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AT513321A1 - Gewindeverbindung zum Verbinden von Hochdruckmedium führenden Komponenten - Google Patents

Gewindeverbindung zum Verbinden von Hochdruckmedium führenden Komponenten Download PDF

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AT513321A1
AT513321A1 ATA893/2012A AT8932012A AT513321A1 AT 513321 A1 AT513321 A1 AT 513321A1 AT 8932012 A AT8932012 A AT 8932012A AT 513321 A1 AT513321 A1 AT 513321A1
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Abstract

Bei einer Gewindeverbindung, insbesondere zum Verbinden vonHochdruckmedium führenden Komponenten einerEinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der eineerste Komponente (6) ein Innengewinde (21) und eine zweiteKomponente (5) ein in das Innengewinde (21) einschraubbaresAußengewinde (22) aufweist, wobei die zweite Komponente (5)bei Festziehen der Gewindeverbindung mit einer Stirnfläche(23) gegen eine Auflagefläche (24) der ersten Komponente(6) spannbar ist, weist die erste Komponente (6) in einemzwischen der Auflagefläche (24) und einem erstenGewindegang (25) des Innengewindes (21) liegenden axialenBereich eine Materialabtragung auf. Das Material ist bis zueinem den Außendurchmesser des Innengewindes (21)übersteigenden Durchmesser hin abgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewindeverbindung, insbesondere zum Verbinden von Hochdruckmedium führenden Komponenten einer Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, wobei eine erste Komponente ein Innengewinde und eine zweite Komponente ein in das Innengewinde einschraubbares Außengewinde aufweist, wobei die zweite Komponente bei Festziehen der Gewindeverbindung mit einer Stirnfläche gegen eine Auflagefläche der ersten Komponente spannbar ist und wobei die erste Komponente in einem zwischen der Auflagefläche und einem ersten Gewindegang des Innengewindes liegenden axialen Bereich eine Materialabtragung aufweist.
Große Speichervolumen sind bei Common Rail Systemen für Großdieselmotoren aus hydraulischen Gründen notwendig. Daraus ergeben sich - auch aus Fertigungsgründen - große Dichtdurchmesser zum Abdichten der hochdruckbelasteten Bauteile. Hinsichtlich der Gewindebelastung sind diese großen Dichtdurchmesser bei Verschraubungen nachteilig. Einerseits müssen hohe Vorspannkräfte eingesetzt werden und andererseits ist die dynamische Belastung auf das Gewinde durch die pulsierende Innendruckbelastung erhöht.
Die Fertigung eines Innengewindes für eine Verbindung der eingangs genannten Art erfolgt meist so, dass in einem Bereich, der zwischen der Auflagefläche und dem Ende des danach auszubildenden Gewindes liegt, eine
Materialabtragung vorgenommen wird, wobei dies meist in der Form eines Hinterstichs oder Freistichs erfolgt. Der Freistich dient dem Schaffen eines Freiraums, welcher beim Schneiden des Gewindes eine Auslaufzone darstellt. Um eine Schwächung des Materials zu vermeiden, wird meist darauf 2/16 • · · · ·· ·· ·· ···· · ···· ··· ···“>· · · ··· · · • · · · · · ··· geachtet, den Freistich mit einer möglichst geringen radialen Tiefe auszubilden.
Eine Entlastung des Gewindes kann derzeit praktikabel und effektiv nur über die Erhöhung des Gewindegrundradius - zur Reduzierung der Kerbwirkung - und durch eine Vergrößerung des Gewindedurchmessers - bei der die
Kraftübertragungsfläche erhöht wird - erreicht werden. Weiters kann durch verbesserte Werkstoffqualität, Erhöhung der Gewindesteigung, insbesondere bei hoch vergüteten Schraubenverbindungen, Wärmebehandlungstechniken, Gewindefertigung (schlussvergütet - schlussgewalzt) und über den Schmierungszustand eine positive Beeinflussung der Belastbarkeit der Verschraubung erzielt werden. Geometrisch kann der Einsatz von Zugmuttern sowie von Gewinden mit Flankenwinkeldifferenzen und großen Einschraubtiefen für die Dauerfestigkeit hilfreich sein.
Alle genannten, einsatzfähigen Maßnahmen sind jedoch in ihrer Wirkung beschränkt, insbesondere wenn hohe Vorspannkräfte benötigt werden. Insbesondere gibt es keine technisch umsetzbaren Maßnahmen, die speziell darauf abzielen, die Belastung in den besonders hoch belasteten ersten Gewindegängen zu reduzieren, d.h. denjenigen Gewindegängen, die der Auflagefläche benachbart sind.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, die Dauerfestigkeit der Gewindeverbindung von hochbelasteten Komponenten, insbesondere von Hochdruckmedium führenden Komponenten einer Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen auf einfache Weise zu verbessern, wobei insbesondere eine Spannungsreduktion in den ersten Gewindegängen erreicht werden soll. 3/16 • · · · · · · · ·· • ·· · · ·· · ···· • · · ♦ · · ··· · · ···"*· · · ···
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Gewindeverbindung der eingangs genannten Art vor, dass das Material bis zu einem den Außendurchmesser des Innengewindes übersteigenden Durchmesser hin abgetragen ist. Es erfolgt somit eine stärkere Materialabtragung als bei einem herkömmlichen Hinterstich, womit eine gezielte Steifigkeitsreduktion der ersten Komponente am Beginn des Gewindes und dadurch eine Reduktion der Spannungen im höchstbelasteten Gewindebereich erreicht wird. Über die folgenden Gewindegänge nimmt die Steifigkeit rasch zu, während auch die zu übertragenden Kräfte abnehmen. So kann durch eine entsprechende Gestaltung der zurückgenommenen Übergangsgeometrie, wie z.B. eines Hinterstichs, eine deutlich gleichmäßigere Spannungsverteilung über die Länge des Gewindes erreicht werden.
Eine ausreichende Steifigkeitsreduktion der ersten Komponente am Beginn des Gewindes kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass das Material bis zu einem Durchmesser abgetragen ist, der den Außendurchmesser des Innengewindes zumindest um die doppelte, insbesondere zumindest die dreifache Gewindetiefe des Innengewindes übersteigt.
Die Steifigkeit der ersten Komponente kann naturgemäß nicht beliebig reduziert werden. Weiters ist zu berücksichtigen, dass es an der Oberfläche der Materialabtragung, insbesondere des Hinterstichs zu deutlich höheren Spannungen kommt, sodass ein Kompromiss zwischen den Spannungen im Gewinde und den Spannungen im Hinterstich oder der entsprechenden Übergangsgeometrie einzustellen ist. 4/16 • ·· · · ··· ···· • ·· Jf · · ····· · • · t f» · ·· · · ·
Um einen zu großen Steifigkeitsverlust in der ersten Komponente zu vermeiden, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Material bis zu einem Durchmesser abgetragen ist, der den Außendurchmesser des Innengewindes höchstens um die sechsfache, bevorzugt höchstens um die vierfache Gewindetiefe des Innengewindes übersteigt.
Die Spannungen im Hinterstich können durch entsprechende Formgebung wie z.B. unterschiedliche Radien optimiert werden. Die Ausbildung ist in diesem Zusammenhang bevorzugt so getroffen, dass die Materialabtragung wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei Bereiche mit voneinander verschiedenen Krümmungsradien aufweist.
Generell ist es beim erfindungsgemäßen Konzept hilfreich, wenn die erste Komponente eine ausreichende Wandstärke aufweist, so dass die Spannungen sich besser verteilen können. Bevorzugt weist die Komponente im Bereich des Innengewindes eine Wandstärke auf, die mindestens 20%, bevorzugt mindestens 50% des Außendurchmessers des Innengewindes entspricht.
Um sicherzustellen, dass die Steifigkeitsreduzierung möglichst unmittelbar im Bereich des ersten Gewindeganges des Innengewindes der ersten Komponente entsteht, ist es vorteilhaft, wenn die Materialabtragung unmittelbar vom Ende des Innengewindes ausgeht.
Hinsichtlich der Form der Materialabtragung kann vorgesehen sein, dass die Materialabtragung mit einer mit zunehmendem Durchmesser abnehmenden axialen Erstreckung ausgebildet ist. 5/16 • ·· · ·· ·· · · • ·· ♦ · ··· ···· • · · r· · · · · · · · · ···□»♦ ·· · · ·
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft eine Ausbildung, bei der die erste Komponente ein integrierter Hochdruckspeicher eines modularen Common Rail Injektors und die zweite Komponente ein Haltekörper des modularen Common Rail Injektors ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines modularen Common Rail Injektors, Fig. 2 eine Detaildarstellung der Gewindeverbindung des Haltekörpers mit dem Hochdruckspeicher, Fig. 3 einer Detaildarstellung einer Gewindeverbindung in einer alternativen Ausführung und Fig. 4 eine weitere alternative Ausführung.
In Fig. 1 ist ein Injektor 1 dargestellt, der eine Einspritzdüse 2, eine Drosselplatte 3, eine Ventilplatte 4, einen Haltekörper 5 und einen Hochdruckspeicher 6 aufweist, wobei eine mit dem Haltekörper 5 verschraubte Düsenspannmutter 7 die Einspritzdüse 2, die Drosselplatte 3 und die Ventilplatte 4 zusammenhält. Im Ruhezustand ist das Magnetventil 13 geschlossen, sodass Hochdruckkraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 6 über die Hochdruckleitung 8, die Querverbindung 9 und die Zulaufdrossel 10 in den Steuerraum 11 der Einspritzdüse 2 strömt, der Abfluss aus dem Steuerraum 11 über die Ablaufdrossel 12 aber am Ventilsitz des Magnetventils 13 blockiert ist. Der im Steuerraum 11 anliegende Systemdruck drückt gemeinsam mit der Kraft der Düsenfeder 14 die Düsennadel 15 in den Düsennadelsitz 16, sodass die Spritzlöcher 17 verschlossen sind. Wird das Magnetventil 13 betätigt, gibt es den Durchfluss über den Magnetventilsitz frei, und Kraftstoff strömt aus dem Steuerraum 11 durch die Ablaufdrossel 12, den 6/16 • ·· · ·· · · ·· • ·· · · ·· · ····
Magnetventilankerraum und die Niederdruckbohrung 18 zurück in den nicht dargestellten Kraftstofftank. Es stellt sich ein durch die Strömungsquerschnitte von Zulaufdrossel 10 und Ablaufdrossel 12 definierter Gleichgewichtsdruck im Steuerraum 11 ein, der so gering ist, dass der im Düsenraum 19 anliegende Systemdruck die im Düsenkörper längs verschieblich geführte Düsennadel 15 zu öffnen vermag, sodass die Spritzlöcher 17 freigegeben werden und eine Einspritzung erfolgt.
Sobald das Magnetventil 13 geschlossen wird, wird der Ablaufweg des Kraftstoffes durch die Ablaufdrossel 12 gesperrt. Über die Zulaufdrossel 10 wird im Steuerraum 11 wieder Kraftstoffdruck aufgebaut und erzeugt eine zusätzliche Schließkraft, welche die hydraulische Kraft auf die Druckschulter der Düsennadel 15 vermindert und die Kraft der Düsenfeder 14 übersteigt. Die Düsennadel 15 verschließt den Weg zu den Einspritzöffnungen 17, wobei der Einspritzvorgang beendet wird.
Fig.. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Details II der Fig. 1. Der Hochdruckspeicher 6 weist einen rohrförmigen Endabschnitt 20 auf, der mit einem Innengewinde 21 versehen ist. Der Haltekörper 5 ist mit einem Außengewinde 22 versehen, das in den Hochdruckspeicher 6 eingeschraubt ist, so dass der Haltekörper 5 mit dem Innengewinde 21 zusammenwirkt. Beim Festziehen der Schraubverbindung wird die konische Stirnfläche 23 des Haltekörpers 5 gegen die konische Auflagefläche 24 des Hochdruckspeichers 6 gespannt, wodurch eine Abdichtung zwischen Hochdruckspeicher 6 und Haltekörper 5 erzielt wird. Im verspannten Zustand wird der 7/16 • · • · · · · · · • ·· · % >· · ···· • 1 · · · ··· · · ♦ · · 7· ♦ ·Μ· #*·###· erste Gewindegang 25 bei herkömmlichen Ausführungen der Gewindeverbindung am höchsten belastet.
Erfindungsgemäß ist nun im axialen Bereich zwischen dem Ende des Innengewindes 21 und der Auflagefläche 24 eine Materialabtragung in Form eines Hinterstichs 26 vorgesehen. Mit dem Hinterstich 26 erfolgt eine Materialabtragung bis zu einem den Außendurchmesser d des Innengewindes 21 übersteigenden Durchmesser a. Insbesondere erfolgt dadurch eine Materialabtragung bis zu einem Durchmesser a, der den Außendurchmesser d des Innengewindes 21 zumindest um die doppelte Gewindetiefe b des Innengewindes 21 übersteigt.
In Fig. 3 ist die Erfindung bei einer Gewindeverbindung mit senkrecht zur Gewindeachse verlaufender Auflagefläche 24 schematisch dargestellt. Für vergleichbare Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2. Mit 6 ist eine beliebige erste Komponente und mit 5 eine beliebige zweite Komponente bezeichnet, wobei die zweite Komponente 5 mittels der das Innengewinde 21 und das Außengewinde 22 umfassenden Gewindeverbindung mit ihrer Stirnfläche 23 gegen die Auflagefläche 24 der ersten Komponente 6 gespannt wird. Der Außendurchmesser des Innengewindes 21 ist mit d bezeichnet. Die Gewindetiefe des Innengewindes 21 ist mit b bezeichnet. Zur Entlastung der ersten Gewindegänge des Innengewindes 21 im Bereich 25 ist ein Hinterstich 26 vorgesehen. Der Hinterstich 26 geht unmittelbar von der senkrecht zur Gewindeachse verlaufenden Auflagefläche 24 aus und verbreitert diese in radialer Richtung. Die Auflagefläche 24 geht über einen ersten Radius rl des Hinterstichs 26 in einen zweiten Radius r2 und unmittelbar anschließend in einen dritten Radius r3 über. Vom dritten Radius r3 geht der Hinterstich 26 in eine kegelige Fläche 8/16 • · • · • · • ·♦ · · ··· über, die bis zum ersten Gewindegang 25 des Innengewindes 21 führt. Der erste Radius rl ist wesentlich kleiner als der dritte Radius r3. Der zweite Radius r2 kann hierbei größer oder gleich r3 sein oder sogar gegen unendlich gehen. Während der Hinterstich 26 bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 mit einer mit zunehmendem Durchmesser abnehmenden axialen Erstreckung ausgebildet ist, ist bei der alternativen Ausbildung gemäß Fig. 4 ein Hinterstich 26 vorgesehen, der über seine gesamte radiale Erstreckung eine im Wesentlichen gleichbleibende axiale Höhenerstreckung aufweist.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungen des Hinterstichs 26 können auch bei der in Fig. 2 dargestellten Anwendung realisiert werden. 9/16

Claims (14)

  1. • · · • t · t · · • · · 3 • ··· Μ· I · • · · Patentansprüche: 1. Gewindeverbindung, insbesondere zum Verbinden von Hochdruckmedium führenden Komponenten einer Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, wobei eine erste Komponente ein Innengewinde und eine zweite Komponente ein in das Innengewinde einschraubbares Außengewinde aufweist, wobei die zweite Komponente bei Festziehen der Gewindeverbindung mit einer Stirnfläche gegen eine Auflagefläche der ersten Komponente spannbar ist und wobei die erste Komponente in einem zwischen der Auflagefläche und einem ersten Gewindegang des Innengewindes liegenden axialen Bereich eine Materialabtragung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bis zu einem den Außendurchmesser des Innengewindes (21) übersteigenden Durchmesser hin abgetragen ist.
  2. 2. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bis zu einem Durchmesser abgetragen ist, der den Außendurchmesser des Innengewindes (21) zumindest um die doppelte Gewindetiefe des Innengewindes (21) übersteigt.
  3. 3. Gewindeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bis zu einem Durchmesser abgetragen ist, der den Außendurchmesser des Innengewindes (21) zumindest um die dreifache Gewindetiefe des Innengewindes (21) übersteigt.
  4. 4. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung eine radiale Verbreiterung der Auflagefläche (24) bewirkt. 10/16
  5. 5. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung unmittelbar vom Ende des Innengewindes (21) ausgeht.
  6. 6. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei Bereiche mit voneinander verschiedenen Krümmungsradien aufweist.
  7. 7. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung mit einer mit zunehmendem Durchmesser abnehmenden axialen Erstreckung ausgebildet ist.
  8. 8. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung als Hinterstich (26) ausgebildet ist.
  9. 9. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (6) ein integrierter Hochdruckspeicher eines modularen Common Rail Injektors und die zweite Komponente (5) ein Haltekörper des modularen Common Rail Injektors ist.
  10. 10. Erste Komponente für eine Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Innengewinde, in welches eine ein Außengewinde aufweisende zweite Komponente einschraubbar und gegen eine Auflagefläche der ersten Komponente spannbar ist, wobei die erste Komponente in einem zwischen der Auflagefläche und einem ersten Gewindegang des Innengewindes liegenden Bereich eine Materialabtragung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 11/16
    das Material bis zu einem den Außendurchmesser des Innengewindes (21) übersteigenden Durchmesser hin abgetragen ist.
  11. 11. Erste Komponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bis zu einem Durchmesser abgetragen ist, der den Außendurchmesser des Innengewindes (21) zumindest um die doppelte, bevorzugt die dreifache Gewindetiefe des Innengewindes (21) übersteigt.
  12. 12. Erste Komponente nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung unmittelbar vom Ende des Innengewindes (21) ausgeht.
  13. 13. Erste Komponente nach eine der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei Bereiche mit voneinander verschiedenen Krümmungsradien aufweist.
  14. 14. Erste Komponente nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragung als Hinterstich (26) ausgebildet ist. Wien, am 16. August 2012 Anmelder durch
    12/16
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