Beschreibung
Titel
Metallisches Verbundbauteil, insbesondere für ein elektromagnetisches Ventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem metallischen Verbundbauteil, insbesondere für ein elektromagnetisches Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
In der Figur 1 ist ein bekanntes Brennstoffeinspritzventil aus dem Stand der Technik dargestellt, das einen klassischen dreiteiligen Aufbau eines inneren metallenen
Strömungsführungsteils und zugleich Gehäusebauteils besitzt. Dieses innere Ventilrohr wird aus einem einen Innenpol bildenden Einlassstutzen, einem nichtmagnetischen Zwischenteil und einem einen Ventilsitz aufnehmenden Ventilsitzträger gebildet und in der Beschreibung zu Figur 1 näher erläutert.
Aus der DE 35 02 287 Al ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines hohlzylindrischen metallenen Gehäuses mit zwei magnetisierbaren Gehäuseteilen und einer dazwischen liegenden, die Gehäuseteile magnetisch trennenden, amagnetischen Gehäusezone bekannt. Dieses metallene Gehäuse wird dabei aus einem magnetisierbaren Rohling einstückig bis auf ein Übermaß im Außendurchmesser vorbearbeitet, wobei in der
Innenwand des Gehäuses in der Breite der gewünschten mittleren Gehäusezone eine Ringnut eingestochen wird. Bei rotierendem Gehäuse wird ein nichtmagnetisierbares Füllmaterial in die Ringnut unter Erwärmung des Ringnutbereichs gefüllt und die Rotation des Gehäuses bis zur Erstarrung des Füllmaterials aufrechterhalten. Anschließend wird das Gehäuse außen bis auf das Endmaß des Außendurchmessers überdreht, so dass keine Verbindung mehr zwischen den magnetisierbaren Gehäuseteilen besteht. Ein derart hergestelltes Ventilgehäuse kann z.B. in Magnetventilen für Antiblockiersysteme (ABS) von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.
Bekannt sind des weiteren aus der DE 42 37 405 C2 Verfahren zur Herstellung eines festen Kerns für Einspritzventile für Brennkraftmaschinen (Figur 5 des Dokuments). Die
Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass unmittelbar oder über vorherige Umwandlungsprozesse ein einteiliges hülsenförmiges, magnetisches, martensitisches Werkstück bereitgestellt wird, das eine örtliche Wärmebehandlung in einem mittleren Abschnitt des magnetischen, martensitischen Werkstücks zur Umwandlung dieses mittleren Abschnitts in einen nichtmagnetischen, austenitischen mittleren Abschnitt erfährt. Alternativ werden bei der örtlichen Wärmebehandlung mittels Laser geschmolzenes Austenit bzw. geschmolzenes Ferrit bildende Elemente an den Ort der Wärmebehandlung zur Bildung eines nichtmagnetischen, austenitischen mittleren Abschnitts des festen Kerns hinzugefügt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße metallische Verbundbauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise eine magnetische Trennung an einem einstückigen, z.B. hülsenförmigen Verbundbauteil realisiert ist, das großserientechnisch zuverlässig herstellbar ist. Das Verbundbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei benachbarte Abschnitte unterschiedlicher Magnetisierung vorliegen, wobei die durch den zweiten Abschnitt mit gegenüber den ersten Abschnitten reduzierter Sättigungspolarisation Js gebildete magnetische Drossel im Verbundbauteil in vorteilhafter Weise nicht unmagnetisch, sondern teilmagnetisch in einer Größenordnung ist, die ideal den Einsatz eines solchen Verbundbauteils in einem elektromagnetischen Ventil erlaubt.
Von Vorteil ist es zudem, dass eine hohe Flexibilität in der Ausgestaltung der Geometrie des Verbundbauteils selbst, wie z.B. bei Länge, Außendurchmesser, Abstufungen ermöglicht ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen metallischen Verbundbauteils möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Ausgangsmaterial für das Verbundbauteil ein semi- austenitischer nichtrostender Stahl wie 17-7PH oder 15-8PH verwendet wird. Durch eine einfache oder mehrfache Wärmebehandlung und mit einer Tiefkühlung während oder nach der Formgebung wird das Material magnetisch gemacht. In einem Teilbereich wird danach eine lokale Wärmebehandlung mittels Laserstrahl, Induktionserwärmung oder
Elektronenstrahlung o.a. vorgenommen, die dazu führt, dass nach der Abkühlung der zweite Abschnitt mit reduzierter Sättigungspolarisation entsteht.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik mit einem dreiteiligen inneren metallenen Ventilrohr als Gehäuse, Figur 2 ein erstes erfindungsgemäßes Verbundbauteil bestehend aus drei Abschnitten, Figur 3 ein zweites erfindungsgemäßes Verbundbauteil bestehend aus drei Abschnitten und Figur 4 einen schematischen Ausschnitt aus einem Einspritzventil mit einem erfindungsgemäßen Verbundbauteil zur Verdeutlichung einer Einsatzmöglichkeit.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bevor anhand der Figuren 2 und 3 die Charakteristik des erfindungsgemäßen metallischen Verbundbauteils 60, 60' beschrieben wird, soll anhand von Figur 1 ein Brennstoffeinspritzventil des Standes der Technik als ein mögliches Einsatzprodukt für ein solches Verbundbauteil 60, 60' näher erläutert werden.
Das in der Figur 1 beispielsweise dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlassstutzen und Innenpol dienenden rohrförmigen Kern 2, der beispielsweise über seine gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser aufweist. Ein in radialer Richtung gestufter Spulenkörper 3 nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 einen kompakten Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1.
Mit einem unteren Kernende 9 des Kerns 2 ist konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10 dicht ein rohrförmiges metallenes nichtmagnetisches Zwischenteil 12 durch Schweißen verbunden und umgibt das Kernende 9 teilweise axial. Stromabwärts des Spulenkörpers 3 und des Zwischenteils 12 erstreckt sich ein rohrförmiger Ventilsitzträger 16, der fest mit dem Zwischenteil 12 verbunden ist. In dem Ventilsitzträger 16 ist eine axial bewegbare Ventilnadel 18 angeordnet. Am stromabwärtigen Ende 23 der Ventilnadel 18 ist ein
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kugelförmiger Ventilschließkörper 24 vorgesehen, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 25 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind.
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 18 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 26 bzw. zum Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2 und einem Anker 27. Der rohrförmige Anker 27 ist mit einem dem Ventilschließkörper 24 abgewandten Ende der Ventilnadel 18 durch beispielsweise eine Schweißnaht fest verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. In das stromabwärts liegende, dem Kern 2 abgewandte Ende des
Ventilsitzträgers 16 ist ein zylinderförmiger Ventilsitzkörper 29, der einen festen Ventilsitz 30 aufweist, durch Schweißen dicht montiert.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 24 der Ventilnadel 18 wirkt mit dem sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz 30 des Ventilsitzkörpers 29 zusammen. An seiner unteren Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 29 mit einer beispielsweise topfförmig ausgebildeten Spritzlochscheibe 34 fest und dicht durch eine z. B. mittels eines Lasers ausgebildete Schweißnaht verbunden. In der Spritzlochscheibe 34 sind wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 39 vorgesehen.
Um den Magnetfluss zur optimalen Betätigung des Ankers 27 bei Bestromung der Magnetspule 1 und damit zum sicheren und genauen Öffnen und Schließen des Ventils zu dem Anker 27 zu leiten, ist die Magnetspule 1 von wenigstens einem, beispielsweise als Bügel ausgebildeten und als ferromagnetisches Element dienenden Leitelement 45 umgeben, das die Magnetspule 1 in Umfangsrichtung wenigstens teilweise umgibt sowie mit seinem einen Ende an dem Kern 2 und seinem anderen Ende an dem Ventilsitzträger 16 anliegt und mit diesen z. B. durch Schweißen, Löten bzw. Kleben verbindbar ist. Ein inneres metallenes Ventilrohr als Grundgerüst und damit auch Gehäuse des Brennstoffeinspritzventils bilden der Kern 2, das nichtmagnetische Zwischenteil 12 und der Ventilsitzträger 16, die fest miteinander verbunden sind und sich insgesamt über die gesamte Länge des Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Alle weiteren Funktionsgruppen des Ventils sind innerhalb oder um das Ventilrohr herum angeordnet. Bei dieser Anordnung des Ventilrohrs handelt es sich um den klassischen dreiteiligen Aufbau eines Gehäuses für ein elektromagnetisch betätigbares Aggregat, wie ein Ventil, mit zwei ferromagnetischen bzw. magnetisierbaren Gehäusebereichen, die zur wirkungsvollen
Leitung der Magnetkreislinien im Bereich des Ankers 27 mittels eines nichtmagnetischen Zwischenteils 12 magnetisch voneinander getrennt oder zumindest über eine magnetische Drosselstelle miteinander verbunden sind.
Das Einspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 51 umschlossen, die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die Magnetspule 1 und das wenigstens eine Leitelement 45 bis zum Ventilsitzträger 16 erstreckt, wobei das wenigstens eine Leitelement 45 vollständig axial und in Umfangsrichtung überdeckt ist. Zu dieser Kunststoffumspritzung 51 gehört beispielsweise ein mitangespritzter elektrischer Anschlussstecker 52.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 60 bestehend aus drei Abschnitten 61, 62, 61. Wesentlich bei diesem Verbundbauteil 60 ist jedoch, dass mindestens ein gut magnetisierbarer Abschnitt 61 vorgesehen ist, an den sich unmittelbar einstückig ein zweiter Abschnitt 62 mit teilweise reduzierter Sättigungspolarisation Js anschließt. Der zumindest eine Abschnitt 62 mit reduzierter Sättigungspolarisation Js besitzt dabei eine minimale Sättigungspolarisation Js von 0,1 T bis 1,3 T und/oder eine maximale relative Permeabilität μr von 2 bis 150.
Als Ausgangsmaterial für das Verbundbauteil 60 wird ein semi-austenitischer nichtrostender Stahl (z.B. 17-7PH, 15-8PH) verwendet. Durch eine einfache oder mehrfache Wärmebehandlung ggf. mit einer Tiefkühlung oder durch die Formgebung z.B. in eine Hülsenform ggf. mit einer Tiefkühlung wird das Material magnetisch gemacht. In einem Teilbereich wird danach eine lokale Wärmebehandlung mittels Laserstrahl, Induktionserwärmung oder Elektronenstrahlung o.a. vorgenommen, die dazu führt, dass nach der Abkühlung der teilmagnetische Abschnitt 62 entsteht.
Das Material im magnetischen Abschnitt 61 bzw. in beiden magnetischen Abschnitten 61 zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es eine Sättigungspolarisation Js von 0,8 T bis 1,5 T bei einem Restaustenitgehalt von 0 bis 50% besitzt. Dagegen nimmt das Material im Abschnitt 62 mit teilweise reduzierter Sättigungspolarisation Js eine Sättigung Js von mindestens 0,1 T bei einem Gehalt an Ferrit oder Martensit von > 0 an.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante (Figur 3) liegt das Verbundbauteil 60' leicht modifiziert vor. Wesentlich bei diesem Verbundbauteil 60' ist, dass mindestens ein Abschnitt 61' mit teilweise reduzierter Sättigungspolarisation Js
vorgesehen ist, an den sich unmittelbar einstückig ein zweiter Abschnitt 62' mit noch stärker reduzierter Sättigungspolarisation Js anschließt. Der zumindest eine Abschnitt 61' mit reduzierter Sättigungspolarisation Js besitzt dabei eine Sättigungspolarisation Js von 0,1 T bis 1,7 T, aber eine magnetische Induktion von B4000 <= 0,3 T (H = 4000 A/m). Der zweite Abschnitt 62' mit noch stärker reduzierter Sättigungspolarisation Js weist eine
Sättigungspolarisation Js von 0,1 T bis 1,3 T und/oder eine maximale relative Permeabilität μr von 2 bis 150 auf.
Als Ausgangsmaterial für das Verbundbauteil 60 wird auch hier ein semi-austenitischer nichtrostender Stahl (z.B. 17-7PH, 15-8PH) verwendet. Durch eine einfache oder mehrfache Wärmebehandlung ggf. mit einer Tiefkühlung oder durch die Formgebung z.B. in eine Hülsenform ggf. mit einer Tiefkühlung wird das Material magnetisch gemacht. In einem Teilbereich wird danach eine lokale Wärmebehandlung mittels Laserstrahl, Induktionserwärmung oder Elektronenstrahlung o.a. vorgenommen, die dazu führt, dass nach der Abkühlung der Abschnitt 62' entsteht.
Das Material in den beiden Abschnitten 61' mit teilweise reduzierter Sättigungspolarisation Js zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es eine Sättigungspolarisation Js von 0,8 T bis 1,5 T bei einem Restaustenitgehalt von > 0 besitzt. Dagegen nimmt das Material im Abschnitt 62' mit noch stärker reduzierter Sättigungspolarisation Js eine Sättigung Js von mindestens 0,1 T bei einem Gehalt an Ferrit oder Martensit von > 0 an.
Die durch die Abschnitte 62, 62' mit gegenüber den Abschnitten 61, 61' reduzierter Sättigungspolarisation Js gebildete magnetische Drossel im Verbundbauteil 60, 60' ist in vorteilhafter Weise insofern nicht unmagnetisch, sondern teilmagnetisch in einer
Größenordnung, die ideal den Einsatz eines solchen Verbundbauteils 60, 60' in einem elektromagnetischen Ventil erlaubt.
Figur 4 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus einem Brennstoffeinspritzventil mit einem erfindungsgemäßen Verbundbauteil 60, 60', das als dünnwandige Hülse im Ventil verbaut ist und dabei den Kern 2 und den Anker 27 radial und in Umfangsrichtung umgibt und dabei selbst von der Magnetspule 1 umgeben ist. Es wird deutlich, dass der mittlere Abschnitt 62 des Verbundbauteils 60 im axialen Erstreckungsbereich eines Arbeitsluftspaltes 70 zwischen dem Kern 2 und dem Anker 27 liegt, um die Magnetkreislinien optimal und effektiv im Magnetkreis zu leiten. Anstelle des in Figur 1 gezeigten bügeiförmigen Leitelements 45 ist das äußere Magnetkreisbauteil z.B. als
Magnettopf 46 ausgeführt, wobei der magnetische Kreis zwischen dem Magnettopf 46 und dem Gehäuse 66 über ein Deckelelement 47 geschlossen ist. Das metallische Verbundbauteil 60 ist nicht nur als Ventilhülse in einem elektromagnetischen Ventil einsetzbar, sondern z.B. auch als Kern 2.
Die Erfindung ist keinesfalls auf den Einsatz in Brennstoffeinspritzventilen oder Magnetventilen für Antiblockiersysteme beschränkt, sondern betrifft alle elektromagnetisch betätigbaren Ventile unterschiedlicher Anwendungsgebiete und allgemein alle festen Gehäuse in Aggregaten, bei denen Zonen unterschiedlichen Magnetismus aufeinanderfolgend erforderlich sind. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil 60, 60' ist nicht nur mit drei aufeinander folgenden Abschnitten herstellbar, sondern auch mit mehr als drei Abschnitten.