DE4407306C1 - Druckleitungsanschluß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckleitungsanschluß der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Derartige Druckleitungsanschlüsse dienen beispielsweise dazu, die Druckleitung eines Brennstoffeinspritzsystems mit der Einspritzpumpe einerseits und der Einspritzdüse andererseits zu verbinden. Der an einem Anschlußende der Druckleitung befestigte oder einstückig angeformte Dicht­ nippel weist einerseits eine Gegenspannfläche auf, an der die Überwurfmutter angreift, andererseits eine Gegendicht­ fläche, die sich an die zugeordnete hohlkegelige Dichtfläche des Gegen­ stückes unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung zusätzlicher Dichtungsmittel dichtend anlegt.

Bei herkömmlichen, beispielsweise in der DE-OS 19 37 975 be­ schriebenen Druckleitungsanschlüssen ist die Gegendichtflä­ che des Dichtnippels ebenfalls kegelig ausgebildet. Um auch bei höhe­ ren Drücken eine sichere Abdichtung zu gewährleisten, ist der Kegelwinkel der Dichtfläche größer gewählt als der der Gegendichtfläche, so daß die kegelige Gegendichtfläche mit ihrer Dichtkante die hohlkegelige Dichtfläche zunächst linien­ förmig berührt. Das Festziehen der Überwurfmutter bewirkt eine plastische Verformung, so daß sich die Berührungslinie zu einer Berührungsfläche verbreitert. Außerdem muß der Dichtnippel zum Gegenstück möglichst genau koaxial ausge­ richtet sein. Wegen unvermeidlicher Bauteiltoleranzen wei­ sen jedoch die Druckleitungen und die daran angeordneten Dichtnippel bei der Montage im allgemeinen zunächst eine Fehlstellung auf. Die geometrischen Verhältnisse am Dicht­ nippel sind so ausgelegt, daß dieser beim Festziehen der Überwurfmutter in eine korrekt ausgerichtete Stellung gezo­ gen wird. Voraussetzung dafür ist, daß die Druckleitung die­ se durch die Bauteiltoleranzen verursachten Verspannungen elastisch aufnehmen kann.

Zur weiteren Optimierung der Verbrennungsvorgänge in Verbren­ nungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, und zur Minimierung der Schadstoffe in den Abgasen müssen die hydraulischen Vor­ gänge im Einspritzsystem besser kontrolliert und die Ein­ spritzdrücke angehoben werden.

Zur besseren Kontrolle der hydraulischen Vorgänge ist es erforderlich, das Totvolumen im Einspritzsystem zu ver­ ringern. Das hat zur Folge, daß die Druckleitungen immer kürzer werden, wie im Falle der derzeit bevorzugt einge­ setzten, jedem Zylinder einzeln zugeordneten Steckpumpen mit kurzer Einspritzleitung (PLD-System), oder auch ganz verschwinden, wie im Fall der Pumpendüse.

Die kurzen und dickwandigen Hochdruckleitungen moderner Einspritzsysteme sind häufig nicht mehr in der Lage, durch Bauteiltoleranzen verursachte Fehlstellungen elastisch aus­ zugleichen, so daß bei Verwendung der herkömmlichen, oben beschriebenen Druckleitungsanschlüsse eine Dichtheit nicht mehr gewährleistet ist. Damit die Druckleitungen überhaupt montierbar sind und ihre Dichtheit gewährleistet ist, wer­ den an die Dichtnippel neue Anforderungen gestellt. Der Dichtnippel muß bei hohen Einspritzdrücken von 1200 bis 1500 bar auch dann dicht sein, wenn die Rohrachse bzw. Nippelachse wegen der Toleranz der Anschlüsse nicht exakt koaxial zur Achse des Dichtkegels im Gegenstück ausgerich­ tet ist.

In der DE 29 11 919 A1 ist ein Druckleitungsanschluß beschrie­ ben, bei welchem der an der Druckleitung befestigte oder einstückig angeformte Dichtnippel eine kugelförmige Grund­ gestalt aufweist, d. h. die Gegenspannfläche und die Gegen­ dichtfläche des Dichtnippels sind Abschnitte einer Kugel und haben den gleichen Kugelradius sowie den gleichen Kugel­ mittelpunkt. Bei einer derartigen Anordnung ist eine Fehl­ ausrichtung der Druckleitung zum Gegenstück in gewissen Grenzen unschädlich, da sich die Kugelflächen unabhängig von der jeweiligen Winkelstellung des Dichtnippels stets gleichmäßig an die Spannfläche der Überwurfmutter bzw. die Dichtfläche des Gegenstückes anlegen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich mit dieser bekannten Lösung insbesondere bei hohen Betriebsdrücken nicht ohne weiteres die erforderliche Dichtheit erzielen läßt.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckleitungsanschluß der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art so zu verbessern, daß auch bei hohen Be­ triebsdrücken eine sichere Abdichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst.

Diesen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich beim Stand der Technik wegen der Kugelgestalt des Dicht­ nippels einerseits und der im wesentlichen gleichen Kegel­ winkel der Spannfläche und der Dichtfläche andererseits im Spannbereich und im Dichtbereich im wesentlichen gleiche kreisringförmige Kontaktflächen mit im wesentlichen gleichen spezifischen Flächenpressungen ergeben, die umso größer sind je kleiner der Kugelradius ist. Wählt man im Rahmen der kon­ struktiven Gestaltungsmöglichkeiten den Kugelradius im Hin­ blick auf eine hohe, die Abdichtung verbessernde Flächenpres­ sung im Dichtbereich klein, so ergibt sich auch im Spannbe­ reich eine hohe Flächenpressung, was zu übermäßiger Verfor­ mung und vorzeitigem Verschleiß im Spannbereich führt, so daß ein mehrmaliger Aus- und Einbau der Druckleitung häufig nicht möglich ist. Wählt man im Hinblick auf eine geringe Verformung im Spannbereich den Kugelradius groß, so ist die Flächenpressung im Dichtbereich und damit die eine Abdichtung fördernde Hertz′sche Verformung zu gering, so daß bei hohen Betriebsdrücken eine Dichtheit nicht gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung werden nun der Kugelradius der Gegen­ spannfläche so groß und der Kugelradius der Gegendichtfläche so klein gewählt, wie konstruktiv vertretbar ist. Dadurch ergibt sich bei entsprechender Ausgestaltung der Spannfläche einerseits und der Dichtfläche andererseits im Spannbereich eine kreisringförmige Kontaktfläche mit großem Radius, im Dichtbereich eine kreisringförmige Kontaktfläche mit kleinem Radius; bei vorgegebener Anzugskraft der Überwurfmutter hat dies im Spannbereich eine verhältnismäßig geringe Flächenpres­ sung mit geringem Verschleiß und geringer Verformung und im Dichtbereich eine verhältnismäßige hohe Flächenpressung mit hoher Hertz′scher Verformung und damit guter Abdichtung zur Folge.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion be­ steht darin, daß bei kleinem Durchmesser der Kontaktfläche im Dichtbereich auch die vom Betriebsdruck beaufschlagte Fläche des Dichtnippels und damit die diesen vom Dichtsitz abhebende Kraft klein wird, womit gleichzeitig auch die Überwurfmutter weiter entlastet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spannfläche und die Dichtfläche jeweils kegelig ausge­ bildet sind und einen im wesentlichen gleichen Kegelwinkel haben. Dann sind die Radien der Kontaktflächen jeweils ein­ deutig linear vom jeweiligen Kugelradius abhängig.

Zwischen der Gegenspannfläche und der Gegendichtfläche des Dichtnippels ist erfindungsgemäß eine im wesentlichen stetige Übergangsfläche ausgebildet; eine derartige Über­ gangsfläche läßt sich herstellungstechnisch in einfacher Weise, beispielsweise durch einen Stauchvorgang, formen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Übergangsfläche wenigstens in einem an die Gegendicht­ fläche anschließenden Bereich kegelförmig ist. Dieser ke­ gelförmige Bereich stellt eine herstellungstechnisch ein­ fache Verbindungsfläche zwischen der kugelförmigen Gegen­ dichtfläche und der kugelförmigen Gegenspannfläche dar. Für diesen Fall ist vorgesehen, daß der Kegelwinkel die­ ses kegelförmigen Übergangsflächenbereiches kleiner als der Kegelwinkel der Dichtfläche ist; diese Maßnahme hat den Zweck, daß sich die kegelförmige Übergangsfläche auch bei einer Fehlstellung des Dichtnippels gegenüber dem Ge­ genstück nicht an dessen Dichtfläche anlegt, so daß in eindeutiger Weise stets die kugelförmige Gegendichtfläche des Dichtnippels mit der Dichtfläche des Gegenstückes zu­ sammenwirkt.

Zwar ist aus der DE 26 31 984 A1 eine Rohrverschraubung be­ kannt, bei der Gegenspannfläche und Gegendichtfläche je­ weils kugelförmig mit zusammenfallendem Krümmungsmittel­ punkt ausgebildet sind und der Radius der Gegenspann­ fläche größer als der Radius der Gegendichtfläche ist. Die Dichtfläche des Gegenstückes ist hier aber ebenfalls kugelförmig und besitzt in etwa den gleichen Radius wie die Gegendichtfläche des Dichtnippels. Um hier überhaupt zu einer befriedigenden Abdichtung zu gelangen, ist es erforderlich, zwischen Dicht- und Gegendichtfläche ein zusätzliches Dichtungsmittel in Form eines O-Ringes vor­ zusehen, der in eine in die Gegendichtfläche des Dicht­ nippels eingearbeitete Nut eingesetzt ist und im zusammen­ gebauten Zustand an der Dichtfläche des Gegenstückes an­ liegt. Es findet kein unmittelbares Zusammenwirken zwi­ schen Gegendichtfläche und Dichtfläche statt, so daß auch die oben geschilderte Problematik der voneinander abhän­ gigen Flächenpressungen im Spannbereich einerseits und im Dichtbereich andererseits bei dieser bekannten Vorrich­ tung nicht in Erscheinung tritt. Somit vermag die DE 26 31 984 A1 nichts zur Lösung dieser Problematik beizutra­ gen, da sie diese nur umgeht und dafür den mit anderen gravierenden Nachteilen verbundenen Einsatz eines O-Dicht­ ringes in Kauf nimmt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kegelwinkel des kegelförmigen Übergangsflächen­ bereiches zwischen 2° und 25°, vorzugsweise um etwa 20° kleiner ist als der Kegelwinkel der Dichtfläche. Durch die vorzugsweise vorgesehene Ausgestaltung sind auch grös­ sere Fehlstellungen des Dichtnippels in der Größenordnung der halben Kegelwinkeldifferenz, d. h. etwa 10°, möglich, ohne daß die oben beschriebenen günstigen Eigenschaften des Druckleitungsanschlusses nachteilig beeinflußt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der mit Bezug auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Druckleitungs­ anschluß gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Druckleitungs­ anschluß gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel.

Die in Fig. 1 dargestellte Druckleitung 2 ist an ihrem in der Figur unteren Ende mit einem Dichtnippel 4 versehen. Dieser Dichtnippel 4 ist im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel einstückig an die Druckleitung 2 angestaucht.

Die Außenfläche des Dichtnippels 4 bildet in seinem der Druckleitung 2 nahen Bereich eine Gegenspannfläche 6, an die sich eine kegelige Spannfläche 8 einer Überwurfmutter 10 anlegen kann.

Der untere Bereich der Außenfläche des Dichtnippels 4 bildet eine Gegendichtfläche 12, die zur Anlage an der kegeligen Dichtfläche 14 eines in Fig. 1 strichpunktiert dargestellten Gegenstückes 16 bestimmt ist. Das Gegen­ stück 16 ist beispielsweise Teil einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine. Die durch die Dichtfläche 14 begrenzte Öffnung des Gegenstückes 16 mündet in eine zu der Einspritzdüse führende Bohrung 18.

Der Dichtnippel 4 der beispielsweise mit einer Einspritz­ pumpe in Verbindung stehenden Druckleitung 2 wird durch Aufschrauben der mit einem Innengewinde 20 versehenen Überwurfmutter 10 auf ein Außengewinde 22 des Gegenstückes 16 fest und flüssigkeitsabdichtend an die Dichtfläche 14 des Gegenstückes 16 angedrückt.

Die Gegenspannfläche 6 ist Teil einer Kugelfläche F₁ mit einem Kugelradius R₁ um den Mittelpunkt M. Die Gegendicht­ fläche 12 ist Teil einer Kugelfläche F₂ mit einem Kugel­ radius R₂ um den gleichen Mittelpunkt M.

Infolge dieser erfindungsgemäßen Gestaltung erfolgt eine Kippung der Druckleitung 2 in beliebiger Richtung stets um den Mittelpunkt M herum, wobei sich die Lage der Kon­ taktfläche zwischen Spannfläche und Gegenspannfläche ei­ nerseits sowie Dichtfläche und Gegendichtfläche anderer­ seits nicht ändert. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, bleiben die Spann- und Dichtverhältnisse auch bei einer in Fig. 1 strichpunktiert dargestellten und mit 2′ bezeichneten Fehlstellung der Druckleitung 2 stets gleich. Die Überwurf­ mutter 10 muß nur axiale Kräfte, jedoch keine Momente zum Ausrichten des Dichtnippels aufbringen. Die gesamte aus dem Anziehmoment resultierende Axialkraft steht also auch bei größeren Winkelfehlern voll zur Abdichtung zur Ver­ fügung.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist der Kugelradius R₁ der Gegen­ spannfläche 6 größer als der Kugelradius R₂ der Gegendicht­ fläche 12. Infolgedessen ist auch der Radius r₁ der als schraffierte Zone dargestellten Kontaktfläche 24 im Spann­ bereich größer als der Radius r₂ der ebenfalls als schraf­ fierte Zone dargestellten Kontaktfläche 26 im Dichtbereich. Demzufolge ist die Kontaktfläche 24 größer als die Kontakt­ fläche 26, so daß bei gegebener Spannkraft die spezifische Flächenpressung in der Kontaktfläche 24 geringer ist als in der Kontaktfläche 26.

Durch die Wahl der Kugelradien R₁ bzw. R₂ können die spe­ zifischen Flächenpressungen im Spannbereich einerseits und im Dichtbereich andererseits in einem bestimmten Rahmen für die jeweiligen Aufgaben optimiert werden. Wenn beispiels­ weise der Kugelradius R₂ der Gegendichtfläche 12 noch kleiner gewählt wird, rutscht der Dichtnippel 4 weiter in die Öffnung des Gegenstückes 16 hinein, so daß sich die Kontaktfläche 26 weiter verringert. Gleichzeitig kann auf diese Weise die vom Innendruck in der Leitung 18 beaufschlagte Fläche des Dichtnippels 6 verkleinert werden.

In gleicher Weise kann durch Vergrößern des Kugelradius R₁ (und eine entsprechende maßliche Anpassung der Überwurf­ mutter 10) die Kontaktfläche 24 im Spannbereich gegenüber der dargestellten Ausführung noch vergrößert werden.

Die Gegenspannfläche 6 und die Gegendichtfläche 12 sind über eine stetige Übergangsfläche 13 miteinander verbunden. Diese ist herstellungstechnisch einfach, beispielsweise durch einen Stauch- oder Schmiedevorgang, zu formen.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Druckleitungsanschluß, welches in wesentlichen Merkmalen mit denen des ersten Ausführungsbeispieles übereinstimmt. Diese übereinstimmenden Merkmale werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht mehr beschrieben. Der Dichtnip­ pel 104 weist wiederum eine kugelförmige Gegenspannfläche 106 und eine kugelförmige Gegendichtfläche 112 auf. Die zu­ geordneten Kugelradien R₁ bzw. R₂ gehen wiederum von einem gemeinsamen Mittelpunkt M aus. Insofern ist das Spann- und Abdichtverhalten bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel gleich dem des ersten Ausführungsbeispieles.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist die Gegenspannfläche 106 mit der Gegendichtfläche 112 über eine Übergangsfläche 113 ver­ bunden, die einen stetigen Verlauf hat. Der unmittelbar an die Gegendichtfläche 112 anschließende Übergangsflächenbe­ reich 115 ist kegelförmig ausgebildet. Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist der Kegelwinkel des kegeligen Übergangsflächenbe­ reiches 115 kleiner als der Kegelwinkel der Dichtfläche 114 des Gegenstückes 116. Die Differenz des Kegelwinkels kann beispielsweise 20° betragen, so daß der Dichtnippel 104 in allen Richtungen um die halbe Kegelwinkeldifferenz α ≈ 10° gegenüber der Mittelachse 117 der Anschlußanordnung gekippt werden kann, bis der kegelige Übergangsflächenbereich 115 zur Anlage an der Dichtfläche 114 kommt und eindeutige Ab­ dichtverhältnisse nicht mehr sichergestellt sind.

Claims (7)

1. Druckleitungsanschluß mit einem an einem Anschlußende der Druckleitung (2) angeordneten Dichtnippel (4), einer den Dichtnippel (4) übergreifenden Überwurfmutter (10) die sich mit einer Spannfläche (8) an eine Gegen­ spannfläche (6) des Dichtnippels anlegt, sowie einem Gegenstück (16) mit einer hohlkegelförmigen Dichtfläche (14), an die sich eine Gegendichtfläche (12) des Dicht­ nippels unmittelbar anlegt, wobei die nippelseitige Ge­ genspannfläche (6) sowie Gegendichtfläche (12) jeweils kugelförmig mit zusammenfallendem Kugelmittelpunkt (M) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R1) der Gegenspannfläche (6) größer als der Radius (R2) der Gegendichtfläche (12) ist.

2. Druckleitungsanschluß nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannfläche (8) hohl­ kegelförmig ausgebildet ist.

3. Druckleitungsanschluß nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spannfläche (8) und die Dichtfläche (14) im wesentlichen den gleichen Kegel­ winkel aufweisen.

4. Druckleitungsanschluß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gegenspannfläche (6, 106) und der Gegendichtfläche (12, 112) eine im wesentlichen stetige Übergangsfläche (13, 113) ausgebildet ist.

5. Druckleitungsanschluß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfläche (113) wenigstens in einem an die Gegendichtfläche (112) anschließenden Bereich (115) kegelförmig ist.

6. Druckleitungsanschluß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des kegelförmigen Übergangsflächenbereiches (115) kleiner ist als der Kegelwinkel der Dichtfläche (114).

7. Druckleitungsanschluß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des kegelförmigen Übergangsflächenbereiches (115) um 2° bis 25°, vorzugsweise um etwa 20° kleiner ist als der Kegelwinkel der Dichtfläche (114).