Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen eines topfförmigen Gehäusedeckels auf einen Gehäusekörper einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung ein Verfahren zum Verschweißen eines topfförmigen Gehäusedeckels auf einen Gehäusekörper einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.

Die DE 102016 212 469 A1 beschreibt ein Kraftstoffsystem, bei dem Kraftstoff aus einem Kraftstofftank mittels einer Vorförderpumpe und einer mechanisch angetriebenen Kraftstoff-Hochdruckpumpe unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher ("Rail") gefördert wird. An oder in einem Pumpengehäuse einer solchen Kraftstoff- Hochdruckpumpe ist üblicherweise eine Druckdämpfervorrichtung angeordnet. Eine derartige Druckdämpfervorrichtung umfasst meist einen topfförmigen Gehäusedeckel und einen zwischen dem Gehäusedeckel und einem Gehäusekörper angeordneten Membrandämpfer, der üblicherweise als gasgefüllte Membrandose ausgeführt ist. Die Druckdämpfervorrichtung ist dabei fluidisch mit einem Niederdruckbereich verbunden. Sie dient dabei zum Dämpfen von Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems, die beispielsweise durch Öffnungsund Schließvorgänge von Ventilen, bspw. eines Einlassventils, in der Kraftstoffhochdruckpumpe hervorgerufen werden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäusekörper und dem Gehäusedeckel wird mittels eines Kondensatorentladungs-Einpress-Schweißprozesses (KEEP- Schweißprozess) hergestellt.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Funktion „Aufpressen des Gehäusedeckels auf den Gehäusekörper“ von der Funktion „elektrisches Kontaktieren des Gehäusedeckels“ getrennt.

Hierdurch wird die Abnutzung der Spannzange auf ein Minimum reduziert, da für die Oberelektrode zumindest in jenem Kontaktbereich, mit dem die Oberelektrode den Gehäusedeckel unmittelbar kontaktiert, ein weicheres Material verwendet werden kann, welches einen guten elektrischen Kontakt mit den Gehäusedeckel herstellen kann, welches aber gleichzeitig keine Verformungen oder Schäden am Gehäusedeckel hervorrufen kann.

Für die Beaufschlagungseinrichtung dagegen kann zumindest in jenem Kontaktbereich, der den Gehäusedeckel unmittelbar kontaktiert, ein vergleichsweise hartes Material verwendet werden, welches somit nur einem geringen Verschleiß ausgesetzt ist und daher zum Verschweißen einer großen Anzahl von Gehäusedeckel eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung hat also eine erhöhte Standzeit, wodurch die Werkzeugkosten reduziert werden. Auch die Wartungskosten werden reduziert, da das Werkzeug, insbesondere die Beaufschlagungseinrichtung, seltener ausgetauscht werden muss. Schließlich ist der Fertigungsprozess insgesamt ein stabilerer Prozess als bisher, da es zu geringeren Schwankungen der Fertigungsqualität und damit einer erhöhten Chargenunabhängigkeit kommt.

Konkret wird dies erreicht durch einen Vorrichtung zum Verschweißen eines topfförmigen Gehäusedeckels mit einem Gehäusekörper einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe mittels eines Kondensatorentladungs-Einpress- Schweißprozesses (KEEP-Schweißprozess). Ein solcher topfförmiger Gehäusedeckel weist üblicherweise einen gewölbten Boden auf, an den ein umlaufender Deckelmantel angeformt ist. Durch die hergestellte Schweißnaht wird eine umlaufende stoffschlüssige und fluiddichte Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäusekörper geschaffen.

Zur Herstellung der Schweißnaht dient einerseits eine Beaufschlagungseinrichtung, mit der der Gehäusedeckel auf den Gehäusekörper aufgepresst wird. Zum Einleiten des für den Schweißvorgang notwendigen elektrischen Stroms in den Gehäusedeckel dient eine erste Elektrode, die vorliegend "Oberelektrode" genannt wird und die den Gehäusedeckel elektrisch kontaktiert. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Oberelektrode und die Beaufschlagungseinrichtung voneinander funktional separate Einrichtungen sind. Dies ermöglicht es, den unmittelbaren Kontaktbereich der Oberelektrode zum Gehäusedeckel aus einem vergleichsweise weichen Material herzustellen, wohingegen der unmittelbare Kontaktbereich der Beaufschlagungseinrichtung zum Gehäusedeckel aus einem vergleichsweise harten Material hergestellt ist.

Es versteht sich, dass die Vorrichtung auch noch einen Träger aufweist, auf dem der Gehäusekörper während der Herstellung der Schweißverbindung gehalten ist und der als Gegenhalter dient während der Beaufschlagung des Gehäusekörpers durch die Beaufschlagungseinrichtung. Ferner weist die Vorrichtung auch noch eine zweite Elektrode auf, die vorliegend als "Unterelektrode" bezeichnet wird und die den Gehäusekörper elektrisch kontaktiert. Dabei ist denkbar, dass der Träger und die Unterelektrode ein und dasselbe Bauteil sind, oder dass die Unterelektrode in den Träger integriert ist.

Konkret werden die erfindungsgemäßen Vorteile auch erreicht durch ein Verfahren zum Verschweißen eines topfförmigen Gehäusedeckels mit einem Gehäusekörper einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mittels eines Kondensatorentladungs-Einpress-Schweißprozesses (KEEP-Schweißprozess), umfassend die folgenden Schritte: Aufpressen des topfförmigen Gehäusedeckels auf den Gehäusekörper mittels einer Beaufschlagungseinrichtung und elektrisches Kontaktieren des Gehäusedeckels mit einer Oberelektrode. Der Gehäusedeckel wird mittels einer von der Beaufschlagungseinrichtung separaten Oberelektrode elektrisch kontaktiert, und mindestens für einen Kontaktbereich der Oberelektrode zum Gehäusedeckel wird ein weicheres Material verwendet als für einen Kontaktbereich der Beaufschlagungseinrichtung zum Gehäusedeckel.

Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass der Kontaktbereich der Oberelektrode Kupfer und der Kontaktbereich der Beaufschlagungseinrichtung Stahl umfasst. Diese beiden Materialien erfüllen die gewünschten Funktionen sehr gut. Kupfer ist ein sehr guter elektrischer Leiter und darüber hinaus vergleichsweise weich. Stahl ist hart und daher verschleißarm.

Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Beaufschlagungseinrichtung mindestens eine axiale Beaufschlagungseinrichtung und mindestens eine radiale Beaufschlagungseinrichtung umfasst, wobei die axiale Beaufschlagungseinrichtung einen Deckelboden in im wesentlichen axialer Richtung beaufschlagt und die radiale Beaufschlagungseinrichtung einen Deckelmantel und/oder einen nach radial außen abragenden Deckelabschnitt in im wesentlichen radialer Richtung beaufschlagt. Somit wird nicht nur eine funktionale Trennung zwischen der Einleitung des Stroms in den Gehäusedeckel und dem Aufpressen des Gehäusedeckels auf den Gehäusekörper realisiert, sondern es wird darüber hinaus eine funktionale Trennung zwischen der Beaufschlagung des Gehäusedeckels in axialer Richtung und der Beaufschlagung des Gehäusedeckels in radialer Richtung herbeigeführt. Durch die radiale Beaufschlagungseinrichtung wird vor allem ein nach radial außen gerichtetes Ausweichen des Gehäusemantels verhindert bzw. einem solchen entgegengewirkt.

Es versteht sich, dass das Vorliegen einer axialen Richtung und einer radialen Richtung nicht zwingend eine rotationssymmetrische Ausgestaltung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einer Längsachse voraussetzt. Die axiale Richtung definiert lediglich jene Richtung, längs der der Gehäusedeckel zum Widerstandsschweißen auf den Gehäusekörper aufgepresst wird, und die radiale Richtung ist dann eine hierzu wenigstens im Wesentlichen orthogonale Richtung.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Oberelektrode den Deckelmantel in im wesentlichen radialer Richtung kontaktiert. Die Einleitung des Stroms erfolgt somit relativ nahe zu jenem Bereich, wo üblicherweise auch die Schweißnaht hergestellt wird. Dies erhöht die Effizienz bei der Herstellung der Schweißverbindung.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Beaufschlagungseinrichtung und die Oberelektrode Teile einer topfförmigen Spannzange sind, die zum Verschweißen des Gehäusedeckels auf den Gehäusekörper mindestens bereichsweise über den Gehäusedeckel gestülpt werden kann. Eine solche Vorrichtung baut vergleichsweise einfach und kann einfach und auch automatisiert gehandhabt werden.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Spannzange mindestens einen ersten Aktor aufweist, der die Oberelektrode nach radial einwärts gegen den Deckelmantel beaufschlagt. Dies sorgt für einen sicheren elektrischen Kontakt und verhindert, dass die Oberelektrode beim Aufsetzen der Spannzange auf dem topfförmigen Gehäusedeckel die Oberfläche von dessen Deckelmantel beschädigt, beispielsweise verkratzt, und/oder dass die Oberelektrode beim Aufsetzen selbst beschädigt oder zumindest einem erheblichen Verschleiß ausgesetzt wird.

Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Spannzange mindestens einen zweiten Aktor aufweist, der die radiale Beaufschlagungseinrichtung nach radial einwärts gegen den Deckelmantel und/oder gegen einen nach radial außen abragenden Deckelabschnitt beaufschlagt. Auch dies verhindert, dass die radiale Beaufschlagungseinrichtung beim Aufsetzen der Spannzange auf den topfförmigen Gehäusedeckel die Oberfläche von dessen Deckelmantel beschädigt, beispielsweise verkratzt. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Gehäusedeckel einen nach radial außen abragenden Deckelabschnitt aufweist, welcher auch als „Schneidbalkon“ bezeichnet wird.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass mindestens für den Kontaktbereich der Beaufschlagungseinrichtung ein härteres Material verwendet wird als das Material, aus dem der topfförmige Gehäusedeckel hergestellt ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Gehäusedeckel und einem Gehäusekörper; Figur 2 einen stark schematisierten Längsschnitt durch einen Bereich einer Vorrichtung zum Verschweißen des Gehäusedeckels mit dem Gehäusekörper von Figur 1; und

Figur 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verschweißen des Gehäusedeckels mit dem Gehäusekörper von Figur 1.

Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Figuren die gleichen Bezugszeichen.

Eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Einsatz in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine. Dort kann sie Kraftstoff aus einem Kraftstofftank ansaugen und diesen in eine Kraftstoff-Sammelleitung fördern. Von dort kann der Kraftstoff über Injektoren unter hohem Druck in die Brennräume der Brennkraftmaschinen gelangen.

Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 umfasst ein vorliegend beispielhaft insgesamt im wesentlichen rotationssymmetrisches Pumpengehäuse 12 mit einem Gehäusekörper 14 und einem Gehäusedeckel 16. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 und insgesamt der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist in Figur 1 insgesamt mit 17 bezeichnet. In dem Gehäusekörper 14 ist ein Pumpenkolben 18 längsverschieblich aufgenommen. Er begrenzt einen Förderraum 20, in den der Kraftstoff über ein Einlassventil 22 gelangen kann. Über ein Auslassventil 24 kann der Kraftstoff aus dem Förderraum 20 ausgestoßen werden.

Aufgrund der diskontinuierlichen Förderung des Kraftstoffs, wie er bei Kolbenpumpen typisch ist, kann es zu unerwünschten Druckpulsationen im Kraftstoff insbesondere stromaufwärts vom Einlassventil 22 kommen. Daher ist in einem zwischen dem Gehäusekörper 14 und dem Gehäusedeckel 16 gebildeten Aufnahmeraum 26 eine Druckdämpfervorrichtung in Form eines Membrandämpfers 28 angeordnet, durch den solche Druckpulsationen gedämpft werden.

Der Aufnahmeraum 26 wird in Figur 1 nach unten hin durch eine im wesentlichen ebene Stirnfläche 30 des Gehäusekörpers 14 begrenzt. Der Gehäusedeckel 16 weist einen gekrümmten bzw. nach außen gewölbten Deckelboden 32 auf, an den ein umlaufender und im wesentlichen zylindrischer Deckelmantel 34 angeformt ist. Somit hat der Gehäusedeckel 16 eine insgesamt topfförmige Gestalt. An den in Figur 1 unteren Rand des Deckelmantels 34 ist ein umlaufender und nach radial außen abragender Deckelabschnitt 36 angeformt, der auch als „Schneidbalkon“ bezeichnet wird. Im Übergangsbereich zwischen dem Deckelmantel 34 und dem abragenden Deckelabschnitt 36 ist der Gehäusedeckel 16 mittels einer umlaufenden Schweißnaht 38 stoffschlüssig und fluiddicht mit einem Rand der Stirnfläche 30 des Gehäusekörpers 14 verschweißt.

In Figur 2 ist eine Vorrichtung 40 stark schematisiert gezeichnet, die zum Verschweißen des Gehäusedeckels 16 mit dem Gehäusekörper 14 dient. Mit der Vorrichtung 40 wird also die Schweißnaht 38 erzeugt. Dies geschieht vorliegend durch ein spezielles Widerstandsschweißverfahren, nämlich dem sogenannten „Kondensatorentladungs-Einpress-Schweißprozess". Dieser wird auch als KEEP- Schweißprozess bezeichnet. Ganz grundsätzlich ist das Widerstandsschweißen ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe auf Basis der jouleschen Stromwärme eines durch die Verbindungsstelle der zu verbindenden Bauteile fließenden elektrischen Stromes. Die zu verbindenden Bauteile werden an der Verbindungsstelle bis zum Erreichen der Schweißtemperatur erhitzt und an der Verbindungsstelle unter der Wirkung einer Kraft durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder auch in fester Phase verschweißt.

Die Vorrichtung 40 umfasst eine Schweißzange 41 , die selbst ebenfalls in etwa und insgesamt topfförmige Gestalt hat. Die Schweißzange 41 weist eine Beaufschlagungseinrichtung 42 und eine Oberelektrode 44 auf. Die Beaufschlagungseinrichtung 42 umfasst wiederum eine axiale Beaufschlagungseinrichtung 46 und eine radiale Beaufschlagungseinrichtung 48.

Die axiale Beaufschlagungseinrichtung 46 kann vorliegend beispielhaft eine im wesentlichen ebene Platte 50 aufweisen, die durch einen parallel zur Längsachse 17 wirkenden und nicht gezeichneten Aktor, beispielsweise einen pneumatischen, hydraulisch oder elektrisch wirkenden Aktor, gegen den Deckelboden 32 gedrückt werden kann und insoweit einen Kontaktbereich zum Gehäusedeckel 16 hin bildet. Die durch den Aktor wirkende Kraft ist in Figur 2 durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 52 gezeichnet. Die axiale Beaufschlagungseinrichtung 46 wirkt somit in axialer Richtung der Längsachse 17 und presst den Gehäusedeckel 16 in axialer Richtung gegen den Gehäusekörper 14.

Zu der Schweißzange 41 gehört ferner die erwähnte radiale Beaufschlagungseinrichtung 48, die vorliegend beispielhaft eine Mehrzahl von in radialer Richtung (also orthogonal zur Längsachse 17) beweglichen und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Kontaktbereichen 54 aufweist. Diese sind relativ zu der ebenen Platte 50 so angeordnet, dass dann, wenn die ebene Platte 50 am Deckelboden 32 anliegt, die Kontaktbereiche 54 auf axialer Höhe des abragenden Deckelabschnitts 36 liegen.

Über eine nicht gezeichnete Federeinrichtung werden die Kontaktbereiche 54 nach radial außen in eine Ruhestellung gedrückt, in der sie vom abragenden Rand des abragenden Deckelabschnitts 36 beabstandet sind. Ein parallel zur Längsachse 17 mittels eines Aktors 56 betätigbarer Stößel 58 kann über eine Schrägfläche 60, die mit einer komplementären Schrägfläche 62 an dem Kontaktbereich 54 zusammenwirkt, die Kontaktbereiche 54 entgegen der Kraft der Federeinrichtung nach radial innen gegen den Rand des abragenden Deckelabschnitts 36 beaufschlagen. Auf diese Weise wird ein Ausweichen des in Figur 2 unteren Randes des Deckelmantels 34 mit dem abragenden Deckelabschnitt 36 nach radial außen verhindert, also der Deckelabschnitt 36 auch in radialer Richtung gegen den Rand der Stirnfläche 30 des Gehäusekörpers 14 gedrückt. Dies ist in Figur 2 durch einen Pfeil 63 gezeichnet.

Knapp oberhalb von den Kontaktbereichen 54 umfasst die Schweißzange 40 eine Mehrzahl von ebenfalls gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Kontaktbereichen 64 der Oberelektrode 44. Auch diese werden durch eine nicht gezeichnete Federeinrichtung nach radial außen in eine Ruhestellung gedrückt, in der sie von der Außenfläche des Deckelmantels 34 beabstandet sind. Ein parallel zur Längsachse 17 mittels eines Aktors 66 betätigbarer Stößel 68 kann über eine Schrägfläche 70, die mit einer komplementären Schrägfläche 72 an den Kontaktbereichen 64 zusammenwirkt, die Kontaktbereiche 64 entgegen der Kraft der Federeinrichtung nach radial innen gegen die Außenfläche des Deckelmantels 34 beaufschlagen. Dies ist in Figur 2 durch einen Pfeil 74 gezeichnet. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktbereichen 64 und dem Gehäusedeckel 16 hergestellt. Man sieht, dass die Oberelektrode 44 den Deckelmantel 34 in im wesentlichen radialer Richtung, also orthogonal zur Längsachse 17, kontaktiert.

Man erkennt aus Figur 2, dass einerseits die Beaufschlagungseinrichtung 42 mit der axialen Beaufschlagungseinrichtung 46 und der radialen Beaufschlagungseinrichtung 48 und andererseits die Oberelektrode 44 voneinander sowohl funktional als auch räumlich separate Einrichtungen bzw. Elemente sind. Dies gestattet es, diese Einrichtungen bzw. Elemente aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Die Kontaktbereiche 64 der Oberelektrode 44 sind aus einem Kupfermaterial hergestellt. Die Kontaktbereiche 54 der radialen Beaufschlagungseinrichtung 48 und die ebene Platte 50 der axialen Beaufschlagungseinrichtung 46 sind dagegen aus einem Stahlmaterial hergestellt. Der Gehäusedeckel 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist ebenfalls aus einem Stahlmaterial hergestellt. Somit sind die Kontaktbereiche 64 der Oberelektrode 44 aus einem weicheren Material hergestellt als sowohl die Beaufschlagungseinrichtung 42 bzw. deren den Gehäusedeckel 16 kontaktierende Kontaktbereiche 50 und 64 als auch der Gehäusedeckel 16 selbst.

Es versteht sich, dass die Vorrichtung 40 auch noch einen nicht gezeichneten Träger aufweist, auf dem der Gehäusekörper 14 während der Herstellung der Schweißverbindung 38 gehalten ist und der als Gegenhalter dient, während der Gehäusedeckel 16 auf den Gehäusekörper 14 gedrückt wird. Ferner weist die Vorrichtung 40 auch noch eine ebenfalls nicht gezeichnete Unterelektrode auf, welche den Gehäusekörper 14 elektrisch kontaktiert.

Nun wird noch unter Bezugnahme auf Figur 3 ein Verfahren zum Verschweißen des topfförmigen Gehäusedeckels 16 mit dem Gehäusekörper 14 erläutert. Nach einem Startblock 76 wird in einem Funktionsblock 78 der Gehäusedeckel 16 lose auf den Gehäusekörper 14 aufgesetzt. In einem Funktionsblock 80 wird dann die Schweißzange 41 der Vorrichtung 40 über den Gehäusedeckel 16 gestülpt. Dabei befinden sich die Kontaktbereiche 54 und 64 in ihren zurückgezogenen Ruhestellungen. In einem Block 82 wird nun die ebene Platte 50 der axialen Beaufschlagungseinrichtung 46 gegen den gewölbten Deckelboden 32 gedrückt, entsprechend dem Pfeil 52, und es werden die Aktoren 56 und 66 betätigt, wodurch die Kontaktbereiche 54 und 64 nach radial innen gegen den abragenden Deckelabschnitt 36 bzw. die Außenfläche des Deckelmantels 34 beaufschlagt werden. In einem Funktionsblock 84 wird nun eine Spannung an die Oberelektrode 44 und die nicht gezeichnete Unterelektrode angelegt, wodurch ein Strom durch den linienhaften Kontaktbereich zwischen dem Gehäusekörper 14 und dem Gehäusedeckel 16 fließt und die Schweißnaht 38 erzeugt wird. Danach werden in einem Funktionsblock 86 die Aktoren 56 und 66 wieder ausgeschaltet, so dass der Gehäusedeckel 16 von der Schweißzange frei kommt und diese von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 abgenommen werden kann. Das Verfahren endet in einem Funktionsblock 88.