Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft eine Spannmutter insbesondere zum Verbinden von Teilen von
Kraftstoffeinspritzventilen nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten
Art.
[0002] Eine solche Spannmutter ist aus der
DE 100 17 112 A1 bekannt. Diese bekannte Spannmutter dient der Verbindung von einem Düsengrundkörper
mit einem Düsenkörper von Kraftstoffinjektoren und ist aus tiefgezogenem dünnwandigem
Stahlblech gefertigt, womit sie gegenüber einer aus Vollmaterial gebildeten Spannmutter
kostengünstig herstellbar ist.
[0003] Nachteilig an dieser Spannmutter ist deren geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass die
Wärmeableitung von einem Düsenkörper nicht mehr ausreichend gewährleistet ist und
gegebenenfalls unzulässig hohe Temperaturen auftreten können.
Offenbarung der Erfindung
[0004] Die erfindungsgemäße Spannmutter gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder
des Patentanspruches 13 weist den Vorteil auf, dass zwischen der Spannmutter und einem
damit verspannten Bauteil, wie insbesondere einem Düsenkörper eines Kraftstoffeinspritzventils,
eine verbesserte Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung vorliegt, so dass aufgrund der verbesserten
Wärmeableitung eine Überhitzung des mit der Spannmutter verspannten Bauteils vermieden
wird.
[0005] Durch das Auffüllen der ringförmigen Raumbereiche im Endbereich der Spannmutter mit
Materialien mit bevorzugt hoher Wärmeleitfähigkeit wird die Ableitung der Wärme gefördert.
Dies wird erfindungsgemäß in einfacher Weise durch ein Einbringen zumindest eines
Füllelements in den ersten ringförmigen Raumbereich und/oder in den zweiten ringförmigen
Raumbereich der Spannmutter gemäß Anspruch 1 oder mit der Anprägung eines Bundes gemäß
Anspruch 13 erreicht.
[0006] Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei Verwendung eines Füllelementes das zumindest
eine Füllelement ein aus Metall ausgebildeter ringförmiger Körper ist, der vorteilhaft
aus oder mit Kupfer, Platin oder Silber ausgebildet sein kann.
[0007] Hinsichtlich der Herstellung der Spannmutter ist es vorteilhaft, wenn das Füllelement
aus einem Stift oder Draht gebildet ist und dieser in den zumindest einen Raumbereich
ein- oder aufrolliert wird.
[0008] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das zumindest eine Füllelement
auch aus Kunststoff ausgebildet sein. Diesbezüglich ist es hinsichtlich der Herstellung
vorteilhaft, wenn das Füllelement als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ist und
in den zumindest einen ringförmigen Raumbereich eingesetzt ist oder direkt eingespritzt
ist.
[0009] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kunststoff eine Wärmeleitzahl λ etwa
im Bereich von 20 kcal/m*h*K oder mehr aufweist.
[0010] Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann das Füllelement ein O-Ring
sein, der vorteilhafterweise aus einem Elastomer gebildet ist.
[0011] Zur Erreichung eines guten wärmeableitenden Kontakts zwischen der Spannmutter und
einem damit verspannten Element, wie ein Düsenkörper, ist es zweckmäßig, wenn das
Füllelement radial nach innen gegenüber dem Innendurchmesser der Spannmutter bzw.
der sich radial erstreckenden Bereiche des Endbereiches der Spannmutter vorsteht.
Dadurch wird beim Einsetzen des Düsenkörpers eine Presspassung unter Vorspannung des
Füllelementes erreicht.
[0012] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Spannmutter in ihrem zweiten Endbereich
radial innen mit einer die Wärmestrahlung fördernden Oberflächenbeschichtung versehen
ist, wobei dazu die Oberflächenbeschichtung eine schwarze Brünierung oder DC-Beschichtung
sein kann.
[0013] Zur verbesserten Wärmeabfuhr von der Spannmutter ist es weiterhin vorteilhaft, wenn
die Spannmutteroberfläche radial außen mit einer oberflächenvergrößernden Struktur,
wie einer durch Kugelstrahlen gebildeten Struktur oder einer Kerbverzahnung, versehen
ist.
[0014] Auch ist es für einen guten thermischen Kontakt vorteilhaft, wenn die Spannmutter
radial innen oder außen mit einer Oberflächenbeschichtung aus gut wärmeleitendem Material
versehen ist, die aus Metall, wie insbesondere Platin, Kupfer, Silber, Aluminium,
Messing oder Nickel, besteht oder zumindest eines dieser Materialien aufweist.
[0015] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
[0016] In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Spannmutter schematisch vereinfacht dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert werden.
[0017] Es zeigt
Figur 1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine erste Ausführung einer Spannmutter;
Figur 2 einen Endbereich der Spannmutter der Figur 1 mit Füllelementen;
Figur 3 eine alternative Ausführung des in Figur 2 gezeigten Endbereiches der Spannmutter;
Figur 4 eine weitere alternative Ausführung des in Figur 2 gezeigten Endbereiches
der Spannmutter;
Figur 5 eine weitere alternative Ausführung des in Figur 2 gezeigten Endbereiches
der Spannmutter; und
Figur 6 einen Endbereich einer alternativ ausgeführten Spannmutter mit einem angeprägten
Bund.
[0018] Die
Figur 1 zeigt eine Spannmutter 1, welche hülsenförmig als Blechformteil, z. B. durch Tiefziehen,
aus dünnwandigem Material gebildet ist. An einem ersten axialen Endbereich 2 weist
sie ein Innengewinde 3 auf, welches vorliegend zur Verschraubung der Spannmutter 1
mit einem nicht dargestellten Düsengrundkörper eines Kraftstoffeinspritzventils dient.
Zum Verschrauben der Spannmutter 1 kann die Spannmutter an ihrem Umfang in üblicher
Weise Mitnehmermittel aufweisen, an denen ein Werkzeug angesetzt werden kann.
[0019] An dem zweiten axialen Endbereich 5 der Spannmutter 1, welcher einen verkleinerten
Innendurchmesser aufweist und mit seiner Außenkontur zum Einbau der Spannmutter 1
in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist, weist diese zwei in
radialer Richtung verlaufende, im Wesentlichen ringförmige Bereiche 6, 7 auf, welche
mittels eines sich endwärts radial erweiternden Zwischenbereichs 8 derart verbunden
sind, dass der Endbereich 5 im Schnitt etwa Z-förmig gestaltet ist. Der erste radial
verlaufende Bereich 6 weist dabei eine Anlagefläche 9 auf, mittels welcher die Spannmutter
1 mit einem in den Figuren 2 bis 5 ersichtlichen Düsenkörper 21 bzw. mit einer diesbezüglichen
Gegenanlagefläche 22 in Anlage kommt, um diese gegen einen mit dem Innengewinde 3
in Eingriff stehenden Düsengrundkörper zu verspannen.
[0020] Durch das etwa Z-förmige Profil des zweiten Endbereichs 5 sind zwei sich im Wesentlichen
an dem Zwischenbereich 8 gegenüberliegende, im Schnitt etwa dreieckförmig gebildete
und ringförmig umlaufende Raumbereiche 11, 12 definiert, von denen ein erster ringförmiger
Raumbereich 12 radial innerhalb des Zwischenbereichs 8 bzw. der Spannmutter 1 und
der zweite ringförmige Raumbereich 11 radial außerhalb des Zwischenbereichs 8 liegt.
Die hülsenförmige Spannmutter 1 weist weiterhin eine Außenanlagefläche 10 auf, mittels
welcher die Spannmutter in eine entsprechende Aufnahme einer Brennkraftmaschine abdichtend
einsetzbar ist.
[0021] Die
Figur 2 zeigt eine erste Ausgestaltung des zweiten Endbereichs 5 der Spannmutter 1 mit dem
nur schematisch dargestellten Düsenkörper 21. Der Düsenkörper 21 weist einen axialen
Bereich 23 größeren Durchmessers und einen axialen Bereich 24 geringeren Durchmessers
auf, die über eine Schulter miteinander verbunden sind, wobei die Schulter die Gegenanlagefläche
22 zur Anlage an die absatzartige Anlagefläche 9 des zweiten Endbereiches 5 der Spannmutter
1 bildet. Der Düsenkörperbereich 24 kleineren Durchmessers wird von der Spannmutter
1 im Bereich des Z-förmigen Profils des zweiten Endbereichs 5 umgriffen, wobei die
Spannmutter 1 in diesem Bereich einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig größer
als der Außendurchmesser des Düsenkörpers 21 ist, so dass sich in einer im Hinblick
auf die Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung vorteilhaften Weise zwischen der Spannmutter
1 und dem Düsenkörper 21 ein nur geringer Spalt S bildet.
[0022] In den ringförmigen Raumbereichen 11,12 ist jeweils ein als Ringelement ausgebildetes
Füllelement 13 bzw. 14 angeordnet. Diese Ringelemente 13, 14 sind bei der gezeigten
Ausführung aus Metall ausgebildet, wobei zur Erzielung einer hohen Wärmeleitfähigkeit
ein Material mit hoher Wärmeleitzahl λ, insbesondere aus oder mit Anteilen von Platin,
Kupfer oder Silber verwendet wird. Die Ringelemente 13, 14 sind dabei fertigungstechnisch
einfach aus einem Stift oder Draht gebildet und in die ringförmigen Raumbereiche 11,12
ein- oder aufrolliert.
[0023] Bei einer weiteren, in
Figur 3 ersichtlichen Ausführung der erfindungsgemäßen Spannmutter 1 sind Ringelemente 30,
31 aus Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit in den ringförmigen Raumbereichen 11,
12 angeordnet, wobei der Kunststoff gemäß der Ausgestaltung nach Figur 3 direkt in
die ringförmigen Raumbereiche 11, 12 eingespritzt ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn der verwendete Kunststoff neben einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit von λ
im Bereich von 20 kcal/m*h*grd (entspricht etwa 23,2 W/m*K) oder mehr auch eine gute
Haftfähigkeit aufweist, damit er in den ringförmigen Raumbereichen 11, 12 entsprechend
gut anhaftet. Je nach Anwendungsfall kann auch vor dem Einspritzen des Kunststoffs
eine Haftvermittlerschicht auf die Spannmutter aufgebracht sein. Gegebenenfalls kann
als Kunststoff auch Silikon eingesetzt werden, das hochgefüllt sein kann.
[0024] Die
Figur 4 zeigt wiederum eine Ausführungsalternative des zweiten Endbereichs 5 der Spannmutter
1, wobei hier in den beiden ringförmigen Raumbereichen 11,12 radial innerhalb bzw.
radial außerhalb des Zwischenbereichs 8 jeweils ein Ringelement 40,41 aus Kunststoff
mit vorzugsweise hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, welches derart ausgebildet
ist, dass es gegenüber dem radial inneren Rand bzw. radial äußeren Rand der radial
verlaufenden Bereiche 7, 9 des zweiten Endbereichs 5 etwas nach radial innen bzw.
radial außen hervorsteht oder zumindest demgegenüber bündig abschließt.
[0025] Die Ringelemente 40, 41 können wiederum in die Raumbereiche 11, 12 eingespritzt oder
als separate Kunststoffringe eingesetzt sein. Auch kann der innere Kunststoffring
40 zumindest teilweise über den Düsenkörper 21 aufgeschoben und dann in den inneren
Raumbereich 12 der Spannmutter 1 gebracht werden, wenn die Spannmutter 1 über den
Düsenkörper 21 geschoben wird. In diesem Fall liegt ein nach außen hervorstehender
Kunststoffring mit Presspassung an dem Düsenkörper an, wobei durchaus eine Materialverdrängung
in freies Volumen 42 des inneren ringförmigen Raumbereichs 12 stattfinden kann. Dazu
ist es jedoch wesentlich, dass das Ringelement den inneren ringförmigen Raumbereich
12 mit seiner unbelasteten bzw. unbeaufschlagten Passform nicht völlig ausfüllt.
[0026] Die beste Wärmeübertragung wird bei der Lösung gemäß Figur 4 erzielt, wenn der Innendurchmesser
des elastischen inneren Ringelements 40 kleiner ist als der Außendurchmesser des Düsenkörpers
21 an der Stelle, an welcher das Ringelement 40 im eingesetzten Zustand anliegt.
[0027] Die
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des zweiten Endbereichs 5 der Spannmutter
1, bei der in den beiden ringförmigen Raumbereichen 11, 12 jeweils ein O-Ring 50 bzw.
51 als Ringelement angeordnet ist. Die O-Ringe 50,51 sind derart ausgebildet, dass
sie über den jeweiligen ringförmigen Raumbereich 11 bzw. 12 radial leicht hervorstehen
oder mit den äußeren Rändern der radial verlaufenden Bereiche 7, 9 des zweiten Endbereichs
5 bündig abschließen.
[0028] Durch die vorzugsweise aus elastischem Material, wie aus Elastomer, gebildeten O-Ringe
50, 51 wird die Wärmeableitung von dem Düsenkörper 21 gefördert. Gleichzeitig bewirkt
der innere O-Ring 50 eine Abdichtung zwischen der Spannmutter 1 und dem Düsenkörper
21 im Niederdruckbereich. Je nach Anwendungsfall kann auch der äußere O-Ring 51 als
Abdichtung dienen, z. B. wie vorliegend zwischen der Spannmutter 1 und einem Aufnahmebereich
einer Brennkraftmaschine, in den die Spannmutter 1 einsetzbar ist.
[0029] Die in den vorigen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht auf das
Gezeigte beschränkt. Beispielsweise können alternativ zu einer Spannmutter mit im
Querschnitt dreiecksartigen ringförmigen Raumbereichen ebenso Spannmuttern mit entsprechend
andersartig geformten Raumbereichen verwendbar sein, wie mit im Querschnitt viereckigen
oder abgerundeten Raumbereichen, die beispielsweise bei geschwungenem Zwischenbereich
der Spannmutter entstehen.
[0030] In
Figur 6 ist eine alternativ gestaltete Spannmutter 1 gezeigt, bei der der zweite Endabschnitt
5, welcher zum Einbau in einen Zylinderkopf vorgesehen ist, mit einem angeprägten
Bund 15 ausgebildet ist, welcher die stirnseitige Außenauflagefläche 10 bildet. Das
Anstauchen des Bundes 15 kann durch Kaltfließpressen oder durch Warmumformen bei circa
500 °C erfolgen, wobei z. B. ein vor dem Stauchen 8,1 mm bis 9,4 mm langer zweiter
Endbereich 5 mit einem Innendurchmesser von 9,6 mm und einem Außendurchmesser von
12,6 mm auf eine Länge von 4,7 mm bei einem Außendurchmesser von 15 mm gestaucht sein
kann. Damit entspricht der Außendurchmesser des angeprägten Bundes 15 einer Sechskant-Schlüsselweite
einer aus Vollmaterial gebildeten Spannmutter.
[0031] Der Vorteil der Ausführung gemäß Figur 6 besteht darin, dass die Blech-Spannmutter
1 einteilig bleibt, womit keine unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auftreten und
das gleiche Wärmeübertragungsvermögen wie bei Vollmaterial-Spannmuttern gegeben ist.
Weiterhin können in vorteilhafter Weise Erprobungen an einer Kraftstoffverbrennungsmaschine
entfallen.
[0032] Bei allen gezeigten Ausführungen kann durch besondere Oberflächenbeschichtungen bzw.
Oberflächenbehandlungen eine zusätzlich verbesserte Wärmeleitung erzielt werden. So
kann die radial innere Oberfläche 25 der Spannmutter 1 und/oder die radial äußere
Oberfläche 26 des Düsenkörpers 21 dunkel bzw. vorteilhaft schwarz ausgebildet sein.
Dies kann vorzugsweise mit einer Oberflächenbeschichtung wie einer schwarzen Brünierung
oder einer DC-Beschichtung erfolgen. Eine Verbesserung der Wärmestrahlung wird dabei
vor allem erzielt, wenn die Umgebungstemperatur geringer ist als die Temperatur der
Spannmutter. Auch können alle aufgeführten Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
bzw. Wärmestrahlung miteinander beliebig kombiniert werden.
1. Spannmutter, insbesondere zum Verbinden eines Düsenkörpers mit einem Düsengrundkörper
eines Kraftstoffeinspritzventils, mit im wesentlichen hülsenförmiger Gestalt, wobei
ein erster axialer Endbereich (2) ein Innengewinde (3) aufweist und ein zweiter axialer
Endbereich (5) verringerten Innendurchmessers stirnseitig eine Außenauflagefläche
(10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Endbereich (5) zwei axial beabstandete, sich in radialer Richtung erstreckende,
im Wesentlichen ringförmige Bereiche (6, 7) aufweist, die mittels eines sich endwärts
radial erweiternden Zwischenbereichs (8) verbunden sind, wobei der Zwischenbereich
(8) mit einem angrenzenden ringförmigen Bereich (6, 7) jeweils einen ersten, innerhalb
der Spannmutter (1) liegenden ringförmigen Raumbereich (12) und einen zweiten, außerhalb
der Spannmutter (1) liegenden ringförmigen Raumbereich (11) bildet, und wobei in dem
ersten Raumbereich (12) und/oder in dem zweiten Raumbereich (11) zumindest ein Füllelement
(13, 14; 30, 31; 40, 41; 50, 51) angeordnet ist.
2. Spannmutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Füllelement als ein Ringelement (13, 14; 30, 31; 40, 41; 50, 51)
ausgebildet ist.
3. Spannmutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Füllelement (13, 14) aus Metall ausgebildet ist.
4. Spannmutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (13, 14) aus Kupfer, Platin oder Silber ausgebildet ist.
5. Spannmutter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (13, 14) aus einem Stift oder Draht gebildet ist und in den zumindest
einen Raumbereich (11, 12) ein- oder aufrolliert ist.
6. Spannmutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Füllelement (30, 31; 40, 41; 50, 51) aus Kunststoff ausgebildet
ist.
7. Spannmutter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (40, 41) als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ist und in den
zumindest einen Raumbereich (11, 12) eingesetzt ist.
8. Spannmutter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (30, 31) als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ist und in den
zumindest einen Raumbereich (11, 12) eingespritzt ist.
9. Spannmutter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine Wärmeleitzahl λ im Bereich von mehr als 20 kcal/m*h*grd aufweist.
10. Spannmutter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement als ein O-Ring (50, 51) ausgebildet ist.
11. Spannmutter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der O-Ring (50, 51) aus einem Elastomer gebildet ist.
12. Spannmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (40, 41; 50, 51) radial nach innen gegenüber der Spannmutter (1)
mit ihren beabstandeten sich in radialer Richtung erstreckenden Bereichen (6, 7) vorsteht.
13. Spannmutter, insbesondere zum Verbinden eines Düsenkörpers mit einem Düsengrundkörper
eines Kraftstoffeinspritzventils, mit im wesentlichen hülsenförmiger Gestalt, wobei
ein erster axialer Endbereich (2) ein Innengewinde (3) aufweist und ein zweiter axialer
Endbereich (5) verringerten Innendurchmessers stirnseitig eine Außenauflagefläche
(10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Endbereich (5) mit einem angeprägten, die Au-ßenauflagefläche (10) bildenden
Bund (15) ausgebildet ist.
14. Spannmutter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (15) durch Kaltfließpressen oder Warmumformen angestaucht ist.
15. Spannmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmutter (1) in ihrem zweiten Endbereich (5) an einer radial inneren Oberfläche
(25) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.
16. Spanmutter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung eine schwarze Brünierung oder DC-Beschichtung ist.
17. Spannmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmutteroberfläche radial innen und/oder außen mit einer oberflächenvergrößernden
Struktur, wie einer kugelgestrahlten Struktur oder einer Kerbverzahnung, versehen
ist.
18. Spannmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmutter (1) radial innen und/oder außen mit einer Oberflächenbeschichtung
aus Metall, insbesondere aus oder mit Platin, Kupfer, Silber, Aluminium, Messing oder
Nickel, ausgebildet ist.
19. Spannmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmutter aus tiefgezogenem Stahlblech gefertigt ist.