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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe. 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 Ventile und Kolben zum Druckaufbau, 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 Kraftstoffhochdruckpumpe erforderlich, um in einem Betrieb auch hohen Druckschwankungen standhalten zu können. Entsprechend höhere Anforderungen an die Bauteile einer Kraftstoffhochdruckpumpe bestehen bei Systemdrücken von deutlich über 350 bar.
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Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, die auch bei relativ hohen Systemdrücken jeweils einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 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 des Verfahrens und der Anordnung sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe ein Bereitstellen eines Gehäuses mit einer ersten und einer zweiten Gehäusekante, die beabstandet voneinander an einer Wandung des Gehäuses ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst weiter ein Bereitstellen einer Kolbenführungshülse, die dazu ausgebildet ist, eine Führung für einen Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe einzurichten. Dabei weist die Kolbenführungshülse einen Rand mit einem vorgegebenen Konturabschnitt auf, der eine Einkerbung umfasst. Das Verfahren umfasst weiter ein Umformen der ersten Gehäusekante und dadurch Ausbilden einer ersten Formschlusskante aus der ersten Gehäusekante mittels Einpressen der Kolbenführungshülse in eine Ausnehmung des Gehäuses, sodass der Rand der Kolbenführungshülse die Wandung des Gehäuses kontaktiert und der Konturabschnitt der Kolbenführungshülse mit der Einkerbung und die Wandung des Gehäuses einen Hohlraum begrenzen, in den sich die erste Formschlusskante erstreckt. Das Verfahren umfasst weiter ein Fügen der Kolbenführungshülse 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 eine stabile und zuverlässige Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe kostengünstig realisierbar, welche einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht, das die Kraftstoffhochdruckpumpe durchströmt. Die Anordnung ermöglicht einen Betrieb mit Systemdrücken von deutlich über 350 bar, sodass eine entsprechende Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beispiel auch Spitzendrücken von über 550 bar standhalten kann. Solche Druckspitzen können unter anderem aufgrund von Druckschwankungen in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten und eine starke Belastung für die verbauten Komponenten darstellen.
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Die Kolbenführungshülse dient der Führung eines Kolbens in der Kraftstoffhochdruckpumpe. Außerdem dient sie als Dichtelement zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und muss in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe relativ hohen Druckschwankungen widerstehen können, ohne dabei aus dem Gehäuse gedrückt und undicht zu werden, um eine zuverlässige und sichere Kraftstoffführung bereitzustellen. Eine Unterseite der Kolbenführungshülse ist dann zum Beispiel einem Hochdruckbereich und eine Oberseite der Kolbenführungshülse einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt.
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Es ist eine Erkenntnis im Zusammenhang mit der Erfindung, dass nach einem Einpressen einer Kolbenführungshülse 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. Ein solches Fügeverfahren bestimmt in der Fertigung eine erzielbare Haltekraft, welche unter anderem auch maßgeblich die statische Festigkeit und die Dauerfestigkeit Kolbenführungshülse relativ zu dem Gehäuse mitbestimmt.
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Bei einer weiterhin absehbaren Steigerung der Systemdrücke in einer Kraftstoffhochdruckpumpe über 350 bar stoßen Fügeverfahren, wie Crimpen und Verschweißen, an ihre Festigkeitsgrenzen. Darüber hinaus besteht bei konventionellen Kraftstoffpumpen das Risiko, dass bei Überschreiten eines aus der Fügeverbindung resultierenden bestimmten Grenzdruckes die Kolbenführungshülse axial den Kontakt zum Gehäuse verliert und der Hochdruck bis an den oberen der Kolbenführungshülse heranreichen konnte und sich dadurch begründet der axiale Bereich der Druckbelastung und die daraus resultierend axial wirkende Kraft deutlich erhöhen. Ein solcher Fehlerfall kann zu einem Auspressen der Kolbenführungshülse führen.
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Dadurch, dass bei der beschriebenen Anordnung zwei Formschlusskanten ausgebildet werden, die erste mittels Einpressen der Kolbenführungshülse 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 Kolbenführungshülse 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. Die beschriebene Anordnung basiert auf beidseitig formschlüssigem Fügen und stellt eine im Vergleich zu konventionellen Aufbauten deutlich höhere Haltekraft der Kolbenführungshülse an dem Gehäuse bereit, sodass auch höheren Druckbelastungen standgehalten werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die zweite Formschlusskante nachfolgend zu der ersten Formschlusskante ausgebildet werden. Alternativ kann ein Ausbilden der beiden Formschlusskanten aber auch im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen, sodass mittels Crimpen und Umformen der zweiten, oberen Gehäusekante und gleichzeitig die erste, untere umgeformt wird.
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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 Kolbenführungshülse gegen die Wandung des Gehäuses mit einer durch den Niederhalter vorgegebenen Presskraft. Das Verfahren umfasst weiter ein Verändern der durch den Niederhalter auf die Kolbenführungshülse ausgeübten Presskraft während des Fügens der Kolbenführungshülse und des Gehäuses mittels Crimpen. Vorzugsweise wird die durch den Niederhalter ausgeübte Presskraft während des Fügens der Kolbenführungshülse 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, sodass die zweite Gehäusekante plastisch umgeformt und somit die zweite Formschlusskante ausgebildet wird. Die Formschlusskanten gehen jeweils durch das beschriebene Fügen aus den zugehörigen Gehäusekanten hervor.
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Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig eine plastische Umformung von Gehäusematerial durchgeführt werden, die zu einem Einspannen der Kolbenführungshülse 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 die jeweilige Formschlusskante ausgebildet, die eine entsprechende formschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse realisiert. Die obere, zweite Formschlusskante spannt die Kolbenführungshülse 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 Festigkeits- und Dichtungsproblem einer Kolbenführungshülse in einem Gehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe realisierbar, das insbesondere aufgrund einer weiteren Steigerung von Systemdrücken in einem Betrieb von Kraftstoffhochdruckpumpen zu erwarten ist. Ein Herstellen der beschriebenen Anordnung ist mittels des beschriebenen Verfahrens ohne oder mit möglichst geringen Änderungen an bekannten Produktionsmitteln, Prozessen und Geometrien aufwandsarm und 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 Zustand einer Hochdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt ist, und einer Oberseite, die in einem verbauten Zustand einer Niederdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt ist, dar. Mittels der ausgebildeten formschlüssigen Verbindungen wird die Kolbenführungshülse stabil und zuverlässig gelagert und stellt 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 erste Formschlusskante ist an der Unterseite oder Hochdruckseite und die zweite Formschlusskante ist an der Oberseite oder Niederdruckseite ausgebildet. Durch eine gezielt eingebrachte Geometrieänderung an dem unteren Außenrand der Kolbenführungshülse ist ein Konturabschnitt mit der Einkerbung ausgebildet, welche den Hohlraum in Form einer Tasche an der Außenseite der Kolbenführungshülse realisiert. Beim Einpressen der Kolbenführungshülse in das Gehäuse, insbesondere mittels eines Niederhalters, wird gezielt das Gehäusematerial der unteren, ersten Gehäusekante in die Tasche eingeschoben und es wird die erste Formschlusskante ausgebildet. Die erste Formschlusskante ist innerhalb der Tasche nach oben und unten eingespannt und bildet eine stabile fixierte Position der Kolbenführungshülse 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 Kolbenführungshülse verformt und in die erste Formschlusskante überführt wird. Im Prinzip wird durch das Niederdrücken der Kolbenführungshülse und einer an der Unterseite der Kolbenführungshülse vorhandenen Schräge aus der ersten Gehäusekante eine Wulst erzeugt, welche nun aktiv zum formschlüssigen Fügen und Dichten verwendet wird.
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Im weiteren Verlauf des Fügeprozesses wird die auf die Kolbenführungshülse 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 Kolbenführungshülse die Crimpoperation mittels eines Crimpmeißels an der oberen, zweiten Gehäusekante durchgeführt wird.
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Bei dem Crimpen wird an der Oberseite der Kolbenführungshülse mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial die zweite Gehäusekante gezielt verformt und somit die Crimpung erzeugt. Dabei wird die obere, zweite Gehäusekante nach unten gegen die Oberseite der Kolbenführungshülse geschoben und es entsteht eine vorgespannte Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse, welche nach dem Wegfahren der Werkzeuge, unter anderem aufgrund der aufgebrachten Niederhaltekraft, im Wesentlichen erhalten bleibt. Während des Crimpprozesses wird mittels des Niederhalters eine Vorspannkraft in der Kolbenführungshülse und in dem Gehäuse erzeugt. Der Niederhalter ist zum Beispiel ein Presswerkzeug, das einen vorgegebenen Druck oder eine vorgegebene Presskraft auf die Kolbenführungshülse 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 Kolbenführungshülse und Gehäuse zumindest teilweise erhalten und sorgt für eine Entlastung der eingespannten Kolbenführungshülse unter Druckpulsationen. Eine solche nutzbringende Restklemmkraft und eine Widerstandskraft gegen ein Auspressen der Kolbenführungshülse sind durch Fügesimulationen bestätigt. Im Vergleich zu konventionellen Designs können diese mittels der beschriebenen Anordnung um bis zu 30% gesteigert werden.
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Zusätzlich ergibt sich mittels Ausbilden der beschriebenen Anordnung vorteilhaft, dass der Kontaktdruck zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse mit der Wulst in der Tasche der Kolbenführungshülse mit dem Systemdruck kaum abnimmt oder sogar zunimmt. Dies ergibt sich aus den erzeugten keilförmigen Geometrien der Wulst in der Tasche und trägt nutzbringend zum Abdichten an der Hochdruckseite der Kolbenführungshülse bei. Damit kann die Dichtstelle im Bereich der Tasche zudem radial mit einem kleineren Radius weiter innen realisiert werden als das bei konventionellen Geometrien möglich war, sodass weiter zusätzlich zu einer Absenkung der aus dem Systemdruck resultierenden Axialkraft führt.
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Die ausgebildeten Formschlussverbindungen stellen ein höheres Widerstandspotential für Drucksteigerungen bereit, da die Kolbenführungshülse beidseitig, im Bereich an der Oberseite und im Bereich an der Unterseite, formschlüssig gehalten wird und zusätzlich eine nutzbringende innenliegende Dichtkante ausgebildet ist, welche die wirkende Axialkraft verringert oder ableitet.
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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 mittels der unteren Gehäusekante ausgebildete Dichtkante oder Wulst wird sozusagen zunehmend zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse eingeklemmt und dabei steigt auch der Kontaktdruck. Dieser Effekt wird mithilfe der Tasche an der Kolbenführungshülse erzeugt. Im Vergleich dazu wird bei konventionellen Ausführungen einer Kolbenführungshülse der Kontaktdruck an einer vorhandenen Beisskante mit steigendem Druck kleiner, da eine solche Kolbenführungshülse immer weiter angehoben wird und langsam den Kontakt an dieser Stelle verliert.
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Das Gehäuse stellt insbesondere einen Teil des Pumpengehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe dar und ist zum Beispiel aus Edelstahl gefertigt. In eine Bohrungsausnehmung des Gehäuses wird dann zum Beispiel die Kolbenführungshülse gezielt eingepresst. Auch die Kolbenführungshülse ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt und materialspezifisch hart genug, um dem Umformprozess mittels Crimpen standzuhalten.
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In Bezug auf konventionelle Kraftstoffhochdruckpumpen sind daher im Design keine größeren Anpassungen erforderlich. Daher können bereits vorhandene Produktionslinien unverändert verwendet werden. Dabei werden insbesondere die Kontur an einer Außenseite der Kolbenführungshülse und die Kontur an einer Innenseite der Wandung des Gehäuses aufeinander abgestimmt ausgebildet und vorbereitet, sodass mittels des beschriebenen Verfahrens eine Anordnung realisierbar ist, die eine vorteilhafte Stabilität und Festigkeit in Bezug auf die doppelt formschlüssig miteinander verbundenen Kolbenführungshülse und Gehäuse ermöglicht.
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Die Anordnung, die mittels des beschriebenen Verfahrens ausbildbar ist, eignet sich zum Beispiel für hochbelastete Führungshülsen für Hydraulikventile, insbesondere unter Vorspannung, und kann für Hydraulikventile jeder Art eingesetzt werden, welche einen ähnlichen Aufbau gemäß dem beschriebenen einer Kraftstoffhochdruckpumpe verwenden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe ein Gehäuse mit einer Wandung, an der eine erste und eine zweite Gehäusekante beabstandet voneinander ausgebildet sind. Die Anordnung umfasst weiter eine Kolbenführungshülse, die in dem Gehäuse angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Führung für einen Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe auszubilden. Die Kolbenführungshülse weist einen Rand mit einem vorgegebenen Konturabschnitt auf, der eine Einkerbung umfasst. Die Kolbenführungshülse ist in einer Ausnehmung, beispielsweise in Form einer Gehäusebohrung, in dem Gehäuse eingepresst, sodass der Konturabschnitt mit der Einkerbung und die Wandung des Gehäuses einen Hohlraum vorgegeben begrenzen. Ferner ist die Kolbenführungshülse mittels einer ersten Formschlusskante und einer zweiten Formschlusskante formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden. Die erste Formschlusskante ist mittels Einpressen aus einer ersten Gehäusekante und die zweite Formschlusskante ist mittels Crimpen aus einer zweiten Gehäusekante gebildet, wobei sich die erste Formschlusskante im Bereich der Einkerbung in den Hohlraum zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse erstreckt.
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Mittels der beschriebenen Anordnung ist eine besonders stabile und zuverlässige Kraftstoffhochdruckpumpe kostengünstig realisierbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist mit der Anordnung dazu befähigt, auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid, welches die Kraftstoffhochdruckpumpe durchströmt, einen sicheren Betrieb bereitzustellen. Die Anordnung bildet insbesondere einen Teil der Kraftstoffhochdruckpumpe aus, der nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist. Daher sind die Eigenschaften und Merkmale des zuvor beschriebenen Herstellungsverfahrens auch für die Anordnung offenbart und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Anordnung weist die Kolbenführungshülse Abschnitte mit unterschiedlichen radialen Ausdehnungen auf. Bezogen auf eine radiale Erstreckungsrichtung quer zu einer Längsachse der Anordnung weist die Kolbenführungshülse in einem ersten Bereich einen ersten Durchmesser und in einem zweiten Bereich einen zweiten Durchmesser auf, die auf gegenüberliegenden Seiten an dem vorgegebenen Konturabschnitt angrenzen. Die Kolbenführungshülse weist in dem Bereich des vorgegebenen Konturabschnitts einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der erste und der zweite Durchmesser. Die Kolbenführungshülse weist somit in dem beschriebenen Konturabschnitt eine zumindest lokal schmalste Stelle auf, die die Einkerbung realisiert. Angrenzend darüber und darunter ist die Kolbenführungshülse breiter ausgestaltet.
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Die Einkerbung in dem vorgegebenen Konturabschnitt der Kolbenführungshülse kann zum Beispiel bezogen auf die Längsachse der Anordnung eine ring- oder keilförmige Nut ausbilden, in die beim Einpressen der Kolbenführungshülse 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 Kolbenführungshülse im Bereich des vorgegebenen Konturabschnitts eine Kontur auf, die zusammen mit einer Kontur der angrenzenden Wandung des Gehäuses einen ersten Konturwinkel einschließt. Die Kolbenführungshülse weist ferner in einem zu dem Konturabschnitt angrenzenden Bereich eine Kontur auf, die zusammen mit einer Kontur der angrenzenden Wandung des Gehäuses einen zweiten Konturwinkel einschließt, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Konturwinkel ein dritter Konturwinkel der Anordnung vorgegeben eingerichtet ist, der eine Form der ersten Gehäusekante bestimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung weisen der erste und/oder der zweite Konturwinkel einen Wert größer 0° und der dritte Konturwinkel einen Wert zwischen 0° und 60° auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung weisen der erste Konturwinkel einen Wert in einem Bereich von 15° bis 55° und der zweite Konturwinkel einen Wert in einem Bereich von 0° bis 35° auf.
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Darüber hinaus kann die Anordnung ferner so weitergebildet sein, dass die Kolbenführungshülse bezogen auf eine radiale Erstreckungsrichtung quer zu einer Längsachse der Anordnung in dem Bereich des Konturabschnitts eine vorgegebene radiale und eine vorgegebene geradlinig verlaufende Geometrie aufweist, die aneinander angrenzen.
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Die Einkerbung an dem Rand bzw. der radialen Außenseite der Kolbenführungshülse bildet die Ausgangsform für den auszubildenden Hohlraum, wenn die Kolbenführungshülse 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 sind. Die beschriebenen Ausführungsvarianten der Einkerbung bzw. der ersten Gehäusekante ermöglichen das Ausbilden einer Tasche, deren Form sich nutzbringend auf ein Fügen und Verbinden der Kolbenführungshülse mit dem Gehäuse auswirken kann.
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Für das Design der Tasche bzw. der Einkerbung an der Unterseite der Kolbenführungshülse, welche im Zusammenwirken mit der inneren Gehäusewand den Hohlraum in Form einer Tasche ausbildet, sind verschiedene Designs möglich. 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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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung und einen Kolben, der entlang einer Längsachse in der Anordnung axial beweglich gelagert ist, um im Zusammenwirken mit der durch die Kolbenführungshülse bereitgestellten Führung einen Hochdruckbereich eines durch die Kraftstoffhochdruckpumpe strömenden Fluids auszubilden. Dadurch, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung aufweist, sind die beschriebenen Eigenschaften und Merkmale der Anordnung auch für die Kraftstoffhochdruckpumpe offenbart und umgekehrt.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe mit der Anordnung stellt ein erhöhtes Widerstandspotential in Bezug auf Drucksteigerungen bereit, aufgrund der zusätzlichen Haltewirkung und der besseren Verteilung der wirksamen Kräfte auf die Kolbenführungshülse und das Gehäuse. Die Anordnung beinhaltet eine vorgespannte Fügeverbindung, die eine vorteilhafte Dauerfestigkeit einrichtet. Ein Design der Kraftstoffhochdruckpumpe bedarf keine größeren Anpassungen. Da die gezielt ausgebildeten formschlüssigen Verbindungen unmittelbar im selben Prozess erzeugt werden können, sind auch keine Änderungen an erforderlichen Produktionsmitteln notwendig. Zudem sind die auszuübenden Fügeprozesse gut beherrschbar.
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Die Dichtwirkung an der neu erzeugten formschlüssigen Verbindung bleibt auch bei einer Druckbeaufschlagung und leichter reversibler Dehnungsbewegung der Kolbenführungshülse (in Richtung des Niederdruckbereichs der Kraftstoffhochdruckpumpe) nahezu unvermindert erhalten oder verstärkt sich sogar. Die aus der Druckbeaufschlagung resultierende Axialkraft wird durch die nun radial weiter innen liegende Dichtstelle vermindert, woraus ein zusätzlicher Vorteil der Dauerfestigkeit bzw. ein zusätzliches Potential zur Druckerhöhung zu erwarten ist.
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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, 3-8 verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für die Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 9-11 schematische Darstellungen einer Spannungsverteilung in einer Anordnung nach den 3-8,
- 12 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zum Herstellen der Anordnung für die Kraftstoffhochdruckpumpe.
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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 einen Kolben 8 umfasst, der zum Aufbauen einen Hochdruckbereichs für einen Kraftstoff in einer Kolbenführung 10 geführt ist. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 stellt in einem Betrieb den für die Brennkraftmaschine 3 erforderlichen Kraftstoff bereit. Wie nachfolgend anhand der 2 bis 12 erläutert wird, ermöglicht die Kolbenführung 10 mit einer Anordnung 15 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 neben der Kolbenführung 10 ein Einlassventil 20 und ein Auslassventil 7 umfasst. Das Einlassventil 20 weist eine Dichtungsscheibe 21 auf, die als Dichtelement zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 fungiert. Die Dichtungsscheibe 21 bildet zum Beispiel einen Teil eines Plattenventils aus und wirkt mit einem Ventilkörper 22 zusammen, um einen Durchfluss von Fluid durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 und durch das Einlassventil 20 zu steuern. Zum axialen Bewegen des Ventilkörpers 21 wird ein Aktor 23 des Einlassventils 20 angesteuert und somit ein Fluidfluss durch das Einlassventil 20 freigegeben bzw. geregelt. Zur Kompensation von Druckschwankungen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 einen Dämpfer 6 auf. Der Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 dient der Druckbeaufschlagung des durchströmenden Fluids und dem Ausbilden des Hochdruckbereichs der Kraftstoffhochdruckpumpe 5.
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Die 3 bis 8 zeigen eine vergrößerte Darstellung des in der 2 gestrichelt eingezeichneten Bereichs der Anordnung 15 und repräsentieren verschiedene Schritte oder Positionen eines Verfahrens zum Herstellen der Anordnung 15 für die Kraftstoffhochdruckpumpe 5. Ein solches Herstellungsverfahren kann gemäß dem Ablaufdiagramm nach 12 durchgeführt werden.
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In einem Schritt S1 wird eine Kolbenführungshülse 11 und ein Gehäuse 12 bereitgestellt. Die Kolbenführungshülse 11 weist einen äußeren Rand 18 mit einem vorgegeben ausgebildeten Konturabschnitt K auf, der eine Einkerbung umfasst. Die Einkerbung ist zum Beispiel durch eine Kontur in dem Konturabschnitt K ausgestaltet, die ein oder mehrere vorgegebene Konturwinkel K1, K2, K3 relativ zu einer Längsachse L der Anordnung 15 umfasst (s. 4 und 8).
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Die Einkerbung bildet mit einer inneren Wandung des Gehäuses 12 einen Hohlraum 13 zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 aus, welcher als Materialtasche für einzubringendes Gehäusematerial fungiert. Das Gehäuse 12 weist eine untere, erste Gehäusekante 14 und eine obere, zweite Gehäusekante 17 an der Wandung auf, die eine Innenwandung einer Gehäusebohrung realisiert (s. 9).
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In dieser Beschreibung beziehen sich Begriffe, wie „oben“, „unten“, „Oberseite“ und „Unterseite“, auf eine Ausrichtung der Anordnung 15 bezüglich der Längsachse L, wie sie in sämtlichen Figuren illustriert ist. Die Kolbenführungshülse 11 weist eine Unterseite 111 auf, die dem Hochdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 zugewandt ist. Demgemäß ist eine Oberseite 112 der Kolbenführungshülse 11 dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 zugewandt (s. 9).
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In einem Schritt S2 wird die Kolbenführungshülse 11 in die Gehäusebohrung des Gehäuses 12 mittels eines Niederhalters 30 mit einer vorgegebenen Presskraft F eingepresst, sodass der äußere Rand 18 der Kolbenführungshülse 11 die Innenwandung des Gehäuses 12 kontaktiert. Beim Einpressen der Kolbenführungshülse 11 wird die untere Gehäusekante 14 verformt und in eine erste Formschlusskante überführt, die sich in den Hohlraum 13 erstreckt (s. 6). Die Kolbenführungshülse 11 wird somit in das Gehäuse 12 eingepresst bis der Konturabschnitt K mit der Einkerbung 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 die in die durch den Hohlraum 13 bereitgestellte Tasche hineinragt. Die Wulst bildet somit die erste Formschlusskante aus, die den Hohlraum 13 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, ausfüllt. Durch die vorgegebene Kontur der Einkerbung ist die erste Formschlusskante nach oben und unten in der Einkerbung der Kolbenführungshülse 11 eingespannt und bildet eine erste formschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 aus.
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In einem weiteren Schritt S3 wird zum Beispiel ein Meißel 31 gemäß dem in 9 illustrierten Pfeil an der oberen, zweiten Gehäusekante 17 angesetzt. Durch Stoßausübung oder Vorschub mittels des Meißels 31 wird eine abspanende Umformung der zweiten Gehäusekante 17 durchgeführt und eine gecrimpte zweite Formschlusskante ausgebildet. Das Crimpen erfolgt bevorzugt an einer Oberseite 112 oder einer oberen Ecke der Kolbenführungshülse 11 mittels Abspanen und Umformen von Gehäusematerial des Gehäuses 12. Die erste formschlüssige Verbindung, die durch das Einpressen der Kolbenführungshülse 11 in das Gehäuse 12 und das Umformen der ersten Gehäusekante 14 ausgebildet wird, ist bevorzugt an der Unterseite 111 der Kolbenführungshülse 11 bzw. an einer unteren Ecke oder einem unterem Abschnitt des Rands 18 ausgebildet, welcher in der Nähe der Unterseite 111 ausgebildet ist.
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Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine stabile Anordnung 15 für die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 kostengünstig realisierbar, welche einen sicheren und zuverlässigen 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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Die 3 bis 5 zeigen die Kolbenführungshülse 11 vor oder beim Einpressen in das Gehäuse 12. Die Einkerbung an dem äußeren Rand 18 der Kolbenführungshülse 11, die zusammen mit der inneren Gehäusewandung die Tasche ausbildet, kann gemäß 5 durch unterschiedliche Durchmesser D1, D2 und DK der Kolbenführungshülse 11 eingerichtet sein. Die Durchmesser D1, D2 und DK beziehen sich auf eine radiale Erstreckungsrichtung in einer Ebene quer zu der Längsachse L der Anordnung 15. Ein erster Abschnitt oberhalb des Konturabschnitts K weist einen ersten Durchmesser D1 auf. Ein zweiter Abschnitt unterhalb des Konturabschnitts K weist einen zweiten Durchmesser D2 auf. Der Konturabschnitt K bildet einen dazwischenliegenden Abschnitt aus, welcher zum Beispiel an seiner schmälsten Stelle einen Durchmesser DK aufweist. Der Durchmesser DK des Konturabschnitts K ist kleiner als der erste Durchmesser D1 und der zweite Durchmesser D2. Somit ist der Hohlraum 13 zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 ausbildbar und stellt eine auffüllbare Tasche bereit, die ein Verhaken der ersten Formschlusskante ermöglicht.
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Gemäß 4 können die Kolbenführungshülse 11 und das Gehäuse 12 in Abstimmung aufeinander so ausgebildet sein, dass die Tasche 13 einen Abschnitt mit einer vorgegebenen radialen Kontur und eine daran angrenzende Schräge aufweist. Die radiale Kontur weist einen vorgegebenen Radius R auf. Die schräge Kontur schließt zusammen mit der angrenzenden Wandung des Gehäuses 12 einen vorgegebenen ersten Konturwinkel K1 ein. Ein weiterer zweiter Konturwinkel K2 ist zwischen einer Unterseite der Kolbenführungshülse 11 und einem gegenüberliegenden Abschnitt der Wandung des Gehäuses 12 eingeschlossen. Ferner ist die erste Gehäusekante 14 mit einem vorgegebenen dritten Konturwinkel K3 ausgebildet. Außerdem ist ein Spalt zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 mit vorgegebener Breite B ausgebildet.
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Die Tasche 13 besitzt gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform einen recht flachen ersten Konturwinkel K1, der vorteilhaft einen typischen Wert in Bezug auf standfeste Wendeschneidplatten aufweist. Der zweite Konturwinkel K2 ist durch eine untere Kante der Kolbenführungshülse 11 bestimmt, die im Wesentlichen rechtwinklig oder senkrecht zu einer Bohrungsachse bzw. der Längsachse L der Anordnung 15 ausgerichtet ist. Der zweite Konturwinkel K2 kann zum Beispiel als kleiner 0° bezeichnet werden, weil sich die zugehörige Geometrie unterhalb der im Wesentlichen horizontalen Kante der Kolbenführungshülse 11 erstreckt. Die Tasche 13 besteht aus mindestens einem Radius R und der Schräge, in welche das Material des Gehäuses 12 beim Einpressen geschoben wird.
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Gemäß 4 weist der illustrierte Konturwinkel K3 vorzugsweise einen Wert zwischen ca. 55° und 0° auf, sodass eine nutzbringende erste Gehäusekante 14 in Art einer Schräge oder Beisskante erzeugt wird. Diese begrenzt zu Beginn auch den umzuformenden Bereich und bietet später noch eine begrenzte Restflexibilität, um eine Restklemmkraft in der vorgespannten Fügeverbindung zu erhalten. Der dargestellte Spalt weist zum Beispiel eine Breite von bis zu 10 µm oder 20 µm auf. Der Spalt kann insbesondere der Vermeidung einer Doppelpassung in Bezug auf vorgesehene Pressfits entlang der Außenseite der Kolbenführungshülse dienen. Somit kann zu einer einfachen Herstellung beigetragen werden. Alternativ kann auch eine zuverlässige Dicht- und Haltewirkung der Kolbenführungshülse 11 an dem Gehäuse 12 auch mittels eines Pressverbands ohne Spalt eingerichtet sein.
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Ferner ist ein Hohlraum 19 zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 illustriert, der unter anderem durch die keilförmige oder kegelstumpfförmige Geometrie im Bereich der Unterseite 111 der Kolbenführungshülse 11 begründet ist, welche insbesondere dem einfachen und gerichteten Einpressen der Kolbenführungshülse 11 in die Ausnehmung des Gehäuses 12 dient. Der verbleibende Hohlraum 19 kann sich daher vorteilhaft auf die Montage der Anordnung 15 auswirken und zudem einen Hohlraum zur Aufnahme von Materialspänen ausbilden.
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Die 6 zeigt die Kolbenführungshülse 11 in einem eingepressten Zustand, in dem die Tasche 13 mit umgeformten Material der Gehäusekante 14 gefüllt ist. Nach Abschluss des Einpressens ist die Tasche 13 zumindest größtenteils mit Gehäusematerial gefüllt und die Kolbenführungshülse 11 weist mit dem Gehäuse 12 entlang des Bereiches des Konturabschnitts K und der Tasche 13 eine formschlüssige Verbindung auf. Bei einem Einpressen wird die Kolbenführungshülse 11 axial in Richtung des Hochdruckbereichs gepresst und das Gehäusematerial in die vorgesehene Tasche 13 geschoben. Es wird somit eine formschlüssige Verbindung an der Unterseite 111 bzw. an der Hochdruckseite der Kolbenführungshülse 11 erzeugt.
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Im Anschluss zu diesem Prozessschritt erfolgt das Crimpen an der Oberseite der Kolbenführungshülse 11 (s. 9). Es ist aber auch möglich beide Prozessschritte (Einpressen und Crimpen) parallel bzw. zeitgleich ablaufen zu lassen.
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Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Anordnung 15 mit einer alternativen Geometrie im Bereich des Konturabschnitts K. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konturwinkel K2 größer 0°, zum Beispiel 30°. Der zweite Konturwinkel K2 kann daher als 0° bezeichnet werden, weil sich die zugehörige Geometrie oberhalb der im Wesentlichen horizontalen Kante des Gehäuses 12 erstreckt. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit des Einsatzes einer anderen Wendeschneidplattengeometrie zur Erzeugung der Tasche 13, welche einen größeren Radius und eine höhere Werkzeugstandzeit sowie kleinere Spannungen im Bereich des Radius R des radialen Abschnitts der Tasche 13 begründen. Dies ermöglicht zudem an dem unteren Ende einen größeren ersten Konturwinkel K1 von zum Beispiel 20 - 50°.
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Durch den größeren ersten Konturwinkel K1, im Vergleich zu dem in 4 illustrierten Ausführungsbeispiel, ergeben sich beim Anliegen des Hochdruckes eine bessere Abstützung und innerhalb eines sehr kurzen axialen Dehnungsbewegungsbereiches (kürzer als ein entsprechender bei der Ausführungsform gemäß 4) ein hoher Kontaktdruck zum Dichten, sodass eine solche Geometrie eine besonders bevorzugte Variante bezüglich einer Auspresskraft und einer Abdichtung ermöglicht. Dies ist ferner durch den relativ flachen ersten Koturwinkel K1 an der Unterseite 111 im Bereich der Tasche 13 begründet (im Vergleich zu dem relativ steilen ersten Konturwinkel K1 gemäß der Ausführungsform nach 4), welche eine zuverlässige Kraftaufnahme beim Auspressen der Kolbenführungshülse 11 in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 bereitstellt.
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Nach Abschluss des Einpressens ist die Tasche 13 wieder größtenteils mit Material des Gehäuses 12 gefüllt und die Kolbenführungshülse 11 weist mit dem Gehäuse 12 entlang des Bereiches des Konturabschnitts K und der Tasche 13 eine formschlüssige Verbindung auf. Der Niederhalter 30 hält bis zum Abschluss des Umformprozesses und Zurückfahren des Crimpwerkzeuges 31 seine Niederhaltekraft F bei oder steigert diese, um so eine vorgespannte Fügeverbindung zu erzeugen. Diese ist vorteilhaft in Bezug auf ein Dauerfestigkeitsverhalten der Anordnung 15.
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Die 9 bis 11 zeigen jeweils eine Farbdarstellung einer Spannungsverteilung für die Anordnung 15 nachdem die Kolbenführungshülse 11 in das Gehäuse 12 eingepresst ist. Zu berücksichtigen ist die eingespannte Restklemmkraft, die durch den Niederhalter 30 in die Anordnung 15 eingebracht wird, sowie eine radiale Verspannung, eine Kontaktkraft und eine Eigenspannung der Materialien bzw. der Kolbenführungshülse 11 und des Gehäuses 12. Die grün illustrierten Bereiche stellen die Komponenten der Anordnung 15 dar. Die blau dargestellten Bereiche stellen Kontaktbereiche zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 dar. Den blauen Bereichen wird zum Beispiel ein relativer Wert 0 zugeordnet. Die rot dargestellten Bereiche zeigen Positionen mit relativ hohem Kontaktdruck an, an denen eine erhöhte Halte- oder Kontaktkraft vorhanden ist, die eine vorteilhafte Dauerfestigkeit und Dichtheit der Anordnung 15 begründet. Den roten Bereichen wird zum Beispiel ein relativer Wert 1 zugeordnet.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Anordnung 15 sind einfach und wirtschaftlich herstellbar. Sie weisen jeweils formschlüssige Verbindungen auf, bei denen die jeweils erzeugte Wulst nach dem Rückfahren der Werkzeuge bevorzugt im ganzen Verlauf der zugehörigen Tasche 13 in Anlage ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 3
- Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs
- 5
- Kraftstoffhochdruckpumpe des Kraftfahrzeugs
- 6
- Dämpfer der Kraftstoffhochdruckpumpe
- 7
- Auslassventil der Kraftstoffhochdruckpumpe
- 8
- Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe
- 10
- Kolbenführung
- 11
- Kolbenführungshülse
- 111
- Unterseite der Kolbenführungshülse
- 12
- Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe
- 13
- Tasche zwischen Kolbenführungshülse und Gehäuse
- 14
- erste Gehäusekante
- 15
- Anordnung für die Kraftstoffhochdruckpumpe
- 17
- zweite Gehäusekante
- 18
- äußerer Rand der Kolbenführungshülse
- 19
- Hohlraum zwischen Kolbenführungshülse und Gehäuse
- 20
- digitales Einlassventil
- 21
- Dichtungsscheibe des digitalen Einlassventils
- 22
- Ventilkörper des digitalen Einlassventils
- 23
- Aktor des digitalen Einlassventils
- 30
- Niederhalter
- 31
- Crimp-Werkzeug
- B
- Spaltbreite im Bereich der Tasche
- D1
- erster Durchmesser der Kolbenführungshülse
- D2
- zweiter Durchmesser der Kolbenführungshülse
- DK
- Durchmesser im Konturabschnitt
- F
- Vorspannkraft
- K
- Konturabschnitt der Kolbenführungshülse
- K1
- erster Kantenwinkel der Kolbenführungshülse
- K2
- zweiter Kantenwinkel der Kolbenführungshülse
- K3
- dritter Kantenwinkel Kolbenführungshülse / Gehäuse
- R
- Radius der Tasche an der Kolbenführungshülse
- L
- Längsachse der Anordnung / der Kolbenführungshülse
- S(i)
- Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochd ruckpu m pe
