Beschreibung

Zylinderförmiges Gehäuse und Verfahren zu dessen Herstellung

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Gehäuses erzielt, welches insbesondere zur Aufnahme eines Piezo-Aktors geeignet ist.

Einspritzsysteme, insbesondere lecköllose bzw. rücklauflose Common-Rail-Einspritzsysteme weisen ein Steuerelement auf, das beispielsweise durch einen Piezo-Aktor gebildet wird, der optional in Kraftstoffhochdruckbereich angeordnet sein kann. Ein Piezo-Aktor ist dabei zum öffnen und Schließen einer Düse mittels einer Düsennadel vorgesehen. Der Piezo-Aktor weist stapeiförmig angeordnete Piezo-Elemente auf, die sich jeweils bei Anlegen einer elektrischen Spannung in einer senkrechten Richtung zu einem durch die elektrische Spannung erzeugten elektrischen Feld ausdehnen. Piezo-Elemente, die aus piezo- keramischen Materialien, beispielsweise aus Blei-Zirkonat- Titanat bestehen, zeichnen sich durch eine relativ hohe Arbeitsgeschwindigkeit und eine relativ große Effektivität aus.

Figur IA zeigt einen Querschnitt durch ein zylinderförmiges Gehäuse G.

Figur IB zeigt einen Längsschnitt durch ein zylinderförmiges Gehäuse G mit einem anderen Bohrbild.

Das zylinderförmige Gehäuse G weist einen Außendurchmesser D auf. In dem zylinderförmigen Gehäuse G ist eine große zentrale koaxiale Bohrung mit einem Durchmesser B zur Aufnahme des Piezo-Stapels S sowie zwei dazu parallel verlaufende Bohrungen mit kleinem Durchmesser b vorgesehen, welche die Kraftstoffleitungen bilden.

Das in den Figuren IA, IB dargestellte kreiszylindrische Gehäuse wird aus einem zylinderförmigen Rohteil hergestellt, das einen Durchmesser D aufweist und eine Länge L. Dabei ent-

spricht die Länge L des zylinderförmigen Rohteils der Länge L des herzustellenden zylinderförmigen Gehäuses G. Bei dem Her- stellungsprozess werden somit in einem zylinderförmigen Rohteil drei Bohrungen erzeugt, nämlich eine koaxiale Bohrung mit großem Durchmesser B und zwei parallel dazu verlaufende Bohrungen mit kleinem Durchmesser b.

Dieses Herstellungsverfahren weist allerdings einige erhebliche Nachteile auf. Je länger das herzustellende zylindrische Gehäuse G ist, d. h. je größer die Länge L ist, desto schwieriger wird es, Bohrungen herzustellen, die parallel zu der koaxialen Bohrung mit großem Durchmesser B verlaufen. In der Praxis ist schwierig, eine Bohrung mit einem Durchmesser von b < 1 mm ab einer gewissen Länge L von etwa 100 mm zu erzeu- gen.

Der durch den Piezo-Aktor aufzubringende Kraftstoffdruck P ist sehr hoch, sodass in den Kraftstoffleitungen ein hoher Druck herrscht, der eine gewisse minimale Wandstärke w erfor- dert. Sowohl die Innenwandung W ₁ als auch die Außenwandung w _a dürfen eine gewisse Mindestdicke nicht unterschreiten.

Damit der Piezo-Stapel den notwendigen Hub zum Betätigen der Düsennadel erzeugen kann, benötigt man einen Piezo-Stapel mit einer möglichst großen Querschnittsfläche und somit eine entsprechend große koaxiale Bohrung B. Der Durchmesser der koaxialen Bohrung B muss mindestens so groß sein wie der Außendurchmesser eines Piezo-Stapels S inklusive einer Passivie- rung, d.h. einer auf den Piezo-Stapel S aufgebrachten Passi- vierungsschicht, und der elektrischen Kontaktierung. Darüber hinaus darf der Außendurchmesser D des Gehäuses G den vorgegebenen maximalen Wert von beispielsweise 17 bis 19 mm nicht überschreiten. Hierdurch ist der maximale Durchmesser der kleinen Bohrungen b aufgrund der Restriktionen für den Außen- durchmesser D und den Durchmesser B der koxialen Bohrung beschränkt .

Es wurde daher ein zylinderförmiges Gehäuse G ^λ vorgeschlagen, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Bei diesem zylinderförmigen Gehäuse G ^λ ist die Bohrung mit dem großen Durchmesser B zur Aufnahme des Piezo-Aktors exzentrisch zu einer Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses angeordnet. Hierdurch ist es zwar möglich, den Durchmesser b der Kraftstoffbohrungen zu erhöhen, um so den unerwünschten Druckabfall zwischen dem Rail-Anschluss und der Düse zu reduzieren, jedoch weist die exzentrische Anordnung der großen Bohrung einige schwerwie- gende Nachteile auf. Bei dem in Figur 2 dargestellten Gehäuse G ^λ ist der Piezo-Aktor bzw. der Piezo-Stapel S exzentrisch zu der Düse D angeordnet. Insbesondere bei Vorrichtungen ohne Servo-Ventil mit direkter kraftschlüssiger Verbindung zwischen dem Piezo-Aktor und der Düsennadel und einem Wegüber- setzer ist dies nachteilig, da die Wirkungslinie des Piezo- Aktors und der Düsennadel nicht mehr übereinstimmen, sodass ein unsymmetrischer Wegübersetzer erforderlich ist. Aufgrund der exzentrischen Anordnung kommt es zudem zu Querkräften und zunehmenden Verschleiss sowie zu einem Energieverlust bei dem Wegübersetzer.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zylinderförmiges Gehäuse und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei der die Wirkungslinie eines einsetzba- ren Aktors koaxial verläuft und gleichzeitig Kraftstoffbohrungen in einfacher Weise mit einem maximalen Querschnitt herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentan- spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Es wird ein Verfahren dargstellt zur Herstellung eines zylindrischen Gehäuses mit mindestens einer parallel zu einer Längsachse des Gehäuses verlaufenden Leitung mit den folgen- den Schritten:

- Erzeugen einer koaxialen öffnung mit einem großen Durchmesser und mindestens einer dazu parallel verlaufenden Bohrung

mit einem kleinen Durchmesser in einem zylinderförmigen Rohteil,

- Einführen eines Dorns in die koaxiale öffnung, und

- Aufbringen von Kräften auf eine Umfangsflache des gebohrten zylinderförmigen Rohteils zur Herstellung des zylinderförmigen Gehäuses.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht das zylinderförmige Rohteil aus einem duktilen bzw. hochduktilen Material.

Dieses duktile bzw. hochduktile Material ist vorzugsweise In- var.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist das duktile bzw. hochduktile Material Stahl.

Der Außendurchmesser des zylinderförmigen Gehäuses wird bei dem Verfahren derart ausgebildet, dass er kleiner ist als der Außendurchmesser des zylinderförmigen Rohteils.

Die Länge des zylinderförmigen Gehäuses wird bei dem Verfah- ren derart ausgebildet, dass sie größer ist als die Länge des zylinderförmigen Rohteils.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Aufbringen der Kräfte auf die Umfangsflache des gebohrten zylinderförmigen Rohteils durch Kaltschmieden.

Der Querschnitt der mindestens einen parallel verlaufenden Bohrung wird bei dem Verfahren kleiner als dem Durchmesser b des Rohteils entspricht.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Querschnitt einer parallel zu der koaxialen öffnung verlaufenden Bohrung mit kleinem Durchmesser durch das Aufbringen der Kräfte auf

die Umfangsflache des zylinderförmigen Rohteils oval verformt .

Dabei verläuft die Längsachse des Querschnitts einer oval verformten Bohrung senkrecht zu einem Radius des hergestellten zylinderförmigen Gehäuses.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bilden die parallel zu der koaxialen öffnung verlaufenden Bohrungen in einem oval verformten Querschnitt Kraftstoffleitungen .

Es wird ferner ein zylinderförmiges Gehäuse mit einer koaxialen öffnung mit kreisrundem Querschnitt und mit mindestens einer parallel zu einer Längsachse des zylinder- förmigen Gehäuses verlaufenden Leitung mit ovalförmigem Querschnitt erzielt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des zylinderförmigen Gehäuses weist das zylinderförmige Gehäuse zwei parallel zu der Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses verlaufende Leitungen mit ovalförmigem Querschnitt auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses ist die koaxiale öffnung zur Aufnahme eines Piezo-Aktors vorgesehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses verläuft eine Längsachse eines ovalförmigen Querschnitts einer Leitung senkrecht zu einem Radius des zylinderförmigen Gehäuses.

Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des zylinderförmigen Gehäuses erzielt, das eine koaxiale öffnung mit kreisrundem Querschnitt und mindestens eine parallel zu einer Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses verlaufende Leitung mit ovalförmigem Querschnitt aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst:

- Walzen eines Metallstreifens derart, dass mindestens eine Auswölbung entsteht;

- Erzeugen mindestens einer Bohrung in jeder entstandenen Auswölbung des Metallstreifens;

- Aufbringen von Kräften zum Einebnen der Auswölbungen des Metallstreifens, wobei die in den Auswölbungen verlaufenden Bohrungen jeweils einen ovalförmigen Querschnitt erhalten; und

- Wickeln des Metallstreifens um einen zylinderförmigen Dorn herum und Verbinden der beiden Enden des gewickelten Metallstreifens, um eine koaxiale öffnung mit kreisrundem Quer- schnitt zu erzeugen.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Gehäuses erzielt, das eine koaxiale öffnung mit kreisförmigem Querschnitt und mindestens eine parallel zu einer Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses verlaufende Leitung mit ovalförmigem Querschnitt aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst:

- Erzeugen mindestens einer quer zu einer Längsachse des Me- tallstreifens verlaufenden Bohrung in dem Metallstreifen, die in einer Ebene des Metallstreifens verläuft.

- Auswalzen des Metallstreifens, wobei die in dem Metallstreifen verlaufenden Bohrungen jeweils einen ovalförmigen Querschnitt erhalten; und

- Wickeln des Metallstreifens um einen zylinderförmigen Dorn herum und Verbinden der beiden Ecken des gewickelten Metallstreifens, um eine koaxiale öffnung mit kreisrundem Quer- schnitt zu erzeugen.

- Kalt- oder Warmschmieden, so dass eine kreiszylindrische Außenkontur entsteht.

Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen des zylinderförmigen Gehäuses sowie des Verfahrens zu dessen Herstellung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung Merkmale beschrieben:

Es zeigen:

Figuren IA, IB: Querschnittsansichten durch ein zylinder- förmiges Gehäuse;

Figur 2: einen Querschnitt durch ein weiteres zylinderförmiges Gehäuse;

Figur 3: ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;

Figuren 4A, 4B, 4C: Prozessschritte einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;

Figur 5: eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Ein- führens eines Dorns in eine koaxiale Bohrung gemäß dem Verfahren;

Figur 6: eine Querschnittsansicht durch ein zylinderförmiges Gehäuse .

Figuren 7A-7E: Prozessschritte einer alternativen Ausführungsform zur Herstellung eines zylinderförmigen Gehäuses;

Figuren 8A-8D: Prozessschritte einer weiteren alternativen Ausführungsform zur Herstellung des zylinderförmigen Gehäuses .

Wie man aus Figur 3 erkennen kann, besteht bei einer Ausführungsform das Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Gehäuses im Wesentlichen aus drei Herstellungschritten.

In einem Schritt Sl werden zunächst an einem zylinderförmigen Rohteil, wie es in Figur 4A dargestellt ist, Bohrungen erzeugt. Das zylinderförmige Rohteil weist ein Außenmaß D ₀ und eine Länge Lo auf. Dabei besteht das zylinderförmige Rohteil vorzugsweise aus einem duktilen Material, beispielsweise aus Invar oder Stahl. Entlang einer Längsachse A _L des zylinderförmigen Rohteils wird eine koaxiale Bohrung bzw. öffnung mit einem großen Durchmesser B gebohrt, wie in Figur 5B dargestellt ist. Parallel dazu werden zwei Bohrungen mit kleinem Durchmesser b in das Rohteil gebohrt. Der Durchmesser Do des Rohteils ist relativ groß und die Länge des Rohteils L ₀ ist relativ gering. Aufgrund der geringen Länge Lo des Rohteils können die Bohrungen in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. Die parallel zu der großen Bohrung verlaufenden kleine- ren Bohrungen bilden die späteren Kraftstoffleitungen .

Nach dem Erzeugen der Bohrungen wird ein Dorn in die koaxiale Bohrung in dem großen Durchmesser B in einem Schritt S2 des Herstellungsverfahrens eingeführt, wie die in Figur 5 darge- stellt ist. Der Außendurchmesser des Dorns entspricht dem

Durchmesser B der koaxialen Bohrung. Anschließend werden große mechanische Kräfte F auf die Umfangsflache des gebohrten zylinderförmigen Rohteils aufgebracht. Der in Figur 5 dargestellte Dorn schützt die große koaxiale Innenbohrung vor ei- ner Deformierung. Da das Rohteil aus duktilem Material besteht, wird es durch das Aufbringen der großen mechanischen Kräfte F auf die Umfangsflache verformt. Durch den Schmiede- prozess nimmt das in Figur 4B dargestellte gebohrte Rohteil die in Figur 4C dargestellte Form des zylindrischen Gehäuses an. Das in Figur 4C dargestellte zylindrische Gehäuse 1 weist einen Außendurchmesser Di und eine Länge Li auf. Der Durchmesser Di des zylindrischen Gehäuses 1 ist geringer als das Ausgangsmaß D ₀ des in Figur 4A dargestellten Rohteils. Die Länge Li des zylindrischen Gehäuses ist größer als die Länge L ₀ des zylinderförmigen Rohteils. Der Querschnitt der koaxialen Innenbohrung mit großem Durchmesser B bleibt durch den Kaltschmiedevorgang unverändert. Der Querschnitt der ursprünglich kreisrunden Bohrungen mit kleinem Durchmesser b

wird durch den Kaltschmiedevorgang derart verändert, dass der Querschnitt ovalförmig wird.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch das hergestellte Gehäu- se 1. Das zylinderförmige Gehäuse 1 weist eine koaxiale Bohrung bzw. öffnung 2 mit einem kreisrunden Querschnitt auf, dessen Durchmesser B dem Durchmesser der ursprünglichen koaxialen Bohrung entspricht. Darüber hinaus weist das zylinderförmige Gehäuse zwei parallel zu der Längsachse des zylin- derförmigen Gehäuses 1 verlaufende Leitungen 3a, 3b auf, deren Querschnitt ovalförmig ist. Dabei verläuft eine Längsachse 1 des ovalförmigen Querschnitts der Bohrungen 3a, 3b senkrecht zu einem Radius des zylinderförmigen Gehäuses 1. Die Querschnittsfläche Q der Leitungen 3a, 3b ist relativ groß, sodass ein unerwünschter Druckabfall aufgrund der Leitungen

3a, 3b minimal ist. Die Wandstärke W des zylinderförmigen Gehäuses 1 ergibt sich aus der Differenz des Außendurchmessers Di und dem Bohrdurchmesser B:

W = D ₁ - B

Aufgrund der ovalen Form der hergestellten Leitungen 3a, 3b ist es möglich, in die Wandung des zylinderförmigen Gehäuses 1 Kraftstoffleitungen 3a, 3b mit einem relativ großen Quer- schnitt Q vorzusehen, ohne dass die Wandstärke w _a zwischen einer Kraftstoffleitung 3a, 3b und einer Außenfläche des Gehäuses 1 oder die Wandstärke W ₁ zwischen der Kraftstoffleitung 3a, 3b und der Innenbohrung 2 einen vorgegebenen minimalen Abstand unterschreitet.

Das zylindrische Gehäuse 1, wie es in Figur 5C und in Figur 6 dargestellt ist, erlaubt es, den Piezo-Aktor in einer Wirkungslinie mit der Düsennadel in die Bohrung 2 einzusetzen, sodass auch ein symmetrischer Wegübersetzer mit einer gerin- gen resultierenden Seitenkraft vorgesehen werden kann. Dies führt zu vermindertem Verschleiss und zu einem abgesenkten Energiebedarf .

Das zylindrische Gehäuse 1 bietet zudem einen ausreichenden Querschnitt Q der Kraftstoffkanäle 3a, 3b mit gleichzeitig geringer Ausdehnung der Kraftstoffkanäle in radialer Richtung des Gehäuses 1. Hierdurch ist es ferner möglich, die Anzahl der notwendigen Bohrungen zur Herstellung von Kraftstofflei- tungen in dem Gehäuse 1 zu minimieren. Da die Bohrungen an dem relativ kurzen Rohteil hergestellt werden, ist die Dauer für den Bohrvorgang gering, sodass Herstellungskosten eingespart werden können. Darüber hinaus ist die Ausrichtung der Bohrer bei einem relativ kurzen Rohteil erheblich einfacher und es kann sichergestellt werden, dass die koaxiale Bohrung 2 zur Aufnahme des Piezo-Stapels exakt parallel zu den Kraftstoffleitungen 3a, 3b verläuft.

Die Formgebung des zylindrischen Gehäuses 1 erfolgt durch spanloses Umformen im Schritt S3, indem auf die Umfangsflache des gebohrten zylindrischen Rohteils mechanische Kräfte aufgebracht werden.

Bei der in Figur 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses 1 sind die beiden Bohrungen 3a, 3b symmetrisch nebeneinander angeordnet, d. h. sie liegen sich gegenüber. Bei alternativen Ausführungsformen des zylindrischen Gehäuses 1 können die Bohrungen 3a, 3b in einem vorgegebenen Winkel zueinander liegen.

Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das zylinderförmige Gehäuse 1 zwei Kraftstoffleitungen 3a, 3b auf .

Bei alternativen Ausführungsformen sind mehr als zwei Leitungen 3a, 3b in dem Gehäuse 1 vorgesehen, wobei die Leitungen vorzugsweise jeweils einen ovalförmigen Querschnitt aufweisen .

Die in dem Kraftstoffgehäuse 1 vorgesehenen Leitungen 3a, 3b können für den Transport einer beliebigen Flüssigkeit oder eines beliebigen Gases vorgesehen werden.

Figuren 7A-7E zeigen Prozessschritte zur Darstellung einer alternativen Ausführungsform zur Herstellung des zylinderför- migen Gehäuses.

Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform wird zunächst ein Metallstreifen mit einer Breite Lo und einer Dicke, die größer als (D-B) /2 ist, einem Walzvorgang unterzo- gen, wobei Auswölbungen entstehen. In Figur 7B zeigt beispielsweise eine Auswölbung nach oben in die Mitte des ursprünglichen Metallstreifens. Anschließend wird in die entstandene Auswölbung des Metallstreifens mindestens eine Bohrung quer zur Längsachse des Metallstreifens in der Ebene des Metallstreifens erzeugt. Bei dem in Figur 7C dargestellten

Beispiel werden beispielsweise zwei Bohrungen in der Auswölbung erzeugt.

In einem weiteren Schritt werden mechanische Kräfte zum Ein- ebnen der Auswölbung des Metallstreifens aufgebracht. Dabei erhalten die in der Auswölbung verlaufenden Bohrungen einen ovalförmigen Querschnitt wie in Figur 7D dargestellt ist.

In einem weiteren Herstellungsschritt wird anschließend der Metallstreifen vorzugsweise um einen zylinderförmigen Dorn herumgewickelt. Die beiden gegenüberliegenden Enden des gewickelten Metallstreifens werden anschließend beispielsweise durch Verschweißen miteinander verbunden. Hierdurch entsteht eine koaxiale öffnung mit kreisrundem Querschnitt.

Figur 8 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des zylinderförmigen Gehäuses.

Bei dieser Ausführungsform, wie sie in Figur 8B dargestellt ist, wird mindestens eine Bohrung quer zu einer Längsachse des Metallstreifens in der Ebene des Metallstreifens erzeugt.

Anschließend wird der gebohrte Metallstreifen ausgewalzt, wie in Figur 8C dargestellt, wobei die in dem Metallstreifen quer verlaufenden Bohrungen einen ovalförmigen Querschnitt erhalten .

In einem weiteren Herstellungsschritt wird anschließend der Metallstreifen beispielsweise um einen zylinderförmigen Dorn herumgewickelt und die beiden einander gegenüberliegenden Enden des gewickelten Metallstreifens werden anschließend bei- spielsweise durch Verschweißen miteinander verbunden, sodass eine koaxiale öffnung mit kreisrundem Querschnitt erzeugt wird.

Der Begriff „zylindrisch" beschränkt sich hier nicht nur auf kreiszylindrische Ausführungen, vielmehr können darunter auch ovale oder Vieleck-Querschnittsform gemeint verstanden werden .