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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellentrieb, insbesondere
für eine
Dieseleinspritzpumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Nockenwellentrieb betrifft insbesondere
Dieseleinspritzpumpen zur Förderung von
Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems
für eine
Diesel-Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Die
Offenlegungsschrift
DE
101 38 362 A1 offenbart einen gattungsgemäßen Nockenwellentrieb für eine Dieseleinspritzpumpe
zur Förderung
von Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail
eines Kraftstoffeinspritzsystems. Der Nockenwellentrieb umfasst
eine Nockenwelle mit einem exzentrischen Abschnitt, welcher den
Nocken bildet. Über
dem exzentrischen Abschnitt wälzt
eine Laufrolle ab, wobei die Laufrolle in einem Rollenschuh drehbar
aufgenommen ist, und mit einem Rollenstößel eine Hubbewegung ausführt. Die
Laufrolle wird mittels einer Hochdruckfeder gegen die Nockenbahn
auf dem exzentrischen Abschnitt der Nockenwelle gedrückt. Die
Hubbewegung wird auf einen Kolben übertragen, welcher mit einem Ventilverband
zusammenwirkt, um den Kraftstoff zu verdichten.
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Weitere
Ausführungsformen
der hier interessierenden Dieseleinspritzpumpe können auf einer Nockenwelle
mehrere Nockenabschnitte umfassen, so dass mehrere Laufrollen auf
jeweils zugeordneten Nockenbahnen abwälzen. Die Nockenwelle ist mittels
einer Lagerung im Gehäuse
des Nockenwellentriebes drehbar aufgenommen. Die Rotation der Nockenwelle
erfolgt um eine gehäusefeste
Nockenwellenachse. Die Kraftstoffdrücke, die zur Förderung
des Kraftstoffs in den Hochdruckspeicher entstehen, können bis
zu 2 kbar betragen, wobei in Einzelfällen der zu erzeugende Druck
im Kraftstoff sogar noch höher liegen
kann. Durch die hohen Förderdrücke entstehen
erhebliche Kontaktkräfte
zwischen der Laufrolle und der Nockenbahn, wobei ferner bei einer
langen Betriebsdauer des Nockenwellentriebes für einen zuverlässigen Einsatz
sehr hohe Genauigkeiten gefordert sind. Die hohen Genauigkeiten
betreffen insbesondere die Führung
des Rollenstößels innerhalb des
Laufzylinders im Gehäuse,
so dass sich die Laufrolle, der Rollenschuh sowie der Rollenstößel entlang der
Hubachse bewegen kann. Um eine Verdrehsicherung der Laufrolle über der
Nockenbahn der Nockenwelle zu schaffen, sind aus dem Stand der Technik
Mittel bekannt, um die radiale Position des Rollenschuhs bzw. des
Rollenstößels zu
fixieren. Damit wird das Ziel verfolgt, die Laufrolle gegenüber der Ausrichtung
der Nockenbahn zu positionieren. Die Mittel zur Verdrehsicherung
können
Gleitsteine umfassen, wobei die Gleitsteine entweder gehäusefest angeordnet
sind und im Rollenstößel eine
Nut vorgesehen ist, wobei auch Ausführungen bekannt sind, in denen
der Nutenstein mit dem Rollenstößel eine Hubbewegung
ausführt,
und eine Führungsbahn
im Gehäuse
selbst eingebracht ist. Neuere Ausführungen von Dieseleinspritzpumpen
mit einem Nockenwellentrieb sind jedoch führungsmittellos ausgeführt, so
dass der Verband aus der Laufrolle, dem Rollenschuh sowie dem Rollenstößel lediglich über den Kontakt
der Laufrolle auf der Nockenbahn geführt wird. So lange die Laufrolle
eine Hubbewegung ausführt,
d.h. auf dem Nockenanlauf oder dem Nockenablauf verläuft, stellen
sich geometrische Verhältnisse
zwischen der Hubachse und der Kontaktlinie zwischen der Laufrolle
und der Nockenbahn ein, die die Laufrolle gegenüber der Nockenbahn ausrichten.
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Verdrehsicherungen
wie Gleitsteine, Stifte und dergleichen, welche die hubbeweglichen
Komponenten in ihrer Verdrehung um die Hubachse ausrichten sollen,
können
lediglich eine makroskopische Ausrichtung bewirken, welche vergleichsweise
große Winkelbereiche
betrifft. Die Vermeidung von kleineren und sehr kleinen Verdrehwinkeln
sind auch mit den Führungseinrichtungen
wie Gleitsteinen oder Stiften nicht erzielbar, da die Führungseinrichtungen funktionsgemäß ein gewisses
Spiel aufweisen müssen.
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Bei
der Ausrichtung der Laufrolle, des Rollenschuhs sowie des Rollenstößels in
ihrer Verdrehung um die Hubachse entsteht jedoch das Problem, dass
aufgrund von Toleranzen wie: Fertigungstoleranzen, Spiel, Unstetigkeiten,
elastische oder sogar plastische Deformationen der hubbeweglichen
Komponenten, des Gehäuses
oder der gesamten Konstruktion sowie einer Torsionsneigung der Hochdruckfeder,
welche die Laufrolle auf die Nockenbahn druckt, Abweichungen vom
genauen Lauf der Laufrolle über
der Nockenbahn entstehen.
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Die
Torsion in der Hochdruckfeder entsteht insbesondere bei der Kompression
der Hochdruckfeder, welche im Zusammenspiel mit den genannten Toleranzen
eine Verdrehung des Rollenstößels und damit
der Laufrolle um die Hubachse bewirkt. Ferner kann die Laufrolle
in ihrer axialen Rotationsachse gegen den Anlauf im Rollenstößel anlaufen,
und einen Verschleiß verursachen.
Die Rollenkuppen begrenzen die Laufrolle in axialer Richtung gegen
die seitliche Aufnahme des Rollenstößels. Die Laufrollen liegen
daher je nach Toleranz immer an einem der beiden axialen Anschläge mit einer
der Rollenkuppen im Rollenstößel an und
können
somit einen Verschleiß erzeugen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dieseleinspritzpumpe
zu schaffen, welche die bekannten Nachteile des Standes der Technik
vermeidet und auftretende Toleranzen innerhalb des Hubsystems im
Nockenwellentrieb ausgleicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Nockenwellentrieb für eine Dieseleinspritzpumpe
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Nockenbahn derart ausgebildet
ist, dass die Kontaktlinie mit der Nockenwellenachse abhängig von
der Drehung der Nockenwelle einen Winkel einschließt.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Nockenbahn ermöglicht
einen gezielten Toleranzausgleich im Laufrollenverband. Der Laufrollenverband umfasst
dabei die Laufrolle selbst, den Rollenschuh sowie den Rollenstößel. Ferner
ist der Rollenstößel mit
einem Kolben verbunden, welcher sich in den Ventilverband hinein
erstreckt und die Kompression des Kraftstoffs über eine Hubbewegung ermöglicht. In
einem idealisierten Normalzustand verläuft die Kontaktlinie parallel
zur Nockenwellenachse. Von der idealisierten Anordnung abweichende
Anordnungen aufgrund geometrischer Fehler, Toleranzen und dergleichen
entsteht eine Anordnung der Kontaktlinie gegenüber der Nockenwellenachse unter
einem Winkel α.
Die beiden Geraden, welche aus der Nockenwellenachse sowie aus der
Kontaktlinie gebildet werden, können
mathematisch als „windschief" bezeichnet werden,
d.h., die beiden Geraden liegen nicht in einer Ebene. Der Winkel α zwischen
der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie ist daher in der Projektion
der Nockenwellenachse sowie der Kontaktlinie in die Ebene zu verstehen,
welche durch die Nockenwellenachse sowie die Hubachse aufgespannt
wird. Damit ist die räumliche
Betrachtung auf eine zweidimensionale Betrachtung reduziert, wobei
die Kontaktlinie durch eine virtuelle Verlängerung des Linienkontaktes
zwischen der Laufrolle und der Nockenbahn gebildet werden kann.
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Die
Bestimmung der Winkelabweichung der Nockenbahn über der Volldrehung in ihrer
Neigung zur Nockenwellenachse kann beispielsweise mittels einer
FEM-Simulation erfolgen, bei der auftretende Toleranzen im Rollenverband
bewusst vorgegeben werden. Im Ergebnis der Simulation kann eine
Nockenbahn bestimmt werden, deren Neigung zur Nockenwellenachse
abhängig
vom Rotationswinkel der Nockenwelle unterschiedliche Werte annimmt.
Toleranzen im Rollenverband, welche bewirken, dass die Rolle beispielsweise
axial gegen den Rollenschuh anläuft
oder dass der Rollenstößel eine
Verkippung in der Führung
im Gehäuse
des Nockenwellentriebes ausführt,
kann durch die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse ausgeglichen werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der Winkel α zwischen der Nockenwellenachse
und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle veränderlich.
Mit der sich ändernden
Verdrehung der Nockenwelle übt
die Laufrolle sowie der Laufschuh eine Hubbewegung aus, so dass
die Neigung der Nockenbahn gegenüber
der Nockenwellenachse mit dem Hub der Laufrolle in der Hubachse
in ein Verhältnis
gebracht werden kann. Ferner besteht die Möglichkeit, erkennbare Verschleißbilder
an der Laufrolle bzw. am Laufrollenverband durch bewusste Einbringung
von Neigungen in die Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse entstehen
zu lassen. Zeigt die Laufrolle an einer Rollenkuppe in axialer Richtung
beispielsweise einen Verschleiß,
so kann die Nockenbahn insgesamt als eine konische Nockenbahn ausgeführt sein,
so dass durch ein Gefälle
in der Nockenbahn in Richtung der Nockenwellenachse der Zeitraum
bzw. der Winkelbereich, in dem die Rolle seitlich gegen den Rollenstößel anläuft, minimiert
wird.
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Vorteilhafterweise
nimmt die Kontaktlinie in einer parallelen Ausrichtung zur Nockenwellenachse eine
Nulllage ein und weicht mit der Drehung der Nockenwelle von der
Nulllage ab. Die Nulllage bildet dabei den Idealzustand, so dass
die Neigung der Nockenbahn gegenüber
der Nockenwellenachse auf dem gesamten Umfang der Nockenbahn in
Richtung der Nockenwellenachse immer eine Parallele bildet. Die
Neigung der Nockenbahn kann dabei sowohl in der einen Erstreckungsrichtung
der Nockenwellenachse als auch in der anderen Erstreckungsrichtung der
Nockenwellenachse ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung nimmt die Kontaktlinie über der Volldrehung der Nockenwelle
die Nulllage in einer rotationsabhängigen Position ein. Abhängig davon, ob
der Nockenwellentrieb mit einer Nocke, mit zwei Nocken oder mit
mehreren Nocken ausgebildet ist, durchläuft die Laufrolle ein oder
mehrere obere Totpunkte sowie ein oder mehrere untere Totpunkte über der
Volldrehung. Daher besteht die Möglichkeit,
die Nulllage, d.h. die parallele Ausrichtung der Kontaktlinie mit
der Nockenwellenachse in den oberen Totpunkt zu legen. Ebenso ist
es möglich,
die Nulllage der Kontaktlinie im unteren Totpunkt vorzusehen. Durchläuft die
Kontaktlinie lediglich eine Nulllage über der Volldrehung der Nockenwelle,
so weicht die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse lediglich
in einer Richtung ab. Nimmt jedoch die Kontaktlinie über der
Volldrehung der Nockenwelle zwei oder mehrere Nulllagen ein, so
kann die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse in
zwei Richtungen ausgebildet sein. Damit übt die Kontaktlinie der Laufrolle
auf der Nockenbahn zwei Nulldurchläufe aus. Diese Nulldurchläufe können beispielsweise
ebenfalls in den oberen Totpunkt oder in den unteren Totpunkt der Laufrolle über der
Volldrehung der Nockenwelle gelegt werden. Der Nulldurchgang, d.h.
die Durchkreuzung der Nulllage durch die Kontaktlinie kann jedoch auch
im Nockenanlauf oder im Nockenablauf liegen. Der Nockenanlauf beschreibt
dabei das Winkelsegment der Drehung der Nockenwelle, in dem die
Laufrolle einen Hub in Richtung des Ventilverbandes entlang der
Hubachse ausführt.
Der Rollenablauf hingegen beschreibt den Rückhub der Laufrolle entlang der
Hubachse. Alternativ kann die Neigung der Nockenbahn im Nockenanlauf
gezielt eine andere Richtung haben als im Nockenablauf. Im Extremfall
sogar gegensinnig. Durch eine umlaufend konische oder durch die
gegensinnige Ausbildung der Neigung kann zusätzlich die Rolle gezielt von
einem axialen Anschlag der Rollenkuppe zum anderen Anschlag bewegt
werden, damit der Verschleiß der
Rollenkuppen minimiert werden kann.
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Vorteilhafterweise
führt die
Laufrolle mittels des veränderlichen
Winkels α der
Nockenwellenachse und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle
eine vorbestimmte Drehbewegung um die Hubachse aus. Damit ist mittels
des veränderlichen Winkels α zwischen
der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle
ein Drehmoment in die Laufrolle einleitbar. Die Laufrolle ist dabei
mittels einer Hochdruckfeder gegen die Nockenbahn gedrückt, wobei
bei einer Kompression der Hochdruckfeder ein Moment um die Hubachse
in die Laufrolle eingeleitet wird. Vorteilhafterweise besteht die
Möglichkeit,
dass das durch die Hochdruckfeder in die Laufrolle eingeleitete
Drehmoment mittels des durch den veränderlichen Winkel zwischen
der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie in die Laufrolle eingeleitete
Gegendrehmoment kompensierbar ist.
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Gemäß einer
möglichen
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der veränderliche
Winkel α zwischen
der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie einen Wert von 0,001° bis 3° aufweist.
Der veränderliche
Winkel zwischen 0,001° und
3° kann
mittels einer FEM-Simulation über
der Umdrehung der Nockenwelle optimiert werden. Der angegebene Winkelbereich
ist lediglich als ein Winkelbereich einer möglichen Ausführungsform
zu bewerten, und ist nicht als Einschränkung im Sinne des Schutzumfangs
der vorliegenden Erfindung zu sehen.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figur näher
dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Es
zeigt:
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1 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines Nockenwellentriebes mit einer
Nockenbahn gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 eine
zweite quergeschnittene Seitenansicht eines Nockenwellentriebes,
wobei die erfindungsgemäße Neigung
der Nockenbahn an einer anderen Position gezeigt ist.
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In
den 1 und 2 ist ein Nockenwellentrieb 1 in
der Ausgestaltung einer Dieseleinspritzpumpe zur Förderung
von Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher gezeigt. Der Nockenwellentrieb 1 umfasst
ein Gehäuse 2,
in dem eine Nockenwelle 3 drehbar aufgenommen ist. Die
Nockenwelle 3 erstreckt sich entlang der einer Nockenwellenachse 4, welche
die Rotationsachse der Nockenwelle 3 bildet. Die Nockenwelle 3 ist
im Gehäuse 2 über zwei
Gleitlager gelagert, wobei die Nockenwelle 3 zwischen den
beiden Gleitlagern einen Nockenabschnitt aufweist, welcher eine
umfangsseitige Nockenbahn 5 umfasst. Auf der Nockenbahn 5 wälzt eine
Laufrolle 6 ab, wobei die Nockenbahn 5 zwei Nocken
umfasst, welche sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende der
Bildebene in der Nockenbahn 5 ausgebildet sind.
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Die
Laufrolle 6 ist in einer Hubachse 7 hubbeweglich
aufgenommen, wobei die Hubachse 7 in einem Winkel von 90° gegenüber der
Nockenwellenachse 4 angeordnet ist. Wird die Nockenwelle 3 in Rotation
versetzt, so führt
die Laufrolle 6 aufgrund der Abwälzbewegung über die Nockenbahn 5 und
die in dieser eingebrachten Nocken eine Hubbewegung in der Hubachse 7 aus.
Die Laufrolle 6 ist in einem Rollenschuh 10 drehbar
aufgenommen, wobei der Rollenschuh 10 wiederum innerhalb
eines Rollenstößels 11 eingebracht
ist. Die Laufrolle 6, der Rollenschuh 10 und der
Rollenstößel 11 bilden
einen Laufrollenverband, welcher die Hubbewegung über der Nockenbahn 5 der
Nockenwelle 3 ausführt.
Aus dem Rollenverband erstreckt sich ein Hochdruckkolben 12,
welcher zur Kompression des Dieselkraftstoffs mit einem Ventilverband 13 zusammenwirkt.
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Die
Laufrolle 6 bildet einen Linienkontakt mit der Nockenbahn 5,
wobei der Linienkontakt entlang einer Kontaktlinie 8 verläuft. Wenn
die Nockenbahn 5 neigungsfrei ausgebildet ist, verläuft diese
entlang einer Nulllage. In 1 ist die
Nulllage mit dem Bezugszeichen 8' und in 2 mit dem
Bezugszeichen 8 versehen. Die Nulllage 8' in 1 ist
auf der in der Bildebene unteren Seite der Nockenbahn 5 gezeigt und
steht nicht im direkten Kontakt mit der Laufrolle 6. In 2 fällt die
Nulllage mit der Kontaktlinie 8 zusammen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Nockenbahn 5 derart ausgebildet, dass
die Nockenwellenachse 4 mit der Kontaktlinie 8 abhängig von der
Drehung der Nockenwelle 3 einen Winkel α einschließt. Der Winkel α ist in der 1 sowohl
zwischen der Nulllage und der Kontaktlinie 8 angedeutet,
und wiederholt sich im Sinne eines Wechselwinkels zwischen der Nockenwellenachse 4 und
der Kontaktlinie 8. Die Laufrolle 6 folgt der
Neigung durch den Winkel α in
der Oberfläche
der Nockenbahn 5, und kann Toleranzen sowie eingeleitete
Drehmomente durch die Hochdruckfeder 9 ausgleichen. Ferner
kann die Laufrolle 6 im Kontakt der Rollenkuppe 14 an
dem Rollenstößel 11 gelöst werden,
so dass der Verschleiß zwischen
der Laufrolle 6 und dem axialen Anlauf im Rollenstößel 11 minimiert
wird.
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In 1 ist
die Neigung in der Nockenbahn 5 in Kontakt mit der Laufrolle 6 gezeigt,
wobei die Laufrolle 6 in der Darstellung in 1 mit
der ersten Nocke in der Nockenbahn 5 in Kontakt steht.
Gemäß der Darstellung
in 2 ist die Nocke mit der eingebrachten Neigung
in der Nockenbahn 5 180° versetzt zum
Kontakt der Laufrolle 6 mit der Nockenbahn 5 dargestellt.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.