Druckfeder zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckfeder zum A n- steuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer insbesonders zylindrischen Schraube gewickel¬ ten Federdraht.
Zylindrische Schraubendruckfedern kommen häufig als Andrück -, Ausrück- oder Rückführfedern in Kupplungen, Bremsen, Vent i- len, Schaltern und dergleichen zum Einsatz. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellen Komponenten von Hochdruckeinspritz- systemen und Hydraulikantrieben dar, in denen die Schraube n- druckfedern beispielsweise zur Rückführung eines Ventilst ö- ßels herangezogen werden.
Was derartige Systeme angeht, besteht das Bestreben, deren Komponenten jeweils so auszulegen , dass bei gleichzeitiger Minimierung des Bauvolumens ein zumindest gleichbleibendes, vorzugsweise steigendes Leistungsniveau erreicht wird. Dies geht mit einer erhöhten dynamischen Belastung der Komponenten einher.
So werden beispielsweise Triebwerke vo n Hochdruckpumpen für Common-Rail-Systeme für Diesel- oder Ottomotoren und die in diesen zum Einsatz kommenden Maschinenelemente, wie z. B. e i- ne Nocken-Rolle, stets hochgradig dynamisch beansprucht, w o- bei die Leistungsfähigkeit eines derartigen Nockentrieb Werks durch die zu erreichende maximale Nockengeschwindigkeit b e- stimmt wird. Die Leistungsstärke, sowie auch die erzielbare Lebensdauer und eine mögliche Reduzierung des Bauraums fällt dabei. umso größer aus, je größer die mögliche Beschleunigung bzw. Verzögerung ist.
Wenn die Nockenformen hinsichtlich Geschwindigkeit und B e- schleunigung bei der Ansteuerung der Ventile optimiert we ir¬ den, indem beispielsweise Nocken mit einem Nockenanstieg mit konkaver Krümmung unter Ausbildung eines Hohlradius und/oder mit einem Nockenablauf mit einer Tangente ausgebildet werden, verringert sich zwangsläufig der für eine Schraubendruckfeder zur Verfügung stehende Bauraum. Die hochgradige Beanspruchung einer hier eingesetzten Druckfeder steigt somit bei einer gleichzeitigen Reduzierung des Bauvolumens weiter an.
Um dennoch eine in ihrer Federwirkung für den jeweils vorg e- sehenen Anwendungsfall leistungsgerechte Schraubendruckfeder in einem solchen reduzierten Bauraum unterbringen zu können, muss der Federdrahtquerschnitt in ent sprechender Weise redu¬ ziert bzw. geometrisch optimiert werden, was jedoch hinsich t- lich Verschleiß- und/oder Ermüdungserscheinungen in der Schraubendruckfeder problematisch ist.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckfeder der eingangs genannten Art zum Ansteuern e i- nes dynamisch beanspruchten Elements, insbesondere eines Ko 1- bens eines Ventils oder eines Nockentriebwerks einer hydra u- lischen Pumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, bereit zu stellen, welche in derartigen Systeme n eine höhere Ausnutzung der zulässigen Beanspruchungsgrenzen, einen geringeren Ve r- schleiß und eine Realisierung mit kleinem Bauvolumen ermö g- licht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Druckfeder der eingangs genannten Art, welche gemäß den kennzeichnende n Merkmalen des Patentanspruches 1, 7 oder 14 ausgebildet ist, und mit einem Herstellungsverfahren für eine derartige Druckfeder nach A n- spruch 17 und deren Verwendung nach Anspruch 19.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Material, eine Querschnittsgeometrie und die Oberfläche des Federdrahts
einer erfindungsgemäßen Schraubendruckfeder zur Erzielung e i- nes bestimmten Federverhaltens ausgewählt und aufeinander a b- gestimmt sind.
Die Auswahl und die Abstimmung erfolgen da bei gemäß der Er- findung insbesondere hinsichtlich des dynamisch beanspruchten Elements. Mit anderen Worten, die Auslegung des dynamisch b e- anspruchten Elements steht in Wechselwirkung mit der Ausl e- gung der Schraubendruckfeder. Bei einem vorgegebenen Bauraum und einer für einen durch das dynamisch beanspruchte Element vorgegebenen Anwendungsfall zu erzielenden Beanspruchung s- grenze der Schraubendruckfeder ist das zu erzielende Fede r- verhalten vorgegeben und dementsprechend werden die einzelnen Komponenten des Federdrahts der Schraubendruckfeder - Material, Querschnittsgeometrie und Oberfläche - ausgewählt und aufeinander abgestimmt.
Dabei ergänzen sich eine bestimmte Materialauswahl, Wärmeb e- handlung, eine bestimmte Gestaltung der Querschnittsgeometrie und eine bestimmte Beschaffenheit der Oberfläche des Fede r- drahts, die untereinander in Wechselwirkung stehen, so dass sich ein definiertes Gesamtverhalten der Schraubendruckfeder ausbildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn neben der Wahl des Mater i- als und der Gestaltung auch die Wahl der Wärmebehandlung en t- sprechend dem angestrebten Federverhalten getroffen wird.
Durch eine gezielte Auswahl wird es möglich, dass die so j e- weils individuell optimierten Schraubendruckfedern bei der jeweils zulässigen Hubspannung höher beansprucht werden kön¬ nen, wobei Reibung und Verschleiß zwischen einzelnen Windu n- gen des Federdrahts und zwischen der Schraubendruckfeder und den diese fixierenden Elementen reduziert werden kann.
Gemäß einem ersten Lösungsansatz der Erfindung ist die Ober¬ fläche des Federdrahts modifiziert, um verschleißbeständige und/oder reibungsminimierende Oberflächenschichten auszubi 1- den.
Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass der jeweils für den Federdraht zum Einsatz kommende Werkstoff gehärtet wird, so dass sich der Verschleiß verursachende Selbstscheuereffekt zwischen den Windungen nicht wesentlich auswirken kann.
Zu nennen sind vorteilhafte Oberflächenmodifikationen mittels Nitrocarburieren, Plasmaspritzbeschichtung sowie Ionenimpla n- tieren. Darüber hinaus können in vorteilhaften Ausführungen diamantartige Kohlenstoffschichten und deren Varianten sowie TiC- und TiM-Schichten und insbesondere auch Schichten aus so genannten "Solidlubricant Coatings" und harte Schichten mit eingelagerten Nanopartikeln a uf der Oberfläche des Fede r- drahts ausgebildet sein.
Gemäß einem zweiten Lösungsansatz der Erfindung ist der F e- derdraht der erfindungsgemäßen Schraubendruckfeder aus einem
Ventilstahl hergestellt, welcher ein hochreiner oder legie r- ter Stahl sein kann.
Es eignen sich dabei besonders Ventilstähle mit einem Kohle n- stoff-Gehalt von 0,5 % bis 0,7 %, einem Silizium -Gehalt von 0,8 % bis 1,0 %, einem Mangan -Gehalt von 1,0 % bis 1,3 % oder auch Chrom-Vanadium- oder Chrom-Silizium-Stähle.
Bei derartigen hochreinen bzw. legierten Ventilstählen kann bei einer vorteilhaften Ausführung durch Schmelzverfahren, wie Vakuumschmelzen oder Umschmelzen, erreicht werden, dass der Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen, wie z. B. Ma n- gansulfiden, und/oder oxidischen Einflüssen vermindert wird.
Bei Verwendung von hochreinen Stählen ergibt sich als wesen t- licher Vorteil, dass sich die zulässige Hubspannung einer mit einem solchen Ventilstahl hergestellten Schraubendruckfeder wesentlich erhöhen lässt.
Gemäß einem weiteren Lösung sansatz der Erfindung wird als z u- sätzliche Optimierungsmaßnahme die Querschnittsgeometrie des Federdrahts individuell in einer von einer Kreisform abwe i- chenden,- wenigstens annähernd elliptischen oder logarit h- misch-profilierten Form festgelegt.
Über die gezielten Veränderung der Querschnittsgeometrie Ia s- sen sich die Eigenschaften hinsichtlich der Spannungsverte i- lung über diesen Querschnitt einstellen und, bezogen auf die dynamischen Erfordernisse des Einsatzgebiets des durch die
Schraubendruckfeder angesteuerten Elements, optimieren. So kann die Querschnittsgeometrie des Federdrahts beispielsweise elliptisch bzw. eiförmig oder oval, aber auch logarithmisch profiliert ausgebildet sein. Ein elliptischer Stahldrahtque r- schnitt kann gezielt so verändert werden, dass sich der Si¬ cherheitsabstand zu der sogenannten Blocklänge der Schraube n- druckfeder vergrößern lässt. Darüber hinaus lassen sich mi t- tels elliptischer, ovaler oder logarithmisch -profilierter Querschnitte längere freie Weglängen innerhalb der Schraube n- druckfeder bewerkstelligen. Eine derartige Ausgestaltung wi e- derum ermöglicht die Herstellung von symmetrisch progressiven Federn und verringert damit einhergehend den für derartige Schraubendruckfedern erforderlichen Bauraum.
Hinsichtlich eines weiteren Aspe kts der Erfindung kann die Oberfläche des Federdrahts bearbeitet sein, so dass sich die Schraubendruckfeder hinsichtlich von Druckeigenspannungen o p- timieren lässt. Zum Einsatz kommt hier beispielsweise das Schälen der Federdrahtoberfläche oder ein Behandel n mittels Kugelstrahlen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine abgestimmte Wärmebehandlung der Oberfläche des Federdrahts, wobei diese während eines Beschichtungsprozesses stattfinden kann.
Sämtliche Optimierungsmaßnahmen können jeweils für si ch oder in Kombination untereinander durchgeführt werden, wobei sich individuell für jeden Einzelfall optimierte Schraubendruckf e- dern herstellen lassen.
So wird beispielsweise eine Schraubendruckfeder für ein Ve n- til in einem Hydraulikantrieb anders dimen sioniert und ausge¬ bildet sein als eine Schraubendruckfeder für ein Ventil eines Common-Rail-Systems.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer erfindungsg e- mäßen Druckfeder im Zusammenwirken mit einem Kolben eines Ventils oder eines Nockentriebwerks, insbesondere einer hyd¬ raulischen Pumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, wie be i- spielsweise ein Common-Rail-Einspritzsystem an sich bekannter Art.
Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Druckfeder bei einem Nockentriebwerk können die Nocken vorteilhafte rweise im Hin¬ blick auf eine maximale Nockengeschwindigkeit dimensioniert werden, wodurch das Gesamtsystem hinsichtlich seiner hydra u- lischen Leistung und der ertragbaren Lebensdauer verbessert wird, da z. B. aufgrund einer höheren Abspringdrehzahl eine Reduzierung von Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen er¬ reicht werden kann. Auch können Nocken mit konkaver Krümmung bzw. einem Hohlradius und/oder Nockenabläufe mit einer Ta n- gente zur besseren Kompensation von auftretenden Ofoerschwi n- gungen bei gleichem zur Verfügung stehendem Bauraum gestaltet werden, da die erfindungsgemäße Druckfeder einen sehr geri n- gen Bauraum beansprucht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Druckfedern, wobei bei der Herstellung einer
Druckfeder die Auswahl des Materials, eine Querschnittsge o- metrie und die Oberfläche des Federdrahts in Abhängigkeit e i- nes gewünschten dynamischen Verhaltens des Elements erfolgt, mit welchem die Schraubendruckfeder im Betrieb zusammenwirkt, aufeinander abgestimmt werden. Die Auslegung der Druckfeder bestimmt wiederum die Auslegung des dynamisch beanspruchten Elements und umgekehrt.
Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Druckfeder ist es vorteilhaft, wenn während eines Beschichtungsprozesses mit einer Beschichtungstemperatur von kleiner als 220 °C gearbe i¬ tet wird, da dadurch das Relaxationsverhalten der Schraube n- druckfeder deutlich verbessert werden kann und so unter and e- rem der sich in der Regel als sehr negativ erweisende Abfall der Hubspannung bei großen Überspann ungen weitestgehend ver- mieden werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen s- tandes der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckfeder ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur 1 zeigt schematisch ein e Druckfeder gemäß der Erfindung.
Die eine Schraubendruckfeder bil dende Druckfeder 1 ist aus einem Federdraht 2 hergestellt, der zylindrisch gewunden ist.
Das Material, die Querschnittsgeometrie und die Oberfläche des Federdrahts 2 sind bei der gezeigten Ausführung zur E r- zielung eines vordefinierten Federverhaltens, wel ches einem Einsatz bei einem Kolben eines Nockentriebs einer Hochdruck - Kraftstoffeinspritzpumpe eines Common -Rail-Kraftstoff- einspritzSystems entspricht, aufeinander abgestimmt.
Dabei wird für die Querschnittsgeometrie ein kreisrunder Durchmesser d, welcher entsprechend der gegebenen Beanspru¬ chung dimensioniert ist, gewählt.
Als Material für den Federstahl 2 ist vorliegend ein Venti 1- stahl gewählt, welcher mittels einer Oberflächenbehandlung modifiziert ist, so dass eine Oberfläche 3 des Federdrahts 2 verschleißbeständig und reibungsmindernd ausgebildet ist. Auf diese Weise wird bei einem Anliegen des Federdrahts 2 bei vollständiger Kompression der Druckfeder 1 die Reibung zw i- schen benachbarten Windungen 4 und 4" der Druckfeder 1 gering gehalten.