EP3523533B1

EP3523533B1 - Verfahren zum herstellen einer kalotte in einer ventilnadel eines ventils

Info

Publication number: EP3523533B1
Application number: EP17769102.9A
Authority: EP
Inventors: Ronald Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: DE102016219151A1; EP3523533A1; WO2018065221A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kalotte in einer Ventilnadel eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ventile mit Ventilnadeln gelangen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Eine in großen Stückzahlen verbreitete Gruppe wird von Druckregelventilen, insbesondere Hochdruckregelventilen, gebildet, wie sie zum Beispiel für die Kraftstoffzufuhr in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. In der Fertigung eines Verbundes aus einem Ventilsitz, einer Dichtkugel, einer Ventilnadel und einer Nadelführung eines derartigen Ventils werden hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Technisch anspruchsvoll ist unter anderem eine genaue Führung der Dichtkugel im Ventilsitz. Dabei ist aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen eine exakt zentrische Positionierung im Ventilsitz in der Praxis nicht möglich. Bei einer leicht exzentrischen Position der Dichtkugel kommt es jedoch zu einer radialen Asymmetrie der Strömungsverteilung zwischen Dichtkugel und Ventilsitz eines durch das Ventil strömenden Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, und folglich zu einer unterschiedlichen radialen Kraftwirkung auf die Dichtkugel. In Zusammenwirkung mit einer nicht vollständig vermeidbaren Kavitation im Abströmbereich der Dichtkugel führt die asymmetrische Kraftwirkung zu einer Anregung der Dichtkugel mit Auslenkung in radialer Richtung, so dass eine akustische Auffälligkeit resultiert.
Vor dem Hintergrund von Prozessoptimierungen sind auch schon eine Reihe von zusätzlichen Maßnahmen, vor allem unter Ausnutzung geometrischer Variationen der Ventilnadel und des Ventilsitzes, beschrieben worden, um eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Fertigung und beim Betrieb eines oben beschriebenen Verbundes in einem Ventil zu erreichen.
Beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2013 213 419 A1 ist es bekannt, eine Spitze eines Stößelelements für ein Druckregelventil vor der Montage des Ventils mit einer Vertiefung zur Kontaktierung mit einer Ventilkugel zu versehen. Die Vertiefung weist zwei konzentrisch um die Mittelachse des Stößelelements angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungen auf: In einem ersten innere Bereich ist die Ventilkugel in radialer Richtung bewegbar, während in einem zweite äußeren Bereich die Ventilkugel in radialer und in axialer Richtung bewegbar ist. Innerhalb eines vorhandenen Radialspiels sind keine axialen Effekte wirksam, so dass das Geräuschverhalten verbessert ist.
Beispielsweise aus dem Dokument DE 80 26 084 U1 geht ein einstellbares Überdruckventil mit einer Kugel als Ventilkörper und einer Vertiefung auf einem Federteller zur zentrischen Anlage der Kugel hervor. Um auch bei hohen Druckunterschieden ein Flattern der Kugel und die damit verbundenen Geräusche zu verhindern, sind seitliche Führungsflächen für die Kugel im Ventilsitz vorgesehen.
Auch vor dem Hintergrund, dass die Geräuschemission anderer Quellen in Anwendungszusammenhängen von derartigen Ventilen, zum Beispiel in Brennkraftmaschinen, verringert worden ist, hat sich in der Praxis herausgestellt, dass noch weiterer Bedarf besteht, die von derartigen Ventilen ausgehenden Geräusche zu verringern. Der bisherige Erfolg ist bei heutigen Anforderungen noch nicht ausreichend, so dass typischerweise sämtliche montierten Ventile einer Prüfung unterzogen werden und nicht zufriedenstellende Exemplare aussortiert werden müssen.
Aus der gattungsbildenden DE 10 2013 225 771 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils, insbesondere eines Druckregelventils für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Ventilgehäuse axial verschiebbar aufgenommenen Ankerstift, der im Bereich einer Stirnfläche eine mittels Prägen eingebrachte Kalotte zur Führung eines kugelförmigen Ventilschließelementes besitzt. Es wird vor dem Prägen eine Vertiefung in die Stirnfläche des Ankerstifts eingebracht, durch welche die Tiefe der mittels Prägen einzubringenden Kalotte reduziert wird. Das kugelförmige Ventilschließelement dient als Prägekörper bei dem vorzunehmenden Prägevorgang, welcher der Einbringung einer Kalotte im Bereich einer Stirnfläche des Ankerstiftes dient. Beim Prägen wird der Ankerstift mit einer axial in Richtung des Ventilsitzes wirkenden Prägekraft beaufschlagt, so dass das kugelförmige Ventilschließelement eine plastische Verformung des Ankerstiftes im Bereich der Stirnfläche bewirkt, wobei die Kalotte ausgebildet wird. Um Koaxialitätsfehler zu vermeiden, werden der Ventilsitz und das hierin eingesetzte kugelförmige Ventilschließelement zuvor koaxial zur Längsachse des Ankerstiftes ausgerichtet. Ferner wird ein Ankerstift verwendet, dessen Stirnfläche bereits mit einer Vertiefung versehen ist, so dass die Tiefe der Kalotte und damit die aufzubringende Prägekraft reduziert werden kann.
Aus der DE 10 2009 041 591 A1 ist ein Magnetventil mit einem Ventilgehäuse bekannt, das eine von einer Magnetspule umschlossene zentrische Ausnehmung aufweist, in der ein Magnetanker verschiebbar geführt und ein Magnetkern fest angeordnet ist, mit einem in Schließrichtung durch den Magnetanker kraftbeaufschlagten Stößel, der in einer Führungsbohrung des Ventilgehäuses verschiebbar geführt ist und an dessen einem Ende ein Absperrkörper in Form einer Kugel angeordnet ist, die von dem Stößel in Schließrichtung auf einen Ventilsitz eines Ventildurchgangs beaufschlagt ist. Um durch ein Verdrehen des Stößels um seine Längsachse eine Abweichung von der Koaxialität der Kugel zum Ventilsitz zu vermeiden, ist an dem magnetgehäuseseitigen Endbereich des Stößels ein Verdrehsicherungselement angeordnet. Sowohl eine Kalotte als auch eine Kugelkontur des Ventilsitzes werden dadurch erzeugt, dass mittels des Stößels die Kugel auf den Ventilsitz gepreßt wird, so dass die aus einem härteren Material bestehende Kugel durch Einprägen in den aus weicherem Material bestehenden Stößel die Kalotte und durch Einprägen in das den Ventilsitz aufweisende Bauteil die Kugelkontur des Ventilsitzes erzeugt wird. Damit werden Herstellungstoleranzen der Ventilbauteile kompensiert und eine absolute Koaxialität der Kugel zum Ventilsitz hergestellt.
Aus der FR 2 973 092 A1 ist Ventil mit einer Ventilnadel bekannt, wobei die Ventilnadel, mit einer Kugel versehen ist, die durch die Ventilnadel auf einen Sitz aufgebracht wird. Das Ende der Ventilnadel wird mit einem Abdruck geringer Kugelführungstiefe versehen. Der Abdruck wird durch Aufbringen einer Axialkraft gegen eine Dichtkugel im Ventilsitz erzielt, die die Bildung einer konkaven Kugelkappe am Ende der Nadel sicherstellt.
Die DE 10 2011 012 548 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Ventils, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Ventil mit einem Ventilraum und einem innerhalb dieses Ventilraums beweglich angeordneten Ventilkörper zur Verfügung gestellt wird und der Ventilkörper in einer Schaltstellung des Ventils an einem Dichtsitz anliegt, so dass der Ventilkörper eine erste Dichtfläche des Ventils und der Dichtsitz eine zweite mit der ersten wenigstens zeitweise zusammenwirkende Dichtfläche des Ventils ausbildet, wobei wenigstens eine der Dichtflächen aus einem Kunststoff gefertigt wird und wenigstens eine Dichtfläche zum Abstimmen der Dichtflächen aufeinander getempert wird. Die Dichtflächen werden wenigstens zeitweise während des Temperns der Dichtfläche und/oder nach dem Tempern aneinander gepresst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, akustische Auffälligkeiten eines Ventils mit einer Ventilnadel zu verringern und den Prägevorgang zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kalotte in einer Ventilnadel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Kalotte in einer Ventilnadel eines Ventils hergestellt. Das Ventil weist einen Ventilsitz, eine Dichtkugel, eine Nadelführung und die Ventilnadel mit einer Nadelspitze auf. Im Ventil bildet ein Raum zwischen dem Ventilsitz und der Dichtkugel einen Ventilspalt und die Nadelführung lagert die Ventilnadel axial beweglich. Erfindungsgemäß werden die Dichtkugel und die Ventilnadel, insbesondere auch der Ventilsitz und die Nadelführung, bereitgestellt. Es wird eine Kalotte zur Kontaktierung der Dichtkugel in der Nadelspitze erzeugt. Dabei wird erfindungsgemäß die Kalotte dadurch geformt, dass wenigstens teilweise die Kalotte durch eine Krafteinwirkung der Dichtkugel, insbesondere eine aktiv angeregte oder aufgebrachte Krafteinwirkung der Dichtkugel, eingeprägt wird.
Die Kalotte ist insbesondere eine hohlförmige oder kalottenförmige Vertiefung. Der Ventilsitz ist bevorzugt kegelförmig. Ventilsitz, Dichtkugel, Nadelführung und Ventilnadel sind Bauteile des Ventils. Das Ventil kann weitere Bauteile umfassen. Insbesondere kann das Ventil einen elektromechanischen Aktor zur Bewegung der Ventilnadel aufweisen. Der elektromechanische Aktor umfasst in bevorzugter Ausführungsform einen Anker und einen Polkern. Der Polkern kann ein Ventilkörper oder ein Teil eines Ventilkörpers sein. Beim wenigstens teilweisen Prägen kann es sich um ein Endprägen handeln. Besonders bevorzugt wird die Kalotte vollständig durch die Dichtkugel geprägt und/oder erzeugt, insbesondere in einem oder in mehreren Prägeschritten. Die Krafteinwirkung ist insbesondere keine Krafteinwirkung aufgrund einer Nutzung des Ventils, zum Beispiel aufgrund eines Verschleißes beim Betrieb des Ventils. Bevorzugt ist die Krafteinwirkung größer als die Einwirkung der beim Betrieb, insbesondere bestimmungsgemäßen oder gewöhnlichen Betrieb, des Ventils auftretenden Kräfte.
Die Nadelspitze, insbesondere die Kalotte kann vorbearbeitet sein. Anders gesagt, das Prägen kann ein Vertiefen einer vorbearbeiteten Vertiefung umfassen. Die vorbearbeitete Vertiefung kann kugelkalottenförmig sein. Bevorzugt hat die vorbearbeitete Vertiefung einen kleineren Krümmungsradius als die Dichtkugel.
In vorteilhafter Weise kann für jedes einzelne Ventil individuell eine Prägung der Kalotte in der Nadelspitze durch die individuell im Ventil zum Einsatz gelangende Dichtkugel vorgenommen werden, so dass fertigungs- und/oder montagebedingte Toleranzen individuell berücksichtigt beziehungsweise ausgeglichen werden können. In der Folge sind im Betrieb akustische Auffälligkeiten verringert.
Damit die bei einem konkreten Exemplar eines Ventils vorliegenden Toleranzen des Ventilsitzes und der Nadelführung im montierten Zustand beim Prägevorgang wirksam sind, werden im erfindungsgemäßen Verfahren der Ventilsitz, die Dichtkugel, die Ventilnadel und die Nadelführung zusammengebaut, bevor die Kalotte wenigstens teilweise eingeprägt wird, sogar bevor die Kalotte erzeugt wird. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße wenigstens teilweise, bevorzugt vollständige Prägung der Kalotte - und gegebenenfalls auch Erzeugung der Kalotte - erfolgt im montierten Zustand der die Genauigkeit beeinflussenden Bauteile im Ventil. Auf diese Weise wird die Kontaktierung, die Führung, die Positionierung der Dichtkugel individuell im Ventil zentriert, so dass radiale Kraftwirkungsunterschiede auf die Dichtkugel im Betrieb verringert, bevorzugt ganz vermieden sind.
In einer erfindungsgemäßen Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Krafteinwirkung beim Prägen aufgebracht, indem die Dichtkugel zur Schwingung zwischen dem Ventilsitz und der Nadelspitze der Ventilnadel angeregt wird. In vorteilhafter Weise wird eine Resonanzanregung bei geringem äußeren Kraftaufwand genutzt. In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Krafteinwirkung aufgebracht, indem die Dichtkugel und die Nadelspitze der Ventilnadel gegeneinander gedrückt werden. Dabei kann die Dichtkugel fixiert und die Ventilnadel bewegt sein. Es kann eine präzise Relativlage von Dichtkugel und Ventilnadel zum Prägen erreicht werden. Darüber hinaus können beim Drücken die Ventilnadel in der Nadelführung und die Dichtkugel zwischen Ventilsitz und Ventilnadel aufgenommen sein. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Relativlage wie im montierten Zustand des Ventils genutzt.
Erfindungsgemäß wird das Ventil soweit zusammengebaut, dass ein elektromechanischer Aktor des Ventils zur Bewegung der Ventilnadel in Wirkverbindung mit der Ventilnadel steht. Es wird dann mittels des elektromechanischen Aktors die Krafteinwirkung aufgebracht. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Werkzeuge erforderlich, mittels denen die Kraftbeaufschlagung realisiert wird. Es wird der elektromechanische Aktor oszillierend angesteuert, um eine Schwingungsanregung der Dichtkugel hervorzurufen.
Damit die im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgende Umformung, insbesondere eine Verkürzung der Ventilnadel, nicht zu einer unerwünschten Veränderung der Funktionseigenschaften des Ventils führt, wird bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren die geprägte Tiefe der Kalotte und/oder ein Restluftspalt zwischen einem Anker und einem Polkern des Ventils nach dem Prägen überprüft. Falls die geprägte Tiefe noch nicht gleich der vorgesehen Tiefe und/oder der Restluftspalt noch größer als der vorgesehene Wert ist, wird das Prägen in einem weiteren oder in mehreren weiteren Schritten wiederholt, bis die vorgesehen Tiefe erreicht ist und/oder bis der Restluftspalt den vorgesehen Wert aufweist. Auf diese Weise wird eine hohe Präzision des Prägevorgangs sichergestellt.
Darüber hinaus oder alternativ dazu kann im erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Prägen eine Ventilkennlinie bestimmt werden. Die bestimmte Ventilkennlinie kann mit einer Sollkennlinie verglichen werden. In Funktion des Vergleichsergebnisses kann das Prägen abgebrochen oder in einen oder mehreren Prägeschritten fortgesetzt werden. Auf diese Weise kann ein Ventil mit einem gewünschten Öffnungsverhalten des Ventilspalts erhalten werden. Damit die Relativbewegung der Bauteile nicht unerwünscht beeinflusst wird, insbesondere damit bei einer Schwingungsanregung der Dichtkugel keine unerwünschte Dämpfung oder Störung der Bewegung stattfindet, ist es besonders zweckmäßig im erfindungsgemäßen Verfahren, wenn beim Prägen keine Arbeitsflüssigkeiten in einem oder mehreren Räumen zwischen Bauteilen des Ventils vorhanden sind und/oder ein oder mehrere Räume zwischen Bauteilen des Ventils evakuiert sind. Auf diese Weise wirken weniger oder keine Fluidkräfte.
Erfindungsgemäß ist die Ventilnadel gegen ein Verdrehen in der Nadelführung durch einen Formschluss und/oder einen Kraftschluss gesichert. Auf diese Weise ist die azimutale Lage von Ventilnadel und Dichtkugel zueinander beim Prägevorgang fixiert, so dass die Prägung präzise erfolgen kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:

Figur 1: ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kalotte in einer Ventilnadel eines Ventils,
Figur 2: eine schematische Darstellung einer eine Dichtkugel berührenden Nadelspitze einer Ventilnadel in zwei Teilbildern A und B vor und nach dem erfindungsgemäßen Prägen,
Figur 3: Angeordnete Bauteile einer Ausführungsform eines Ventils, mit welchen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kalotte ausgeführt wird, und
Figur 4: eine Anordnung, mit welcher eine alternative vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird.

Die Figur 1 ist ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kalotte in einer Ventilnadel eines Ventils. Das Ventil ist bevorzugt ein Hochdruckregelventil für ein Kraftstoffsystem in einer Brennkraftmaschine. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden in einem Schritt 10 die Bauteile Ventilsitz, Dichtkugel, Ventilnadel mit Nadelspitze und Nadelführung und weitere Bauteile des Ventils, insbesondere für dessen elektromechanischen Aktor, bereitgestellt. Dabei weist die Nadelspitze eine bereits vorbearbeitete Kalotte auf, welche einen kleineren Krümmungsradius als die Dichtkugel aufweist. Das Ventil wird in einem Schritt 12 so weit montiert, dass der elektromechanische Aktor bei seinem Betrieb die Ventilnadel in der Nadelführung axial bewegen kann.
In einem Schritt 14 wird die Kalotte mittels einer Kraftwirkung der Dichtkugel geprägt, insbesondere feingeprägt. Konkret wird erfindungsgemäß der Rand der Kalotte an der Oberfläche der Nadelspitze geprägt. Dabei werden die zwangsläufig vorhandenen Toleranzen ausgeglichen. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Dichtkugel mit der Intention des Prägens zu einer Schwingung derart angeregt, dass die Dichtkugel die Kraftwirkung auf die Nadelspitze ausübt. Darüber hinaus wird in der Materialzusammenstellung von den bereitgestellten Bauteilen Dichtkugel, Ventilsitz und Nadelspitze berücksichtigt, dass die Dichtkugel eine größere Härte als der Ventilsitz und dieser wiederum eine größere Härte als die Nadelspitze aufweist. In Folge der Prägung liegt die Dichtkugel auf der Nadelspitze nicht mehr auf einer Ringkreislinie (ideale Situation vor dem Prägen) sondern auf einer Ringkreisfläche auf. Es ist nicht notwendig, dass die besagte Ringkreisfläche exakt zentrisch auf der Nadelspitze sitzt und/oder überall dieselbe Breite aufweist. Beim Prägen wird in bevorzugter Ausführungsform verhindert, dass sich die Ventilnadel um ihre Achse dreht, so dass sich die individuell passend geprägte Ringkreisfläche nicht unter der Dichtkugel fortdrehen, insbesondere nicht während des Prägens fortdrehen kann.
Während des Prägens verringert sich die wirksame Länge der Ventilnadel. In der Folge bedeutet das für das zusammengebaute Ventil, dass sich auch ein Restluftspalt zwischen einem Anker und einem Polkern, welcher gleichzeitig einen Ventilkörper darstellt, in einem elektromechanischen Aktor des Ventils in bevorzugter Ausführungsform reduziert. Es ist beim Herstellen der Kalotte darauf zu achten, dass der Restluftspalt nicht zu kein wird, vor allem darf der Anker nicht an den Polkern anschlagen, damit keine Undichtigkeiten zwischen Ventilsitz und Dichtkugel auftreten und der Anker nicht durch magnetische Kräfte am Polkern fixiert ist, wodurch ein schwer kontrollierbarer oder steuerbarer Zustand entsteht. Der Restluftspalt bei vollständig geschlossenem Ventil bestimmt direkt die Steilheit der elektro-hydraulischen Ventilkennlinie und die elektronischen Regelparameter. Daher müssen der Restluftspalt beziehungsweise die Ventilkennlinie zwingend beim Prägeprozess berücksichtigt und überprüft werden. Folglich wird im in der Figur 1 gezeigten Ablauf der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schritt 16 die nach dem Prägen im Schritt 14 erhaltene Ventilkennlinie bestimmt. Ist die Ventilkennlinie flacher als eine Soll-Kennlinie ist der Prägeschritt zeitlich geeignet so lange wiederholt (Schritt 18), bis die Ist-Kennlinie zur Soll-Kennlinie passt.
Das Ventil wird dann in der gezeigten Ausführungsform in einem Schritt 20 fertiggestellt.
In der Figur 2 ist schematisch eine vergrößerte einer eine Dichtkugel berührenden Nadelspitze einer Ventilnadel in zwei Teilbildern A und B vor und nach dem erfindungsgemäßen Prägen, insbesondere in der bevorzugten Ausführungsform wie unter Bezugnahme auf die Figur 1 erläutert. Im Teilbild A ist die Situation gezeigt, wie die Dichtkugel 32 und die Nadelspitze 40 der Ventilnadel 28 sich in einer Ringkreisberührung 42 kontaktieren: In der Nadelspitze 40 ist vorbearbeitet eine Vertiefung in Form einer Kalotte 26 vorhanden. Der Krümmungsradius der Kalotte 26 ist deutlich kleiner als der Krümmungsradius der Dichtkugel 32. Im Zusammenbau vor dem erfindungsgemäßen Prägen ist die Breite eines Restluftspalts zwischen Polkern und Anker des elektromechanischen Aktors des Ventils größer als eine Soll-Breite.
In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Prägen der elektromechanische Aktor des Ventil mit einem harmonischen Wechselstrom betrieben, ohne dass eine Flüssigkeit, zum Beispiel Kraftstoff, im Ventil ist. Die Frequenz des Wechselstroms wird derart gewählt, dass das der die Ventilnadel kontaktierende federkraftbelastete Anker mit der Ventilnadel in mechanische Schwingungen gerät, wodurch maximale Kräfte in axiale Richtung erzeugt werden können. Aufgrund der beschriebenen unterschiedlichen Härten der beteiligten Bauteile prägt sich die Dichtkugel in die Kalotte ein, wobei gleichzeitig eine etwaige Desaxierung ausgeglichen wird. Auf diese Weise wird die Ringkreisberührung 42 des Teilbilds A zu einer Ringflächenberührung 44, wie im Teilbild B gezeigt. In den zwei Teilbildern sind dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das Teilbild B betrachtend wird es klar, dass sich die Länge der Ventilnadel 28 aufgrund der erfolgten Umformung der Nadelspitze verkürzt. In der Folge wird die Breite des Restluftspalts kleiner, so dass die Kennlinie des Ventils steiler wird. Damit eine möglichst große Übereinstimmung zwischen einer Ist-Kennlinie eines konkret auf dem erfindungsgemäßen Wege hergestellten Ventils mit einer Soll-Kennlinie erreicht werden kann, wird die Kalotte in mehreren Schritten geprägt: In einem Prägeschritt wird nur eine Teilumformung vorgenommen. Anschließend wird die aktuelle Kennlinie des teilumgeforten Ventils bestimmt. Solange die aktuelle Ist-Kennlinie noch nicht mit der Soll-Kennlinie in gewünschter Präzision übereinstimmt, wird das Prägen mit einer weiteren Teilumformung wiederholt. Bei gewünschter ausreichend präziser Übereinstimmung zwischen Ist-Kennlinie und Soll-Kennlinie wird das Prägen beendet. Auf diese erfindungsgemäße Weise des Prägens der Kalotte im Zusammenbau erhält man eine Kalotte mit optimierter, bevorzugt optimaler Seitenführung der Dichtkugel, so dass akustische Auffälligkeiten reduziert sind, bevorzugt vermieden werden.
Die Figur 3 zeigt angeordnete Bauteile einer Ausführungsform eines Ventils 24, mit welchen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kalotte 26 ausgeführt wird. In dieser Figur 3 ist nur ein Teil der Bauteile des Ventils 24 gezeichnet, welche in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz gelangen. Eine Dichtkugel 32 bildet mit einem Ventilsitz 30 einen Ventilspalt 36 stromauf eines Ventilauslasses 46. Zum Schließen des Ventils wird die Dichtkugel 32 mit Hilfe der in einer Nadelführung 34 axial gelagerten Ventilnadel 28 gegen den Ventilsitz 30 in Axialrichtung 38 gedrückt. Die Bewegung wird mit Hilfe eines elektromechanischen Aktors bewirkt: Im Ventil 24 ist ein federbeaufschlagter Anker 48, welcher die Ventilnadel 28 kontaktiert, vorhanden, der mit Hilfe der Magnetwirkung einer Spule 52 in einem Polkern 50 in Axialrichtung 38 verlagerbar ist.
Erfindungsgemäß wird der Anker 48 innerhalb des Ventils 24 durch eine Wechselspannung an einer Magnetspule gezielt in seine mechanische Resonanzschwingung versetzt. Die Magnetspule kann dabei die Spule 52 sein, es kann aber auch alternativ dazu eine andere Spule verwendet werden. Um eine höhere Energie einzutragen, kann eine Magnetspule zum Einsatz gelangen, welche größer als die Spule 52 ist und folglich stärkere Magnetkräfte erzeugen kann. Die mechanische Resonanzschwingung führt zu einem Hämmern des Ankers 48 auf die Ventilnadel 28 beziehungsweise zu einem Mitschwingen der Ventilnadel 28 und damit zu einem Einprägen der Dichtkugel 32 in die Kalotte 26.
In verbreitet zum Einsatz gelangenden Ventilen, insbesondere Hochdruckregelventilen, besteht der Anker 48 als solcher aus einem ferromagnetischen Weicheisen. Um zu vermeiden, dass sich die Stirnseite des Ankers 48 beim erfindungsgemäßen Prägen verformt, zum Beispiel dass sich die Ventilnadel 28 in die Stirnseite des Ankers 48 eingräbt, kann die Stirnseite gehärtet oder mit einem harten Inlet versehen sein.
Um die Resonanzfähigkeit des Ventils 24 ausnutzen zu können, ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Prägen ohne Füllung des Ventils mit Fluid, insbesondere für den Fall eines Hochdruckregelventils mit Kraftstoff oder Prüföl durchzuführen. Da ein Fluid im Ankerraum das Schwingungsverhalten ändert, insbesondere eine dämpfende Wirkung haben kann, bedarf es mit Füllung einer deutlich höheren Energiezufuhr von außen als ohne Füllung. In Funktion der konkreten Geometrien und Prozessparameter bestimmter Ausführungsformen kann eine mechanische Resonanzschwingung bei Vorhandensein von Fluid nicht mehr darstellbar sein. Das Ventil 24 kann daher während des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Luft gefüllt sein oder sich im evakuierten Zustand befinden.
In der Figur 4 ist eine Anordnung, mit welcher eine alternative vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird, dargestellt. In dieser Ausführungsform wird das Ventil noch nicht vollständig zusammengebaut. Die wesentlichen Bauteile, welche für das Prägen genutzt werden, sind bereits montiert: Ventilsitz, Dichtkugel sowie Ventilnadel in Nadelführung. Statt eines Anker wird ein Werkzeug 56, in dieser Ausführungsform ein Stahlkörper, in die Position des Anker gebracht. Dieses Werkzeug 56 weist eine Vertiefung 58 auf, welche über die Ventilnadel 28 greift. Die Höhe der Vertiefung ist dabei derart, dass nach dem Prägen und der dabei auftretenden Verkürzung der Ventilnadel 28 der Restluftspalt 54 zwischen Anker und Polkörper 50 mit Spule 52 entsteht.
Die Länge der Ventilnadel 28 im Ursprungszustand bestimmt dann die Stärke der Feinprägung an der Kalotte. Im Zustand vor dem Prägen der Kalotte ist die Ventilnadel 28 zu lang und der aktuelle Restluftspalt zu groß. Mittels einer Presskraft 60 in axialer Richtung der Ventilnadel auf den Ventilsitz wirkend wird das Werkzeug 56 nun bis zum mechanischen Anschlag an den Polkern 50 verfahren. Dabei prägt sich die Dichtkugel in die Kalotte der Nadelspitze weiter ein, so dass eine Flächenberührung zwischen Dichtkugel und Nadelspitze entsteht (siehe Teilbild B der Figur 2).
Für das erfindungsgemäße Prägen werden die Kräfte und Materialien so gewählt, dass nur eine Verformung an der Kalotte stattfindet. Der erreichte Restluftspalt wird auch in dieser alternativen Ausführungsform geprüft, indem die aktuelle nach einem Prägen erreichte Kennlinie geprüft wird. Eine oder mehrere Nachprägungen werden bis zum Erreichen der Soll-Kennlinie durchgeführt. Sollte die Ventilnadel überprägt, also kürzer als eine minimale Schwelle sein, muss das Ventil aussortiert werden. Der Restluftspalt kann alternativ dazu rein mechanisch gemessen werden und als Kriterium zur Begrenzung der Prägetiefe genutzt werden.
Alternativ zur Nutzung eines Werkzeugs mit Vertiefung kann in einer anderen Ausführungsform der Anker des elektromechanischen Aktors selbst genutzt werden. Dabei muss nach einzelnen Prägungen der Restluftspalt jeweils messtechnisch erfasst und Prägungen müssen so lange wiederholt werden, bis der Soll-Wert für den Restluftspalt erreicht wird.
Bei den verschiedenen vorgestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einer Weiterentwicklung das Ventil, genauer gesagt die Nadelspitze der Ventilnadel, gezielt erwärmt werden, um eine plastische Verformung der Nadelspitze geeignet zu unterstützen. Dabei wird vorteilhafterweise ein weiteres Setzungsverhalten an der Kalotte im Betrieb vorweggenommen.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Hochdruckregelventil ist insbesondere einsetzbar in einer Common-Rail Kraftstoffzufuhr eines Motors, insbesondere eines Dieselmotors.

Bezugszeichenliste

10: Bereitstellen der Bauteile
12: Montieren der Bauteile
14: Prägen einer Kalotte
16: Bestimmen
18: Wiederholen
20: Fertigstellen des Ventils
24: Ventil
26: Kalotte
28: Ventilnadel
30: Ventilsitz
32: Dichtkugel
34: Nadelführung
36: Ventilspalt
38: Axialrichtung
40: Nadelspitze
42: Ringberührung
44: Flächenberührung
46: Ventilauslass
48: Anker
50: Polkern
52: Spule
54: Restluftspalt
56: Werkzeug
58: Vertiefung
60: Presskraft

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Kalotte (26) in einer Ventilnadel (28) eines Ventils (24) mit einem Ventilsitz (30), einer Dichtkugel (32) und einer Nadelführung (34), in welchem ein Raum zwischen dem Ventilsitz (30) und der Dichtkugel (32) einen Ventilspalt (36) bildet und die Nadelführung (34) die Ventilnadel (28) axial beweglich lagert, mit den Schritten, dass die Dichtkugel (32) und die Ventilnadel (28) mit einer Nadelspitze (40) bereitgestellt werden und eine Kalotte (26) zur Kontaktierung der Dichtkugel (32) in der Nadelspitze (40) erzeugt wird, wobei wenigstens teilweise die Kalotte (26) durch eine Krafteinwirkung der Dichtkugel (32) eingeprägt wird, wobei die Ventilnadel (28) gegen ein Verdrehen in der Nadelführung (34) durch einen Formschluss und/oder einen Kraftschluss gesichert wird, wobei der Ventilsitz (30), die Dichtkugel (32), die Ventilnadel (28) und die Nadelführung (34) zusammengebaut werden, bevor die Kalotte (26) wenigstens teilweise eingeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ventil (24) soweit zusammengebaut wird, dass ein elektromechanischer Aktor des Ventils (24) zur Bewegung der Ventilnadel (28) in Wirkverbindung mit der Ventilnadel (28) steht, und dass mittels des elektromechanischen Aktors die Krafteinwirkung aufgebracht wird, wobei die Krafteinwirkung aufgebracht wird, indem die Dichtkugel (32) zur Schwingung zwischen dem Ventilsitz (30) und der Nadelspitze (40) der Ventilnadel (28) angeregt wird, wobei eine Resonanzanregung bei geringem äußeren Kraftaufwand genutzt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Kalotte (26) in einer Ventilnadel (28) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
dass die geprägte Tiefe der Kalotte und/oder ein Restluftspalt (56) zwischen einem Anker (48) und einem Polkern (50) des Ventils (24) nach dem Prägen überprüft wird.
Verfahren zum Herstellen einer Kalotte (26) in einer Ventilnadel (28) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet
dass nach dem Prägen eine Ventilkennlinie bestimmt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Kalotte (26) in einer Ventilnadel (28) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet
dass beim Prägen keine Arbeitsflüssigkeiten in einem oder mehreren Räumen zwischen Bauteilen des Ventils (24) vorhanden sind und/oder ein oder mehrere Räume zwischen Bauteilen des Ventils (24) evakuiert sind.