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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für ein Einlassventil und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein Einlassventil. Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung.
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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 an die Bauteile eines Ventils bestehen bei Systemdrücken von deutlich über 350 bar.
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Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine Anordnung für ein Einlassventil und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein Einlassventil bereitzustellen, die auch bei relativ hohen Systemdrücken jeweils einen sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Einlassventils ermöglichen. Ferner ist es eine Aufgabe, eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für ein Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe ein Bereitstellen eines Gehäuses mit einer ersten und einer zweiten Gehäusekante und ein Bereitstellen einer Dichtungsscheibe, die dazu ausgebildet ist mit einem Ventilkörper des Einlassventils zusammenzuwirken, um einen Durchfluss von Fluid durch das Gehäuse zu steuern. Dabei weist die Dichtungsscheibe einen Rand mit einem vorgegebenen Konturabschnitt auf, der eine radiale Ausnehmung umfasst. Das Verfahren umfasst weiter ein Umformen der ersten Gehäusekante und dadurch Ausbilden einer ersten Formschlusskante mittels Einpressen der Dichtungsscheibe in eine Ausnehmung des Gehäuses, sodass der Rand der Dichtungsscheibe die Wandung des Gehäuses kontaktiert und der Konturabschnitt der Dichtungsscheibe mit der radialen Ausnehmung und die Wandung des Gehäuses einen Hohlraum begrenzen, in den sich die erste Formschlusskante erstreckt. Das Verfahren umfasst weiter ein Fügen der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen und Umformen der zweiten Gehäusekante und dadurch Ausbilden einer zweiten Formschlusskante aus der zweiten Gehäusekante.
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Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein zuverlässiges Einlassventil kostengünstig realisierbar, welches einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht, das das Einlassventil durchströmt. 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.
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Die Dichtungsscheibe dient in einer Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. in einem 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 bildet zum Beispiel einen Teil eines Plattenventils aus. Eine Unterseite der Dichtungsscheibe ist dann zum Beispiel einem Hochdruckbereich und eine Oberseite der Dichtungsscheibe einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt. Bei der radialen Ausnehmung der Dichtscheibe kann es sich um eine radial umlaufende Nut, Tasche oder Kerbe handeln.
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Es ist eine Erkenntnis im Zusammenhang mit der Erfindung, dass nach einem Einpressen einer Dichtungsscheibe in ein Gehäuse ein alleiniges Fügen mittels Crimpen eine Haltekraft und Festigkeit für Systemdrücke von etwa 200 bar bis 350 bar ermöglicht. Crimpen bezeichnet ein Fügeverfahren, bei dem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden. Dadurch, dass bei der beschriebenen Anordnung zwei Formschlusskanten ausgebildet werden, die erste mittels Einpressen der Dichtungsscheibe und Verformen der unteren, ersten Gehäusekante und die zweite mittels Crimpen und Umformen der zweiten Gehäusekante, ist eine deutlich stabilere Festigkeit und höhere Haltekraft 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.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann die zweite Formschlusskante nachfolgend zu der ersten Formschlusskante ausgebildet werden. Alternativ kann ein Ausbilden der beiden Formschlusskanten aber auch im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ausbilden der ersten und zweiten Formschlusskante ein Einbringen eines Niederhalters in das Gehäuse und Pressen der Dichtungsscheibe gegen die Wandung des Gehäuses mit einer durch den Niederhalter vorgegebenen Presskraft. Das Verfahren umfasst weiter ein Verändern der durch den Niederhalter auf die Dichtungsscheibe ausgeübten Presskraft während des Fügens der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen. Vorzugsweise wird die durch den Niederhalter ausgeübte Presskraft während des Fügens der Dichtungsscheibe und des Gehäuses mittels Crimpen erhöht.
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Das Crimpen und Ausbilden der oberen, zweiten Formschlusskante umfasst zum Beispiel ein Ansetzen eines Meißels an der zweiten Gehäusekante an der Wandung des Gehäuses und ein Ausüben einer Stoßkraft mittels des Meißels auf die zweite Gehäusekante und dadurch plastisches Umformen der zweiten Gehäusekante und Ausbilden der zweiten Formschlusskante.
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Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig eine plastische Umformung von Gehäusematerial durchgeführt werden, die zu einem Einspannen der Dichtungsscheibe führt. In dem Bereich, in dem die erste Gehäusekante an der Wandung mittels Einpressen umgeformt wird und in dem Bereich, in dem die zweite Gehäusekante der Wandung mittels Crimpen umgeformt wird, wird eine jeweilige Formschlusskante ausgebildet, die eine entsprechende formschlüssige Verbindung zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse realisiert. Die obere, zweite Formschlusskante spannt die Dichtungsscheibe im Zusammenwirken mit der unteren, ersten Formschlusskante ein und hält diese sicher und zuverlässig fixiert in ihrer Position an dem Gehäuse.
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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 von Kraftstoffhochdruckpumpen zu erwarten ist. Ein Ausbilden der beschriebenen Anordnung ist mittels des beschriebenen Verfahrens ohne Änderungen an bekannten Produktionsmitteln kosteneffizient möglich.
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Die beiden formschlüssigen Verbindungen können insbesondere unmittelbar im selben Herstellungsprozess erzeugt werden. Das Ausbilden der beiden Formschlusskanten stellt eine Kombination von zwei gleichzeitig oder nacheinander ablaufenden Fügeprozessen an einer Unterseite, die in einem verbauten Zustands einer Hochdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt ist, und einer Oberseite, die in einem verbauten Zustands einer Niederdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt ist, dar. Mittels der ausgebildeten formschlüssigen Verbindungen wird die Dichtungsscheibe stabil und zuverlässig gelagert und bietet im Vergleich zu konventionellen Designs, welche lediglich über eine Crimpung und einen Pressfit axial gehalten werden, ein deutlich höheres Widerstandspotential gegen auftretende Druckbelastungen bereit.
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Beide Formschlusskanten realisieren Fügeverbindungen, die insbesondere in einem Prozessschritt erzeugt werden können. Die Formschlusskanten sind an dem äußeren Rand der Dichtungsscheibe ausgebildet, wobei die erste Formschlusskante der Unterseite und die zweite Formschlusskante der Oberseite zugewandt ist. Durch eine gezielt eingebrachte Geometrieänderung an dem unteren Außenrand ist ein Konturabschnitt mit der radialen Ausnehmung ausgebildet, welche den Hohlraum in Form einer Tasche an der Außenseite der Dichtungsscheibe realisiert. Beim Einpressen der Dichtungsscheibe in das Gehäuse, insbesondere mittels eines Niederhalters, wird gezielt das Gehäusematerial der unteren, ersten Gehäusekante in die Tasche eingeschoben und die erste Formschlusskante ausgebildet. Die erste Formschlusskante ist innerhalb der Tasche nach oben und unten eingespannt und bildet eine stabile fixierte Position der Dichtungsscheibe an dem Gehäuse aus.
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Die erste Gehäusekante bildet sozusagen eine Beisskante an der Wandung des Gehäuses aus, die beim Einpressen der Dichtungsscheibe verformt und in die erste Formschlusskante überführt wird. Im Prinzip wird durch das Niederdrücken der Dichtungsscheibe aus der ersten Gehäusekante eine Wulst erzeugt, welche nun aktiv zum formschlüssigen Fügen verwendet wird.
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Im weiteren Verlauf des Prozesses wird die auf die Dichtungsscheibe wirkende Presskraft des Niederhalters beibehalten, auf einen festgelegten Wert größer 0 N, z.B. 10 kN, abgesenkt oder über den bisherigen Wert gesteigert, während aus Richtung der Oberseite der Dichtungsscheibe die Crimpoperation mittels eines Crimpmeißels an der oberen, zweiten Gehäusekante durchgeführt wird.
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Bei dem Crimpen wird an der Oberseite der Dichtungsscheibe mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial, zum Beispiel durch einen Meißel, die zweite Gehäusekante gezielt verformt und somit eine Crimpung erzeugt. Dabei wird die obere, zweite Gehäusekante nach unten gegen die Dichtungsscheibe geschoben und es entsteht eine vorgespannte Verbindung zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse, welche nach dem Wegfahren der Werkzeuge im Wesentlichen erhalten bleibt.
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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 oder eine vorgegebene Presskraft auf die Dichtungsscheibe nach unten gegen das Gehäuse ausübt.
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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. Somit verbleibt die eingerichtete Vorspannkraft nach dem Rückfahren der Fügewerkzeuge in Form einer Restklemmkraft in der Baugruppe aus formschlüssig verbundener Dichtungsscheibe und Gehäuse zumindest teilweise erhalten und sorgt für eine Entlastung der eingespannten Dichtungsscheibe unter Druckpulsationen. Eine solche nutzbringende Restklemmkraft ist durch Fügesimulationen bestätigt.
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Die ausgebildeten Formschlussverbindungen stellen ein höheres Widerstandspotential für Drucksteigerungen bereit. Darüber hinaus ist es ferner möglich gemäß den beschriebenen Formschlusskanten auch eine dritte oder weitere Formschlussverbindungen vorzusehen bzw. auszubilden, um zu einer besonders starken Haltekraft und stabilen Festigkeit beizutragen. Diese kann zum Beispiel auch beim Einpressen und/oder Crimpen eingerichtet werden.
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Mittels der kontrolliert ausgebildeten Formschlusskanten wird eine Restklemmkraft in der Anordnung gezielt gespeichert bzw. eingebracht, um die Dauerfestigkeit zu steigern. Die untere Gehäusekante bildet ferner eine Dichtkante aus, die eine Ausnehmung in dem Gehäuse mit einem kleineren Durchmesser begründet. Somit sind die Druckkräfte, die auf die Dichtungsscheibe wirken, kleiner. Weiterhin wird bei anliegendem Hochdruck die Dichtungsscheibe an dieser Dichtkante immer gegen die ausgebildete Wulst an der Gehäusewandung gedrückt, sodass der Kontaktdruck und somit die Dichtwirkung an dieser Stelle bei steigendem Druck sogar zunimmt. Die Wulst wird sozusagen zunehmend mehr zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse eingeklemmt und dabei steigt auch der Kontaktdruck. Dieser Effekt wird mithilfe der Tasche an der Dichtungsscheibe erzeugt. Im Vergleich dazu wird bei konventionellen Ausführungen einer Dichtungsscheibe der Kontaktdruck an einer vorhandenen Beisskante mit steigendem Druck kleiner, da eine solche Dichtscheibe immer weiter angehoben wird und langsam den Kontakt an dieser Stelle verliert.
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Das Gehäuse stellt insbesondere ein Ventilgehäuse des Einlassventils oder ein Pumpengehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe dar und ist zum Beispiel aus Edelstahl gefertigt. In eine Bohrungsausnehmung des Gehäuses wird dann zum Beispiel die Dichtungsscheibe gezielt eingepresst. Auch die Dichtungsscheibe ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt und materialspezifisch hart genug, um dem Umformprozess mittels Crimpen standzuhalten.
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In Bezug auf konventionelle Einlassventile bzw. Kraftstoffhochdruckpumpen sind daher im Design keine größeren Anpassungen erforderlich. Das Ausbilden einer formschlüssigen Verbindung kommt in Serie zum Einsatz und ist gut beherrschbar. Daher können bereits vorhandene Produktionslinien unverändert verwendet werden. Dabei wird insbesondere die Kontur an einer Außenseite der Dichtungsscheibe und die Kontur an einer Innenseite der Wandung des Gehäuses aufeinander abgestimmt ausgebildet und vorbereitet, sodass mittels des beschriebenen Verfahrens ein Anordnung realisierbar ist, die eine vorteilhafte Stabilität und Festigkeit in Bezug auf die doppelt formschlüssig miteinander verbundenen Dichtungsscheibe und Gehäuse ermöglicht.
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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.
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Da die Dichtungsscheibe nun beidseitig bzw. an einem oberen und einem unteren Außenrand formschlüssig gehalten wird, resultiert im Vergleich zu bekannten Designs ein wesentlich höheres Widerstandspotential und die beschriebene Anordnung kann deutlich höheren Systemdrücken und Druckschwankungen standhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Anordnung für ein Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe ein Gehäuse mit einer Wandung, und eine Dichtungsscheibe, die in dem Gehäuse angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, im Zusammenwirken mit einem Ventilkörper einen Durchfluss von Fluid durch das Gehäuse zu steuern. Die Dichtungsscheibe weist einen Rand mit einem vorgegebenen Konturabschnitt auf, der eine radiale Ausnehmung umfasst. Die Dichtungsscheibe ist in einer Ausnehmung, beispielsweise in Form einer Gehäusebohrung, in dem Gehäuse eingepresst, sodass der Konturabschnitt mit der radialen Ausnehmung und die Wandung des Gehäuses einen Hohlraum vorgegeben begrenzen. Ferner sind die Dichtungsscheibe mittels einer ersten Formschlusskante und einer zweiten Formschlusskante formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, wobei die erste Formschlusskante mittels Einpressen aus einer ersten Gehäusekante und die zweite Formschlusskante mittels Crimpen aus einer zweiten Gehäusekante gebildet ist und sich die zweite Formschlusskante im Bereich der radialen Ausnehmung in den Hohlraum zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse erstreckt.
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Mittels der beschriebenen Anordnung ist ein besonders stabiles und zuverlässiges Einlassventil kostengünstig realisierbar. Das Einlassventil ist mit der Anordnung dazu befähigt, auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid, welches das Einlassventil durchströmt, einen sicheren Betrieb bereitzustellen. Die Anordnung bildet insbesondere einen Teil eines Einlassventils aus, der nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist. Daher sind, sofern zutreffend, die beschriebenen Eigenschaften und Merkmale des Herstellungsverfahren auch für die Anordnung offenbart und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Anordnung weist die Dichtungsscheibe Abschnitte mit unterschiedlichen radialen Ausdehnungen auf.
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Bezogen auf eine radiale Erstreckungsrichtung quer zu einer Längsachse der Anordnung weist die Dichtungsscheibe in einem ersten Bereich einen ersten Durchmesser und in einem dritten Bereich einen dritten Durchmesser auf, die auf gegenüberliegenden Seiten an dem vorgegebenen Konturabschnitt angrenzen, der wiederum einen zweiten Bereich mit einem zweiten Durchmesser ausbildet. Der zweite Durchmesser ist dabei kleiner als der erste und der dritte Durchmesser. Die Dichtungsscheibe weist somit in dem beschriebenen Konturabschnitt eine zumindest lokal schmalste Stelle auf, sodass eine radiale Ausnehmung realisier ist. Angrenzend darüber und darunter ist die Dichtungsscheibe breiter ausgestaltet.
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Die radiale Ausnehmung in dem vorgegebenen Konturabschnitt der Dichtungsscheibe kann zum Beispiel bezogen auf eine Längsachse der Anordnung eine ring- oder keilförmige Nut ausbilden, in die beim Einpressen der Dichtungsscheibe in das Gehäuse die erste Gehäusekante platziert bzw. in Form der ersten Formschlusskante eingebracht wird.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Anordnung weist die Dichtungsscheibe bezogen auf eine radiale Erstreckungsrichtung quer zu einer Längsachse der Anordnung in einem ersten Bereich eine erste Kontur auf, die an dem Konturabschnitt mit der radialen Ausnehmung angrenzt und die sich in einer Erstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse erstreckt. Der Konturabschnitt umfasst ein erstes und ein zweites Kontursegment, die einen jeweiligen ersten und einen zweiten Konturwinkel relativ zu der Erstreckungsrichtung der ersten Kontur einschließen. Auf diese Weise ist zum Beispiel ein keilförmiger Hohlraum zwischen der Dichtungsscheibe und dem Gehäuse ausbildbar, der ausgehend von der Dichtungsscheibe in Richtung des Gehäuses auseinanderläuft.
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Der erste und/oder der zweite Konturwinkel können zum Beispiel einen Wert in einem Bereich von 30° bis 90° aufweisen. Auf diese Weise kann eine relativ tiefe radiale Ausnehmung oder ein relativ flacher Konturwinkel eingerichtet werden, welcher zu einem besonders zuverlässigen und stabilen Halt der mit dem Gehäuse formschlüssig verbundenen Dichtungsscheibe betragen kann. Alternativ kann zum Beispiel der zweite Konturwinkel einen Wert in einem Bereich von 1° bis 10° aufweisen.
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Die radiale Ausnehmung an dem Rand bzw. der radialen Außenseite der Dichtungsscheibe bildet die Ausgangsform für den auszubildenden Hohlraum, wenn die Dichtungsscheibe in dem Gehäuse platziert wird. Der Hohlraum realisiert somit eine Art Tasche, die einerseits durch den vorgegebenen geformten Konturabschnitt und andererseits durch die Wandung des Gehäuses mit der ersten Gehäusekante begrenzt.
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Für das Design der Tasche an der unteren Außenseite sind verschiedene Designs denkbar. Mittels der beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Kontur der Dichtungsscheibe kann die Restklemmkraft, die durch das Crimpen in der Baugruppe sozusagen gespeichert ist, gemäß Simulationsergebnissen um bis zu 30% gesteigert werden. Solche Simulationsergebnisse können in entsprechenden Fügesimulationen mit üblichen Bauteilgeometrien und Prozesskräften ermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug ein Einlassventil und eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung, die in dem Einlassventil verbaut ist. Die Kraftstoffhochdruckpumpe dient dem Bereitstellen von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs. Das Einlassventil ist dazu ausgebildet, einen Durchfluss von Kraftstoff zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe zu steuern. Dadurch, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung aufweist, sind, sofern zutreffend, die beschriebenen Eigenschaften und Merkmale der Anordnung auch für die Kraftstoffhochdruckpumpe offenbart und umgekehrt.
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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,
- 3-7 verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für ein Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 8 eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in einer Anordnung nach 7,
- 9-11 verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für ein Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 12 eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in einer Anordnung nach 11,
- 13 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zum Herstellen der Anordnung für ein Einlassventil.
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Brennkraftmaschine 3, welche mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gekoppelt ist, die ein Einlassventil 10 umfasst. Das Einlassventil 10 ist beispielsweise als digitales Einlassventil ausgestaltet. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 stellt in einem Betrieb den für die Brennkraftmaschine 3 erforderlichen Kraftstoff bereit. Wie nachfolgend anhand der 2 bis 13 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.
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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 20 des Einlassventils 10 zusammen, um einen Durchfluss von Fluid durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 und durch das Einlassventil 10 zu steuern. Zum axialen Bewegen des Ventilkörpers 20 entlang einer Längsachse L des Einlassventils 10 wird ein Aktor 21 des Einlassventils 10 angesteuert und somit ein Fluidfluss durch das Einlassventil 10 freigegeben bzw. geregelt. Zur Kompensation von Druckschwankungen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 einen Dämpfer 6 auf. Ferner ist ein Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 zur Druckbeaufschlagung illustriert.
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Die 3 bis 7 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 13 durchgeführt werden.
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In einem Schritt S1 werden die Dichtungsscheibe 11 und das Gehäuse 12 bereitgestellt. Die Dichtungsscheibe 11 weist einen äußeren Rand 19 mit einem vorgegeben ausgebildeten Konturabschnitt K auf, der eine radiale Ausnehmung umfasst. Bei der radialen Ausnehmung der Dichtscheibe kann es sich um eine radial umlaufende Nut, Tasche oder Kerbe handeln. Die radiale Ausnehmung ist zum Beispiel durch eine Kontur in dem Konturabschnitt K ausgestaltet, die ein erstes und ein zweites Kontursegment umfasst, die einen jeweiligen ersten und einen zweiten Konturwinkel K1, und K2 relativ zu der Längsachse L der Anordnung 16 einschließen (s. 6 und 10).
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Die radiale Ausnehmung bildet mit der Wandung des Gehäuses 12 einen Hohlraum 13 zwischen der Dichtungsscheibe 11 und dem Gehäuse 12 aus, welcher als Materialtasche für einzubringendes Gehäusematerial fungiert.
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Das Gehäuse 12 weist eine untere, erste Gehäusekante 14 und eine obere, zweite Gehäusekante 15 an einer Wandung auf, die eine Innenwandung einer Gehäusebohrung realisiert. In dieser Beschreibung beziehen sich Begriffe, wie „oben“, „unten“, „Oberseite“ und „Unterseite“, auf eine Ausrichtung der Anordnung 16 bezüglich der Längsachse L, wie sie in sämtlichen Figuren illustriert ist.
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In einem weiteren Schritt S3 wird die Dichtungsscheibe 11 die Gehäusebohrung des Gehäuses 12 mittels eines Niederhalters mit einer vorgegebenen Presskraft F eingepresst, sodass der äußere Rand 19 der Dichtungsscheibe 11 die Innenwandung des Gehäuses 12 kontaktiert. Beim Einpressen der Dichtungsscheibe 11 wird die untere Gehäusekante 14 verformt und in eine erste Formschlusskante 17 überführt, die sich in den Hohlraum 13 erstreckt. Die Dichtungsscheibe 11 wird somit in das Gehäuse 12 eingepresst bis der Konturabschnitt K mit der radialen Ausnehmung neben oder angrenzend zu der Position der ersten Gehäusekante 14 platziert ist.
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Bei diesem Einpressen wird die erste Gehäusekante 14 aber gezielt plastisch verformt und es bildet sich eine Wulst, die als Fügeelement genutzt wird und in die durch den Hohlraum 13 bereitgestellte Tasche hineinragt. Die Wulst bildet somit die erste Formschlusskante 17 aus, die den Hohlraum 13 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, ausfüllt. Durch die vorgegebene Kontur der radialen Ausnehmung ist die erste Formschlusskante 17 nach oben und unten in der radialen Ausnehmung der Dichtungsscheibe 11 eingespannt und bildet eine erste formschlüssige Verbindung zwischen der Dichtungsscheibe 11 und dem Gehäuse 12 aus.
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In einem weiteren Schritt S5 wird zum Beispiel ein Meißel gemäß dem in 3 illustrierten Pfeil an der oberen, zweiten Gehäusekante 15 angesetzt. Durch Stoßausübung mittels des Meißels wird eine abspanende Umformung der zweiten Gehäusekante 15 durchgeführt und eine gecrimpte zweite Formschlusskante 18 ausgebildet (s. 8 und 12). Das Crimpen erfolgt bevorzugt an einer Oberseite 111 oder einer oberen Ecke der Dichtungsscheibe 11 mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial. Die erste formschlüssige Verbindung, die durch das Einpressen der Dichtungsscheibe 11 in das Gehäuse 12 und das Umformen der ersten Gehäusekante 14 und somit das Ausbilden der ersten Formschlusskante 17 ausgebildet wird, ist bevorzugt an einer Unterseite 112 der Dichtungsscheibe 11 bzw. an einer unteren Ecke oder einem unterem Abschnitt des Rands 19 ausgebildet, welcher in der Nähe der Unterseite 112 ausgebildet ist.
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Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein zuverlässiges Einlassventil 10 kostengünstig realisierbar, welches einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht. Über eine Kombination zweier Fügeprozesse werden formschlüssige Verbindungen eingerichtet, welche ein höheres Widerstandspotential in Bezug auf zu erwartende Drucksteigerungen von System- und Spitzendrücken bereitstellen.
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Bei dem Einpressen der Dichtungsscheibe (s. 3) ergibt sich im Bereich der radialen Ausnehmung des vorgegeben ausgebildeten Konturabschnitts K eine Wulst, die sich in ihrer Form an der Form der Tasche bzw. des Hohlraums 13 orientieren kann.
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Die radiale Ausnehmung an dem äußeren Rand 19 der Dichtungsscheibe 11, die ein Ausbilden der Tasche ermöglicht, kann gemäß 5 durch unterschiedliche Durchmesser der Dichtungsscheibe 11 ausgebildet werden, welche sich auf eine radiale Erstreckungsrichtung in einer Ebene quer zu der Längsachse L der Anordnung 16 beziehen. Ein erster Abschnitt oberhalb des Konturabschnitts K weist einen ersten Durchmesser D1 auf. Ein dritter Abschnitt unterhalb des Konturabschnitts K weist einen dritten Durchmesser D3 auf. Der Konturabschnitt K bildet einen dazwischenliegenden zweiten Abschnitt aus, welcher zum Beispiel an seiner schmälsten Stelle einen Durchmesser D2 aufweist. Der Durchmesser D2 ist kleiner als der erste Durchmesser D1 und der dritte Durchmesser D3. Somit ist der Hohlraum 13 ausbildbar und stellt eine auffüllbare Tasche bereit, die ein Verhaken der ersten Formschlusskante 17 ermöglicht.
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In der 6 sind Konturwinkel K1 und K2 des Konturabschnitts K dargestellt, die ein vorgegebenes Ausbilden einer gewünschten radialen Ausnehmung ermöglichen. Ein erstes Kontursegment, an einem oberen Abschnitt der radialen Ausnehmung, weist einen ersten Konturwinkel K1 und ein zweites Kontursegment, an einem unteren Abschnitt der radialen Ausnehmung, weist einen zweiten Konturwinkel K2 auf. Das Ausbilden der Tasche bzw. des Hohlraums 13 kann somit durch die Konturwinkel K1 und K2 gezielt vorgegeben werden. Beispielsweise besitzt der Konturwinkel K1 einen Wert von 45°-60° bezogen auf den vertikalen verlaufenden oberen Randabschnitt des Rands 19 bzw. bezogen auf die Längsachse L.
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Der zweite Konturwinkel K2 weist zum Beispiel einen Wert von 30°. Mit dem Ausbilden eines größeren ersten Konturwinkels K1 können größere Kraftwerte hinsichtlich einer Auspresskraft erreicht werden. Unterhalb der Tasche bzw. der ausgebildeten Hohlraums ist ein Spiel von beispielsweise 10 µmm vorhanden, um ein einfaches und zuverlässiges Einpressen der Dichtungsscheibe 11 zu ermöglichen. Die Tasche bzw. der ausgebildete Hohlraum 13 ist daher nicht zwingend an einer Unterseite geschlossen.
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Nach Abschluss des Einpressens ist die Tasche größtenteils mit Gehäusematerial gefüllt und die Dichtungsscheibe 11 weist mit dem Gehäuse 12 entlang des Bereiches des Kantenabschnitts K und der Tasche eine formschlüssige Verbindung auf.
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8 zeigt eine Darstellung einer Spannungsverteilung für die Anordnung 16 nach den 3 bis 7. Nach dem erfolgten Einpressen und Crimpen sind die Dichtungsscheibe 11 und das Gehäuse 12 an zumindest zwei Positionen mittels der beiden Formschlusskanten 17 und 18 formschlüssig miteinander verbunden. Zu berücksichtigen ist die eingespannte Restklemmkraft, die durch den Niederhalter in die Anordnung eingebracht wird, sowie eine radiale Verspannung, eine Kontaktkraft und eine Eigenspannung der Materialien bzw. der Dichtungsscheibe 11 und des Gehäuses 12. Eine solche vorteilhafte Spannungsverteilung ergibt sich zum Beispiel bei einem zu dem Einpressen im Wesentlichen zeitgleich ausgeführten Crimpprozess nach dem Rückfahrenden der verwendeten Fügewerkzeuge.
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Die 9 bis 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung 16 bzw. des Konturabschnitts K der Dichtungsscheibe 11. Diese Ausführungsform zeigt den Konturabschnitt K mit einem größeren ersten und zweiten Konturwinkel K1 und K2, deren Kontursegmente in eine kreisförmige Vertiefung oder Boden der radialen Ausnehmung zusammenlaufen, die einen Radius R aufweist. Die beiden Konturwinkel K1 und K2 weisen zum Beispiel jeweils einen Winkel zwischen 30° und 90° auf. Der kreisförmige, sphärische oder konkave ausgebildete Boden der radialen Ausnehmung ist insbesondere durch einen einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozess und diesbezüglich eingesetzter Werkzeuge begründet.
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Diese Ausführungsform ermöglicht ein Erzielen von relativ hohen Auspresskräfte. Das liegt unter anderem an dem relativ flachen zweiten Konturwinkel K2 an der Unterseite der Tasche, welcher auftretende Presskräfte besser aufnehmen kann, als eine vergleichsweise steile Kante bzw. als ein Kontursegment mit einem vergleichsweise spitzen zweiter Konturwinkel K2. Nach dem Einpressen der Dichtungsscheibe 11 in die Ausnehmung des Gehäuses 12 ist die Tasche mit Material von der ersten Gehäusekante 14 gefüllt und erzeugt einen zusätzlichen Widerstand beim Auspressen bzw. gegen ein Einwirken von Presskräften, insbesondere von dem zugwandten Hochdruckbereich der Kraftstoffpumpe 5.
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12 zeigt analog zu 8 eine Darstellung einer Spannungsverteilung für die Anordnung 16 nach den 9 bis 11.
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Beide beschriebenen Ausführungsformen der Anordnung 16 sind einfach und wirtschaftlich herstellbar. Besoinders vorteilhaft ist bei dem Ausbilden der unteren formschlüssigen Verbindung, dass die aus der ersten Gehäusekante 14 erzeugte Wulst nach dem Rückfahrenden der eingesetzten Fügewerkzeuge möglichst im ganzen Verlauf der Tasche in Anlage mit dem Rand 19 der Dichtungsscheibe 11 ist.
