DE102004037721A1

DE102004037721A1 - Druckfeder zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements

Info

Publication number: DE102004037721A1
Application number: DE102004037721A
Authority: DE
Inventors: Klaus Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JP2008509352A; EP1776532A1; WO2006015897A1; KR20070034086A

Abstract

Es wird eine Druckfeder (1) zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements vorgeschlagen, welche aus einem zu einer zylindrischen Schraube gewickelten Federdraht (2) besteht. Die Druckfeder (1) ist unter Berücksichtigung der Auslegung des dynamisch beanspruchten Elements dahingehend optimiert, dass das Material, eine Querschnittsgeometrie (d) und die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) der Druckfeder (1) aufeinander abgestimmt sind. Dabei ist die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) verschleißbeständig und/oder reibungsmindernd modifiziert. Alternativ oder ergänzend ist das Material des Federdrahts (2) ein Ventilstahl und/oder die Querschnittsgeometrie (d) des Federdrahts (2) ist in einer von einer Kreisform abweichenden, wenigstens annähernd elliptischen oder logarithmisch-profilierten Form ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Druckfeder (1) und deren Verwendung (Figur).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckfeder zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer insbesonders zylindrischen Schraube gewickelten Federdraht.
Zylindrische Schraubendruckfedern kommen häufig als Andrück-, Ausrück- oder Rückführfedern in Kupplungen, Bremsen, Ventilen, Schaltern und dergleichen zum Einsatz. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellen Komponenten von Hochdruckeinspritzsystemen und Hydraulikantrieben dar, in denen die Schraubendruckfedern beispielsweise zur Rückführung eines Ventilstößels 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 von Hochdruckpumpen für Common-Rail-Systeme für Diesel- oder Ottomotoren und die in diesen zum Einsatz kommenden Maschinenelemente, wie z. B. eine Nocken-Rolle, stets hochgradig dynamisch beansprucht, wobei die Leistungsfähigkeit eines derartigen Nockentriebwerks durch die zu erreichende maximale Nockengeschwindigkeit bestimmt 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 Beschleunigung bei der Ansteuerung der Ventile optimiert werden, 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 vorgesehenen Anwendungsfall leistungsgerechte Schraubendruckfeder in einem solchen reduzierten Bauraum unterbringen zu können, muss der Federdrahtquerschnitt in entsprechender Weise reduziert bzw. geometrisch optimiert werden, was jedoch hinsichtlich 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 eines dynamisch beanspruchten Elements, insbesondere eines Kolbens eines Ventils oder eines Nockentriebwerks einer hydraulischen Pumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, bereit zu stellen, welche in derartigen Systemen eine höhere Ausnutzung der zulässigen Beanspruchungsgrenzen, einen geringeren Verschleiß und eine Realisierung mit kleinem Bauvolumen ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Druckfeder der eingangs genannten Art, welche gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1, 7 oder 14 ausgebildet ist, und mit einem Herstellungsverfahren für eine derartige Druckfeder nach Anspruch 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 eines bestimmten Federverhaltens ausgewählt und aufeinander abgestimmt sind.

Die Auswahl und die Abstimmung erfolgen dabei gemäß der Erfindung insbesondere hinsichtlich des dynamisch beanspruchten Elements. Mit anderen Worten, die Auslegung des dynamisch beanspruchten Elements steht in Wechselwirkung mit der Auslegung der Schraubendruckfeder. Bei einem vorgegebenen Bauraum und einer für einen durch das dynamisch beanspruchte Element vorgegebenen Anwendungsfall zu erzielenden Beanspruchungsgrenze der Schraubendruckfeder ist das zu erzielende Federverhalten 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, Wärmebehandlung, eine bestimmte Gestaltung der Querschnittsgeometrie und eine bestimmte Beschaffenheit der Oberfläche des Federdrahts, die untereinander in Wechselwirkung stehen, so dass sich ein definiertes Gesamtverhalten der Schraubendruckfeder ausbildet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn neben der Wahl des Materials und der Gestaltung auch die Wahl der Wärmebehandlung entsprechend dem angestrebten Federverhalten getroffen wird.

Durch eine gezielte Auswahl wird es möglich, dass die so jeweils individuell optimierten Schraubendruckfedern bei der jeweils zulässigen Hubspannung höher beansprucht werden können, wobei Reibung und Verschleiß zwischen einzelnen Windungen des Federdrahts und zwischen der Schraubendruckfeder und den diese fixierenden Elementen reduziert werden kann.

Gemäß einem ersten Lösungsansatz der Erfindung ist die Oberfläche des Federdrahts modifiziert, um verschleißbeständige und/oder reibungsminimierende Oberflächenschichten auszubilden.

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 Ionenimplantieren. 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 auf der Oberfläche des Federdrahts ausgebildet sein.

Gemäß einem zweiten Lösungsansatz der Erfindung ist der Federdraht der erfindungsgemäßen Schraubendruckfeder aus einem Ventilstahl hergestellt, welcher ein hochreiner oder legierter Stahl sein kann.

Es eignen sich dabei besonders Ventilstähle mit einem Kohlenstoff-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. Mangansulfiden, und/oder oxidischen Einflüssen vermindert wird.

Bei Verwendung von hochreinen Stählen ergibt sich als wesentlicher Vorteil, dass sich die zulässige Hubspannung einer mit einem solchen Ventilstahl hergestellten Schraubendruckfeder wesentlich erhöhen lässt.

Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung wird als zusätzliche Optimierungsmaßnahme die Querschnittsgeometrie des Federdrahts individuell in einer von einer Kreisform abweichenden, wenigstens annähernd elliptischen oder logarithmisch-profilierten Form festgelegt.

Über die gezielten Veränderung der Querschnittsgeometrie lassen sich die Eigenschaften hinsichtlich der Spannungsverteilung 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 Stahldrahtquerschnitt kann gezielt so verändert werden, dass sich der Sicherheitsabstand zu der sogenannten Blocklänge der Schraubendruckfeder vergrößern lässt. Darüber hinaus lassen sich mittels elliptischer, ovaler oder logarithmisch-profilierter Querschnitte längere freie Weglängen innerhalb der Schraubendruckfeder bewerkstelligen. Eine derartige Ausgestaltung wiederum ermöglicht die Herstellung von symmetrisch progressiven Federn und verringert damit einhergehend den für derartige Schraubendruckfedern erforderlichen Bauraum.

Hinsichtlich eines weiteren Aspekts der Erfindung kann die Oberfläche des Federdrahts bearbeitet sein, so dass sich die Schraubendruckfeder hinsichtlich von Druckeigenspannungen optimieren lässt. Zum Einsatz kommt hier beispielsweise das Schälen der Federdrahtoberfläche oder ein Behandeln 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 sich oder in Kombination untereinander durchgeführt werden, wobei sich individuell für jeden Einzelfall optimierte Schraubendruckfedern herstellen lassen.

So wird beispielsweise eine Schraubendruckfeder für ein Ventil in einem Hydraulikantrieb anders dimensioniert und ausgebildet sein als eine Schraubendruckfeder für ein Ventil eines Common-Rail-Systems.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Druckfeder im Zusammenwirken mit einem Kolben eines Ventils oder eines Nockentriebwerks, insbesondere einer hydraulischen Pumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, wie beispielsweise ein Common-Rail-Einspritzsystem an sich bekannter Art.

Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Druckfeder bei einem Nockentriebwerk können die Nocken vorteilhafterweise im Hinblick auf eine maximale Nockengeschwindigkeit dimensioniert werden, wodurch das Gesamtsystem hinsichtlich seiner hydraulischen Leistung und der ertragbaren Lebensdauer verbessert wird, da z. B. aufgrund einer höheren Abspringdrehzahl eine Reduzierung von Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen erreicht werden kann. Auch können Nocken mit konkaver Krümmung bzw. einem Hohlradius und/oder Nockenabläufe mit einer Tangente zur besseren Kompensation von auftretenden Oberschwingungen bei gleichem zur Verfügung stehendem Bauraum gestaltet werden, da die erfindungsgemäße Druckfeder einen sehr geringen Bauraum beansprucht.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Druckfedern, wobei bei der Herstellung einer Druckfeder die Auswahl des Materials, eine Querschnittsgeometrie und die Oberfläche des Federdrahts in Abhängigkeit eines 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 gearbeitet wird, da dadurch das Relaxationsverhalten der Schraubendruckfeder deutlich verbessert werden kann und so unter anderem der sich in der Regel als sehr negativ erweisende Abfall der Hubspannung bei großen Überspannungen weitestgehend vermieden werden kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes 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 1 zeigt schematisch ein Druckfeder gemäß der Erfindung.
Die eine Schraubendruckfeder bildende 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 Erzielung eines vordefinierten Federverhaltens, welches einem Einsatz bei einem Kolben eines Nockentriebs einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzpumpe eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems entspricht, aufeinander abgestimmt.
Dabei wird für die Querschnittsgeometrie ein kreisrunder Durchmesser d, welcher entsprechend der gegebenen Beanspruchung dimensioniert ist, gewählt.
Als Material für den Federstahl 2 ist vorliegend ein Ventilstahl 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 zwischen benachbarten Windungen 4 und 4' der Druckfeder 1 gering gehalten.

Claims

Druckfeder (1) zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer Schraube gewickelten Federdraht (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (3) des Federdrahts (2) verschleißbeständig und/oder reibungsmindernd modifiziert ist, wobei das Material, eine Querschnittsgeometrie (d) und die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) zur Erzielung eines bestimmten Federverhaltens aufeinander abgestimmt sind.
Druckfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Nitrocarburieren modifiziert ist.
Druckfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Aufbringen einer diamantartigen Kohlenstoffschicht modifiziert ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Aufbringen einer TiC- und/oder TiN-Schicht modifiziert ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer Plasmaspritzschicht modifiziert ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Aufbringen von Solid lubricant Coatings modifiziert ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Aufbringen von Nanopartikeln in Schichten modifiziert ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) mittels Ionenimplantieren modifiziert ist.
Druckfeder (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer Schraube gewickelten Federdraht (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Federdrahts (2) ein Ventilstahl ist, wobei das Material, die Querschnittsgeometrie (d) und die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) zur Erzielung eines bestimmten Federverhaltens aufeinander abgestimmt sind.
Druckfeder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl 0,5% bis 0,7% Kohlenstoff aufweist.
Druckfeder nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl 0,8% bis 1% Silizium aufweist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl 1,0% bis 1,3% Mangan aufweist.
Druckfeder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl ein Chrom-Vanadium-Stahl ist.
Druckfeder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl ein Chrom-Silizium-Stahl ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstahl mit einem Schmelzverfahren zur Reduktion seines Gehalts an nichtmetallischen und/oder nichtoxidischen Einschlüssen behandelt ist.
Druckfeder, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer Schraube gewickelten Federdraht (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsgeometrie (d) des Federdrahts (2) in einer von einer Kreisform abweichenden, wenigstens annähernd elliptischen oder logarithmisch-profilierten Form ausgebildet ist, wobei das Material, die Wärmebehandlung, die Querschnittsgeometrie (d) und die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) zur Erzielung eines bestimmten Federverhaltens aufeinander abgestimmt sind.
Druckfeder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie als symmetrisch progressiv ausgebildet ist.
Druckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) zur Verminderung der Druckeigenspannungen vorzugsweise durch Schälen oder Kugelstrahlen bearbeitet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Druckfeder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Ansteuern eines dynamisch beanspruchten Elements, bestehend aus einem zu einer Schraube gewickeltem Federdraht (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Material, die Wärmebehandlung, die Querschnittsgeometrie (d) und die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) in Abhängigkeit eines gewünschten dynamischen Verhaltens des Elements ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Druckfeder (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Federdrahts (2) verschleißbeständig und/oder reibungsmindernd bei einer Prozesstemperatur unter 220 °C modifiziert, insbesondere beschichtet wird.
Verwendung einer Druckfeder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in Zusammenwirken mit einem Kolben eines Ventils oder eines Nockentriebwerks, insbesondere einer hydraulischen Pumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem.