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Die vorliegende Erfindung betrifft ein innendruckbelastetes Bauteil, insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, ein Verfahren zum Herstellen dieses Bauteils sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsspitzen in einem Verschneidungsbereich eines Kraftstoffhochdruckspeichers.
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Aus dem Stand der Technik sind innendruckbelastete Bauteile, insbesondere Kraftstoffhochdruckspeicher bekannt. Diese weisen in der Regel einen Grundkörper mit einem Längshohlraum und mindestens einem Anschlussstutzen mit einer in den Längshohlraum mündenden Verbindungsbohrung auf. Während des Betriebes der insbesondere im Kraftstoff-Einspritzsystem eines Fahrzeugs verwendeten Bauteile werden diese mit einem sehr hohen, in der Regel schwellenden (also periodisch schwankenden) Innendruck belastet. Insbesondere an den Bohrungsverschneidungen des Längshohlraumes und der Verbindungsbohrung(en) kommt es zu sehr hohen Spannungsspitzen, die häufig zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, die sich mit diesem Problem befassen. So schlägt bspw. die
DE 102 61 737 A1 vor, den Querschnitt der Bohrungsverschneidungen elliptisch zu gestalten, um an der Stelle der maximalen Beanspruchung einen lokal großen Radius zur Verteilung der Druckspannungen vorzusehen. Hierzu muss die Verbindungsbohrung zwingend in einem gewissen Winkel schräg auf den Längshohlraum treffen.
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Die
DE 102 39 379 B4 schlägt eine besonders komplexe geometrische Ausgestaltung des Längshohlraumes zur Verringerung der Beanspruchung im Bereich der Verschneidung vor, so dass eine Einmündung der Verbindungsbohrung in den Längshohlraum in einem Bereich mit geringer Krümmung vorgesehen ist.
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Auch die
DE 100 56 405 B4 schlägt vor, den Längshohlraum im Bereich der Verschneidungen im Wesentlichen eben auszubilden, wobei es in dem Bereich der Ecken im Übergang von dem ebenen zu dem gebogenen Verlauf des Längshohlraumes zu Spannungsüberhöhungen kommen kann. Ferner weist die dem Verschneidungsbereich gegenüberliegende Wandung des Grundkörpers eine verringerte Wandstärke auf, was zur Induzierung von Druckspannungen im Verschneidungsbereich führt, die die dort auftretenden Zugspannungen reduzieren sollen.
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Auch die
DE 199 49 962 A1 schlägt vor, im Mündungsbereich der Verbindungsbohrung mit dem Längshohlraum eine ebene Fläche bspw. in Form einer quaderförmigen Ausnehmung zu schaffen.
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Die
DE 101 40 058 A1 zeigt einen Kraftstoffhochdruckspeicher, welcher aus einem hochfesten Gusswerkstoff gegossen wird. Der Längshohlraum weist mehrere Speicherinnenräume auf. Im Bereich der Bohrungsverschneidung mit Verbindungsbohrungen ist der Längshohlraum im Durchmesser kleiner ausgebildet als im Bereiche der Speicherinnenräume. Ferner kann der Längshohlraum im Bereich der Verschneidungen eine elliptische Form auf, um im Bohrungsverschneidungsbereich einen großen Durchmesser des Längshohlraumes zu simulieren. Auch kann der Verschneidungsbereich als ebene Fläche ausgebildet sein, um in diesem Bereich einen unendlich großen Innendurchmesser zu simulieren.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein innendruckbelastetes Bauteil bereitzustellen, welches auf einfache Weise einen verringerten Spannungszustand im Bereich der Bohrungsverschneidung von innendruckbelasteten Bauteilen (bspw. Kraftstoffhochdruckspeicher) aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils und ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsspitzen in Bereich von Verschneidungen eines Kraftstoffhochdruckspeichers.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein innendruckbelastetes Bauteil, insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, wobei das Bauteil einen Grundkörper mit einem Längshohlraum und mindestens einen Anschlussstutzen mit einer in den Längshohlraum mündenden Verbindungsbohrung aufweist, wobei der Längshohlraum besonders vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Im Bereich der Verschneidung des Längshohlraumes und der Verbindungsbohrung und in axialer Richtung des Längshohlraumes gesehen sind zu beiden Seiten der Verbindungsbohrung Entlastungskerben vorgesehen, welche sich in axialer Richtung des Längshohlraumes durchgehend über im Wesentlichen die gesamte Länge, vorzugsweise über die gesamte Länge des Längshohlraumes erstrecken.
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Aufgrund der auf diese Weise in Längsrichtung vorgesehenen Entlastungskerben wird der Bereich der Entlastungskerben über die gesamte Länge des Bauteils höher belastet und die Spannung somit verteilt, was zwangsläufig zu einer Entlastung der Verschneidungsbereiche führt. Durch die Entlastungskerben verformt sich der unter Druck stehende Längshohlraum gezielt an diesen Stellen und entlastet durch die Spannungsverteilung den Bereich der Bohrungsverschneidung, der zu den am höchsten belasteten Stellen des Bauteils zählt. Somit kann auf einfache Weise der Spannungszustand des Bauteils, insbesondere im Verschneidungsbereich, verbessert (also verringert) und dadurch die dynamische Belastbarkeit des Bauteils erhöht werden.
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Vorzugsweise sind in axialer Richtung des Längshohlraumes gesehen die Entlastungskerben in einem Winkel von 0 bis 90°, vorzugsweise von 10 bis 50° bezüglich einer senkrecht auf der zentralen Längsachse des Längshohlraumes stehenden und die Langsachse und den Verschneidungsbereich koaxial durchlaufenden Achse vorgesehen. Somit sind die Entlastungskerben sicher im Bereich der Verschneidungen vorgesehen und sorgen für eine sichere Entlastung derselben durch Reduzierung der Spannungsspitzen in dem Verschneidungsbereich.
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Vorzugsweise überschneiden sich in axialer Richtung der Verbindungsbohrung gesehen die Entlastungskerben und die Verbindungsbohrung im Bereich der Verschneidung wenigstens partiell. Auf diese Weise kann die Spannung gleichmäßig und kontinuierlich über die Entlastungskerben verteilt werden.
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Vorzugsweise weisen die Entlastungskerben in axialer Richtung des Längshohlraumes gesehen einen kreissegmentartigen Querschnitt auf. Durch die runde bzw. abgerundete Querschnittsform können (auch unkritische) Spannungsüberhöhungen sicher vermieden werden, was zu einer weiteren Spannungsreduzierung des Bauteils und somit dessen Entlastung führt.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper auf einfache Weise im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet, was dessen Einsatz als Kraftstoffhochdruckspeicher begünstigt.
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Vorzugsweise mündet die Verbindungsbohrung im Wesentlichen radial in den Längshohlraum, so dass die Herstellung des Bauteils und das genaue Vorsehen der Entlastungskerben vereinfacht sind.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Entlastungskerben jeweils über mehrere, vorzugsweise alle Verschneidungsbereiche. Somit kann auf einfache Weise für mehrere oder alle Entlastungskerben eine Spannungsentlastung vorgesehen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen innendruckbelasteten Bauteils, wobei die Entlastungskerben in den Grundkörper gebohrt oder gefräst oder durch elektrochemisches Abtragen erzeugt werden. Vorzugsweise werden die Entlastungskerben nachträglich in dem Grundkörper vorgesehen. Dieses Verfahren ermöglicht ein besonders einfaches Vorsehen der Entlastungskerben in dem Bauteil, unabhängig davon, ob die Entlastungskerben während der Herstellung des Bauteils eingebracht oder nachträglich vorgesehen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsspitzen in einem Bereich von Verschneidungen eines Längshohlraumes eines Grundkörpers von einem Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail) für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine und einer in den Längshohlraum mündenden Verbindungsbohrung mindestens eines Anschlussstutzens des Kraftstoffhochdruckspeichers, wobei der Längshohlraum vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Verfahren weist den folgenden Schritt auf: Bohren oder Fräsen von Entlastungskerben oder Erzeugen von Entlastungskerben durch elektrochemisches Abtragen im Bereich der Verschneidung des Längshohlraumes und der Verbindungsbohrung und in axialer Richtung des Längshohlraumes gesehen zu beiden Seiten der Verbindungsbohrung, wobei die Entlastungskerben in axialer Richtung des Längshohlraumes durchgehend über im Wesentlichen dessen gesamte Länge, vorzugsweise über dessen gesamte Länge eingebracht werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine perspektivische Schnittansicht (Querschnitt) eines erfindungsgemäßen innendruckbelasteten Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b eine Detailansicht des Ausschnitts A der 1a;
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2a eine weitere perspektivische Schnittansicht (Längsschnitt) des erfindungsgemäßen innendruckbelasteten Bauteils gemäß 1a,
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2b eine Detailansicht des Ausschnitts B der 2a;
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3a eine Frontalansicht des erfindungsgemäßen innendruckbelasteten Bauteils gemäß 1a,
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3b eine Detailansicht des Ausschnitts C der 3a;
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4 Spannungsverteilung im Bereich der Bohrungsverschneidung eines innendruckbelasteten Bauteils gemäß dem Stand der Technik;
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5 Spannungsverteilung im Bereich der Bohrungsverschneidung eines innendruckbelasteten Bauteils gemäß der Erfindung.
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1a, 2a und 3a zeigen ein erfindungsgemäßes innendruckbelastetes Bauteil 1 gemäß der Erfindung. Ein solches innendruckbelastetes Bauteil 1 liegt insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) K für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine vor. Das Bauteil 1 kann beispielsweise durch Gießen bspw. aus hochfestem Gusswerkstoff oder vorzugsweise durch Schmieden hergestellt werden.
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Das Bauteil 1 weist einen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 ist gemäß den Figuren im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet, weist also eine(n) vorzugsweise durchgehende(n), besonders vorzugsweise koaxial angeordnete(n) Längshohlraum bzw. Längsbohrung 3 auf.
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Der Längshohlraum 3 weist besonders vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, er kann jedoch auch eine beliebige andere Querschnittsform aufweisen. Insbesondere vorzugsweise sind die Querschnittsform und/oder der Durchmesser des Längshohlraumes 3 über die gesamte Länge des Grundkörpers 2 gleich, sie kann sich jedoch auch kontinuierlich oder periodisch oder in sonstiger Weise ändern.
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Es sei angemerkt, dass sich die Bezeichnung „im Wesentlichen rohrförmig” auf die längliche Ausgestaltung des hohlen Bauteils 1, insbesondere dessen Grundkörpers 2 bezieht, dies jedoch keine Einschränkung bzgl. der Querschnittsform des Grundkörpers 2 bzw. Bauteils 1 bedeutet. Der Grundkörper 2 kann neben dem in den Figuren gezeigten, im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auch einen ovalen, eckigen oder in sonstiger Weise symmetrischen oder auch asymmetrischen Querschnitt aufweisen.
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Das Bauteil 1 weist ferner mindestens einen (gemäß den Figuren vier) Anschlussstutzen 4 auf. Die Anschlussstutzen 4 erstrecken sich von dem Grundkörper 2 nach außen weg. Sind mehrere Anschlussstutzen 4 vorgesehen, so können sich diese in dieselbe oder in unterschiedliche Richtungen von dem Grundkörper 2 wegerstrecken, je nach geometrischen Anforderungen bspw. des Kraftstoff-Einspritzsystems, in dem das Bauteil 1 bspw. als Kraftstoffhochdruckspeicher K verwendet wird.
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Neben den Anschlussstutzen 4 kann das Bauteil 1 in bekannter Weise ferner nicht gezeigte Nebenformelemente und/oder Anschlusslaschen 9 bspw. zum Befestigen des Bauteils 1 in einem Fahrzeug als Teil eines Kraftstoff-Einspritzsystems.
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Die Anschlussstutzen 4 weisen jeweils eine Verbindungsbohrung 5 auf, die vorzugsweise senkrecht oder auch schräg in den Längshohlraum 3 mündet. Besonders vorzugsweise mündet die Verbindungsbohrung 5 im Wesentlichen radial in den Längshohlraum 3. In dem Mündungsbereich der Verbindungsbohrungen 5 mit dem Längshohlraum 3 liegen Bohrungsverschneidungen 6 (im Folgenden auch als Verschneidung oder Verschneidungsbereich bezeichnet) vor. An diesen Verschneidungen 6 entstehen bei hoher Belastung des Bauteils 1 durch einen Innendruck während des Betriebs Spannungsspitzen, welche zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils 1 führen können. Diese Spannungsspitzen können bis zu 663 MPa im Verschneidungsbereich 6' betragen, wie in 4 verdeutlicht ist, die ein innendruckbelastetes Bauteil 1' gemäß dem Stand der Technik zeigt, also ohne die erfindungsgemäßen Entlastungskerben. Vorzugsweise weist der Grundkörper 2 wenigstens im Bereich der Verschneidungen 6 daher eine dickere Wandstärke auf, wobei an diesen verstärkten Bereichen vorzugsweise auch die Nebenformelemente und/oder Anschlusslaschen 9 vorgesehen sein können.
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Um die Spannungsspitzen im Verschneidungsbereich 6 zu reduzieren und somit zu entlasten, sind erfindungsgemäß im Bereich der Verschneidung 6 des Längshohlraumes 3 und der Verbindungsbohrung 5 und in axialer Richtung des Längshohlraumes 3 gesehen zu beiden Seiten der Verbindungsbohrung 5 Entlastungskerben 7, 7 vorgesehen. Diese Entlastungskerben 7 erstrecken sich in axialer Richtung des Längshohlraumes 3 durchgehend über im Wesentlichen die gesamte Länge, vorzugsweise über die gesamte Länge des Längshohlraumes 3. Der Term „über im Wesentlichen die gesamte Länge” bedeutet, dass sich die Entlastungskerben 7 abgesehen bspw. von Randbereichen und/oder gestuften Anschlussbereichen 8 des Grundkörpers 2 über dessen gesamte Länge erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die Entlastungskerben 7 dabei über mehrere, besonders vorzugsweise über alle Verschneidungsbereiche 6 (vgl. auch 2a).
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Aufgrund der auf diese Weise in Längsrichtung vorgesehenen Entlastungskerben 7, 7 wird der Bereich der Entlastungskerben 7 über die gesamte Länge des Bauteils 1 höher belastet, was zwangsläufig die Entlastung aller Verschneidungsbereiche 6 bewirkt. Durch die Entlastungskerben 7, 7 verformt sich nämlich der unter Druck stehende Längshohlraum 3 gezielt an diesen Stellen und entlastet dadurch den Bereich der Bohrungsverschneidung(en) 6, der üblicherweise zu den am höchsten belasteten Stellen des Bauteils 1 zählt. Somit kann der Spannungszustand des Bauteils 1, insbesondere im Verschneidungsbereich 6, verbessert und dadurch die dynamische Belastbarkeit des Bauteils 1 erhöht werden.
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5 zeigt die Spannungsverteilung eines erfindungsgemäßen Bauteils 1 mit Entlastungskerben 7. Der 5 ist deutlich zu entnehmen, dass sich die erhöhte Spannung nunmehr über die Entlastungskerben 7 verteilt und somit den Verschneidungsbereich 6 entlastet. Die erhöhte Spannung in dem Bauteil 1, welche sich auf die Entlastungskerben 7 und den Verschneidungsbereich 6 verteilt, beträgt somit maximal nur noch unkritische 575 MPa, was zu einer deutlich verlängerten Lebensdauer des Bauteils 1 führt.
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Wie der Detailansicht der 3b zu entnehmen ist, können die Entlastungskerben 7 beispielsweise in axialer Richtung des Längshohlraumes 3 gesehen in einem Winkel α (α', α'') von 0 bis 90°, vorzugsweise von 10 bis 50° bezüglich einer senkrecht auf der zentralen Längsachse L des Längshohlraumes 3 stehenden und die Längsachse L und den Verschneidungsbereich 6 koaxial durchlaufenden Achse X vorgesehen sein (vgl. auch 1a und 2a). Die Winkel α' und α'' der jeweiligen Entlastungskerben 7, 7 können gleich sein, sie können sich jedoch auch unterscheiden. Dies ist z. B. abhängig von der geometrischen Ausgestaltung des Verschneidungsbereichs (bspw. von dem Winkel der aufeinandertreffenden Bohrungen 3, 5). Mündet die Verbindungsbohrung 5 im Wesentlichen senkrecht (radial) in den Längshohlraum, gilt vorzugsweise α' = α'' = α. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorgenannten Winkelbereiche beschränkt.
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In axialer Richtung der Verbindungsbohrung 5 gesehen können sich die Entlastungskerben 7 und die Verbindungsbohrung 5 im Bereich der Verschneidung 6 wenigstens partiell überschneiden, wie dies beispielsweise aus der Detailansicht der 2b hervorgeht. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, so dass Entlastungskerben 7 und Verbindungsbohrung 5 im Bereich der Verschneidung 6 auch derart vorgesehen sein können, dass diese sich nicht überschneiden.
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Wie den 1b, 2b und 3b zu entnehmen ist, weisen die Entlastungskerben einen in axialer Richtung des Längshohlraumes 3 gesehen kreissegmentartigen Querschnitt auf, so dass durch die gerundete Querschnittsform (auch unkritische) Spannungsüberhöhungen vermieden werden können, was zu einer weiteren Spannungsreduzierung des Bauteils 1 und somit zu dessen Entlastung und einer verlängerten Lebensdauer führt.
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Die Entlastungskerben 7 sind in der vorbeschriebenen Weise in dem Grundkörper 2 des Bauteils 1 vorgesehen. Dazu können die Entlastungskerben 7 in den Grundkörper 2 gebohrt oder gefräst werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Entlastungskerben 7 in den Grundkörper 2 durch elektrochemisches Abtragen erzeugt. Die Entlastungskerben 7 werden beispielsweise bei der Herstellung des innendruckbelasteten Bauteils 1 in dessen Grundkörper 2 eingebracht. Ferner ist es denkbar, dass ein bereits bestehendes oder sogar schon verwendetes Bauteil 1 nachträglich mit den Entlastungskerben 7 versehen wird, um deren Lebensdauer zu verlängern. So ist es auch möglich, beispielsweise die Produktion derartiger Bauteile 1 unverändert beizubehalten und wahlweise Bauteile 1 mit Entlastungskerben 7 vorzusehen. Auch können Alt-Bauteile nachträglich durch Einbringen der Entlastungskerben ,getunt' und somit wieder oder länger brauchbar gemacht werden.
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Im folgenden wird ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsspitzen in einem Bereich von Verschneidungen 6 eines Längshohlraumes 3 eines Grundkörpers 2 von einem Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail) K für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine und einer in den Längshohlraum 3 mündenden Verbindungsbohrung 5 mindestens eines Anschlussstutzens 4 des Kraftstoffhochdruckspeichers K beschrieben. Besonders vorzugsweise weist der Längshohlraum 3 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Verfahren weist folgenden Schritt auf: Bohren oder Fräsen von Entlastungskerben oder Erzeugen von Entlastungskerben durch elektrochemisches Abtragen im Bereich der Verschneidung des Längshohlraumes und der Verbindungsbohrung und in axialer Richtung des Längshohlraumes gesehen zu beiden Seiten der Verbindungsbohrung, wobei die Entlastungskerben in axialer Richtung des Längshohlraumes durchgehend über im Wesentlichen dessen gesamte Länge eingebracht werden. Die genaue Ausgestaltung der Entlastungskerben 7 wurde zuvor bereits beschrieben und lässt sich in gleicher Weise auf das Verfahren übertragen, so dass an dieser Stelle auf obige Ausführungen verwiesen wird, die in gleicher Weise für die vorbeschriebenen Verfahren gelten.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausgestaltungsformen eines innendruckbelasteten Bauteils, solange es durch den Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. So sind beispielsweise die Querschnittsformen des Grundkörpers 2, des Längshohlraumes 3, des Anschlussstutzens 4, der Verbindungsbohrung 5 und der Entlastungskerben 6 nicht durch die Erfindung beschränkt. Ferner wird das Bauteil 1 vorzugsweise einteilig durch ein Gieß- oder Schmiedeverfahren oder andere bekannte Verfahren hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10261737 A1 [0003]
- DE 10239379 B4 [0004]
- DE 10056405 B4 [0005]
- DE 19949962 A1 [0006]
- DE 10140058 A1 [0007]
