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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für ein insbesondere hydraulisches
Drucksystem eines Kraftfahrzeugs.
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In
modernen Kraftfahrzeugen ist es bekannt, Kolbenpumpen für Drucksysteme
verschiedener Funktionen einzusetzen, wie z.B. für Einspritzvorrichtungen und
Bremsen, wobei für
Personenkraftfahrzeuge hydraulische Drucksysteme und für Lastkraftfahrzeuge
auch pneumatische Drucksysteme zum Einsatz kommen.
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Es
ist ebenfalls bekannt, einen Kolben einer Kolbenmaschine durch einen
Nockenantrieb mit einer drehbaren Nockenwelle mit ansteigenden und abfallenden
Nockenflanken hin und her zu verschieben, wobei die Nockenflanken
mit einer Stirnfläche des
Kolbens in Wirkverbindung stehen und vorzugsweise die ansteigende
Nockenflanke den Druckhub gegen eine Rückstellkraft, z.B. eine Federkraft,
und die abfallende Nockenflanke den Rückhub bewirken. Dabei erzeugt
der Schubnocken am Kolben eine beträchtliche Querbelastung, die
die Funktion der Kolbenpumpe beeinträchtigt und unter anderem einen beträchtlichen
Verschleiß am
Kolben und in dessen Führung
hervorruft.
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In
der JP 05-157042 ist eine Radialkolbenpumpe beschrieben, bei der
eine Nockenwelle und mehrere Kolben angeordnet sind, wobei die Nockenwelle
einen Nockenkörper
mit mehreren auf dem Umfang verteilt angeordneten Schubnocken aufweist, wobei
der Nockenkörper
exzentrisch angeordnet ist und jeweils die Längsmittelachse des jeweiligen
Kolbens bezüglich
der Mittelachse der Nockenwelle in die der Drehrichtung entegengesetzte
Richtung versetzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe gemäß der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass
im Betrieb die Querbelastungen des Kolbens verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die
Unteransprüche
bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein diskontinuierlicher
Reibungskontakt zwischen in Reibungskontakt miteinander stehenden Flächen bzw.
Körpern
die Reibung vermindert, und dass dies auch für den vorliegenden Reibungskontakt
zwischen der Nockenkontur und der Stirnfläche des Kolbens gilt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe weist
eine der beiden Nockenflanken eine durch in der Umfangsrichtung
hintereinander angeordnete und quer zur Drehrichtung der Nockenwelle
verlaufende Rillen in der Flankenfläche gebildete Nockenstruktur
auf. Hierdurch ist die Nockenflankenfläche in kurzen Abständen voneinander
durch die Rillen unterbrochen, was im Betrieb der Kolbenpumpe zu
Unterbrechungen des Reibungskontaktes oder zumindest zu abwechselnden
unterschiedlich starken Reibungkontakten führt. Diese Variationen in der
Intensität
des Reibungskontaktes vermindern die Reibungshaftung und somit auch
die Reibung, wodurch die Bewegungsfunktion es Kolbens und dessen
Querbelastung sowie der daraus resultierende Verschleiß vermindert
werden.
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Im
Funktionsbetrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe kann der Kolben
durch die Nockenstruktur in geringe axiale Schwingungen versetzt werden,
was in Kauf genommen werden kann.
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Um
die angestrebte Entlastung zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass
die einen Förderhub
des Kolbens bewirkende Nockenflanke die Nockenstruktur aufweist,
weil bei diesem Förderhub
der axiale Reibungsdruck besonders groß ist. Aber auch beim weniger
druckvollen Rückhub
des Kolbens wird durch die Erfindung eine Entlastung erreicht.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
lässt sich
sehr wirkungsvoll an nur einem Schubnocken auf der Nockenwelle verwirklichen.
Dabei eignen sich in der Umfangsrichtung konvex geformte Nockenflanken
besonders gut, die vorzugsweise in der Umfangsrichtung die Form
einer geschlossenen Ellipse aufweisen.
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Es
trägt zu
einer einfachen und einfach und kostengünstig herstellbaren Form bei,
wenn die Nockenstruktur in der Umfangsrichtung gleichförmig ausgebildet
ist.
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Durch
einen gerundeten Firstbereich der Strukturnocken werden ein weniger
harter Kontakt beim Auftreffen auf die Stirnfläche des Kolbens erreicht und
eine Stabilisierung des Firstbereichs erreicht.
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Die
Strukturrillen lassen sich in schonender Weise für das Material und dessen Gefüge durch Schleifen
in die Nockenflanken einarbeiten.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können bezüglich der
Nockenwelle zwei Kolben einander gegenüberliegend angeordnet sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung
mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, in der Zusammenfassung
und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der
Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine
vereinfacht dargestellte Kolbenpumpe für ein hydraulisches Drucksystem
eines Kraftfahrzeugs;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Nockenkörpers.
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Die
in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Kolbenpumpe ist
durch eine in nicht dargestellten Drehlagern drehbar gelagerte Nockenwelle 12 und zwei
bezüglich
dieser einander gegenüberliegend angeordneten
Kolben 14 verdeutlicht, die vorzugsweise gleich ausgebildet
sind. Es kann auch nur ein Kolben 14 vorgesehen sein. Da
die Kolben 14 und die Kolbenpumpe 10 bezüglich der
Nockenwelle 12 im wesentlichen einander spiegelbildlich
ausgebildet sind, beschränkt
sich die folgende Beschreibung aus Vereinfachungsgründen hauptsächlich auf
eine der beiden Kolbenseiten der Kolbenpumpe 10.
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Der
jeweilige Kolben 14 ist in einer Führung 18 längs seiner
Mittelachse 14a gelagert und durch einen auf der Nockenwelle 12 exzentrisch
und drehfest angeordneten Schubnocken 20 etwa radial hin und
her verschiebbar und durch die Kraft einer als Pfeil dargestellten
Feder 16 radial einwärts
gegen den Schubnocken 20 vorgespannt.
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Der
Schubnocken 20 weist einen ellipsenförmigen Nockenkörper mit
einander gegenüberliegenden
und bezüglich
seiner Drehrichtung 22 steigend oder abfallend wirksamen
Nockenflanken 20a, 20b auf, die in der Umfangsrichtung
in einer konvexen Form angeordnet sind, vorzugsweise in der Form
einer Ellipse, die bezüglich
einer Quermittelebene E1 und Längsmittelebene
E2 symmetrisch (dargestellt) oder unsymmetrisch (nicht dargestellt)
sein kann. Dabei kann der Nockenkörper 20 kreisrund
gemäß 1 oder
elliptisch gemäß 2 ausgebildet
sein. Bei den Ausführungsbeispielen
sind beide Formen mit der Exzentrizität e exzentrisch auf der Nockenwelle 12 angeordnet.
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Am
Umfang des Schubnockens 20 ist wenigstens im Bereich der
vorzugsweise einen Druckhub des Kolbens 14 bewirkenden
Nockenflanke, beim Ausführungsbeispiel
der ansteigenden Nockenflanke 20a, insbesondere auf dem
gesamten Umfang, eine Nockenstruktur 24 vorzugsweise gleicher Form
angeordnet, die durch eine Vielzahl von in der Umfangsrichtung hintereinander
angeordneten und quer zur Drehrichtung der Nockenwelle verlaufenden Strukturrillen 26 in
der Nockenflanke 20a, 20b und durch die Strukturrillen 26 begrenzte
Strukturnocken 28 gebildet ist. Die Breite b der Strukturrillen 24 ist kleiner
als die Breite a der Strukturnocken. Die Teilung t der Strukturnocken 28 beträgt z.B.
etwa ein ... bis ein ..., insbesondere etwa ein ... des Umfangs
U des Schubnockens 20.
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Die
Strukturrillen 26 und die Strukturnocken 28 erstrecken
sich vorzugsweise parallel zur Drehachse 12a der Nockenwelle 12,
wobei sie Profile bzw. Hohlprofile bilden. Die Strukturnocken 28 sind
in ihrem Firstbereich gerundet, wobei sie insgesamt einen halbkreisförmigen Querschnitt
aufweisen können.
Die Strukturrillen 26 können
im Bereich ihres Rillengrundes spitz oder rechteckig geformt sein.
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Die
Nockenstruktur 24 bewirkt im Funktionsbetrieb der Kolbenpumpe 10 einen
unterschiedlichen Wirkkontakt mit der zugewandten Stirnfläche des Kolbens 14,
beim Ausführungsbeispiel
einen unterschiedlich starken Rei bungskontakt, was darauf beruht,
dass die Reibung im Bereich der Strukturrillen 25 kurzzeitig
unterbrochen ist und im Bereich der Strukturnocken 28 wieder
vorhanden und bei der Berührung
mit dem Strukturnocken 28 verstärkt ist. Hierdurch ist die
mit B verdeutlichte und in die Drehrichtung 22 gerichtete
Belastung des Kolbens 14 verringert, was zu einer Verbesserung
der Funktion der Kolbenpumpe 10 und unter anderem zu einer
Verringerung des Verschleißes
sowie zu einer Verlängerung
der Lebensdauer führt.
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Auf
der dem Schubnocken 20 abgewandten Seite des Kolbens 14 begrenzt
dieser einen Arbeitsraum A in einem die Führung 18 bildenden
Gehäuse G.
Es erstreckt sich jeweils eine Saugleitung S von einem Tank zum
Arbeitsraum A und eine Förderleitung
F vom Arbeitsraum A zu einer Systemleitung C eines an sich bekannten
und vereinfacht dargestellten Regelungssystems R für das nicht
dargestellte Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug.
Das Regelungssystem R ist in an sich bekannter Weise durch ein elektronisches
Stabilitäts-Programm
ESP geregelt, wie es bei modernen Kraftfahrzeugen üblich ist.
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Um
den Verschleiß zu
verringern und die Lebensdauer zu verlängern, sind die Mantelfläche und/oder
die Stirnfläche 14b des
bzw. der Kolben 14 und/oder die Führungsfläche der Führung 18 und/oder
die Mantelfläche
des Schubnockens 20 bzw. die Umfangsflächenabschnitte der Strukturnocken 28 jeweils
mit einer verschleißfesten
Schicht beschichtet. Dabei handelt es sich z.B. um eine synthetische,
diamantähnliche
Gleitschicht, die in Fachkreisen unter der Bezeichnung DLC (diamant
light carbide) bekannt ist.
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Im
Funktionsbetrieb der Kolbenpumpe 10, bei der es sich beim
Ausführungsbeispiel
um eine Radial-Kolbenpumpe handelt, prinzipiell aber auch um eine
Kolbenpumpe anderer Konstruktion handeln kann, wird jeweils der
Kolben 14 durch die Nockenflanken 20a, 20b hin
und her bewegt, wobei er mit seiner dem Schubnocken 20 bzw.
der Nockenstruktur 24 zugewandten Stirnfläche 14b in
vorbeschriebener Weise in Wirkverbindung steht, beim Ausführungsbeispiel
daran gleitet. Bei dem dabei erfolgenden, z.B. radial nach außen gerichteten
und durch die ansteigende Nockenflanke 20a bewirkten, Druckhub wird
das unter Druck stehende Medium durch die Förderleitung F und die Systemleitung
C dem Regelsystem R zugeführt.
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Zur
Steuerung der Strömungsrichtung
des Mediums sind in der Saugleitung S und in der Förderleitung
F an sich bekannte Steuerventile V angeordnet.
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- 10
- Kolbenpumpe
- 12
- Nockenwelle
- 12a
- Drehachse
- 14
- Kolben
- 14a
- Mittelachse
- 14b
- Stirnfläche
- 16
- Feder
- 18
- Führung
- 20
- Schubnocken
- 20a
- steigende
Nockenflanke
- 20b
- fallende
Nockenflanke
- 22
- Drehrichtung
- 24
- Nockenstruktur
- 26
- Strukturrillen
- 28
- Strukturnocken
- a
- Breite
- b
- Breite
- e
- Exzentrizität
- A
- Arbeitsraum
- B
- Belastung
- C
- Systemleitung
- E1
- Quermittelebene
- E2
- Längsmittelebene
- ESP
- Elektronisches
Stabilitäts-Programm
- F
- Förderleitung
- G
- Gehäuse
- R
- Regelunssystem
- S
- Saugleitung
- V
- Ventile