DE19635164A1

DE19635164A1 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE19635164A1
Application number: DE19635164A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Stiefel; Karl Gmelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-05
Also published as: JPH11514722A; EP0862693B1; KR19990067162A; US5937734A; EP0862693A1; WO1998009075A1; DE59707915D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei einer derartigen bekannten Kolbenpumpe (DE 44 19 927 A1) werden drei sternförmig angeordnete Kolben mittels eines Ex zenterzapfens angetrieben, der an einem freien Ende einer im Pumpengehäuse fliegend gelagerten Antriebswelle vorgesehen ist. Auf dem Exzenterzapfen ist ein topfförmiges Teil mittels eines Wälzlagers drehbar gelagert, das durch eine in der An triebswelle vorgesehene Schmierleitung hindurch geschmiert wird. Anstelle des Wälzlagers ist auch ein Gleitlager ver wendbar, das bei geeigneter Materialpaarung auch als Trocken lager ausgebildet werden kann.

Die Kraftübertragung vom Exzenterzapfen auf die Kolben er folgt mittels biegsamer Übertragungselemente, die an den Kol ben und dem auf der Antriebswelle gelagerten topfförmigen Teil, das nicht rotiert, befestigt sind, so daß zwischen den Kolben und ihrem Betätigungselement, also dem topfförmigen Teil, bzw. den Übertragungselementen keine Gleitreibung auf tritt.

Aus "Hydraulik in Theorie und Praxis. Von Bosch." W. Götz, 1983, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, ist eine Radialkolbenpum pe mit äußerer Kolbenabstützung bekannt, bei der ein Zylin derstern beim Betrieb der Pumpe von einer Antriebswelle über eine Kupplung gedreht wird. Der Zylinderstern weist eine Vielzahl von Zylindern auf, in denen Kolben radial verschieb bar angeordnet sind. Der Zylinderstern mit den Kolben ist um fangsmäßig von einem im wesentlichen drehfesten Hubring umge ben, auf dessen als Gleitlagerfläche dienender Innenumfangs fläche sich die Kolben mit ihren radial äußeren Enden über Gleitschuhe abstützen.

Um eine hydrostatische Lagerentlastung der vom Hubring und den Gleitschuhen gebildeten Gleitlagern zu erreichen, weist jeder Gleitschuh in der Mitte seiner Gleitfläche eine Ausneh mung auf, die mit dem jeweiligen Zylinderraum verbunden ist. In Richtung der Gleitbewegung neben der Ausnehmung sind au ßerdem quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Rillen in den Gleitflächen der Gleitschuhe vorgesehen.

Beim Betrieb dieser bekannten Pumpe bewegen sich die Gleit schuhe entlang der Innenumfangsfläche des Hubrings stets in einer Richtung.

Bei einer bekannten Radialkolbenpumpe (DE 42 41 827 A1) mit innerer Kolbenabstützung ist auf einer Antriebswelle ein Ex zenterteil drehfest angeordnet, dessen Außenumfangsfläche als Gleitlagerfläche für die sich darauf abstützenden Kolben dient. Auch bei dieser bekannten Pumpe erfolgt die Relativbe wegung zwischen der Gleitfläche am Kolben und der Gleitlager fläche am Exzenterteil stets in derselben Richtung.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Kolbenpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß hohe Querkräfte auf den Kolben, die von der Kolbenführung aufgenommen werden müßten, vermieden werden. Insbesondere werden einseitig wir kende Querkräfte, wie sie bei üblichen Radialkolbenpumpen auftreten, verhindert, ohne daß zwischen dem Hubring und dem Kolben aufwendige Betätigungselemente vorgesehen werden müs sen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das von der Pumpe zu fördernde Medium in sämtliche Bereiche zwi schen der Gleitlagerfläche am Hubring und dem Gleitschuh ge langt, obwohl der Hubring gegenüber dem Gleitschuh lediglich eine oszillierende Gleitbewegung ausführt, deren Verschiebe länge kleiner ist als die Länge der Gleitfläche am Gleitschuh in Verschieberichtung.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Hubrings aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid oder PEEK, da hierdurch besonders reibungsarme Lagerflächen geschaffen werden, so daß auf zusätzliche Lagerelemente zwischen Hubring und Kurbelele ment sowie auf reibungsverbessernde Maßnahmen an der am Kol ben angeordneten Gleitfläche verzichtet werden kann.

Die Verwendung von Beschichtungen, insbesondere Kohlenstoff beschichtungen, auf der am Kolben angeordneten Gleitfläche sowie auf der in der Kolbenführung laufenden Umfangs fläche des Kolbens verbessert die entsprechende Oberflächenhärte und den Verschleißwiderstand, so daß sogenannte Fresser zwischen den aufeinander gleitenden Flächen verhindert werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kolbenpumpe möglich.

ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung ver einfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kol benpumpe,

Fig. 2 eine in der Ebene der Kolben teilweise geschnittene Darstellung der Kolbenpumpe nach Fig. 1,

Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Hubring für eine erfin dungsgemäße Kolbenpumpe,

Fig. 3b eine Draufsicht auf eine Gleitlagerfläche des Hubrings in Richtung der Pfeile b in Fig. 3a,

Fig. 3c eine vergrößerte Darstellung des Bereichs C in Fig. 3a und

Fig. 4 eine teilweise geschnittene schematische Darstel lung einer anderen erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander ent sprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie Fig. 1 zeigt, weist ein Gehäuse 10 einer bevorzugt ausge wählten, erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenpumpe einen La gerabschnitt 11 sowie einen Pumpenabschnitt 12 auf, die mit tels Schraubbolzen 13, von denen nur einer dargestellt ist, miteinander verbunden sind. Im Lagerabschnitt 11 ist eine An triebswelle 14 mittels eines Wälzlagers 15 gelagert. Das Wälzlager 15 wird dabei von einem Lageraußenring 16 und der Antriebswelle 14 gebildet, in die Kugelbahnen 17 für als Wälzkörper dienende Lagerkugeln 18 eingeschliffen sind. Au ßerdem sind zwischen dem Lageraußenring 16 und der Antriebs welle 14 stirnseitige Dichtungen 19 vorgesehen, so daß der innenbereich des Wälzlagers 15 abgedichtet ist.

Zum Antrieb der Antriebswelle 14 ist auf einem aus dem Gehäu se 10 herausragenden Wellenzapfen 20 eine Antriebsscheibe 21 drehfest aufgesteckt, die einen Zahnkranz 22 trägt.

Ein im Gehäuse 10 vorgesehener Niederdruckraum 23 ist zum Wälzlager 15 hin mittels einer Axialwellendichtung 24 abge dichtet. Um beim Betrieb der Kolbenpumpe in den Bereich zwi schen die Axialwellendichtung 24 und das Wälzlager 15 ein dringendes Medium abzuführen, ist ein Leckstutzen 25 dicht in eine entsprechende Öffnung 26 im Lagerabschnitt 11 des Gehäu ses 10 eingesetzt.

An dem sich in den Niederdruckraum 23 erstreckenden, freien Ende der Antriebswelle 14 ist als Kurbelelement ein Exzenter zapfen 27 angeordnet, auf dem ein Hubring 28 mittels einer Lagerhülse 29 gelagert ist. Die Lagerhülse 29 weist an ihrem vom freien Ende des Exzenterzapfens 27 abgewandten Ende einen radialen Flansch 30 auf, mit dem sie an einer Schulter 31 der Antriebswelle 14 anliegt. Um den Hubring 28 und die Lagerhül se 29 auf dem Exzenterzapfen 27 axial zu halten, ist eine Stützscheibe 32 mittels eines Haltebolzens 33 oder derglei chen an der Stirnseite des Exzenterzapfens 27 angebracht.

Die den aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, bestehenden Hubring 28 lagernde Lagerhülse 29 weist dabei eine Lauffläche aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem Thermoplasten, insbe sondere aus einem als Festschmierstoff dienenden Thermopla sten auf. Obwohl es dabei möglich ist, die Lagerhülse 29 vollständig aus Kunststoff herzustellen, ist es erfindungsge mäß bevorzugt, für die Lagerhülse 29 einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Metall/Kunststoff-Verbundwerkstoff vorzu sehen. Als Kunststoff kann dabei PTFE (Polytetrafluorethy len), PTFE mit Blei als Füllstoff, Acetal-Copolymerisat, oder eine Kombination von PEEK (Polyetheretherketon) und PTFE so wie einem geeigneten Füllstoff vorgesehen sein. Die Stütz scheibe 32 ist vorzugsweise aus demselben Material herge stellt wie die Lagerhülse 29.

Wie die Fig. 2 und 3a bis 3c zeigen, weist der Hubring 28 ebene Gleitlagerflächen 34 auf, auf denen jeweils ein an ei nem Kolben 35 befestigter Gleitschuh 36 abgestützt ist. Jeder der Gleitschuhe 36 umfaßt dabei einen mittels eines Klammer rings 37 am Kolben 35 befestigten Körper 38 und ein an diesem befestigtes Gleitplättchen 39, das als Gleitelement dient und eine auf der Gleitlagerfläche 34 aufliegende Gleitfläche 40 besitzt.

Bei einer Drehung der Antriebswelle 14 ergibt sich eine Ver schiebebewegung zwischen dem Gleitschuh 36 und dem Hubring 28. Wie in den Fig. 3a bis 3c zu sehen ist, sind in den Gleitlagerflächen 34 des Hubrings 28 Schmierrillen 41 vorge sehen, die sich quer zur Verschieberichtung der Verschiebebe wegung parallel zu einander erstrecken. Der Querschnitt der Schmierrillen 41 ist dabei im wesentlichen V-förmig. Der Öff nungswinkel α der Schmierrillen 41 beträgt dabei etwa 90°.

Die Spitze des V-förmigen Querschnitts der Schmierrillen 41 ist dabei abgerundet. Je nach der Viskosität und Schmierfä higkeit eines zu fördernden Mediums können die Schmierrillen 41 auch einen kleineren, vorzugsweise aber einen größeren Öffnungswinkel α aufweisen. Der Öffnungswinkel α kann dabei bis zu ungefähr 120° betragen. Zwischen den Flanken 41′ und dem in Fig. 3a und 3c nicht dargestellten Gleitschuh 36 kann sich somit ein Schmierkeil ausbilden, dessen Keilwinkel etwa 30° bis 45° beträgt.

Die Schmierrillen 41 können aber auch einen anderen Quer schnitt aufweisen. Halb- oder teilkreisförmige Querschnitte mit und ohne abgerundeten Kanten sind ebenso möglich wie si nusförmige Querschnitte. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Kanten 41′′ der Schmierrillen 41 so abgerundet sind, daß die Flanken 41′ der Schmierrillen 41 über die Kanten 41′′ im wesentlichen tangential in die Gleitlagerfläche 34 übergehen. Hierdurch läßt sich ein optimaler Schmierkeil erreichen.

Der Abstand d (siehe Fig. 3b) zwischen den Schmierrillen 41 ist höchstens so groß wie der Kolbenhub des Kolbens 35. Vor zugsweise ist jedoch das Teilmaß T, das aus dem Abstand d zwischen den Schmierrillen 41 und der Breite b der Schmier rillen 41 besteht, kleiner als oder so groß wie der Kolben hub. Um eine gute Schmierwirkung bei ausreichendem Traganteil zwischen dem Hubring 28 und dem Gleitschuh 36 zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Breite b der Schmierrillen 41 ungefähr halb so groß wie den Abstand d zwischen den Schmierrillen 41 ausführen.

Während der Körper 38 des Gleitschuhs 36 zweckmäßigerweise aus Metall besteht, sind die darin gehaltenen Gleitplättchen vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK oder aus Polyimid. Es kann aber auch ein Gleitplättchen 39 verwendet werden, das aus Stahl besteht, der mit einer metallfreien oder metallhaltigen Kohlenstoffbeschichtung versehen ist.

Eine derartige Beschichtung bewirkt eine Verbesserung der Oberflächenhärte sowie eine Verringerung der Gleitreibung. Außerdem wird durch eine Kohlenstoffbeschichtung die Benetz barkeit der Oberfläche verbessert, so daß sich ein Schmier film aus dem zu fördernden Medium leichter zwischen der Gleitfläche 40 und der Gleitlagerfläche 34 ausbilden kann. Außerdem ist es möglich, anstelle des beschriebenen Gleit schuhs 36 einen einstückigen Gleitschuh 36′ (Fig. 4) zu ver wenden, der aus Kunststoff oder Stahl besteht. Bei einem ein stückigen Gleitschuh aus ist es zweckmäßig, die Gleitfläche 40 mit einer metallhaltigen oder metallfreien Kohlenstoff schicht zu beschichten.

Wie besonders deutlich in Fig. 1 zu erkennen ist, wird der in einer Kolbenführung 42 geführte Kolben 35 von einer Feder 43, die sich einerseits über den Klammerring 37 am Gleitschuh 36 und andererseits an einem Halteteil 44 abstützt, in das die Kolbenführung 42 eingesetzt ist, gegen die Gleitlagerflä che 34 des Hubrings 28 gedrückt. Im Halteteil 44 und in der Kolbenführung 42 ist ein Arbeitsraum 45 vorgesehen, der über ein mit dem Kolben 35 verbundenes Zulaufventil 46, eine im Kolben 35 vorgesehene, axiale Zulaufbohrung 47 und im Kolben 35 angeordnete Zulauföffnungen 48 mit dem Niederdruckraum 23 verbunden ist, wenn sich der Kolben 35 während einer Drehung der Antriebswelle 14 in Richtung auf die Antriebswellenachse A bewegt. Gegenüber einem Hochdruckbereich 49, der über eine Leitung 50 mit einem Hochdruckanschluß 51 der Kolbenpumpe verbunden ist, ist der Arbeitsraum 45 von einem Ventil 52 be grenzt. Der Zulauf von zu förderndem Medium zum Niederdruck bereich 23 erfolgt über entsprechende Zulaufanschlüsse 53.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe läuft der Ex zenterzapfen 27 mit einer Exzentrizität e um die Antriebswel lenachse A um und versetzt dabei den Hubring 28 in eine Um laufbewegung um die Antriebswellenachse A. Eine Rotationsbe wegung führt der Hubring 28 dabei nicht aus, da er über die anliegenden Gleitschuhe 36 durch die Kolben 35 nicht drehend gehalten wird. Infolge der Umlaufbewegung des Hubrings 28 tritt jedoch eine Verschiebebewegung zwischen der Gleitfläche 40 und der Gleitlagerfläche 34 des Hubrings 28 auf. Der Ver schiebeweg der Verschiebebewegung ist betragsmäßig doppelt so groß wie die Exzentrizität e des Exzenterzapfens 27 und somit gleich dem Betrag des Kolbenhubs des Kolbens 35.

Da die Schmierrillen 41 in der Gleitlagerfläche 34 des Hubrings 28 in einem Abstand d angeordnet sind, der kleiner als der Kolbenhub ist, also in einem Abstand, der kleiner als der Verschiebeweg des Gleitschuhs 36 gegen den Hubring 38 ist, kann bei jeder Verschiebebewegung zu förderndes Medium aus einer der Schmierrillen 41 in der Gleitlagerfläche 34 von der Gleitfläche 40 zur benachbarten Schmierrille 41 mitgenom men werden. Somit gelangt zu förderndes Medium in sämtliche Bereiche zwischen der Gleitlagerfläche 34 und der Gleitfläche 40 und ein Trockenlaufen dieses Gleitlagers wird sicher ver hindert.

Obwohl es bevorzugt ist, die Schmierrillen 41, wie in Fig. 3a und 3b dargestellt, quer zur Verschieberichtung der Gleit fläche 40 auf der Gleitlagerfläche 34 auszubilden, können die Schmierrillen 41 auch unter einem schrägen Winkel gegen die Richtung der Gleitbewegung angeordnet werden.

Da der Hubring 28 mit seiner Gleitlagerfläche 34 eine oszil lierende Verschiebebewegung gegenüber dem Kolben 35 bzw. dem Gleitschuh 36 ausführt, werden einseitige Belastungen der Kolbenführung 42 vermieden. Außerdem werden durch die gute Gleitlagerung des Gleitschuhs 36 auf dem Hubring 28 auf den Kolben 35 wirkende Querkräfte wesentlich verringert. Hier durch läßt sich der Verschleiß von Kolben 35 und Kolbenfüh rung 42 deutlich vermindern, was zu einer erheblichen Verlän gerung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe führt. Um den Verschleiß der aufeinander gleitenden Flächen von Kolben 35 und Kolbenführung 42 weiter zu vermindern und in diesem Bereich gegebenenfalls entstehende Druckfelder ab zubauen, kann der Kolben 35 mit umlaufenden Rillen 54 verse hen sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, den vorzugswei se aus Stahl bestehenden Kolben mit einer metallhaltigen oder metallfreien Kohlenstoffschicht zu beschichten.

Eine in Fig. 4 gezeigte andere Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Kolbenpumpe weist einen einstückigen Gleitschuh 36′ auf, der mit einem unmittelbar auf dem Exzenterzapfen 27 der Antriebswelle 14 gelagerten Hubring 28 zusammenwirkt. Der Hubring 28 besteht dabei zweckmäßigerweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem hoch temperaturbeständigen Thermopla sten, vorzugsweise aus PEEK oder aus Polyimid. Der Gleitschuh 36′ besteht hierbei zweckmäßigerweise aus Stahl, wobei seine Gleitfläche 40′ mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet sein kann. Die zur Reibungsverbesserung dienende Kohlenstoff schicht kann dabei metallfrei oder metallhaltig sein.

Durch die Verwendung des Hubrings 28 aus PEEK oder Polyimid werden Korrosionsprobleme, die bei einem Hubring aus Metall auftreten können, vermieden. Da die bevorzugten Kunststoffe reibungsarm sind, kann gleichzeitig auf eine Lagerhülse zwi schen dem Exzenterzapfen 27 und dem Hubring 28 verzichtet werden, wodurch der Aufbau der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe weiter vereinfacht wird.

Claims

1. Kolbenpumpe, insbesondere Hochdruckpumpe für eine Kraft stoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors, mit wenigstens einem Kolben, der in einer in einem Gehäuse vorgesehenen Kolbenführung verschiebbar gelagert ist, mit einer in dem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, an der ein Kurbelelement vorgesehen ist, und mit einem auf dem Kurbelelement drehbar gelagerten Hubring, über den der Kolben von der Antriebswelle beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) mit einer an ihm angeordneten Gleit fläche (40) auf einer zugeordneten Gleitlagerfläche (34) am nicht rotierenden Hubring (28) abgestützt ist, wobei die Gleitlagerfläche (34) Schmierrillen (41) aufweist, die im wesentlichen quer zur Relativbewegung zwischen Kolben (35) und Hubring (28) angebracht sind.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Abstand (d) der im wesentlichen parallel zu einander in der ebenen Gleitlagerfläche (34) vorgese henen Schmierrillen (41) kleiner ist als der Kolbenhub des Kolbens (35).

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß das Teilmaß (T) der in der Gleitlagerfläche (34) vorgesehenen Schmierrillen (41) kleiner ist als oder so groß wie der Kolbenhub des Kolbens (35).

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kanten (41′′) der Schmier rillen (41) abgerundet sind.

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (28) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht und über eine Lagerhülse (29) mit einer Lauffläche aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem Thermoplasten, insbesondere aus einem als Festschmierstoff dienenden Thermoplasten, auf dem Kurbe lelement (27) gelagert ist.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Lagerhülse (29) für den Hubring (28) aus einem Metall/Kunststoff-Verbundwerkstoff besteht.

7. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (28) aus Kunst stoff, vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Polymer, insbesondere aus Polyimid oder PEEK, besteht.

8. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die am Kolben (35) an geordnete Gleitfläche (40) an einem an diesem angebrach ten Gleitschuh (36, 36′) vorgesehen ist.

9. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die am Kolben (35) an geordnete Gleitfläche (40) aus Stahl, vorzugsweise aus beschichtetem Stahl, insbesondere aus mit Kohlenstoff beschichtetem Stahl, besteht.

10. Kolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die am Kolben (35) angeordnete Gleitfläche (40) an einem am Gleitschuh (36) angebrachten Gleitele ment (39) vorgesehen ist.

11. Kolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gleitelement (39) aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Poly mer, insbesondere aus Polyimid oder PEEK, besteht.

12. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) in seiner Außenumfangsfläche umlaufende Rillen (54) auf weist.

13. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Außenumfangsfläche des Kolbens (35) eine Beschichtung, insbesondere eine Kohlenstoffbeschichtung aufweist.