LALIC HRVOJE (DE)
GB661137A | 1951-11-14 | |||
US5160178A | 1992-11-03 | |||
DE19729843A1 | 1999-01-14 | |||
EP0967053A2 | 1999-12-29 |
1. | l. |
2. | Verfahren zur Erzeugung einer Schraubverbindung (3) mit hoher Dichtwirkung zwi schen Komponenten (2,5) eines unter hohem Betriebsdruck stehenden Bauteiles (1), wie zum Beispiel eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff, dadurch gekenn zeichnet, daß eine der Komponenten (2,5) der Schraubverbindung (3) mit einer Quer schnittsfläche (21) versehen wird, die bei vorgebbarer Montagekraft der Komponenten (2,5) das Erreichen der Fließgrenze Rp 0, 2 des Werkstoffes einer der Komponenten (2, 5) gewährleistet. |
3. | Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubverbindung (3) in einer streckgrenzengesteuerten Schraubstation erzeugt wird. |
4. | Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fließbeginn (24) eine der Komponenten (2,5) der Schraubverbindung (3) als Steuergröße (4) die Montage vorspannkraft dient. |
5. | Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schraubstation den Quotienten aus Montagemoment MM und Drehwinkel (22) berech net. |
6. | Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Fließbe ginns (24) des Werkstoffes einer der Komponenten (2,5) das Montagemoment MM in nerhalb eines Sicherheitsbereiches (29) bis zum Abschaltpunkt (25) erhöht wird. |
7. | Schraubverbindung zwischen Komponenten (2,5) eines mit hohem Betriebsdruck be aufschlagten Bauteils (1), wie zum Beispiel eines Injektors zum Einspritzen von Kraft stoff, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Komponenten (2,5) der Schraubver bindung (3) eine eine plastische Verformung ermöglichende, örtliche Reduzierung (19) einer Querschnittsfläche (21) ausgebildet ist. |
8. | Schraubverbindung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Re duzierung (19) der Querschnittsfläche (21) als Reduktion des Außendurchmessers D der Komponente (2,5) ausgeführt ist. |
9. | Schraubverbindung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der örtlichen Reduktion (19) der Querschnittsfläche (21) die Komponente (2,5) der Schraubverbin dung (3) eine reduzierte Wandstärke (20) aufweist. |
10. | Schraubverbindung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Komponenten (2,5) der Schraubverbindung (3) eine Sitzfläche (13) für ein axial vor zuspannendes Bauteil (4) eingelassen ist. |
11. | Schraubverbindung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzfläche (13) in einer der Komponenten (2,5) in Ringform ausgestaltet ist. |
12. | Schraubverbindung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponen ten (2,5) einen Injektorkörper und eine Düsenspannmutter eines Injektors zum Ein spritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine sind. |
Stand der Teclmik Bei der Fertigung von Kraftstoffinjektoren, zum Beispiel für den Einsatz in Kraftstoffein- spritzsystemen mit Hochdrucksammelräumen (Common Rail), können bei der Montage von Injektorkörper und Düsenspannmutter Undichtheiten auftreten. Diese Undichtigkeiten können verschiedene Ursachen haben, so zum Beispiel eine zu große Oberflächenrauhig- keit der an einer Dichtfläche aneinanderliegenden Bauteile, eine zu geringe Flächenpres- sung zwischen den Bauteilen wegen zu geringer axialer Vorspannkraft oder eine ungleich- mäßige Verteilung der Flächenpressung am Umfang.
Die ungleichmäßige Verteilung der Axialkraft läßt sich größtenteils auf Planlaufabwei- chungen zurückführen. Diese Planlaufabweichungen können zwischen Dichtfläche und Injektorkörper, Dichtfläche und Düse, Schulter und Düse sowie zwischen Schulter und Düsenspannmutter auftreten. Durch ungünstige Lage der Bauteile mit Planlaufabweichun- gen im vormontierten Zustand des Kraftstoffinjektors können niedrige Oberflächenpres- sungen auftreten, deren Dichtwirkung bei den im Injektor von Kraftstoffeinspritzanlagen auftretenden Höchstdrücken erheblich herabgesetzt ist. Die Folge sind sich einstellende Leckagen und Undichtigkeiten am Kraftstoffinjektor, obwohl dessen Komponenten Injek- torkörper und die Düsenspannmutter mit korrektem Anzugsmoment miteinander ver- schraubt sind. Die Folge sind den Wirkungsgrad des Injektors beeinträchtigende Undich- tigkeiten und ein ölverschmierter Zylinderkopfbereich an der Verbrennungskraftmaschine aufgrund der Kriecheigenschaften einmal ausgetretenen Kraftstoffs.
Darstellung der Erfindung Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, an einer Düsenspannmutter eines Kraftstoffinjektors einen Einstich vorzusehen, erlaubt am Ende eines Verschrau- bungsvorgangs innerhalb einer automatisierten Schraubstation eine plastische Verformung des Werkstoffs der Düsenspannmutter. Durch einen Einstich beispielsweise an der Um- fangsfläche der Düsenspannmutter, ist deren Querschnittsfläche im Bereich dieser Schwä- chung örtlich verkleinert und stellt einen an der Düsenspannmutter ausgebildeten Sollbe- reich dar, an welchem sich die Düsenspannmutter nach Erreichen der Fließgrenze ihres Werkstoffes plastisch verformen wird. Je nach verwendetem Werkstoff für die Düsen- spannmutter eines Kraftstoffinjektors wird der Querschnitt so gewählt, daß bei der ge- wünschten Montagekraft in einer automatisierten Schraubstation die Fließgrenze Rp 0, 2 des Werkstoffes der Düsenspannmutter sicher erreicht wird.
Der Außendurchmesser der Düsenspannmutter kann näherungsweise Kennlinienzusam- menhängen entnommen werden. Die Wahl einer größeren zu erzeugenden Axialkraft oder eines weicheren Werkstoffes führt zur Vergrößerung des erforderlichen Querschnitts, d. h. des Außendurchmessers D der Düsenspannmutter. Bei gleichen Toleranzen führt dies zu geringeren geometriebedingten Streuungen der Axialkraft, so zum Beispiel aufgrund von Abweichungen von Nenndurchmessern und Abweichungen in bezug auf die Koaxialität von Innendurchmesser zu Außendurchmesser.
Bei am Umfang ungleichmäßig verteilter Axialkraft wird in dem Bereich, in dem die Axialkraft größer ist, durch das Fließen des Werkstoffes bei plastischer Verformung nach Erreichen der Fließgrenze ein größerer Verformungsweg erzeugt, wodurch wiederum eine gleichmäßigere Verteilung der Flächenpressung erzielbar ist. Dies zieht eine Verbesserung der Abdichtwirkung der am Injektor über die vorgeschlagene Schraubverbindung mitein- andergefügten Komponenten nach sich.
Eine besonders präzise Anzugsmethode zur Erzeugung von definierten Anzugsmomenten in automatisierten Schraubstationen ist die streckgrenzengesteuerte Verschraubung. Hier dient der Fließbeginn z. B. des Werkstoffes der Düsenspannmutter (oder einer Schraube) als Steuergröße für die Montagevorspannkraft. Die Steuerung der automatisierten Schraubsta- tion erfolgt im Zusammenhang von A Montagemoment/A Drehwinkel, der im Hook'schen Bereich weitestgehend linear verläuft. Erst bei Erreichen der Fließgrenze ändert die Kurve ihren Verlauf.
Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
Es zeigt : Figur 1 sich einstellende Undichtigkeiten zwischen den Baukomponenten eines Kraft- stoffinjektors aufgrund von Planlaufabweichungen der Komponenten sowie die ungleichmäßig verteilte Axialkraft, Figur 2 eine an einem Injektorkörper verschraubte Düsenspannmutter mit in reduzierter Wandstärke ausgebildeten Schwächungsbereich sowie die zugehörige als ver- größerte Darstellung wiedergegebene Detaildarstellung X, Figur 3 die an der Düsenspannmutter angreifenden einzelnen Momente und Figur 4 der für eine Schraubstation maßgebende Zusammenhang von/\ Montagekraft/ zu A Drehwinkel.
Ausführungsvarianten Figur 1 zeigt sich einstellende Undichtigkeiten zwischen den einzelnen Baukomponenten eines Kraftstoffinjektors aufgrund von Planlaufabweichungen der Komponenten und die sich ergebende ungleichmäßige Axialkranverteilung.
Ein aus mehreren miteinander zu fügenden Komponenten bestehender Kraftstoffinjektor 1 umfaßt im wesentlichen einen Injektorkörper 2, der mittels einer Düsenspannmutter 5 ei- nen Düsenkörper 4 aufnimmt. Der Injektorkörper 2 sowie der Düsenkörper 4 und die Dü- senspannmutter 5 sind als rotationssymmetrische Bauteile symmetrisch zur Symmetrieach- se 6 ausgebildet. Im Injektorkörper 2 ist eine zentrale Bohrung 8 ausgebildet sowie eine leicht geneigt zu dieser im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 6 verlaufende Hoch- druckzulaufbohrung 7, mit welcher eine im Düsenkörper 4 verschiebbar aufgenommene- hier nicht dargestellte-Düsennadel und ein diese umgebender Düsenraum beaufschlagt sind.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist entnehmbar, daß der Düsenkörper 2 und die den Düsen- körper 4 aufnehmende Düsenspannmutter 5 im Abdichtbereich zwischen den einander zu-
weisenden Stirnflächen nicht plan aneinanderliegen, sondern sich eine Schrägstellung 11 eingestellt hat, die mit dem eingezeichneten Winkel überzeichnet identifiziert ist.
Aufgrund von Planlaufabweichungen von Injektorkörper 2 bzw. dem im größeren Durch- messer ausgeführten Kopf des Düsenkörpers 4 können sich die in Figur 1 dargestellten Schrägstellungen nicht nur an der Trennfuge 10 zwischen Injektorkörper 2 und Düsenkör- per 4 einstellen, sondern auch im Bereich der Sitzfläche 13, d. h. einem ringförmigen am Düsenkörper 4 an der Innenseite ausgebildeten Abschnitt. Gemäß der Darstellung in Figur 1 hat sich der Düsenkörper 4 aufgrund von Planlaufabweichungen in bezug auf die ring- förmig sich an der Innenseite der Düsenspannmutter 5 erstreckende Sitzfläche 13 schrägge- stellt, was durch die mit Bezugszeichen 11 bezeichnete Auslenkung des Düsenkörpersitzes 12 in bezug auf die Sitzfläche 13 der Düsenspannmutter 5 gekennzeichnet ist.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß der Düsenkörper 4 in seinem dem Brennraum einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Ende mit einem Düsenkegel 15 in Kuppenform versehen ist, über welchen die Einspritzung von unter ho- hem Druck stehenden Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.
Unterhalb der Darstellung des mit Undichtigkeitsstellen behafteten Injektors 1 ist die sich in einem solcherart montierten Injektor, im wesentlichen aus Injektorkörper 2, Düsenkörper 4 und Düsenspannmutter 5 bestehend, einstellende Axialkraftverteilung 16 dargestellt. Aus der Darstellung der Axialkraftverteilung 16 geht hervor, daß die höchsten Axialkräfte in dem Bereich auftreten, in welchem zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Kopf des Dü- senkörpers 4 entlang der Trennfuge 10 Materialkontakt besteht bzw. zwischen dem Düsen- körpersitz 12 und der an der Innenseite der Düsenspannmutter 5 ausgebildeten ringförmi- gen Fläche 13. An den gegenüberliegenden Seiten, d. h. in den Bereichen, in denen die hier überzeichnet dargestellten größten Schrägstellungen 11 auftreten, ist die Axialkraft 16 na- turgemäß am geringsten. Aufgrund der in Figur 1 wiedergegebenen Axialkraftverteilung 16 an den dargestellten Baukomponenten 2,4 und 5 tritt eine ungleichmäßige Verteilung der Flächenpressung am Umfang ein, die zu Undichtigkeiten zwischen dem Injektorkörper 2 und dem Düsenkörper 4 bzw. zwischen der Düsenkörpersitzfläche 12 und der Ringfläche 13 an der Düsenspannmutter 5 führt.
Figur 2 zeigt eine an einem Injektorkörper verschraubte Düsenspannmutter mit in redu- zierter Wandstärke ausgebildetem Schwächungsbereich sowie die zugehörige als vergrö- ßerte Darstellung wiedergegebene Detaildarstellung X.
Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, daß an der Schraubverbindung 3 der In- jektorkörper 2 und die den Düsenkörper 4 aufnehmende Düsenspannmutter 5 miteinander
verschraubt sind. Dazu ist der Injektorkörper 2 mit einem Außengewinde 17 (vgl. Figur I) versehen, während an der Innenseite der Düsenspannmutter 5 ein Innengewinde 18 (vgl.
Darstellung in Figur 1) vorgesehen ist. Gemäß der Darstellung in Figur 2 liegen der Injek- torkörper 2 sowie die diesem zuweisende Stirnseite des Düsenkörpers 4 im Bereich der Trennfuge 10 aneinander an.
Der verstärkte Kopfbereich des Düsenkörpers 4 ist derart von der Düsenspannmutter 5 um- schlossen, daß zwischen der Umfangsfläche des Kopfbereiches des Düsenkörpers 4 und der Innenseite der Düsenspannmutter 5 ein Ringspalt 28 gebildet ist.
Die Außenumfangsfläche der Düsenspannmutter 5 ist im Bereich 19 in reduzierter Quer- schnittsfläche 21 ausgebildet. In diesem Bereich liegt eine reduzierte Wandstärke 20 vor, welche unterhalb der Wandstärke liegt, in der die Düsenspannmutter 5 außerhalb des Be- reiches mit verringerter Querschnittsfläche 21 gefertigt ist.
Der Düsenkörper 4 liegt mit seiner Düsenkörpersitzfläche 12 auf der an der Innenseite der Düsenspannmutter 5 ausgebildeten Sitzfläche 13 auf und durchsetzt eine Bohrung 14 an der Unterseite der Düsenspannmutter 5.
Die in vergrößerter Darstellung wiedergegebene reduzierte Querschnittsfläche 21 der Dü- senspannmutter 5 ist dem Detail X zu entnehmen. Je nach erforderlicher Montagekraft zur Erzeugung einer mit hoher Abdichtwirkung einhergehenden Schraubverbindung 3 zwi- schen den druckbeaufschlagten Komponenten 2,4 und 5 des Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in Figur 2, wird die Querschnittsfläche 21 im Schwächungsbereich 19 so ge- wählt, daß bei der gewünschten Montagekraft die Fließgrenze Rp 0, 2 des Werkstoffes der Düsenspannmutter 5 sicher erreicht wird. Die Fließgrenze Rp 0, 2 wird gemäß der nachfol- genden Beziehung bestimmt mit FM = Montagekraft A = Querschnitt 21 windemoment Wt = Torsionswiderstandsmoment im Querschnitt 21
Uie Materialschwächung im Bereich 19 der Düsenspannmutter 5 wird durch eine Redukti- on des Außendurchmessers D der Düsenspannmutter 5 erreicht, so daß sich in bezug auf den Innendurchmesser d der Düsenspannmutter 5 eine reduzierte Wandstärke 20 im Be- reich 19 einstellt. Dadurch ist die reduzierte Querschnittsfläche 21 im Bereich 19 der Dü- senspannmutter 5 durch die Beziehung z (DZ-d2)/4 gegeben. Der Außendurchmesser D läßt sich näherungsweise zum Beispiel graphisch bestimmen, wozu geeignete Kennliniendia- gramme herangezogen sind. Die Wahl einer größeren Axialkraft 16 oder eines weicheren Werkstoffes, aus dem die Düsenspannmutter 5 gefertigt werden soll, führt zu einer Vergrö- ßerung des erforderlichen Querschnittes im Bereich 19, d. h. einer Zunahme des Außen- durchmessers D. Der Darstellung gemäß Figur 3 sind die an der Düsenspannmutter 5 an- greifenden einzelnen Momente zu entnehmen.
Im Bereich des Innengewindes 18 an der Düsenspannmutter 5 wirkt das Gewindemoment, welches durch die nachfolgende Beziehung gegeben ist : MG = FM (0,16 P + 0,58 d2 AG) mit P = Steigung des Gewindes d2 = Flankendurchmesser des Schraubengewindes und iG Reibungszahl im Gewinde.
Im Bereich der Sitzfläche 13, welche an der Innenseite der Düsenspannmutter 5 ausgebildet ist, wirkt das Reibmoment MRA, welches durch die Anlage des Düsenkörpersitzes 12 auf der Sitzfläche 13 der Düsenspannmutter 5 das Montagemoment MM reduziert. Im Bereich der Öffnung 14 der Düsenspannmutter 5 wirkt lediglich das Montagedrehmoment, welches zur Erzeugung der axialen Vorspannkraft 16 erforderlich ist. Das Gewindemoment MG sowie Reibmoment MRA sind einander gleichgerichtet, während das Montagedrehmoment den Momenten MRA bzw. MG entgegengesetzt ist.
Der Darstellung gemäß Figur 4 geht der für eine automatisierbare Schraubstation maßge- bende Zusammenhang von A Montagemoment/A Drehwinkel hervor.
In Großserienanwendungen werden Schraubverbindungen 3, so zum Beispiel zwischen einem Injektorkörper 2 und einer Düsenspannmutter 5 eines Injektors 1, in automatisierten Schraubstationen hergestellt. Abhängig vom Werkstoff, aus welchem die mit einer redu- zierten Querschnittsfläche 21 in einem Bereich 19 gefertigte Komponente, so zum Beispiel die Düsenspannmutter 5 gefertigt ist, wird ein durch Versuche ermitteltes Momentensi- cherheitsfenster 29 einer Steuerung einer automatisierten Schraubstation in umsetzbarer Form zur Verfügung gestellt.
Danach wird der Injektorkörper 2 mit einem Spannfutter an der automatisierten Schraub- station eingespannt und anschließend die Düsenspannmutter 5 mit eingelegtem Düsenkör- per 4 mit dem Außengewinde 17 des Injektorkörpers 2 verschraubt. Zunächst erfolgt eine kontinuierliche Steigerung des Montagemomentes MM entsprechend der gewünschten Montagekraft, d. h. der Axialkraft 16. Während der unterhalb des Fließbeginns 24 des ein- gesetzten Werkstoffes, aus welchem die Düsenspannmutter 5 gefertigt ist, nimmt die Spannung im Werkstoff der Düsenspannmutter 5 entsprechend der Hook'schen Gerade 26 gemäß Figur 4 kontinuierlich zu. Während der Verschraubung der Düsenspannmutter 5 mit Innengewinde 18 mit dem Außengewinde 17 des Injektorkörpers 2 wird das Erreichen der Fließgrenze Rp 0, 2 durch die Beziehung AMontagemoment ADrehwinkel erkannt.
Bei Erreichen der Fließgrenze Rp 0, 2 des Werkstoffs der Düsenspannmutter 5 setzt der Fließbeginn 24, der die Untergrenze eines Sicherheitsfensters 29 markiert, ein. Das Sicher- heitsfenster 29 gemäß der Darstellung in Figur 4 wird durch den Abschaltpunlct 25 der au- tomatisierten Schraubstation markiert. Durch das Überschreiten der Fließgrenze Rp 0, 2 ist sichergestellt, daß der Werkstoff des mit einem geschwächten Bereich 19 versehenen Dü- senspannmutter 5 auch tatsächlich plastisch verformt wird. Innerhalb des Sicherheitsberei- ches 29 hat der Werkstoff der Düsenspannmutter 5 den Hook'schen Bereich, wiedergege- ben durch die linear verlaufende Gerade 26, verlassen und ist in den Bereich plastischer Verformung 27 übergegangen. Der dem Abschaltpunkt 25 der automatisierten Schraubsta- tion entsprechende Abschaltwinkel ist mit Positionszeichen 23 gekennzeichnet, auf der den Drehwinkel wiedergebenden Achse des Diagramms gemäß Figur 4 dargestellt.
Die zu einer optimalen Dichtwirkung an hohen Betriebsdrücken ausgesetzten Kraftstoffin- jektoren notwendige Axialkraft 16 wird vor entsprechender Programmierung einer auto- matisierten Schraubstation dadurch gewonnen, daß durch Schraubversuche gemäß der Winkelanzugsmethode die Axialkraft 16 ermittelt wird. Für die Berechnung der Quer- schnittsfläche 21 an der Düsenspannmutter 5 wird sie angenommen und aus dieser der Au- ßendurchmesser D der Querschnittsfläche 21 bestimmt, bei dem der Fließbeginn 24 des entsprechenden Werkstoffes einsetzt, wenn die gewählte Montagekraft erreicht ist (vgl.
Darstellung in Figur 4). Die genaueste Anzugsmethode, die an der automatisierten Schraubstation zu implementieren ist, ist die der streckgrenzengesteuerte Verschraubung, bei der Fließbeginn 24 des Werkstoffes der Düsenspannmutter 5 (oder einer anderen Kom-
ponente wie zum Beispiel einer Schraube) als Steuergröße für die Montagevorspannkraft einsetzt.
Next Patent: WAVE POWER GENERATION MACHINE