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Stand
der Technik
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Rollenstößel, die
aus einem Stößelkörper und
einer in dem Stößelkörper drehbar
gelagerten Lagerrolle bestehen, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen
aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden Rollenstößel in den
Pumpenelementen von Kraftstoffhochdruckpumpen von Kraftstoffeinspritzanlagen
eingesetzt. Dabei wird zwischen einer Lagerschale des Stößelkörpers und
der zylindrischen Lagerrolle ein Gleitlager ausgebildet. Dieses
Gleitlager ist vor allem bei Kraftstoffhochdruckpumpen der neuesten
Generation, die Einspritzdrücke
von bis zu 2.000 bar bereitstellen sollen, sehr hoch belastet. Geschmiert
wird dieses hydrodynamische Gleitlager in der Regel durch den Kraftstoff,
der in der Kraftstoffhochdruckpumpe gefördert wird.
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Damit
die Lagerrollen bei der Montage nicht in das Pumpengehäuse fallen
können,
sondern vielmehr in der gewünschten
Position relativ zu dem Stößelkörper verbleiben,
ist es bekannt, eine formschlüssige
Verbindung zwischen Stößelkörper und Lagerrolle
herzustellen. Dies geschieht üblicherweise
dadurch, dass die Lagerschale die Lagerrolle mit einem Umschlingungswinkel
von mehr als 180° umschließt. Dadurch
ist gewährleistet,
dass die Lagerrolle nicht nach unten aus dem Stößelkörper herausfallen kann. Dieser
relativ große
Umschlingungswinkel wirkt sich jedoch nachteilig auf die Ausbildung
eines Schmierfilms zwischen Lagerschale und zylindrischer Lagerrolle
aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rollenstößel bereitzustellen,
dessen Belastbarkeit gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Rollenstößeln erhöht ist. Gleichzeitig soll die gute
und prozesssichere Montierbarkeit der aus dem Stand der Technik bekannten
Rollenstößel erhalten bleiben.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Rollenstößel mit
einem Stößelkörper und
mit einer zylindrischen Lagerrolle, mit einer in dem Stößelkörper ausgebildeten
Lagerschale, wobei die Lagerrolle formschlüssig in der Lagerschale aufgenommen ist,
und wobei die Lagerrolle und die Lagerschale ein Gleitlager bilden,
dadurch gelöst,
dass die Lagerschale die Lagerrolle an deren Enden mit einem ersten
Umschlingungswinkel α1 > 180° umschließt und dass
die Lagerschale die Lagerrolle in einem mittleren Abschnitt mit
einem zweiten Umschlingungswinkel α2 < 180° umschließt.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäß beanspruchten Rollenstößel ist
nach wie vor die formschlüssige
Verbindung zwischen Lagerung und Stößelkörper gewährleistet. Dies wird dadurch
erreicht, dass an den Enden der Lagerrolle diese von der Lagerschale
mit einem Umschlingungswinkel > 180° umschlossen und
somit gehalten wird, so dass die Montierbarkeit erhalten bleibt.
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Gegenüber herkömmlichen
Rollenstößeln wird
eine erhöhte
Belastbarkeit des Gleitlagers dadurch erreicht, dass in einem mittleren
Abschnitt der Lagerrolle diese von der Lagerschale mit einem zweiten
Umschlingungswinkel kleiner 180° umschlossen wird.
Dadurch wird der Schmierspalt zwischen Lagerschale und Lagerrolle
in dem mittleren Bereich verkürzt.
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Es
hat sich überraschenderweise
bei Versuchen herausgestellt, dass durch die Verkürzung des Schmierspalts
die Belastbarkeit des Gleitlagers im mittleren Bereich der Lagerrolle,
das heißt
dort wo die Belastungen am höchsten
sind, zunimmt. Dadurch wird die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Rollenstößels erhöht, ohne
zusätzliche
Bauteile zu benötigen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der erste Umschlingungswinkel zwischen 190° und 210°, bevorzugt etwa gleich 200°, beträgt.
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Für den zweiten
Umschlingungswinkel haben sich ein Winkelbereich zwischen 150° und 170°, bevorzugt
etwa 160°,
als vorteilhaft erwiesen.
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Die
Belastbarkeit des Gleitlagers in dem erfindungsgemäßen Rollenstößel kann
weiter erhöht werden,
wenn auf der Lagerschale und/oder auf der Lagerrolle eine Mikrostrukturierung
aufgebracht ist. Diese Mikrostrukturierung kann die Ausbildung von Schmiertaschen
fördern
und dadurch den direkten Kontakt von Lagerschale und Lagerrolle
wirksam unterbinden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Lagerschale als separates Bauteil ausgeführt ist und dass dieses separate Bauteil
formschlüssig
mit dem Stößelkörper verbunden
ist. Dadurch ist es möglich,
die Lagerschale aus einem Werkstoff herzustellen, der optimal mit
der Lagerrolle, die üblicherweise
aus gehärtetem
Stahl hergestellt wird, zusammenwirkt. Des Weiteren ist es möglich, den
eigentlichen Stößelkörper aus
einem Werkstoff herzustellen, dessen spezifisches Gewicht geringer
ist als das der Lagerschale, so dass der Rollenstößel leichter
wird, obwohl die Belastbarkeit des Rollenstößels zunimmt.
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Der
Stößelkörper und/oder
die als separates Bauteil ausgeführte
Lagerschale kann aus Metall, Kunststoff oder einem Sinterwerkstoff
bestehen.
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Um
zu gewährleisten,
dass der Stößelkörper sich
relativ zu dem Gehäuse
der Pumpe verdreht, ist seitlich an dem Stößelkörper eine Längsnut ausgeformt, die mit
einem im Gehäuse
der Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzten Stift eine Verdrehsicherung
für den
Rollenstößel bildet.
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Ein
besonders bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Rollenstößels ist
in einer Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoff-Einspritzsystem
für eine
Brennkraftmaschine zu sehen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in den Zeichnungen, deren Beschreibung und in den Patentansprüchen beschriebenen
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Rollenstößel in einer
Kraftstoffhochdruckpumpe;
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2 bis 5 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Rollenstößels in
verschiedenen Ansichten und
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6 und 7 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Rollenstößels in verschiedenen
Ansichten.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Kraftstoffhochdruckpumpe für
eine Brennkraftmaschine im Längsschnitt
dargestellt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe kann als Ein- oder Mehrzylinder-Radialkolbenpumpe
ausgebildet sein. Ein Gehäuse
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
In dem Gehäuse 1 ist
eine Nockenwelle 2 drehbar gelagert. Die Nockenwelle 2 wird
durch die Brennkraftmaschine oder auf andere Weise, beispielsweise über einen Elektromotor,
angetrieben. Die Nockenwelle 2 umfasst auf ihrer äußeren Umfangsfläche drei
zueinander in einem Winkel von 120° beabstandete Nocken 4.
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In
dem Gehäuse 1 der
Kraftstoffhochdruckpumpe ist außerdem
eine Führungsbohrung 5 ausgebildet.
Die Führungsbohrung 5 dient
der Führung eines
Rollenstößels 6.
Der Rollenstößel 6 umfasst
einen Stößelkörper 7 und
eine in dem Stößelkörper 7 um
eine Drehachse 8 drehbar gelagerte Lagerrolle 9 auf.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
hat der Stößelkörper 7 eine
kreisförmige
Querschnittsfläche
(siehe 4).
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Durch
die Drehung der Nockenwelle 2 wird der Rollenstößel 6 in
eine oszillierende Bewegung versetzt, die durch einen Doppelpfeil 10 angedeutet ist.
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Der
Rollenstößel 6 wird über ein
Federelement 11 in Anlage an der Nockenwelle 2 gehalten. Um
das Federelement 11 nicht unnötig hoch zu belasten und um
Bauraum einzusparen, ist eine geringe bewegte Masse des Rollenstößels 6 besonders
wichtig.
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Die
oszillierende Bewegung des Rollenstößels 6 wird bei dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf einen Kolben 12 übertragen.
Der Kolben 12 kann beispielsweise ein Pumpenkolben einer
Kraftstoffhochdruckpumpe eines Kraftstoffversorgungssystems einer
Brennkraftmaschine sein.
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Damit
sich der Rollenstößels 6 nicht
verdrehen kann, ist eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rollenstößel 6 wirkende
Verdrehsicherung vorgesehen. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfasst die Verdrehsicherung einen in das Gehäuse 1 eingesetzten
Stift 13 und eine Längsnut 14 in
dem Stößelkörper 7 eingreift.
Die Längsnut 14 verläuft im Wesentlichen
parallel zu einer Längsachse 15 des
Rollenstößels 6.
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In 1 sind
sowohl die Lagerrolle 9 als auch der Stößelkörper 7 geschnitten
dargestellt. In dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass in
dem Stößelkörper 7 eine
Lagerschale 17 ausgebildet ist. Diese Lagerschale 17 bildet
zusammen mit der Lagerrolle 9 ein Gleitlager. Die Schnittebene
der 1 geht durch die Längsachse 15 des Rollenstößels. In dieser
Schnittebene umschließt
die Lagerschale 17 die Lagerrolle 9 mit einem
zweiten Umschlingungswinkel α2. Dieser Umschlingungswinkel α2,
ist kleiner als 180°.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der zweite Umschlingungswinkel α2,
in einem Bereich zwischen 150° und
170° liegt.
Als besonders bevorzugt hat sich ein zweiter Umschlingungswinkel α2 von 160° erwiesen.
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Weil
der zweite Umschlingungswinkel α2 kleiner als 180° ist, besteht keine formschlüssige Verbindung
zwischen Lagerschale 17 und Lagerrolle 9 in dem
oder den Bereichen in denen der zweite Umschlingungswinkel α2 kleiner
als 180° ist.
In Folge dessen würde
die Lagerrolle 9 nicht in dem Stößelkörper 7 gehalten, wenn
beispielsweise während
der Montage die Lagerrolle 9 und der Stößelkörper in das Gehäuse 1 der
Kraftstoffhochdruckpumpe eingeführt werden
soll. Daraus resultieren mögliche
Störungen bei
der Montage der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,
wenn beispielsweise die Lagerrolle 9 in das Gehäuse 1 der
Kraftstoffhochdruckpumpe fällt
und sich dort verklemmt.
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Es
hat sich jedoch bei praktischen Versuchen erwiesen, dass bei einem
zweiten Umschlingungswinkel α2 von etwa 160° die Versorgung des zwischen
Lagerschale l7 und Lagerrolle 9 befindlichen Schmierspalts
mit Kraftstoff (nicht dargestellt) besser ist, als wenn der zweite
Umschlingungswinkel α2 größer als
180° ist.
Durch die bessere Versorgung des Schmierspalts zwischen Lagerschale 17 und
Lagerrolle 9 wird die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Rollenstößels 6 erhöht. Dies
gilt auch für
die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Rollenstößels 6. Diese
Erkenntnis ist insofern überraschend
als man üblicherweise
erwartet hätte,
dass die Lebensdauer des aus Lagerschale 17 und Lagerrolle 9 gebildeten Gleitlagers
mit zunehmendem Umschlingungswinkel zunimmt.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Lagerrolle 9 trotz eines zweiten Umschlingungswinkels α2 von
weniger als 180° die
Lagerrolle 9 formschlüssig
mit dem Stößelkörper 7 verbunden
ist, ist an den Enden der Lagerschale 17 jeweils ein Bereich
vorgesehen, innerhalb dessen ein erster Umschlingungswinkel α1 größer als
180° ist.
Die Geometrie des erfindungsgemäßen Rollenstößels wird
nachfolgend anhand der 2–7 näher erläutert.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rollenstößels 6.
In dieser Ansicht ist ein Ende (ohne Bezugszeichen) der Lagerrolle 9 sowie
ein Ende der Lagerschale 17 sichtbar.
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An
den Enden der Lagerrolle 9 umschließt die Lagerschale 17 diese
mit einem ersten Umschlingungswinkel α1, der
größer als
l80 ist. Dadurch ergibt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen der Lagerschale 17 beziehungsweise
dem Stößelkörper 7 und
der Lagerrolle 9, so dass die Lagerrolle 9 gegen
Herausfallen gesichert ist.
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3 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie Z-Z durch den in 2 dargestellten
Rollenstößel 6. Dabei
wird deutlich, dass die Lagerschale 17 in drei Abschnitte
unterteilt ist.
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An
den Enden 19 umschließt
die Lagerschale 17 die Lagerrolle 9 mit einem
ersten Umschlingungswinkel α1 > 180°, während die
Lagerschale 17 in einem mittleren Bereich 21 die
Lagerrolle 9 nur mit dem zweiten Umschlingungswinkel α2 < 180° umschließt. Wie
aus 3 ersichtlich, sind die Enden 19 im Vergleich
zu dem mittleren Bereich 21 durch die etwas größeren ersten
Umschlingungswinkel α1 im Bereich der Enden 19 nicht
nennenswert beeinträchtigt.
Andererseits ist durch den Formschluss zwischen Stößelkörper und
Lagerrolle 9 im Bereich der Enden 19 gewährleistet,
dass die Lagerrolle 9 bei der Montage nicht aus dem Stößelkörper heraus
und in das Gehäuse 1 der
Kraftstoffhochdruckpumpe fallen kann. Wie aus 3 ersichtlich,
ist die Lagerrolle 9 an ihren Enden ballig ausgeführt. Dadurch
wird die Reibung zwischen den Stirnflächen (ohne Bezugszeichen) der
Lagerrolle 9 und dem Gehäuse 1 der Kraftstoffhochdruckpumpe
minimiert.
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4 zeigt
eine Ansicht von unten auf den in den 2 und 3 dargestellten
Stößelkörper 7. Die
Lagerrolle 9 ist in 4, ebenso
wie in 5 aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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In
dieser Ansicht von unten ist die Längsnut 14 im Stößelkörper 7 gut
sichtbar. Es wird auch deutlich, dass die Verringerung des zweiten
Umschlingungswinkels α2 relativ zu dem ersten Umschlingungswinkel α2 durch
eine Ausnehmung 23, die beispielsweise mit einem Fingerfräser hergestellt
werden kann, erreichbar ist.
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In 5 ist
ein Längsschnitt
durch den Stößelkörper 7 dargestellt.
Dieser Längsschnitt
entspricht der Schnittdarstellung gemäß 1. Da in 5 nur
der Stößelkörper 7 dargestellt
ist und nicht, wie in 1 die weiteren Bauteile eingezeichnet sind,
lässt sich
die Geometrie der Lagerschale 17 und der zweite Umschlingungswinkel α2 im
mittleren Bereich 21 (siehe 3 und 4)
gut erkennen. Auch die Aussparung 23 ist in 5 gut
sichtbar.
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In 6 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Rollenstößels 6 im
Längsschnitt
dargestellt. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Lagerschale 17 als
separates Bauteil ausgeführt.
In der Lagerschale 17 sind die Aussparungen 23 ebenfalls
vorhanden. Dadurch wird der erfindungsgemäße Formschluss zwischen den
Enden 19 der Lagerrolle 9 und der Lagerschale 17 hergestellt,
während
im mittleren Bereich ein zweiter Umschlingungswinkel α2 < 180° realisiert
werden kann. Durch die zweiteilige Ausführung von Stößelkörper 7 und
Lagerschale 17 ergibt sich die Möglichkeit, die Materialauswahl
bei dem Stößelkörper 7 und
der Lagerschale 17 optimal auf die auftretenden Belastungen
anzupassen. Beispielsweise könnte
der Stößelkörper 7 aus
einem sehr leichten Werkstoff hergestellt werden, während die
Lagerschale 17, beispielsweise aus einem extrem verschleißfesten
Werkstoff wie gehärtetem
Stahl, Keramik, Sintermetall oder Kunststoff hergestellt wird. Bei
dem in 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Lagerschale 17 und
der Stößelkörper 7 durch
eine Schnappverbindung 25 formschlüssig und unverlierbar miteinander
verbunden.
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Die
Schmierverhältnisse
zwischen der Lagerrolle 9 und dem Stößelkörper 7 können noch
einmal deutlich verbessert werden, wenn zwischen einer in der Vertiefung 18 des
Stößelkörpers 7 ausgebildeten
Lauffläche
und/oder auf der Umfangsfläche der
Lagerrolle 9 eine Mikrostrukturierung aufgebracht ist.
Dies kann insbesondere bei einer Kunststoffausführung des Stößelkörpers 7 einfach
und kostengünstig
aufgebracht werden, da die Mikrostruktur nur einmal in eine Spritzgussform
eingebracht werden muss. Eine Mikrostruktur kann die Schmierung
deutlich verbessern, z. B. durch Ausbildung als Schmiertaschen oder
zusätzliche
Schmiernuten.