DE102009002434A1

DE102009002434A1 - Kolbenpumpe, insbesondere Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE102009002434A1
Application number: DE200910002434
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-10-21
Also published as: CN102395788B; CN102395788A; EP2419635B1; EP2419635A1; WO2010118903A1

Abstract

Kolbenpumpe (10), insbesondere Kraftstoffpumpe, mit einer Welle (12), mindestens einer darauf angeordneten Nocke (4), einem Kolben und einer zwischen Kolben und Nocke (14) angeordneten Laufrolle (20) zum Abrollen auf der Nocke (14), wobei an mindestens einer Stirnseite der Nocke (14) eine freistichartige Ausnehmung (16) vorhanden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kraftstoffpumpen von Brennkraftmaschinen, die als Kolbenpumpen ausgeführt sind und über einen Nockenantrieb betätigt werden, sind vom Markt her bekannt. In einigen Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen werden sie auch als sogenannte ”Steckpumpen” ausgeführt. Als solche wird ein Pumpenmodul in eine Öffnung beispielsweise im Motorblock der Brennkraftmaschine eingesteckt. In DE 10 2006 045 933 wird eine Ausführung beschrieben, bei der eine die Verbindung zwischen Nocke und Kolben herstellende Laufrolle in einem Rollenschuh gelagert ist. Zum Ausgleich von Toleranzen wird der die Laufrolle führende Rollenschuh leicht kippbar gelagert, so dass Kantenträger, das heißt, eine übermäßige Druckbeanspruchung an der Kante von Mantelfläche und Stirnseite einer Nocke vermieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb einer Kraftstoffpumpe zu verbessern, insbesondere deren Lebensdauer zu verlängern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Als Folge von Herstellungenauigkeiten der Laufrolle oder der Nocke, oder von nicht genau parallelen Drehachsen der Laufrolle und der die Nocke tragenden Welle können vor allem am Rand der Nocke hohe Druckspannungen im Bereich der radialen Außenfläche der Nocke entstehen, die – ohne Gegenmaßnahmen – zu sogenannten ”Kantenträgern” führen können, also kerbartigen oder kantigen Unebenheiten in der Außenfläche der Nocke. Die Entstehung solcher Kantenträger wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen verhindert oder zumindest erheblich reduziert. Weil die für die Kantenträger ursächlichen Toleranzen zumeist sehr kein sind, genügen zum Ausgleich entsprechend kleine und lokal wirkende Anpassungen in Form der erfindungsgemäß vorgesehenen freistichartigen Ausnehmungen an mindestens einer Stirnseite der Nocke. Dabei wird die Elastizität der verwendeten metallischen Werkstoffe, insbesondere von Stahl, genutzt, um eine Steifigkeitsreduktion im seitlichen Randbereich der Nocke zu erzeugen. Man kann sogar sagen, dass erfindungsgemäß eine gewisse ”federelastische Nachgiebigkeit” im Bereich der Nockenkante gegenüber der Laufrolle erzeugt werden kann. Es ist daher nicht nötig, die Nocke zur Vermeidung von Kantenträgern breiter zu machen. Auf diese Weise sind herstellbedingte Ungenauigkeiten im Zusammenspiel von Laufrolle und Nocke weitgehend unschädlich für die Dauerfestigkeit einer Kolbenpumpe. Damit wird die Lebensdauer der Kolbenpumpe erhöht und ihr Betrieb verbessert.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die freistichartige Ausnehmung nach radial einwärts bis zur radial äußeren Oberfläche der Welle reicht. Hierdurch wird Masse gespart, und es kann die Herstellung der freistichartigen Ausnehmung vereinfacht werden.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die freistichartige Ausnehmung einen rechteckigen, trapezförmigen oder runden Querschnitt aufweist. Durch verschieden geformte Querschnitte kann die durch die freistichartige Ausnehmung erzeugte Steifigkeitsreduktion des seitlichen Randbereichs der Nocke optimal an den spezifischen Lastfall der Kolbenpumpe angepasst werden. Eine rechteckiger Querschnitt der freistichartigen Ausnehmung ist dabei besonders einfach herzustellen. Bei einem trapezförmigen Querschnitt der freistichartigen Ausnehmung verändert sich die Steifigkeitsreduktion im Wesentlichen linear in Längsrichtung der Welle, so dass Spannungsspitzen reduziert werden können bei dennoch einfacher Herstellbarkeit. Die beste Dauerfestigkeit wird mit einem runden (bspw. kreisrunden oder elliptischen) oder stark abgerundeten Querschnitt erreicht, weil insbesondere bei starker dynamischer Belastung hohe Druck- oder Zugspannungen im Bereich der freistichartigen Ausnehmung vermieden werden.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Nocke als eine Einfachnocke, eine Doppelnocke oder eine Dreifachnocke ausgeführt ist, wodurch auch Kolbenpumpen mit hoher Förderleistung bei dennoch guter Lebensdauer realisiert werden können.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die freistichartige Ausnehmung nur in einem Teilbereich der Stirnseite vorhanden ist. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass – abhängig von einem Drehwinkel der Nocke – unterschiedliche Kräfte und Beanspruchungen auf die Nocke oder die Laufrolle einwirken. Mit dieser Ausgestaltung kann die Geometrie der freistichartigen Ausnehmung an die dem Drehwinkel der Nocke und der Arbeitsphase der angetriebenen Kolbenpumpe entsprechende Belastung optimal angepasst werden.
Ein besonders geeigneter Anwendungsfall der Erfindung sind Steckpumpen, die in eine Öffnung eines Antriebsgehäuses, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, steckbar sind. Solche Steckpumpen finden in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen Verwendung und stellen eine kostengünstige und flexible Lösung dar.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es werden dabei für funktionsäquivalente Blöcke und Größen die gleichen Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung zeigen:
1 einen teilweisen Schnitt durch einen Teilbereich einer ersten Ausführungsform einer Kolbenpumpe mit einer Einfachnocke;
2 eine teilweisen Schnitt durch einen Teilbereich einer zweiten Ausführungsform einer Kolbenpumpe mit einer Doppelnocke;
3 einen Schnitt durch eine Antriebswelle einer dritten Ausführungsform einer Kolbenpumpe mit einer Einfachnocke;
4 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Welle mit einer Einfachnocke und einer freistichartigen Ausnehmung mit rechteckigem Querschnitt in einer Stirnseite der Einfachnocke;
5 eine Darstellung ähnlich zu 4 mit einer freistichartigen Ausnehmung mit trapezförmigem Querschnitt in einer Stirnseite der Einfachnocke; und
6 eine Darstellung ähnlich zu 4 mit einer freistichartigen Ausnehmung mit rundem Querschnitt in einer Stirnseite der Einfachnocke.
1 zeigt einen Teil einer Kolbenpumpe 10, wie sie in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen Verwendung findet, in einer teilweisen Schnittansicht. Dargestellt ist im unteren Teil der Figur eine axial geschnittene Welle 12, auf der eine Nocke 14, die einen in etwa kreisförmigen Querschnitt aufweist, exzentrisch angeordnet ist. In die dem Betrachter der 1 zugewandte Stirnseite der Nocke 14 ist eine freistichartige und in axialer Richtung der Welle 12 gesehen eine relativ geringe Tiefe aufweisende Ausnehmung 16 eingearbeitet, durch im Bereich des Übergangs zwischen der Stirnseite und der radialen Außenfläche der Nocke 14 ein sich axial erstreckender Steg 18 gebildet wird. Die entgegen gesetzt liegende Stirnseite ist identisch ausgebildet. In 1 oberhalb der Nocke 14 befindet sich eine zylindrische Laufrolle 20, welche die Nocke 14 längs einer gemeinsamen Mantellinie berührt. Die Laufrolle 20 hat eine axiale Länge, die in etwa der Breite der Nocke 14 entspricht, und sie ist etwa zur Hälfte ihres Umfangs in einem Rollenschuh 22 geführt. Der Rollenschuh 22 wird von einer Führungshülse 24 gehalten, welche im wesentlichen die Form eines beidseitig offenen Hohlzylinders aufweist. Über einen am in 1 unteren Ende der Führungshülse 24 angebrachten sich radial erstreckenden Steg greift eine Schraubenfeder 26 an. Am Rollenschuh 22 stützt sich ein Kolben 28 ab, der in einem Gehäuse 30 verschiebbar geführt ist, an dem sich das andere Ende der Schraubenfeder 26 abstützt. Die Führungshülse 24 ist auf einem zylindrischen und zum Kolben 28 konzentrischen Fortsatz (ohne Bezugszeichen) des Gehäuses 30 geführt. Eine Bohrung 32 im Gehäuse 30 ermöglicht einen Druckausgleich des zwischen Rollenschuh 22, Führungshülse 24, Gehäuse 30 und Kolben 28 eingeschlossenen Raumes während der Kolbenbewegung.
Im Betrieb sorgt die exzentrische Bewegung der Nocke 14 für einen periodischen Antrieb des Kolbens 28. Die Laufrolle 20 bewirkt dabei eine verschleißarme Kraftübertragung von der Nocke 14 auf den Rollenschuh 22. Dabei rollt die Laufrolle 20 kontinuierlich und reibungsarm auf der radial äußeren Oberfläche der Nocke 14 ab, wogegen die Laufrolle 20 im Rollenschuh 22 gleitend gelagert ist. Dabei wird, ausgehend von einem in 1 dargestellten unteren Totpunkt zugleich die Schraubenfeder 26 zusammengedrückt. Nach Umkehr von einem nicht dargestellten oberen Totpunkt bewirkt die expandierende Schraubenfeder 26 während der Abwärtsbewegung einen kraftschlüssigen Zusammenhalt von Rollenschuh 22, Laufrolle 20 und Nocke 14.
Durch die freistichartige Ausnehmung 16 wird eine örtliche Steifigkeitsreduktion erreicht – die Laufrolle 20 wird in diesem seitlichen Randbereich der Nocke 14 nur noch von dem Steg 18 getragen. Durch die verminderte Steifigkeit kann dieser seitliche Randbereich bei Parallelitätsfehlern zwischen Nocke 14 und Laufrolle 20 nachgeben, wodurch das Entstehen sogenannter Kantenträger, also rillen- und/oder kantenartige Unebenheiten in der Oberfläche der Nocke 14 vermieden wird.
2 zeigt eine Schnittansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer Kolbenpumpe 10 mit einer elliptischen Doppelnocke 14. Auch hier sind in der dem Betrachter zugewandten Stirnseite der Nocke 14 eine freistichartige Ausnehmung 16 sowie ein dadurch gebildeter Steg 18 zu erkennen. Abhängig von einem in Umfangsrichtung gemessenen und die Geometrie der Nocke 14 kennzeichnenden Winkel Phi wird deutlich, dass die freistichartige Ausnehmung 16 ein vom Winkel Phi abhängiges Maß 34 aufweist. Ebenso kann auch ein Maß 36 des Steges 18 vom Winkel Phi abhängig sein.
Während eines Umlaufs der als Doppelnocke ausgeführten Nocke 14 ergeben sich zwei vollständige Arbeitstakte der Kolbenpumpe 10 und verdoppeln somit die Arbeitsfrequenz in Bezug auf einen Betrieb einer Einfachnocke.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Antriebswelle 12 einer dritten Ausführungsform einer Kolbenpumpe 10 mit einer im Gegensatz zu 1 nicht kreisrunden sondern in etwa elliptischen Einfachnocke 14. Die Nocke 14 geht in ihrem in 3 unteren Teil in die kreisrunde Form der Welle 12 über. Der obere Teil der Nocke 14 enthält wiederum eine freistichartige Ausnehmung 16 und einen hierdurch gebildeten Steg 18.
Während eines Umlaufs der Nocke 14 ergibt sich ein vollständiger Arbeitstakt der Kolbenpumpe 10.
4 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Welle 12 zusammen mit einer Nocke 14, die als eine Einfachnocke ausgeführt ist und vorliegend mit der Welle 12 eine integrale Einheit bildet. Oberhalb der Nocke 14 ist eine Laufrolle 20 gezeichnet, welche an beiden Stirnseiten eine radial symmetrische, konvexe Ausformung (ohne Bezugszeichen) aufweist. Man erkennt, dass sowohl die freistichartige Ausnehmung 16 als auch der durch die freistichartige Ausnehmung 16 gebildete Steg 18 einen rechteckförmigen Querschnitt besitzen.
5 zeigt ähnlich zu 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Welle 12 zusammen mit einer darauf angeordneten Nocke 14 und einer auf der Nocke 14 aufliegenden Laufrolle 20. Dabei besitzen die freistichartige Ausnehmung 16 und der Steg 18 jeweils einen trapezförmigen Querschnitt.
6 zeigt ähnlich zu den 4 und 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Welle 12 zusammen mit einer darauf angeordneten Nocke 14 und einer auf der Nocke 14 aufliegenden Laufrolle 20. Dabei weisen die freistichartige Ausnehmung 16 und der daraus gebildete Steg 18 einen stark gerundeten Querschnitt auf.
Weiterhin ist es vorstellbar – unabhängig von einer konkreten Ausführungsform einer Nocke – eine freistichartige Ausnehmung mit einer entsprechenden Wirkung zur Vermeidung von Kantenträgern ergänzend oder alternativ an der Laufrolle 20 vorzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006045933 [0002]

Claims

Kolbenpumpe (10), insbesondere Kraftstoffpumpe, mit einer Welle (12), mindestens einer darauf angeordneten Nocke (14), einem Kolben und einer zwischen Kolben und Nocke (14) angeordneten Laufrolle (20) zum Abrollen auf der Nocke (14), dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stirnseite der Nocke (14) eine freistichartige Ausnehmung (16) vorhanden ist.
Kolbenpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freistichartige Ausnehmung (16) nach radial einwärts bis zur radial äußeren Oberfläche der Welle (12) reicht.
Kolbenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freistichartige Ausnehmung (16) einen rechteckigen, trapezförmigen oder runden Querschnitt aufweist.
Kolbenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocke (14) als eine Einfachnocke, eine Doppelnocke oder eine Dreifachnocke ausgeführt ist.
Kolbenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freistichartige Ausnehmung (16) nur in einem Teilbereich der Stirnseite vorhanden ist.
Kolbenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Steckpumpe handelt, die in eine Öffnung eines Antriebsgehäuses steckbar ist.