[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Bohrungsverschneidung
[0002] Bei vielen Vorrichtungen wird mit unter hohem Druck stehenden Medien gearbeitet.
Durch den Druck entstehen Spannungen in den die Medien führenden Rohren oder Kanälen.
Bei Rohren treten dabei axiale Spannungen, radiale Spannungen und Spannungen in Umfangsrichtung
auf, von denen die Spannung in Umfangsrichtung den größten Anteil an der Rohrbelastung
haben. An Bohrungsverschneidungen wie beispielsweise sich verzweigenden Kanälen oder
Bohrungen entstehen insbesondere bei spitzen Winkeln durch die Überlagerung der Spannungen
aus beiden oder mehreren Bohrungen besonders hohe Spannungen in Form von Zugspannungen
im Material. Das Spannungsmaximum wird direkt an der Verschneidungskante erreicht.
Diese Stellen sind besonders bei nicht konstanten Drücken, also bei schwellender Belastung,
stark bruchgefährdet. Es ist deshalb in erster Linie erforderlich, die Umfangsspannungen
zu reduzieren.
[0003] Aus
DE 198 08 807 A1 ist ein Kraftstoffverteiler bekannt, von dem aus radial Anschlussstutzen ausgehen.
Zur Erhöhung der Festigkeit wird der Kraftstoffverteiler in radialer Richtung bzw.
der Anschlussstutzen in paralleler Richtung verformt.
[0004] Die Festigkeit des die Bohrungsverschneidung aufweisenden Festkörpers wurde bisher
soweit als möglich durch konstruktive Änderungen reduziert. Derartige konstruktive
Änderungen umfassen beispielsweise das Erhöhen des Verschneidungswinkels zwischen
den Kanälen auf mindestens 90°, Verkleinern der Bohrungsdurchmesser sowie das Verrunden
der Verschneidungskante. Derartige konstruktive Änderungen sind aber in vielen Fällen
aus den verschiedensten Gründen nicht einsetzbar.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
bei der die auftretenden Spannungen an einer Bohrungsverschneidung herabgesetzt werden
können.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
[0007] Erfindungsgemäß werden durch eine von außen auf eine beispielsweise gefährdete Stelle
aufgebrachte, im Wesentlichen senkrechte Kraft Druckspannungen an dieser Stelle eingebracht.
Vorteil dabei ist, dass auf einfache Weise gezielt an den Stellen kritischer Belastung
die Spannung im Festkörper durch einen Eingriff von außen reduziert werden kann. Dies
kann beispielsweise durch eine Schraube geschehen, die so auf die Kanalverschneidung
drückt, dass dadurch die Spannungen, welche aus dem Innendruck in den Kanälen und
damit der Bohrungsverschneidung entstehen, reduziert werden. Das Einbringen der Spannungen
kann dabei sowohl durch eine elastische, als auch durch eine plastische Verformung
realisiert werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass auch bei komplizierten Geometrien
die Festigkeit des Festkörpers auf einfache Weise erhöht werden kann. Darüber hinaus
kann die kompensierende Kraft vorteilhafterweise gleichzeitig zur Befestigung bestimmter
Bauteile verwendet werden. Schließlich können die von außen eingebrachten Spannungen
auch durch eine Klemmeinrichtung in den Festkörper eingebracht werden.
[0008] Weiterhin wird diese Art der Spannungsreduzierung von kritischen Stellen vorteilhaft
in Hochdruckpumpen eingesetzt, beispielsweise in Radialkolbenpumpen, die in Common-Rail
Systemen Kraftstoff auf einen Hochdruck von 1.500 bar und mehr komprimieren und in
einen Kraftstoffspeicher fördern. Die kritischen Stellen sind in Hochdruckpumpen die
unter Hochdruck stehenden und sich schneidenden Kraftstoffleitungen.
[0009] Die Spannung in der Verschneidung von zweien oder mehreren Kraftstoffleitungen in
der Hochdruckpumpe wird dabei reduziert, indem von außen auf das die Kraftstoffleitungen
enthaltende Gehäuse eine Kraft aufgebracht wird.
[0010] Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Art der Spannungsverminderung auch bei Kraftstoffverteilern
eingesetzt, die beispielsweise eingangsseitig mit einer Hochdruckpumpe und ausgangsseitig
verzweigend mit je einem Kraftstoffspeicher verbunden sind.
[0011] Im Bereich der gefährdeten Stelle (Bohrungsverschneidung) wird die spannungsmindernde
Kraft im wesentlichen senkrecht zur Ebene, die von den jeweiligen sich schneidenden
Bohrungen gebildet werden, auf den Festkörper eingebracht.
[0012] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
- Figur 1
- eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schraube
zur Spannungserzeugung,
- Figur 2
- eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Klemmeinrichtung
zur Spannungserzeugung
- Figur 3
- eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer plastischen Verformung zur Spannungserzeugung
und
- Figur 4
- eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl elastische als auch plastische
Verformungen eingesetzt werden.
[0013] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind in einen Festkörper 2 drei Bohrungen
4, 5, 6 derart eingebracht, daß sie an einer Stelle ineinander münden, wobei die beiden
Bohrungen 4 und 6 in spitzem Winkel zueinander, eine Verschneidungskante 3 bildend
angeordnet sind. Die Bohrungen 4, 5, 6 bilden Kanäle für ein in der Zeichnung nicht
näher dargestelltes, unter Druck stehendes Medium, wie beispielsweise ein Gas oder
eine Flüssigkeit. Durch den Druck des Mediums bauen sich Druckspannungen im Festkörper
2 auf, deren Maximum an der spitzen Verschneidungskante 3 der Bohrungen 4 und 6 auftritt.
Senkrecht zur Bohrungsverschneidung ist eine Gewindebohrung 7 eingebracht, in die
eine Schraube 1 als Gewindeelement derart eingedreht ist, daß durch das Einschrauben
der Schraube 1 Druckspannungen im Festkörper 2 entstehen, die den Zugspannungen aus
dem Innendruck der Bohrungen 4, 5, 6 entgegenwirken und dadurch auch das an der Verschneidungskante
3 auftretende Spannungsmaximum zumindest herabsetzen, wenn nicht neutralisieren. Dabei
wirkt die Kraft der Schraube 1 im Bereich der gefährdeten Stelle (Bohrungsverschneidung)
im wesentlichen senkrecht zur Ebene, die von den jeweiligen sich schneidenden Bohrungen
4, 5, 6 gebildet werden, auf den Festkörper 2 ein.
[0014] Der Festkörper 2 ist dabei vorzugsweise Teil einer als Radialkolbenpumpe ausgebildeten
Hochdruckpumpe.
[0015] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind in einem Festkörper 12 zwei Bohrungen
13 und 14 eingebracht, die im Inneren des Festkörpers 12 unter einem bestimmten Winkel
ineinander münden. Die wiederum Kanäle bildenden Bohrungen 13 und 14 sind ebenfalls
mit einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt, wodurch Spannungen im Festkörper
12 erzeugt werden, die an der von den Bohrungen 13 und 14 eingeschlossenen Verschneidungskante
15 am stärksten sind. Zum Erzeugen der von außen zugeführten Kompensationsspannung
ist eine Klemmvorrichtung vorgesehen, die aus einem den Festkörper 12 ringförmig umschließenden,
starren Klemmenkörper 10 besteht, an dessen einen Innenseite ein Widerlager 16 und
an der gegenüberliegenden Innenseite eine durchgängige Gewindebohrung 17 angeordnet
ist. In die Gewindebohrung 17 ist eine Schraube 11 eingedreht. Zwischen den Stirnflächen
des Widerlagers 16 und der Schraube 11 befindet sich der Festkörper 12 derart, daß
die Verbindungsachse zwischen Widerlager 16 und Schraube 11 senkrecht zur Bohrungsverschneidung
durch diese hindurchführt. Die Schraube 11 ist dabei festgedreht und übt in Verbindung
mit dem Widerlager 16 eine Kraft auf den Festkörper 12 aus. Auch hier wird durch eine
äußere Kraft die Spannung an der kritischsten Stelle reduziert.
[0016] Der Festkörper 12 ist dabei vorzugsweise Teil einer als Radialkolbenpumpe ausgebildeten
Hochdruckpumpe.
[0017] Waren bei den bisherigen Ausführungsbeispiel die kompensierenden Spannungen durch
elastische Verformungen in dem Festkörper 2 erzeugt worden, so wird bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 3 die Spannung durch eine plastische Verformung erzielt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind in einem Festkörper 22 durch entsprechende Bohrungen gebildete Kanäle 23, 24,
25 derart eingebracht, dass diese von außen in das Festkörperinnere führend an einer
Stelle ineinander münden. Ausgehend von dieser Stelle trennen sich die Kanäle 24 und
25 in einem spitzen Winkel zueinander und bilden dort eine Verschneidungskante 26.
Um die Spannung an der Bohrungsverschneidung 26 zu verringern sind zwei plastische
Verformungen 20 und 21 vorgesehen, die als entsprechende Vertiefungen in den parallel
zu den Bohrungen 23, 24, 25 und parallel zueinander angeordneten Stirnflächen 27 und
28 des Festkörpers 22 ausgebildet sind.
[0018] Der Festkörper 22 ist dabei vorzugsweise Teil einer als Radialkolbenpumpe ausgebildeten
Hochdruckpumpe.
[0019] In Figur 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, die bevorzugt in Radialkolbenpumpen
für Common-Rail-Systeme Anwendung findet. Dabei sind in einem Festkörper, beispielsweise
einem Gehäuse 30, drei Bohrungen 31, 32, 33 eingearbeitet. Diese Bohrungen verbinden
die einzelnen Zylinder einer nicht höher gezeigten Kraftstoffpumpe und stehen im Betrieb
unter Hochdruck. Als Hochdruckausgang der Kraftstoffpumpe dient ein Stutzen 35, der
über eine Bohrung 34 mit den Bohrungen 31, 32, 33 verbunden ist. Die Bohrungen 31,
32, 33, 34 münden an einer bestimmten Stelle ineinander, wobei die Bohrungen 31 und
32 in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind und eine Verschneidungskante
36 mit einschließen. Die Verschneidungskante 36 ist der Ort, an dem die maximale Spannung
auftritt. Die Bohrung 34 setzt sich dabei innerhalb des Stutzens 35 fort, welcher
in eine Gewindebohrung 37 eingedreht ist. Der Stutzen 35 dient folglich zum einen
als Fortsetzung der Bohrung 34, beispielsweise zum Zwecke des Anschlusses einer Hochdruckleitung,
und zum anderen zur Spannungsverringerung im Gehäuse 30 und dabei insbesondere an
der Verschneidungskante 36 aufgrund des in die Gewindebohrung 37 eingedrehten, als
Gewindeelement dienenden Stutzens 35. Schließlich ist an der der Stirnseite des Stutzens
35 gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuses 30 eine Vertiefung eingebracht, welche
als plastische Verformung zusätzlich zu der elastischen Verformung durch den Stutzen
35 und der Gewindebohrung 37 eine Spannung hervorruft, die der durch den Innendruck
erzeugten Spannung im Gehäuse 30 und insbesondere an der Verschneidungskante 36 entgegenwirkt.
[0020] Weitere Ausführungsformen ergeben sich für den Fachmann durch sinnvolles Kombinieren
der Merkmale der in Figur 1 bis 4 aufgeführten Ausführungsbeispiele.
[0021] Ausführungsformen der Erfindung nach den Figuren 1, 2 und 4 (teilweise) offenbaren
eine Vorrichtung mit einem Festkörper 2; 12; 30, einer in den Festkörper 2; 12; 30
eingebrachten, mit Innendruck beaufschlagten Bohrungsverschneidung 3, 4, 5, 6; 13,
14, 15; 31, 32, 33, 34, 36 und außen am Festkörper 2; 12; 30 derart angeordneten Druckerzeugungsmitteln
1; 10, 11, 16, 17; 35, dass diese in den Festkörper 2; 12; 30 eine Spannung einbringen,
die der von dem Innendruck in der Bohrungsverschneidung 3, 4, 5, 6; 13, 14, 15; 31,
32, 33, 34, 36 erzeugten Spannung entgegenwirkt, und die Druckerzeugungsmittel 1;
10, 11, 16, 17; 35 eine elastische Verformung am Festkörper 2; 12; 30 hervorrufen.
Diese Ausführungsformen sind insbesondere mit den Ansprüchen 3 bis 10 des vorliegenden
Anspruchsatzes kombinierbar.
1. Vorrichtung mit einem Festkörper (2; 12; 22; 30), einer in den Festkörper (2; 12;
22; 30) eingebrachten, mit Innendruck beaufschlagten Bohrungsverschneidung (3, 4,
5, 6; 13, 14, 15; 23, 24, 25, 26; 31, 32, 33, 34, 36) und außen am Festkörper (2;
12; 22; 30) derart angeordneten Druckerzeugungsmitteln (1, 7; 10, 11, 16, 17; 20,
21; 35, 37, 38), dass diese in den Festkörper (2; 12; 22; 30) eine Spannung einbringen,
die der von dem Innendruck in der Bohrungsverschneidung (3, 4, 5, 6; 13, 14, 15; 23,
24, 25, 26; 31, 32, 33, 34, 36) erzeugten Spannung entgegenwirkt, wobei eine spannungsmindernde
Kraft des Druckerzeugungsmittels (1, 7; 10, 11, 16, 17; 20, 21; 35, 37, 38) im wesentlichen
senkrecht zu derjenigen Ebene, die von den sich schneidenden Bohrungen (4, 5, 6; 13,
14; 23, 24, 25; 31, 32, 33) gebildet wird, auf den Festkörper (2; 12; 22; 30) einwirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der als Druckerzeugungsmittel (20, 21) eine Druckspannungen
erzeugende plastische Verformung (20, 21) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Druckerzeugungsmittel
eine Bohrung (7; 37) und in diese eingeführte Elemente (1; 35) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Druckerzeugungsmittel
eine Bohrung (7; 37) mit einem Gewinde vorgesehen ist, in die ein Gewindeelement (1;
35) eine Spannung erzeugend eingedreht ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Druckerzeugungsmittel
eine Klemmeinrichtung (10, 11; 16, 17) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Klemmeinrichtung (10) ein Gewindeelement
(17), eine darin eingedrehte Schraube (11) und ein der Schraube (11) gegenüberliegendes,
mit der Klemmvorrichtung (10) starr verbundenes Widerlager (16) aufweist und der Festkörper
(12) zwischen Schraube (11) und Widerlager (16) unter Druck angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Druckerzeugungsmittel
(1; 10, 11, 16; 20, 21; 35, 38) derart angeordnet sind, dass die durch die Druckerzeugungsmittel
(1; 10, 11, 16; 20, 21; 35, 38) erzeugte Spannung am größten ist dort, wo auch die
von dem Innendruck der Bohrungsverschneidung (3, 4, 5, 6; 13, 14, 15; 23, 24, 25,
26; 31, 32, 33, 34, 36) erzeugte Spannung am größten ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das Gewindeelement (35) zur
Befestigung eines weiteren Teils vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zwei der an die Bohrungsverschneidung
(3, 4, 5, 6; 13, 14, 15; 23, 24, 25, 26; 31, 32, 33, 34, 36) grenzenden Kanäle in
einem spitzen Winkel aufeinander treffen.
10. Hochdruckpumpe, insbesondere Radialkolbenpumpe, mit einer Vorrichtung nach einem der
vorherigen Ansprüche.