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Die Erfindung betrifft einen Autofrettage-Druckmessaufnehmer, zur exakten und langzeitstabilen Messung des Autofrettagedrucks, vorzugsweise bei der Fertigung von Diesel – Einspritzkomponenten, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher erläutert wird.
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Stand der Technik
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In der industriellen Autofrettage werden Bauteile von Common-Rail-Dieseleinspritzkomponenten bei der Fertigung einmalig mit Schwelldrücken von 8000 bar bis 12000 bar und z. T. noch höher beaufschlagt, mit dem Ziel, durch kontrolliertes plastisches Verformen der Innenwandung einen Druckeigenspannungszustand im Bauteil zu erzeugen, der die Haltbarkeit unter Betriebsdruck wesentlich verlängert. Dieser sogenannte Autofrettagedruck ist oft um einen Faktor von etwa 3 bis 4 höher als der spätere Betriebs-Innendruck des Bauteils.
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Zur Erzeugung solcher Schwelldrücke kommen Druckübersetzer zum Einsatz, die einen hydraulischen Druck, gemäß dem Prinzip der hydraulischen Presse, mittels Stufenkolben, in getrennten Druckkreisläufen für Hochdruck und Niederdruck bereitstellen. Da dieser hohe Schwelldruck bei der Fertigung jedes Einzelbauteils im Fertigungsprozeß neu erzeugt werden muß, ist die Standzeit aller unter Hochdruck stehenden Komponenten von entscheidender Bedeutung.
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Üblicherweise wird der Prozeßdruck meist auf der Niederdruckseite solcher Druckübersetzer gemessen und dann mit dem geometrischen Übersetzungsverhältnis des Druckübersetzers auf den erzeugten Hochdruck geschlossen, weil die Haltbarkeit von bisherigen Druckmeßaufnehmern im Druckbereich über 8000 bar nur wenig mehr als 20000 Lastwechsel beträgt. Insbesondere aufgrund höherer Anforderungen an die Messgenauigkeit und zur kontinuierlichen Qualitätssicherung sollen die tatsächlich erreichten Autofrettagedrücke jedoch im Bauteil selber bei der Fertigung gemessen werden, wobei die Tendenz zu immer höheren Drücken geht.
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Aus der Kalibriertechnik sind sogenannte Druckwaagen bekannt und werden für die Eichung von Manometern eingesetzt, auch im Bereich höchster Drücke. Hierbei wird ein Dreh-Messkolben axial druckbeaufschlagt und in einem exakt gefertigten Spalt eines Zylinders geführt, (wobei der Spalt sogar in einigen Auführungsformen in der Spaltweite regelbar ist) in Gleichgewicht mit aufgelegten Gewichten gebracht und dann in Rotation versetzt, um den Einfluss der Reibkraft zu kompensieren. Die aufgelegten Gewichte ergeben mit dem rotierenden Drehkolben im angehobenen Zustand dann eine exakte Kalibriereinrichtung. Hier handelt es sich jedoch um sehr zeitaufwendige Einzelmessungen mit Gewichten, die vorwiegend im Labor zum Einsatz kommen. Ein Beispiel zeigt „Tränker, H.-R.: Taschenbuch der Messtechnik mit Schwerpunkt Sensortechnik, 3. A. – München; Wien; Oldenburg, 1992”.
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Ausgeführte Druckmeßaufnehmer für die industrielle Technik, wie z. B. der in der Offenlegungsschrift
DE10238163A1 beschriebene Messaufnehmer, bestehen aus einer druckbeaufschlagten Sacklochbohrung in einem Zylinderblock, dessen Außenwanddehnung dann mit Dehnmessstreifen in Brückenschaltung gemessen wird und über Messverstärker ausgewertet wird. Es ist nun offensichtlich, dass auch bei Verwendung bester Werkstoffe die erforderliche Wandstärke, also das Verhältnis druckbeaufschlagter Innendurchmesser zu Aussenwanddurchmesser = Messort, immer ungünstiger wird, je höher der dauerhaft zu ertragende Innendruck wird, weil die Wandstärke zunehmen muß und nach den aus der Festigkeitslehre bekannten Lamé-Gleichungen für dickwandige Hohlzylinder bei größeren Wanddicken ein immer stärkerer Spannungsgradient bei Druckbeaufschlagung entsteht, das heißt, von der Dehnung innen als Folge des hohen Drucks kommt an der Aussenwandung immer weniger an, somit wird also das verwertbare Messsignal immer kleiner. Bei Drücken über etwa 6000 bar ist eine einwandige Meßrohrausführung auch mit besonderen verfestigenden Maßnahmen kaum mehr dauerfest auszuführen, somit wäre eine mehrschalige Schrumpfverbindung erforderlich, die bei Verwendung von Dehnmeßstreifen an der Außenwand aufgrund eines nochmals vergrößerten Wandstärkenverhältnisses dann noch schwächere Meßsignale ergibt. Daher steht eine gute Meßgenauigkeit bei höheren Drücken mit geringen Wandstärken einer Anwendung mit hohen Standzeiten = große Wandstärken, entgegen. Auch die Verwendung einer Sackbohrung unter Druck, wie bei derzeitigen Meßaufnehmern eingesetzt, ergibt Spannungskonzentrationen, die die Haltbarkeit solcher Meßaufnehmer ungünstig beeinflussen. Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
DE10238163A1 noch ersichtlich, dass zur Temperaturkompensation ein zusätzlicher Meßaufwand erforderlich ist, da das Druckfluid mit u. U. erhöhten Temperaturen nahe am Meßort ansteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die systembedingten Nachteile solcher Messaufnehmer mit Messung der Außendehnungen einer Bohrung werden in den Ausführungen der Erfindung mit dem Hauptanspruch 1 durch ein vollkommen anderes Messverfahren vermieden. Der dieser Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist, dass mit einem reibungsarm gedichteten Meßkolben in einem Zylinder mit Durchgangsbohrung ein anstehender Druck als Kraft F koaxial auf einen Kraftmesser übertragen wird, der ein hohes und genaues Messsignal liefert und somit der Messzylinder so dickwandig oder auch mehrschalig herstellbar ist, wie das für hohe Standzeiten erforderlich ist. Es wird somit das Verfahren der Druckwaage dahingehend abgewandelt, dass ein sich nicht drehender Messkolben über eine reibungsarme Dichtstelle den einwirkenden Druck in eine Axialkraft umwandelt um sie dann mittels Kraftmesser statt aufgelegten Gewichten zu ermitteln. Die Kraft F am Kraftmesser ist F = AK·pü – FR
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Mit AK = Meßkolbenstirnfläche; pü = zu messender Druck; FR = Reibungskraft Messungen an ausgeführten Beispielen ergaben, dass die das Messsignal verfälschende Reibkraft FR verschwindend gering ist, wenn der Autofrettage-Druckmessaufnehmer sorgfältig nach den im folgenden genannten Ausführungsbeispielen hergestellt wird.
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Die Erfindung wird anhand nachfolgender Abbildungen an Ausführungsbeispielen dargestellt:
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zeigt einen Druckmessaufnehmer für Autofrettage in einer typischen Ausführung gemäß dem Hauptanspruch 1;
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zeigt eine Variante mit einem Messkolben, der zweiteilig ausgeführt ist, mit getrenntem Stempel.
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zeigt eine Ausführung mit einem Druckanschluß als Nippel;
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zeigt eine Variante mit mehreren Ringnuten, die vorzugsweise im Messkolben angebracht sind.
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zeigt eine Variante mit einem dreischaligen Schrumpfverband, der für Drücke bis 16 kbar einsetzbar ist.
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zeigt eine Variante mit einwandigem Zylinder für Drücke bis etwa 6000 bar;
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schließlich zeigt eine Ausführung mit einer speziellen Dichtung wie z. B. Kunststoff- und/oder Stopfbuchsdichtungen, einsetzbar für andere Fluide wie z. B. Gase.
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zeigt eine Variante, wo durch ein Federelement 19 der Stempel 6 von der Kontaktfläche 5 im drucklosen Zustand abgehoben wird.
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Eine typische Ausführung des Hauptanspruchs 1 der Erfindung ist am Ausführungsbeispiel in im einzelnen in Schnittdarstellung gezeigt:
In einem Gehäuse 1 befindet sich ein Kraftmesser 2 schematisch dargestellt, der z. B. am Gehäuseboden 1a mit Schrauben, die als Mittellinien 3 angedeutet sind, festgeschraubt ist. Der Kraftmesser hat einen Messkopf 4 zur Aufnahme von axialen Druckkräften über eine leicht gewölbte Auflagefläche, die eine Kontaktstelle 5 darstellt. Im drucklosen Zustand liegt ein Stempel 6, als Teil eines Messkolbens 7, lose auf der Kontaktstelle 5. Koaxial über dem Kraftmesser 2 ist ein Messzylinder 10 angeordnet, ausgeführt als Zweilagen-Schrumpfverband mit Außenmantel 10a und eingeschrumpftem Kernrohr 10b, der über ein Gewinde 11 mit dem Gehäuse 1 kraft- und formschlüssig verbunden ist. Der Meßkolben 7 dichtet über eine ringförmige Dichtstelle 8 gegen den Druckraum 9 in diesem Messzylinder 10 ab. In einer erfindungsgemäß typischen Ausführung ist diese Dichtstelle 8 als langer Ringspalt mit exakter Zylindrizität und einem Spaltmaß von wenigen Mikron passgenau so gefertigt, dass der Meßkolben 7 radialspielfrei, jedoch axial beweglich im Messzylinderkernrohr 10b bleibt. Der Druckraum 9 ist als zylindrische Durchgangsbohrung im Messzylinderkernrohr 10b ausgeführt und hat daher auch keine Spannungskonzentrationen wie bei Sacklochbohrungen. Der Messzylinder als druckführendes Element kann über ein Gewinde 15 mit den in der Hochdrucktechnik üblichen Adaptern, wie hier beispielsweise einer Konusverschraubung, mit den druckführenden Rohren oder Teilen verbunden werden. (Verschraubung nicht dargestellt) Dabei steht der Hochdruck ab Innenkante 13 der konischen Bohrung 12 in der zylindrischen Bohrung 9 an. Bei Druckbeaufschlagung des Messzylinders mit einem Hochdruckfluid im Druckraum 9 wird nun erfindungsgemäß eine axiale Kraft auf den Messkolben 7 aufgebracht, wobei über die als langer Ringspalt ausgeführte Dichtfläche 8 gemäß dem bekannten Gesetz von Hagen-Poiseuille nur eine sehr geringe Leckage entsteht, da ja für das Leckagevolumen V in der Zeit t gilt:
V ~ Δd4; wobei Δd den Spalt zwischen der Bohrung des Messzylinders und dem Meßkolben bezeichnet.
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Hieraus ist ersichtlich, dass der Spalt in vierter Potenz die Leckage bestimmt. Der Meßkolben 7 übt über einen Stempel 6 an der Kontaktfläche 5 auf den Messkopf 4 des Kraftmessers 2 eine Axialkraft aus, die um einen Faktor 200 und mehr größer ist als die Reibungskräfte durch die Mischreibung der Hochdruckfluide im Spaltbereich der Dichtung, wie Messungen ergeben haben. Der Kraftmesser führt bei jeder Messung eine geringe Axialbewegung aus, die nach Druckentlastung eine Rückstellung des Messkolbens bewirkt. Die systembedingte, sehr geringe Leckage wird über eine Bohrung 14 im Gehäuse 1 nach außen abgeleitet. Somit wird durch das neue Messprinzip der Axialkraftmessung eines Drucks im Messzylinder ein sehr hohes Messsignal erzeugt und der Messzylinder kann hinsichtlich Wandstärke so dickwandig ausgeführt werden, dass eine wesentlich erhöhte Haltbarkeit unter Druck bei exzellenter Meßgenauigkeit erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist die erfindungstypische Verwendung von handelsüblichen schon gekapselten Kraftmessern 2 mit Messkabel 16, die als Serienteile preiswerter sind und auch temperaturunempfindlicher als die Technik der bisherigen Druckmeßaufnehmer mit Dehnmeßstreifen am Rohr, u. a. wegen des durch den Aufbau bedingten wesentlich größeren Abstands zum Druckfluid.
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In einer Ausführung der Erfindung gemäß sind Meßkolben 7 und Stempel 6 zweiteilig ausgeführt, um eine Optimierung beider Werkstoffe an den Einsatzzweck möglich zu machen. Die Fügung der beiden Bauteile kann z. B. durch kleben, Schrumpfen oder löten erfolgen.
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Insbesondere kann durch z. B. erfindungsgemäß typische Hartstoffbeschichtungen an der Mantelfläche des Meßkolbens 7 und durch dort angebrachte umlaufende Nuten zum radialen Druckausgleich wie beispielhaft in mit 17 dargestellt, die Reibung und die Gefahr des „Klebens” des Kolbens an der zylindrischen Bohrung 9 im Messzylinderkernrohr 10b vermieden werden.
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Die Ausführung des Druckanschlusses ist in vielen Varianten möglich, entweder wie in gezeigt für Rohre mit Konus und Druckmutter oder wie in in einer von vielen möglichen weiteren Ausführungsvarianten mit Druckanschluss mit Aussengewinde 20 am Aussenmantel 10a des Messzylinders 10 zur Verwendung mit einem Doppelkonus und Muffe im Gegenstück.
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Ein weiterer erfindungstypischer Vorteil des Autofrettage-Druckmessaufnehmers ist gegeben, wenn der Kraftmesser, wie in Anspruch 9, schon kalibriert ist und die üblichen Hochdruckfluide verwendet werden. Dann ist aufgrund der verschwindend kleinen Reibkraft schon allein aufgrund der gemessenen Kraft eine Errechnung des Drucks über den Meßkolbendurchmesser mit hoher Genauigkeit möglich, ohne eine teure Kalibrierung durchführen zu müssen.
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Um auch im Bereich höchster Drücke ab etwa 14000 bar den Messzylinder standfest auszuführen, ist die Verwendung eines dreischalig geschrumpften Messzylinders nach Anspruch 6 sinnvoll, wie in dargestellt. Der Meßkolben 7 ist hier erfindungsgemäß im Kernrohr 10b mit Dichtstelle 8 genau eingepasst, und durch den Zwischenmantel 10c sowie den Aussenmantel 10a wird mittels Schrumpfen nach den einschlägigen Berechnungen der Festigkeitslehre eine bessere Haltbarkeit des Zylinders unter Schwelldruckbeanspruchung erreicht, wobei hier wieder der erfindungsgemäße Vorteil zum Tragen kommt, dass die Zylinderwanddicke keinen Einfluß auf die Höhe des Messsignals hat.
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In manchen Einsatzfällen, z. B. bei Drücken bis 5000 bar, kann sogar die Verwendung eines einwandigen Messzylinders 10 nach als konkurrierendes Messprinzip zu anderen Verfahren eingesetzt werden, insbesondere wenn die Vorteile des Anspruchs 9 zum Tragen kommen sollen, indem eine genaue Messung schon durch den Kraftmesser 2 und den axialen Querschnitt des Messkolbens 7 möglich ist. Es lässt sich dann die sehr teure Kalibrierung unter Hochdruck einsparen.
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Im Bereich der Verfahrenstechnik kann eine Ausführung nach , gemäß Anspruch 8, sinnvoll sein, indem hier statt Dichtstelle 8 (Spaltdichtung) eine Dichtstelle 17 mit Dichtstopfen 18 zum Einsatz kommt, um den Messkolben 7 abzudichten. Diese Dichtstelle 17 kann in vielfältiger Weise verwirklicht werden und soll hier nur prinzipiell erläutert werden. Z. B. kann die Dichtstelle 17 als reibungsarme Art mit Dichtringen oder z. B. als Stopfbuchse mit Kunstoffeinsatz ausgeführt werden, zur Abdichtung von nichtschmierenden Fluiden oder auch Gasen. In diesem Fall sollte der Messaufnehmer mit langsam sich steigerndem Druck zunächst eingefahren werden, da erfahrungsgemäß solche Dichtungen oder Stopfbuchspakete erst nach mehren Lastspielen eine konstantere Reibung aufweisen und danach kalibrierbar sind. Auch hier kommt der erfindungsgemäße Vorteil zum Tragen, dass das Messsignal sehr hoch ist und die Reibkräfte im Verhältnis dazu niedrig bleiben.
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Eine weitere Ausführung wird in in zwei Varianten aufgezeigt: gemäß Anspruch 11 wird hier ein Federelement 19 oder 22 z. B. am Stempel 6 angebracht, um diesen im drucklosen Zustand vom Messkopf 4 des Kraftmessers 2 abzuheben, mit dem Ziel, den Messkolben 7 etwas mehr axial zu bewegen als dies durch die elastische Dehnung des Kraftmessers 2 möglich ist, was vorteilhaft sein kann um die Beweglichkeit des Messkolbens in der Dichtstelle 8 zu erhöhen z. B. im Sinne einer besseren Selbstreinigung oder um nach längerer Standzeit das sog. Losbrechmoment zu überwinden. Dieses Federelement soll natürlich nur eine kleine Kraft erzeugen. Das Federelement kann sich entweder als Federelement 19 im Gehäuse 1 auf z. B. einer Eindrehung 21 abstützen oder in einer zweiten Ausführung als Federelement 22, z. B. als Druckfeder, direkt auf dem Messkopf 4 des Kraftmessers selber.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kraftmesser
- 3
- Befestigungsschrauben für Kraftmesser, angedeutet als Mittellinien
- 4
- Messkopf des Kraftmessers
- 5
- Kontaktfläche Stempel/Messkopf
- 6
- Stempel
- 7
- Messkolben
- 8
- Dichtstelle
- 9
- Druckraum
- 10
- Messzylinder
- 10a
- Außenmantel
- 10c
- Zwischenmantel
- 10b
- Kernrohr
- 11
- Gewinde zwischen Gehäuse 1 und Zylinder 10
- 12
- Konische Bohrung
- 13
- Innenkante konische Bohrung
- 14
- Leckage-Ablaufbohrung
- 15
- Gewinde für Hochdruckrohr;
- 16
- Messkabel
- 17
- Dichtstelle für andere Fluide
- 18
- Dichtstopfen
- 19
- Federelement
- 20
- Aussengewinde
- 21
- Eindrehung im Gehäuse 1
- 22
- Federelement (Druckfeder)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10238163 A1 [0006, 0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Tränker, H.-R.: Taschenbuch der Messtechnik mit Schwerpunkt Sensortechnik, 3. A. – München; Wien; Oldenburg, 1992 [0005]
