesses beibehalten bis eine Umformung des Gehäusematerials und somit das Crimpen abgeschlossen ist und der Meißel aus der Ausnehmung des Gehäuses 12 entfernt wird.
-
Die eingerichtete Vorspannkraft hinterlässt nach dem Rückfahren der Fügewerkzeuge eine Restklemmkraft in der Baugruppe aus verschweißter und gecrimpter Dichtungsscheibe 11 und Gehäuse 12. Sie sorgt für eine weitere Entlastung der vorgespannten Schweißnaht 13 unter Druckpulsationen.
-
Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein zuverlässiges Einlassventil 10 kostengünstig realisierbar, welches einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht, das das Einlassventil 10 durchströmt. Über eine Kombination der Prozesse Schweißen und Crimpen hinaus wird die vorgespannte Schweißnaht 13 erzeugt, welche ein höheres Widerstandspotential für Drucksteigerungen von System- und Spitzendrücken bereitstellt.
-
Alternativ zu einem Ausbilden der Schweißnaht 13 mittels Laserschweißen ist auch ein Einsatz von Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) möglich. Dabei könnte, wie in den 6 und 7 illustriert, eine Schweißung mit Buckel durchgeführt werden. Ein Luftspalt 15 zwischen dem äußeren Rand 18 der Dichtungsscheibe 11 und der Wandung des Gehäuses 12 kann dabei eine Isolierung bereitstellen, um einen Kurzschluss über die zu fügenden Komponenten 11 und 12 zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Beschichtung an der Dichtungsscheibe 11 und/oder an dem Gehäuse 12 vorgesehen sein, die eine Isolierung in Bezug auf ein KE-Schweißen bereitstellt. Die Dichtungsscheibe 11 und das Gehäuse 12 berühren sich an einer vorgegebenen Position, an welcher der Schweißnahtbuckel 13 mittels KE-Schweißen ausbildet wird.
-
Es ist aber auch möglich mittels KE-Schweißens eine lange Schweißnaht 13, wie in den 3 bis 5 dargestellt, auszubilden. Vorteilhaft wird dann das KE-Einpressschweißen verwendet.
-
Standardmäßig ist bei dem KE-Schweißen immer nur ein kleiner Berührungsbereich vorgesehen, da der Stromfluss zu einer Erwärmung führen soll. Dafür darf der elektrische Widerstand nicht zu niedrig sein, weil sonst nicht genügend Wärme erzeugt wird. Sekundärer Aspekt beim KE Schweißen ist die anfängliche erwünschte plastische Verformung des Buckels durch die Prozesskraft, um geometrische Imperfektionen auszugleichen und ein gleichmäßiges Berühren zu erzeugen. Auch dies ist bei einem kleineren Bereich vorteilhaft, da eine Prozesskraft sonst zu hoch wird.
