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Die
Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe mit einem Hubring, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
gattungsgemäße Radialkolbenpumpe ist
aus der
DE 100 39
210 A1 bekannt. Die Radialkolbenpumpe weist eine Antriebswelle
mit einem Exzenterabschnitt auf, die in einem Pumpengehäuse drehbar
gelagert ist. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt ist ein Hubring
gleitend gelagert. Die Radialkolbenpumpe umfasst drei in einem Abstand
von je 120° zueinander
angeordnete Pumpeneinheiten. Jede Pumpeneinheit besitzt einen radial
im Pumpengehäuse
längs bewegbar
geführten
Pumpenkolben. Die Pumpenkolben liegen jeweils an einem Gleitschuh
an, der sich am Hubring abstützt.
Hierzu weist der Hubring eine der Anzahl der Pumpenkolben entsprechende
Zahl von Abflachungen auf. Der Hubring wird bislang aus einem zylindrischen
Profil gefertigt an dem die Abflachungen beispielsweise durch Fräsen ausgebildet
sind.
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Die
DE 102 00 792 A1 offenbart
einen Hubring, bei dem die Abflachungen zu den Stirnseiten des Hubrings
leicht abgerundet sind.
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Die
DE 44 14 400 A1 offenbart
ferner einen Hubring ohne Abflachungen jedoch mit umlaufenden Anfassungen.
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Durch
das Abstützen
der Pumpenkolben bzw. der Gleitschuhe am Hubring wird dieser an
einem Mitdrehen mit der Antriebswelle gehindert. Während einer
Umdrehung der Antriebswelle führt
der Hubring eine Taumelbewegung aus, wobei sich der Hubringaußendurchmesser
entlang einer einen Hüllkreis
beschreibenden Kurve bewegt. Der Hüllkreis gibt die minimale Spaltweite
zwischen dem Hubring und der im Pumpengehäuse ausgebildeten Gehäusebohrung
wieder. Dieser minimale Abstand liegt zu einem Zeitpunkt jeweils
nur in einem einzigen Punkt vor. Ausgehend von diesem Punkt nimmt
die Spaltweite zwischen dem Hubring und der Gehäusebohrung zu und erreicht
ihr Maximum auf der gegenüberliegenden
Seite des Hubrings. Während
der Drehung der Pumpenwelle verändert
sich jedoch die Lage des Hubrings und somit auch der Punkt an dem
die geringste Spaltweite vorliegt. Aufgrund der sich örtlich veränderlichen
Spaltweite zwischen dem Hubring und der Gehäusebohrung entsteht eine Pumpwirkung.
Die Fluidströmung
innerhalb des Spaltes verursacht dabei Druckpulsationen im Pumpengehäuse.
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Hohe
Druckpulsationen können
die Funktion der Ventile erheblich beeinflussen. Dies kann zu Funktionsstörungen und
zu einer deutlich reduzierten Lebensdauer der Radialkolbenpumpe
führen.
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Um
die Fluidströmung
sowie die Druckpulsationen möglichst
gering zu halten ist es notwendig eine hinreichend große Spaltweite
zwischen dem Pumpengehäuse,
d.h. der Gehäusebohrung
und dem Hubringaußendurchmesser
vorzusehen. Die Gehäusebohrung
zur Aufnahme der Antriebswelle muss daher stets einige Millimeter
größer gefertigt werden
als der Hülldurchmesser,
der sich durch die Hubringbewegung ergibt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, eine
Radialkolbenpumpe mit einem Hubring auszubilden, der bei geringer Spaltweite
zwischen der Gehäusebohrung
und dem Hubringaußendurchmesser
eine geringe Druckpulsationen und Fluidströmung bewirkt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe zeichnet
sich dadurch aus, dass die Außenumfangsfläche des
Hubrings, zwischen den Ablachungen oder wenn nur eine Abflachung
vorgesehen ist, zwischen deren Rändern,
einen sich über
die Breite des Hubrings hinweg, von der Mitte des Hubrings zu jeder seiner
Außenseiten
hin, verjungenden Umfang aufweist. Durch die sich verjüngenden
Außenbereiche entsteht
zwischen der Gehäusebohrung
und dem Hubring ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
Der zusätzliche
Strömungsquerschnitt
sorgt dafür,
dass auch bei einem minimalen Abstand zwischen dem Hubringaußendurchmesser
und der Gehäusebohrung
stets ein insgesamt ausreichender Zwischenraum vorhanden ist. Durch
den vergrößerten Strömungsquerschnitt
kann die minimale Spaltweite gegenüber einer Pumpe nach dem Stand
der Technik verringert werden, ohne dass die Druckpulsationen und
die Fluidströmung
im Spalt zunehmen. Bei gleichbleibendem Durchmesser der Gehäusebohrung
lässt sich
ein Hubring mit maximalem Außendurchmesser
verwenden. Aufgrund des vergrößerten Außendurchmessers
vergrößern sich
auch die Abflachung am Hubring flächenmäßig. Dies führt zu einem geringeren Verschleiß und einer
erhöhten
Lebensdauer der Gleitfläche
und damit des Hubrings.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der sich
verjüngende
Umfang bogenförmig
verlaufende Verjüngungen
aufweist. Der bogenförmige
Verlauf der Verjüngung
lässt sich einfach,
beispielsweise durch Drehen, ausbilden. Der bogenförmige Verlauf
ist besonders strömungsgünstig. Hierdurch
werden Turbulenzen im Spalt zwischen dem Hubring und der Gehäusebohrung
gering gehalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Verjüngung
tonnenförmig
ausgebildet. Auch die tonnenförmige
Ausbildung lässt sich
einfach, beispielsweise durch Drehen, ausbilden. Die tonnenförmige Verjüngung zeichnet
sich ebenfalls durch ihre strömungsgünstige Form
aus.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Verjüngung
polygonal verläuft.
Durch den polygonalen Verlauf lässt
sich die Verjüngung
besonders einfach ausbilden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
wird die Verjüngung
kreisförmig
ausgebildet. Zum Ausbilden des Hubrings kann in diesem Fall eine
handelsübliche Kugel
verwendet werden. Es müssen
dann lediglich die Seitenflächen
sowie die Abflachungen ausgebildet werden und die Lagerbohrung eingebracht
werden.
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Die
erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe zeichnet
sich somit durch einen Hubring aus, welcher einen sich, gegenüber Radialkolbenpumpen
nach dem Stand der Technik, über
die Breite des Hubrings hinweg, von der Mitte des Hubrings zu jeder
seiner Außenseite
hin, verjüngenden
Umfang aufweist. Durch die Verjüngung
ergibt sich zwischen der Gehäusebohrung
und dem Hubring ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
Hierdurch kann der Hubring, bei gleichbleibendem Durchmesser der
Gehäusebohrung,
größer ausgebildet
werden ohne, dass es zu einer Zunahme der Druckpulsationen kommt.
Aufgrund des vergrößerten Außendurchmessers
des Hubrings ergibt sich ein vergrößertes Hubvolumen der Pumpenkolben.
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Durch
die Verwendung eines größeren Hubringes
entstehen zusätzlich
größere Abflachungen am
Hubring. Die größeren Abflachungen
ermöglichen
eine größere Gleitfläche für den Gleitschuh.
In Folge der größeren Gleitfläche nimmt
die Lebensdauer der Gleitflächen
zu.
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Die
erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe eignet
sich insbesondere für
den Einsatz bei modernen Common Rail Einspritzsystemen. Moderne Common
Rail Einspritzsysteme erzeugen Drücke bis zu 2000 bar. Hierdurch
treten extreme Belastungen zwischen den Gleitschuh und dem Hubring
auf. Durch die vergrößerte Gleitfläche kann
der Hubring diesen Belastungen noch besser standhalten.
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Ausführungsbeispiele
und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen
erläutert.
Es zeigt schematisch:
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1 eine
3D-Darstellung einer Radialkolbenpumpe in stark vereinfachter Darstellung,
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2 eine
Detailansicht eines Hubrings wie er in einer Radialkolbenpumpe nach 1 verwendet
wird;
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3a und 3b einen
Hubring mit einer bogenförmig
verlaufenden Verjüngung;
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4a und 4b einen
Hubring mit einer kreisförmig
verlaufenden Verjüngung;
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5a und 5b einen
Hubring mit einer polygonal verlaufender Verjüngung, und
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6a und 6b einen
Hubring mit einer tonnenförmig
verlaufenden Verjüngung.
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Funktionsgleiche
Elemente sind nachfolgend figurübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine 3-D-Ansicht einer Radialkolbenpumpe in stark vereinfachter
Darstellung. Die Radialkolbenpumpe besteht im Wesentlichen aus einem Pumpengehäuse 1,
einer Antriebswelle 2 sowie mehreren radial angeordneten
Pumpeneinheiten 14. Die Pumpeneinheiten 14 sind
dabei in einem Winkelabstand von je 120° zueinander angeordnet. Jede
der Pumpeneinheiten 14 weist eine Zylinderbohrung auf, in
der bewegbar ein Pumpenkolben 13 angeordnet ist. Der Pumpenkolben 13 weist
an seinem zur Pumpenwelle 2 gerichteten Ende einen Gleitschuh 11 auf, der
sich mit einer Gleitfläche 12 gegen
einen Hubring 4 abstützt.
Der Hubring 4 weist hierzu eine der Anzahl der Pumpenkolben 13 entsprechende
Zahl von Abflachungen 8, 9, 10 auf. Der
Hubring 4 ist auf einem exzentrischen Wellenabschnitt 3 der
Antriebswelle 2 gleitend gelagert. Durch die Pumpenkolben 13 wird
er an einem Mitdrehen gehindert und führt während der Umdrehung der Antriebswelle 2 eine Taumelbewegung
innerhalb der Gehäusebohrung 15 des
Pumpengehäuses 1 aus.
Aufgrund der Taumelbewegung des Hubrings 4 verändert sich
die örtliche Spaltweite
s zwischen der Gehäusebohrung 15 und der
Außenumfangsfläche 5 des
Hubrings 4 während der
Pumpenwellenumdrehung ständig.
Der Ort in dem die Spaltweite s minimal ist, wandert während einer
Umdrehung der Pumpenwelle entlang einer gedachten Hüllkurve,
welche durch die Taumelbewegung des Hubrings 4 vorgegeben
ist. Aufgrund der Spaltraumveränderung
kommt es in dem Zwischenraum zwischen dem Hubring 4 und
der Gehäusebohrung 15 zu
einer Fluidströmung.
Hierdurch entstehen Druckpulsationen innerhalb des Pumpengehäuses 1. Um
die Druckpulsation sowie die Fluidströmung möglichst gering zu halten, ist
es notwendig, einen hinreichend großen Strömungsquerschnitt zwischen der Außenumfangsfläche 5 des
Hubrings 4 und der Gehäusebohrung 15 vorzusehen.
Durch eine Verjüngung
des Hubringaußendurchmessers
im Außenbereich
entsteht gegenüber
dem aus dem Stand der Technik verwendeten Hubringen, die einen gleichbleibendem
Außendurchmesser
aufweisen, ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
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2 zeigt
eine Detailansicht des Hubrings 4 im Pumpengehäuse 1.
Der Hubring 4 befindet sich dabei in einer Lage, in der
die Außenumfangsfläche 5 einen
minimalen Abstand s zur Gehäusebohrung 15 aufweist.
Die Außenumfangsfläche 5 des
Hubrings 4 weist dabei einen sich über die Breite des Hubrings 4 hinweg,
von der Mitte des Hubrings 4 zu jeder seiner Außenseiten 6, 7 hin
verjüngenden
Umfang auf. Hierdurch ergibt sich zwischen der Gehäusebohrung 15 und
dem Hubrings 4 ein vergrößerter Strömungsquerschnitt 16.
Dieser vergrößerte Strömungsquerschnitt
wird in 2 durch die gestrichelten Linien
verdeutlicht. Aufgrund dieses, gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten Strömungsquerschnitts
kann der minimale Abstand s zwischen der Außenumfangsfläche 5 des
Hubrings 4 und der Gehäusebohrung 15 des
Pumpengehäuses 1 verringert
werden. Bei gleichbleibendem Durchmesser der Gehäusebohrung 15 kann
ein Hubring 4 mit einem größeren maximalen Außenumfang
verwendet werden. Durch den größeren Außenumfang
des Hubring 4 entstehen größere Abflachungen 8, 9, 10 am
Hubrings 4, wodurch sich eine erhöhte Lebensdauer des Hubrings 4 ergibt.
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Um
einen in Bezug auf den Stand der Technik vergrößerten Strömungsquerschnitt zu erzielen, ist
prinzipiell jede Ausgestaltung des Hubrings 4 denkbar,
bei der sich die Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 über die
Breite des Hubrings 4 hinweg von der Mitte des Hubrings 4 zu
jeder seiner Außensei ten 6, 7 hin
verjüngt.
In den 3 bis 6 sind
jedoch besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Verjüngung beschrieben.
Dabei zeigen die Teilfiguren „a" jeweils eine 3D-Ansicht
des Hubrings 4 und die Teilfiguren „b" jeweils einen Radialschnitt durch den
Hubring 4.
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Die 3a und 3b zeigen
ein Hubring 4, bei dem die Außenumfangsfläche 5 eine
bogenförmige
Verjüngung
aufweist. Die bogenförmige
Verjüngung
erstreckt sich dabei ausgehend von der Mitte des Hubrings 4 symmetrisch
zu jeder Außenseite 6, 7.
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Die
Verjüngung
lässt sich
dabei einfach, beispielsweise durch Drehen, herstellen.
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Der
bogenförmige
Verlauf hat den Vorteil, dass sich auf Grund des abgerundeten Profils
eine besonders strömungsgünstige Oberfläche ergibt. Hierdurch
werden Turbulenzen im Strömungsquerschnitt
zwischen dem Hubring 4 und der Gehäusebohrung 15 weitgehend
vermieden. Der Strömungsquerschnitt
kann dabei durch die Krümmung
der bogenförmigen
Verjüngung
beeinflusst werden. Je stärker
die Krümmung/Verjüngung ist,
desto größer wir der
Strömungsquerschnitt
zwischen dem Hubring 4 und der Gehäusebohrung 15. Eine
stärkere
Krümmung/Verjüngung hat
jedoch auch den Effekt, dass bei gleichbleibender Tiefe der Abflachung 8, 9, 10 die Breite
der Abflachung 8, 9, 10 abnimmt. Die
Krümmung
ist daher so zu wählen,
dass bei gleichbleibender Tiefe der Abflachung 8, 9, 10,
die Breite der Abflachung 8, 9, 10 zumindest
im Kontaktbereich zwischen Gleitschuh 13 und Hubring 4,
mindestens so breit ist, dass der Gleitschuh vollflächig an
der Abflachung 8, 9, 10 des Hubrings 4 anliegt.
Dies gilt auch für
alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele,
ohne dass darauf noch einmal explizit eingegangen wird.
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Die 4a und 4b zeigen
einen Hubring 4, bei dem die Außenumfangsfläche 5 eine
kreisförmige
Verjüngung
aufweist. Der besondere Vorteil an der kreisförmigen Verjüngung liegt dar in, das der Hubring 4 dabei
besonders einfach aus einer handelsüblichen Kugel gefertigt werden
kann. Hierzu müssen
nur die Außenflächen 6, 7,
die Abflachungen 8, 9, 10 sowie die Bohrung 17 in
die Kugel eingebracht werden. Die Verjüngung der Außenumfangsfläche ergibt
sich durch den Radius der gewählten Kugel.
Durch die Verwendung von handelsüblichen Kugeln
kann der Fertigungsaufwand für
den Hubring 4 deutlich verringert werden.
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Die 5a und 5b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Hubring 4, wie er in einer Radialkolbenpumpe 1 nach 1 verwendet werden
kann. Die Verjüngung
der Außenumfangsfläche 5 verläuft dabei
polygonal. Die polygonale Ausgestaltung der Außenumfangsfläche 5 bietet
den Vorteil, dass der Umfang sich bereichsweise unterschiedlich
stark verjüngen
kann. So kann beispielsweise die Verjüngung in der Mitte zunächst nur
sehr gering ausgebildet sein und zu den äußeren Rändern des Hubrings 4 stärker zunehmen.
Hierdurch kann der Strömungsquerschnitt
zwischen der Gehäusebohrung 15 und
dem Hubrings 4 sehr flexibel an die Anforderungen angepasst
werden.
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Die 6a und 6b zeigen
eine weitere Ausgestaltung eines Hubrings 4, wobei die
Verjüngung
tonnenförmig
verläuft.
Der tonnenförmige
Verlauf lässt
sich ebenfalls besonders einfach ausbilden, da hierzu nur die äußeren Bereiche
mit einem Radius versehen werden müssen. Die tonnenförmige Verjüngung bietet
im wesentlichen die selben Vorteile wie die bogenförmige Verjüngung, so
das an dieser Stelle auf die Beschreibung zu 3 hingewiesen wird.
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Die
Erfindung zeichnet sich somit allgemein dadurch aus, dass die Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 einen
sich über
die Breite des Hubrings 4 hinweg, von der Mitte des Hubrings 4 zu
jeder seiner Außenseiten
hin, verjüngenden
Umfang aufweist. Zwischen der Gehäusebohrung 15 des
Pumpengehäuses 1 und
dem Hubring 4 entsteht dadurch ein erweiterter Strömungsquer schnitt.
Durch diesen zusätzlichen
Strömungsraum
kann der Spalt zwischen der Außenumfangsfläche 5 des
Hubrings 4 und der Gehäusebohrung 15 des
Pumpengehäuses 1 kleiner als
bislang üblich
ausgebildet werden, ohne dass die Druckpulsationen im Pumpengehäuse zunehmen. Somit
ist es möglich
bei gleichbleibendem Bauraum einen Hubring mit größerem Außendurchmesser
zu verwenden.
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Durch
die Verwendung eines Hubrings 4 mit größerem Außenumfang nimmt die effektive
Gleitfläche
zwischen der Abflachung 8, 9, 10 des
Hubrings 4 und dem Gleitschuh 11 zu, wodurch sich
eine erhöhte Lebensdauer
der Gleitflächen
ergibt.
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Der
Fertigungsaufwand für
den Hubring 4 ist für
alle Ausführungsbeispiele
nur unwesentlich größer als
bei den bislang verwendeten Hubringen. Der Hubring 4 mit
verjüngender
Außenumfangsfläche lässt sich
auch in ältere
Radialkolbenpumpen nachträglich
einbauen.
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Die
erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe eignet
sich insbesondere für
den Einsatz in modernen Common-Rail-Einspritzsystemen mit den dort herrschenden
hohen Drücken
und den dadurch vorliegenden hohen Belastungen für die Gleitflächen zwischen
Gleitschuh und Hubring.