DE10237464A1

DE10237464A1 - Lagervorrichtung

Info

Publication number: DE10237464A1
Application number: DE2002137464
Authority: DE
Inventors: Martin Moeller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung zur verschleiß- und reibarmen axialen Lagerung und Führung eines im Wesentlichen zylindrischen, bewegten Metallglieds in einem Lagerkörper aus Metall, insbesondere zur Lagerung/Führung einer Ventilnadel (3) in einem Ventilkörper (2) eines Nadelventils, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Lagervorrichtung eine an der Innenwand des Lagerkörpers bzw. Ventilkörpers (2) angeordnete zylindrische Kunststoffbuchse (1) aufweist, die einer an der Außenwand des bewegten Glieds bzw. der Ventilnadel (3) gebildeten Führungsfläche (4) gegenüberliegt und dass die Kunststoffbuchse (1) einen sie durchdringenden Schlitz (10) so aufweist, dass eine am Schlitz (10) beginnende ebene Abwicklung der Kunststoffbuchse (1) Parallelogrammform hat (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung zur verschleiß- und reibarmen axialen Lagerung und Führung eines im wesentlichen zylindrischen, beweglichen Körpers aus Metall, insbesondere einer Ventilnadel in einem Ventilkörper eines Nadelventils.
Im Rahmen der Entwicklung von Gasdosierkomponenten im Kraftfahrzeug fällt das als Schmiermittel wirkende, flüssige Medium, wie Benzin oder Dieselkraftstoff, weg. Lager und Führungen werden hierdurch anders belastet, so dass herkömmliche Konstruktionen und Werkstoffe nicht oder in nur sehr begrenztem Maße eingesetzt werden können. Insbesondere die häufig eingesetzte Paarung von Metall gegen Metall weist bei trockener Beanspruchung massiven Verschleiß auf.
Andererseits weisen am Markt erhältliche verschleißbeständige Kunststoffe, z. B. PE, PTFE, bei einer Paarung mit metallischen Körpern sehr gute Reib- und Verschleißwerte auf. Jedoch erweisen sich beim Einsatz derartiger Kunststoffe zur Lagerung und Führung von bewegten Körpern, wie z. B. in Einspritzventilen bzw. Gaseinblasventilen, die sehr stark differierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und solchen Kunststoffen als problematisch. Aus diesem Grunde können im allgemeinen die für eine sichere Funktion notwendigen Toleranzen nicht über einen größeren Temperaturbereich eingehalten werden.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Lagervorrichtung so zu ermöglichen, dass die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kunststoff kompensiert werden können, so dass beim Einsatz einer derartigen Lagervorrichtung, z. B. in einem Nadelventil, das über einen sehr großen Temperaturbereich, z. B. 160 K, betrieben wird, nur geringe Toleranzveränderungen auftreten.

Die obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt dieser Erfindung weist die Lagervorrichtung eine an oder in der Innenwand des Lagerkörpers bzw. Ventilkörpers angeordnete zylindrische Kunststoffbuchse auf, die einer an der Außenwand des bewegten Glieds bzw. der Ventilnadel gebildeten Führungsfläche gegenüber liegt, und die Kunststoffbuchse weist einen sie durchdringenden Schlitz so auf, dass eine am Schlitz beginnende ebene Abwicklung der Kunststoffbuchse Parallelogrammform hat.

Die Erfindung zeigt somit eine konstruktive Lösung für eine Metall mit Kunststoff paarende Lagervorrichtung durch Schlitzung der Kunststoffbuchse auf, um die differierenden thermischen Ausdehnungen von Stahl und Kunststoff zu kompensieren. Erst durch die Schlitzung ist es möglich, Kunststoffbuchsen zur Lagerung und Führung von z. B. Ventilnadeln in Ventilen, die über einen größeren Temperaturbereich betrieben werden, einzusetzen.

Während temperaturbedingte Veränderungen der Materialdicke noch durch geeignete Wahl von Führungsspiel und Bezugsdicke (Materialdicke bei Raumtemperatur) kompensiert werden kann, führen die Veränderungen des Durchmessers bzw. des Umfangs zu so großen Veränderungen beim Führungsspiel, dass diese erst durch die Schlitzung der Kunststoffbuchse ausgeglichen werden können. Die Schlitzbreite ist dabei so zu wählen, dass bei maximaler Einsatztemperatur der Schlitz gerade geschlossen ist. Weiterhin ist der Schlitz so auszuführen, dass er die Kunststoffbuchse ganz durchdringt und bevorzugt so, dass er die Kunststoffbuchse um 360°, d. h. einmal, umläuft. Hierdurch wird bei Rotation einer Nadel mit nicht geschlossener Führungsfläche ein Verkanten vermieden. Die Buchse kann relativ einfach durch Einklipsen in eine an der Innenwand des Lagerkörpers, insbesondere Ventilkörpers, angebrachte, umlaufende zylindrische Aussparung montiert werden. Diese Aussparung sollte in axialer Richtung gegenüber der axialen Länge der Kunststoffbuchse ein kleines Übermaß aufweisen, z. B. so, dass bei Raumtemperatur zwischen den beiden Stirnseiten der Kunststoffbuchse und den gegenüber liegenden Flächen der Aussparung ein Spiel in der Größe der Schlitzbreite verbleibt.

Der Schlitz lässt sich einfach durch Fräsen bei gleichzeitiger Drehung des Rohrhalbzeugs für die Buchse herstellen.

Die hervorragenden Verschleißeigenschaften von Kunststoff-Metall-Paarungen bei trockenen Tribosystemen wurden in tribologischen Modelltests bereits nachgewiesen.

Die Verwendung von Kunststoffbuchsen empfiehlt sich in im Kraftfahrzeug eingesetzten Produkten, z. B. Nadelventilen zur Dosierung von Gasen, wie z. B. Wasserstoff oder Erdgas. Diese Dosierventile können sowohl für Fahrzeug- Brennstoffzellenantriebe als auch für Erdgasfahrzeuge verwendet werden. Die beste Leistung ist in getakteten Ventilen zu erwarten.

Die nachstehende Beschreibung, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht, beschreibt Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung, die jedoch nur als Beispiel gewertet werden sollen.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt in Form eines zentralen Längsschnitts durch einen Abschnitt eines Nadelventils ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung.
Fig. 2A zeigt perspektivisch ein Ausführungsbeispiel einer geschlitzten Kunststoffbuchse gemäß der Erfindung.
Fig. 2B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer geschlitzten Kunststoffbuchse in Form ihrer ebenen Abwicklung, und
Fig. 2C zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer geschlitzten Kunststoffbuchse in Form ihrer ebenen Abwicklung.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine schematischen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Nadelventils ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung. Das Nadelventil weist in dem dargestellten Abschnitt einen kreiszylindrischen Ventilkörper 2 und eine zylindrische Ventilnadel 3 mit z. B. geschlossener Führungsfläche 4 auf, die durch die erfindungsgemäße Lagervorrichtung gelagert und geführt wird. Die Lagervorrichtung hat eine an bzw. in der Innenwand des Ventilkörpers 2 angeordnete kreiszylindrische Kunststoffbuchse 1, die der an der Außenwand der Ventilnadel 3 gebildeten Führungsfläche 4 gegenüber liegt, und die Kunststoffbuchse 1 weist einen durchdringenden Schlitz 10 so auf, dass eine am Schlitz 10 beginnende ebene Abwicklung der Kunststoffbuchse 1 Parallelogrammform hat (vergleiche Fig. 2B und 2C).
In der Innenwand des Ventilkörpers 2 ist eine um 360° umlaufende zylindrische Aussparung 5 vorgesehen. Diese Aussparung 5 weist in axialer Richtung ein kleines Übermaß d gegenüber der axialen Länge der Kunststoffbuchse 1 auf. Dieses Übermaß d der Aussparung 5 kann bei Raumtemperatur z. B. an beiden Stirnseiten der Kunststoffbuchse 1 etwa gleich der Breite b des Schlitzes 10 sein.
Die Aussparung 5 und die Stirnseiten der Kunststoffbuchse 1 können so gestaltet sein, dass die Kunststoffbuchse 1 in die Aussparung 5 eingeklipst werden kann.
Bevorzugt ist die Breite b des Schlitzes 10 der Kunststoffbuchse 1 so gewählt, dass der Schlitz 10 bei der maximalen Einsatztemperatur, z. B. 120°C, gerade geschlossen ist.
Wird das Nadelventil dennoch über die maximale Einsatztemperatur hinaus erhitzt, so verhindert das zuvor geschilderte Übermaß d der Aussparung, dass sich die Kunststoffbuchse 1 bei geschlossenem Schlitz 10 verwirft und infolgedessen das Nadelventil blockiert.
Als Materialien für die Kunststoffbuchse 1 werden handelsübliche verschleißbeständige Kunststoffe, z. B. PE oder PTFE, eingesetzt. Diese weisen bei Paarung mit metallischen Körpern sehr gute Reib- und Verschleißwerte auf.
Fig. 2A verdeutlicht in perspektivischer Darstellung die für die erfindungsgemäße Lagervorrichtung vorgesehene zylindrische Kunststoffbuchse in einer ersten Ausführungsform 1a, wobei der umlaufende Schlitz 10 der Kunststoffbuchse 1a deutlich zu erkennen ist.
Bevorzugt ist der Schlitz 10 so ausgeführt, dass er einmal, d. h. über 360°, umläuft. Hierdurch wird bei Rotation einer Nadel mit nicht geschlossener Führungsfläche, d. h. segmentierter Führungsfläche, ein Verkanten vermieden.
Bei dem in Fig. 2B in Form einer ebenen Abwicklung gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kunststoffbuchse 1b läuft der Schlitz nicht um 360° um. Dagegen zeigt die Fig. 2C ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kunststoffbuchse 1c, bei der der Schlitz 10 um 360°, d. h. einmal, umläuft.
Der Schlitz 10 kann relativ einfach durch Fräsen bei gleichzeitiger Drehung des Rohrhalbzeugs für die Buchse hergestellt werden. In einem als Modell hergestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung betrug die Schlitzbreite b des Schlitzes 10 der Kunststoffbuchse 1 bei Raumtemperatur annähernd 120 µm. Für die Kunststoffbuchse wurde PTFE verwendet. Die hervorragenden Verschleißeigenschaften von Kunststoff zu Metall Paarungen, z. B. PTFE zu Stahl, bei trockenen Tribosystemen wurden in tribologischen Modelltests bereits nachgewiesen. Ferner lässt sich anhand von Tests mit Kunststoffgleitlacken auf Ventilnadeln der Erfolg der erfindungsgemäßen Kunststoffbuchse voraussagen. Der Einsatztemperaturbereich der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung beträgt bevorzugt -40°C bis +120°C.
Aus diesem Grund ist die erfindungsgemäße Lagervorrichtung in Nadelventilen zur Dosierung von Wasserstoff oder Erdgas in Kraftfahrzeugen, z. B. für Brennstoffzellenantriebe als auch für Erdgasfahrzeuge, vorzüglich verwendbar.

Claims

1. Lagervorrichtung zur verschleiß- und reibarmen axialen Lagerung und Führung eines im wesentlichen zylindrischen, bewegten Metallglieds in einem Lagerkörper aus Metall, insbesondere zur Lagerung/Führung einer Ventilnadel (3) in einem Ventilkörper (2) eines Nadelventils, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorrichtung eine an oder in der Innenwand des Lagerkörpers bzw. Ventilkörpers (2) angeordnete zylindrische Kunststoffbuchse (1) aufweist, die einer an der Außenwand des bewegten Glieds bzw. der Ventilnadel (3) gebildeten Führungsfläche (4) gegenüber liegt und dass die Kunststoffbuchse (1) einen sie durchdringenden Schlitz (10) so aufweist, dass eine am Schlitz (10) beginnende ebene Abwicklung der Kunststoffbuchse (1) Parallelogrammform hat.

2. Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper bzw. Ventilkörper (2), das bewegliche metallische Glied bzw. die Ventilnadel (3) und die Kunststoffbuchse (1) jeweils kreiszylindrisch sind.

3. Lagervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (10) um 360° die Kunststoffbuchse (1) umläuft.

4. Lagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Lagerkörpers bzw. Ventilkörpers (2) eine zylindrisch umlaufende Aussparung (5) aufweist, in der die Kunststoffbuchse (1) sitzt.

5. Lagervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (5) in axialer Richtung gegenüber der axialen Länge der Kunststoffbuchse (1) ein kleines Übermaß (d) aufweist.

6. Lagervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbuchse (1) in die Aussparung (5) eingeklipst ist.

7. Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbuchse (1) aus PTFE besteht.

8. Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbuchse (1) aus PE besteht.

9. Lagervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite (b) des Schlitzes (10) der Kunststoffbuchse (1) bei Raumtemperatur TR so gewählt ist, dass der Schlitz (10) bei maximaler Einsatztemperatur gerade geschlossen ist.

10. Verwendung der Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Nadelventil zum Einspritzen oder Einblasen von Gas in einen Kraftfahrzeugmotor.