(57)【要約】  本発明は、動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばね（１）であって、円筒形のコイルに巻かれたばね線材（２）から成っている形式のものに関する。圧縮ばね（１）は、動的に負荷されるエレメントの設計を考慮して最適化され、この場合ばね線材（２）のばね鋼（２）の材料、横断面ジオメトリ（ｄ）及び表面（３）が、互いに合わせられている。この場合ばね鋼（２）の表面（７）は耐摩耗性及び／又は減摩擦性に改質されている。択一的に又は補足的に、ばね線材（２）の材料は弁鋼であり、かつ／又はばね鋼（２）の横断面ジオメトリは、真円とは異なった、少なくともほぼ楕円形又は対数的にプロファイリングされた形状で形成されている。本発明はまた、このような圧縮ばね（１）を製造する方法及びこのような圧縮ばね（１）の使用にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばね（１）であって、コイルに巻かれたばね線材（２）から成っている形式のものにおいて、ばね線材（２）の表面（３）が耐摩耗性及び／又は減摩擦性に改質されており、ばね線材（２）の材料、横断面ジオメトリ（ｄ）及び表面（３）が、所定のばね特性を得るために互いに合わせられていることを特徴とする、動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばね。
【請求項２】
ばね線材（２）の表面（３）が、軟窒化によって改質されている、請求項１記載の圧縮ばね。
【請求項３】
ばね線材（２）の表面（３）が、ダイヤモンド状の炭素層の被着によって改質されている、請求項１又は２記載の圧縮ばね。
【請求項４】
ばね線材（２）の表面（３）が、ＴｉＣ層及び／又はＴｉＮ層の被着によって改質されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項５】
プラズマ溶射層によって改質されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項６】
ばね線材（２）の表面（３）が、固形滑剤のコーティングによって改質されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項７】
ばね線材（２）の表面（３）が、ナノ粒子層の被着によって改質されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項８】
ばね線材（２）の表面（３）が、イオン注入法によって改質されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項９】
動的に負荷されるエレメントを制御するための圧縮ばね（１）であって、コイルに巻かれたばね線材（２）から成っている形式のもの、特に請求項１から８までのいずれか１項記載の圧縮ばね（１）において、ばね線材（２）の材料が弁鋼であり、ばね線材（２）の材料、横断面ジオメトリ（ｄ）及び表面（３）が、所定のばね特性を得るために互いに合わせられていることを特徴とする、動的に負荷されるエレメントを制御するための圧縮ばね。
【請求項１０】
弁鋼が０.５％〜０.７％の炭素を含有している、請求項９記載の圧縮ばね。
【請求項１１】
弁鋼が０.８％〜１％のケイ素を含有している、請求項９又は１０記載の圧縮ばね。
【請求項１２】
弁鋼が１.０％〜１.３％のマンガンを含有している、請求項９から１１までのいずれか１項の圧縮ばね。
【請求項１３】
弁鋼がクロム・バナジウム鋼である、請求項９記載の圧縮ばね。
【請求項１４】
弁鋼がクロム・ケイ素鋼である、請求項９記載の圧縮ばね。
【請求項１５】
弁鋼が、非金属及び／又は非酸化の含有物の含有を減じるために、溶融法によって処理されている、請求項９から１４までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項１６】
動的に負荷されるエレメントを制御するための圧縮ばねであって、コイルに巻かれたばね線材（２）から成っている形式のもの、特に請求項１から１５までのいずれか１項記載の圧縮ばねにおいて、ばね線材（２）横断面ジオメトリ（ｄ）が、真円とは異なった、少なくともほぼ楕円形又は対数的にプロファイリングされた形状で形成されており、ばね線材（２）の材料、熱処理、横断面ジオメトリ（ｄ）及び表面（３）が、所定のばね特性を得るために互いに合わせられていることを特徴とする、動的に負荷されるエレメントを制御するための圧縮ばね。
【請求項１７】
圧縮ばねが対称的に逓増的に形成されている、請求項１６記載の圧縮ばね。
【請求項１８】
ばね線材（２）の表面（３）が、押圧内部応力を減じるために、有利には皮むき又はショットピーニングによって処理されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の圧縮ばね。
【請求項１９】
コイルに巻かれたばね線材（２）から成っていて動的に負荷されるエレメントを制御するために働く、請求項１から１８までのいずれか１項記載の圧縮ばね（１）を製造する方法であって、ばね線材（２）の材料、熱処理、横断面ジオメトリ（ｄ）及び表面（３）を、エレメントの所望の動的な特性に関連して、選択しかつ互いに合わせることを特徴とする、圧縮ばねを製造する方法。
【請求項２０】
ばね線材（２）の表面（３）を耐摩耗性及び／又は減摩擦性に、２２０℃のプロセス温度で改質、特に被覆する、請求項１９記載の圧縮ばねを製造する方法。
【請求項２１】
請求項１から２０までのいずれか１項記載の圧縮ばね（１）の使用であって、特に燃料噴射系用の液圧式のポンプの、弁又はカム駆動機構のピストンと共働する、圧縮ばねの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばねであって、特に円筒形のコイルに巻かれたばね線材から成っている形式のものに関する。
【０００２】
円筒形の圧縮コイルばねはしばしば、クラッチ、ブレーキ、弁、スイッチ及びこれに類したものにおける圧着ばね、レリーズばね又は戻しばねとして使用される。特別な仕様可能性としては、コイルばねがプッシュロッドを戻すために使用される例えば高圧噴射系及び液圧式駆動装置の構成部材が挙げられる。
【０００３】
このような系において望まれていることは、このような系の構成部材をそれぞれ次のように、すなわち構造容積を最小にすると同時に、少なくとも等しいままの、有利には上昇する出力レベルが得られるように、設計することである。このことは、構成部材の高められた動的な負荷を伴う。
【０００４】
例えば、ディーゼル機関又はオット機関用のコモンレール系のための高圧ポンプの駆動装置及び、これらにおいて使用される機械エレメント、例えばカムローラは、常に、極めて大きな動的な負荷を受け、この場合このようなカム駆動装置の出力もしくは能力は、得られる最大のカム速度によって規定される。可能な加速もしくは遅延が大きくなればなるほど、強度は低下し、得られる耐用寿命は短くなり、そして構造空間の低減もより困難になる。
【０００５】
例えばカムを、中空半径の形成下で凹面状の湾曲をもつカム上昇で及び／又は接線をもつカム降下で形成することによって、カム形状が弁の制御時における速度及び加速に関して最適化されると、圧縮コイルばねのために利用できる構造空間は強制的に小さくなる。従ってこの場合に使用される圧縮ばねに対する高度な要求は、構造容積を同時に減じる場合、さらに高まることになる。
【０００６】
それにもかかわらず、その都度の使用例に対してばね作用が適切な圧縮コイルばねを、このように減じられた構造空間内に収容できるようにするために、ばね線材横断面は相応に減じられるもしくはジオメトリを最適化されねばならず、このことはしかしながら圧縮コイルばねにおける摩耗及び／又は疲れに関して問題がある。
【０００７】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の、動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばね、特に燃料噴射系用の液圧式ポンプのカム駆動装置又は弁のピストンのような、動的に負荷されるエレメントを制御する圧縮ばねを改良して、燃料噴射系のような系において、許容負荷限界のより大きな利用、より僅かな摩耗及び、小さな構造容積での実現を可能にする圧縮ばねを提供することである。
【０００８】
この課題を解決するために本発明の圧縮ばねは、冒頭に述べた形式の圧縮ばねにおいて、請求項１、請求項７又は請求項１４の特徴部に記載のように構成されている。このような圧縮ばねの製造方法は請求項１７に記載され、このような圧縮ばねの使用は請求項１９に記載されている。
【０００９】
発明の利点
本発明は、ばね線材の材料、横断面ジオメトリ及び表面が、所定のばね特性を得るために選択されかつ互いに合わせられていることによって、傑出している。
【００１０】
このような選択及び調整は、本発明によれば特に動的に負荷されるエレメントに関して行われる。言い換えれば、動的に負荷されるエレメントの設計と、圧縮コイルばねの設計とは相互に作用し合う。構造空間が所定されていて、コイルばねの負荷限界が、動的に負荷されるエレメントによって所定される使用例に合わせて得ることが望まれている場合には、得るべきばね特性が所定されており、従ったコイルばねのばね線材の個々のコンポーネント、つまり材料、横断面ジオメトリ及び表面は、選択されかつ互いに合わせられる。
【００１１】
この場合ばね線材の規定の材料選択、熱処理、横断面ジオメトリの規定の構成及び表面の規定の特性は、互いに補足し合い、これらは相互に作用し合うので、その結果圧縮コイルばねの規定された全体特性が形成される。
【００１２】
材料の選択と横断面ジオメトリの構成の他に、熱処理の選択も、所望のばね特性に相応して合わせられると、特に有利である。
【００１３】
目的に合わせられた選択によって、それぞれ個々に最適化された圧縮コイルばねは、それぞれの許容行程応力においてより高い負荷を受けることができるようになり、この場合ばね線材の個々の巻条の間における摩擦及び摩耗、並びに圧縮コイルばねと圧縮コイルばねを固定するエレメントとの間における摩擦及び摩耗を減じることができる。
【００１４】
本発明の第１の解決策によれば、耐摩耗性及び／又は減摩擦の表面層を形成するために、ばね線材の表面が改質されている。
【００１５】
これは通常次のことによって達成される。すなわちこの場合ばね線材のためにそれぞれ使用される材料が焼入れされ、これによって、摩耗の原因となる巻条間における自己研磨作用（Selbstscheuereffekt）が大きな影響を及ぼすことがなくなる。
【００１６】
有利な表面改質としては、軟窒化、プラズマ溶射層、イオン打込みもしくはイオン注入法を挙げることができる。さらに別の有利な構成では、ダイヤモンド状の炭素層及びそのバリエーション並びにＴｉＣ層及びＴｉＭ層、並びに特にいわゆる「ソリッド滑剤コーティング」から成る層、及びナノ粒子の硬質層が、ばね線材の表面に形成されている。
【００１７】
本発明の第２の解決策によれば、本発明による圧縮コイルばねのばね線材が、高純度又は合金の鋼である弁鋼から製造されている。
【００１８】
この場合特に次のような弁鋼、すなわち０.５％〜０.７％の炭素を含有する弁鋼、０.５％〜０.７％の炭素を含有する弁鋼、０.８％〜１.０％のケイ素を含有する弁鋼、１.０％〜１.３％のマンガンを含有する弁鋼、あるいはクロム・バナジウム鋼又はクロム・ケイ素鋼が適している。
【００１９】
このような高純度もしくは合金の弁鋼では、有利な構成では、真空溶解又は鋳直しのような溶融法によって、例えば硫化マンガンのような非金属の含有物の量及び／又は酸化の影響が減じられる。
【００２０】
高純度の鋼を使用すると、このような弁鋼によって製造された圧縮コイルばねの許容行程応力を著しく高めることができるという、大きな利点が得られる。
【００２１】
本発明の別の有利な構成では、付加的な最適化処置としてばね鋼の横断面ジオメトリが、真円とは異なった、少なくともほぼ楕円形又は対数的にプロファイリング（logarithmisch-profiriert）された形状で形成されている。
【００２２】
横断面ジオメトリを所望のように変えることによって、横断面にわたる応力分布に関する特性を調節することができ、圧縮コイルばねによって制御されるエレメントの使用領域の動的な必要性に関して最適化することができる。例えばばね線材の横断面ジオメトリは、楕円形もしくは卵形に、さらにまた対数的にプロファイリングされて形成することができる。楕円形の鋼線材横断面は有利には、圧縮コイルばねのいわゆるブロック長さに対するセーフティ間隔を大きくできるように、変えることが可能である。さらに、楕円形、卵形又は対数的にプロファイリングされた横断面によって、圧縮コイルばねの内部における長い自由路を得ることができる。このような構成はさらに、対称的に逓増的なばねの製造を可能にし、ひいてはこのような圧縮コイルばねのために必要な構造空間を減じる。
【００２３】
本発明の別の観点に関して言えば、ばね線材の表面を加工することによって、圧縮コイルばねをその押圧内部応力（Druckeigenspannung）に関して最適化することができる。この場合例えばばね線材表面の皮むき（Schaelen）又はショットピーニング（Kugelstrahlen）による処理が使用される。
【００２４】
本発明のさらに別の観点としては、ばね線材の表面の適宜な熱処理が挙げられ、このような熱処理はコーティングプロセス中に行うことができる。
【００２５】
最適化のためのすべての処置は、それぞれに又は互いに組み合わせて実施することができ、そしてそれぞれ個々の事例のために最適なされた圧縮コイルばねを製造することができる。
【００２６】
例えば、液圧駆動装置における弁のための圧縮コイルばねは、コモンレール系の弁のための圧縮コイルばねとは異なった寸法及び構成で形成される。
【００２７】
本発明による圧縮ばねは、弁又はカム駆動装置のピストンとの関連において、特に、例えば自体公知の形式のコモンレール噴射系のような燃料噴射系用の液圧式のポンプとの関連において、特に有利に使用される。
【００２８】
カム駆動装置において本発明による圧縮ばねを使用する場合、カムを、最大のカム速度に関して有利に寸法設定することができ、これによって系全体を、その液圧出力及び耐用寿命に関して改善することができる。それというのは、例えば高いブレークスピードもしくは離脱回転数（Abspringdrehzahl）に基づいて摩耗及び疲れ現象を減じることができるからである。また、生じるオーバスイング（Oberschwingung）を良好に補償するために、湾曲凹部を備えたカム及び／又は接線を有するカム経過は、利用できる同じ構造空間で、構成することができる。それというのは、本発明による圧縮ばねは極めて小さな構造空間しか必要としないからである。
【００２９】
本発明はまた、このような圧縮ばねを製造する方法にも関しており、圧縮ばねの製造時に、ばね線材の材料、横断面ジオメトリ及び表面の選択は、圧縮コイルばねが運転時に共働するエレメントの所望の動的な特性に関連して行われ、互いに合わせられる。圧縮ばねの設計は、動的に負荷されるエレメントの設計を規定し、かつ逆に動的に負荷されるエレメントの設計は圧縮ばねの設計を規定する。
【００３０】
本発明による圧縮ばねの製造時に、被覆プロセス中に、２２０℃未満の被覆温度で作業を行うと有利である。それというのは、これによって圧縮コイルばねの弛緩特性もしくは緩和特性を著しく改善することができ、特に、通常極めて不都合だと見なされる行程応力の降下を、大きな過剰応力（Ueberspannung）の場合でも十分に回避することができる。
【００３１】
本発明の別の利点及び有利な構成は、請求項、図面及び以下の記載に開示されている。
【００３２】
図面
次に図面を参照しながら、本発明による圧縮ばねの１実施例を説明する。
【００３３】
図１は、本発明による圧縮ばねを示す図である。
【００３４】
圧縮コイルばねを形成する圧縮ばね１は、円筒形に巻かれたばね線材２から製造されている。
【００３５】
ばね線材２の材料、横断面ジオメトリ及び表面は、図示の構成では所定のばね特性を得るために互いに合わせられており、この場合所定のばね特性は、コモンレール燃料噴射系の高圧燃料噴射ポンプのカム駆動装置のピストンにおける使用に相当している。
【００３６】
この場合横断面ジオメトリのためには、真円形の直径ｄが選択されており、この直径ｄは、与えられる負荷に相応して寸法設定されている。
【００３７】
ばね線材２の材料としては図示の実施例では、表面処置によって改質された弁鋼が選択されており、その結果ばね線材２の表面３は耐摩耗性及び減摩擦性に形成されている。このようにして、圧縮ばね１の完全な圧縮時におけるばね線材２の接触時には、圧縮ばね１の互いに隣接する巻条４，４′の間における摩擦が小さく保たれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による圧縮ばねを示す図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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