-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere zur Kraftstoffhochdruckversorgung
einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einem Pumpengehäuse und
einer Antriebswelle zur Betätigung
eines oder mehrerer Pumpenstößel, die bezüglich der
Antriebswelle radial im Pumpengehäuse ausgerichtet sind, wobei
die Antriebswelle an einer oder mehreren Lagerstellen, die zwischen
einer Welleneingangsöffnung
des Pumpengehäuses
und einer der Welleneingangsöffnung
gegenüberliegenden
Gehäuserückwand verlaufen,
drehgelagert ist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Derartige
Kolbenpumpen sind in mannigfaltigen Ausgestaltungen im Stand der
Technik bekannt. So geht beispielsweise aus der
DE 102 08 574 A1 eine Radialkolbenpumpe
hervor, die als Antriebselement für die Pumpenstößel einen
auf einem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle angeordneten Hubring
aufweist. Die Antriebswelle ist im Pumpengehäuse über ein in der Wellenein gangsöffnung angeordnetes
Kugellager und im Bereich der Gehäuserückwand in einem Gleitlager
drehbar gelagert.
-
In
der US 2003/0145835 A1 ist ebenfalls eine Radialkolbenpumpe mit
einem auf einem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle angeordneten Hubring
vorgeschlagen, wobei die Antriebswelle hier jedoch über ein
im Bereich der Gehäuserückwand angeordnetes
Nadellager drehbar im Pumpengehäuse
gelagert ist.
-
Eine
weitere Ausführungsform
einer Kolbenpumpe geht aus der
DE 198 27 926 A1 hervor. Anstelle des auf
der Antriebswelle exzentrisch gelagerten Hubrings ist dort ein mit
der Antriebswelle umlaufender Mehrfachnocken zur Betätigung eines
Pumpenstößels vorgesehen,
und die Antriebswelle ist über
ein an der Gehäuserückwand angeordnetes
Kugellager drehbar im Pumpengehäuse
gelagert.
-
Ein
den beispielhaft genannten Ausführungsformen
der Kolbenpumpe gemeinsames Merkmal besteht darin, dass jeweils
die im Bereich der Gehäuserückwand angeordnete
Lagerstelle einen endseitigen Wellenzapfen der Antriebswelle benötigt, welcher
sich an das eigentliche Antriebselement in Form des exzentrisch
gelagerten Hubringes oder des Nockens anschließt. Jedoch kann der vom Wellenzapfen
benötigte
axiale Bauraum hinsichtlich der Pumpenlänge insbesondere dann kritisch
sein, wenn die Kolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung einer
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dient und in deren Zylinderkopfbereich
angeordnet ist. Dies liegt neben dem permanenten Bestreben, die
Brennkraftmaschine möglichst
kompakt und bauraumsparend zu gestalten, aktuell auch darin begründet, dass
der zur Erfüllung
verschärfter
Fußgängerschutzvorschriften
erforderliche Freiraum zwischen der Motorhaube eines Fahrzeugs einerseits und
der in das Fahrzeug eingebauten Brennkraftmaschine einschließlich ihren
Anbauteilen andererseits unbedingt einzuhalten ist. So kann die
Einhaltung dieser Vorschriften unter anderem dann erheblich erschwert
werden, wenn ein Längseinbau
der Brennkraftmaschine im Fahrzeug mit in Verlängerung des Zylinderkopfs angeordneter
Kolbenpumpe herkömmli cher
Bauweise vorgesehen ist, welche aufgrund ihrer Baulänge in den
vorgeschriebenen Freiraum unterhalb der Motorhaube des Fahrzeugs
eindringt.
-
Wie
es in der
DE 196 50
246 A1 vorgeschlagen ist, wäre es zwar möglich, die
Baulänge
der Kolbenpumpe durch Entfall der Lagerstelle im Bereich der Gehäuserückwand zu
verkürzen.
Jedoch ist eine derartige fliegende Lagerung des Antriebselements hinsichtlich
ihrer Betriebsstabilität
grundsätzlich
als ungünstig
einzustufen und erfordert zur ausreichenden Stabilisierung weitergehende
Maßnahmen
bei der Lagerung der Antriebswelle. Dementsprechend handelt es sich
bei der Kolbenpumpe dieser Druckschrift auch um eine Ausführung ohne
eigene Antriebswelle, die allenfalls in Verbindung mit einer verlängerten,
in der Brennkraftmaschine bereits ausreichend stabil gelagerten
Nockenwelle verwendbar ist.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe
der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine möglichst
geringe Baulänge
bei bestmöglicher
Stabilität
der Antriebswellenlagerung und gleichzeitiger Gewichtsersparnis so
fortzubilden, dass die zitierten Nachteile bzw. konstruktiven Einschränkungen
mit einfachen Mitteln vermieden werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die eine Lagerstelle zwischen einer Innenmantelfläche eines
hohlzylindrischen Abschnitts der Antriebswelle und einer Außenmantelfläche eines
von der Gehäuserückwand ausgehenden und
sich in den hohlzylindrischen Abschnitt erstreckenden Lagerzapfens
verläuft.
Demnach kann die Baulänge
der Kolbenpumpe bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung erheblich
dadurch reduziert werden, dass die im Bereich der Gehäuserückwand angeordnete
Lagerstelle in das Innere des hohlzylindrischen Abschnitts der Antriebswelle
verlegt wird und insofern der üblicherweise
vorgesehene und die Baulänge
der Kolbenpumpe maßgeblich
beeinflussende Wellenzapfen einschließlich der Anschlusskonstruktion
für die
Lagerstelle entfällt.
Bei dieser Anordnung der Lagerstelle ist gleichzeitig sichergestellt,
dass die Lagerungsqualität
der Antriebswelle im Pumpengehäuse
gegenüber
herkömmlichen
Lagerungen zumindest beibehalten oder, wie nachfolgend noch erläutert wird,
sogar erheblich verbessert werden kann.
-
Diese
Verbesserung wird gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt, dass
die eine Lagerstelle und die Pumpenstößel in axialer Richtung der
Antriebswelle so zueinander positioniert sind, dass die von der
einen Lagerstelle abgestützte
Radialkraft wenigstens eines der Pumpenstößel hebelarmfrei innerhalb
der Längserstreckung
der einen Lagerstelle verläuft.
So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die resultierenden
Reaktionskräfte
eines oder mehrerer in derselben Querebene zur Antriebswelle angeordneter Pumpenstößel genau
mittig durch die in den hohlzylindrischen Abschnitt der Antriebswelle
verlegte Lagerstelle verlaufen. Durch diese hebelarmfreie oder unmittelbare
Abstützung
der auf die Antriebswelle wirkenden Radialkräfte kann sowohl ein durch Lagerspiel
als auch ein durch Bauteilelastizitäten bedingtes ungleichmäßiges Verkippen
der Antriebswelle innerhalb ihrer Lagerung weitgehend vermieden
werden. Für
den Fall, dass die gesamte von den Pumpenstößeln erzeugte Radiallast von
der im hohlzylindrischen Abschnitt verlaufenden Lagerstelle abgestützt wird,
kann darüber
hinaus eine weitere Lagerstelle für die Antriebswelle besonders
kleinbauend dimensioniert werden, da diese weitere Lagerstelle dann
lediglich zur Abstützung
vergleichsweise kleiner Axialkräfte
dient.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Lagerzapfen einstückig mit
dem Pumpengehäuse
ausgebildet sein. Während
dies einen weiteren Beitrag zur Baulängenreduzierung der Kolbenpumpe liefert,
ist es alternativ selbstverständlich
auch möglich,
den Lagerzapfen als separates, wahlweise auch hohlzylindrisches
Bauteil an der Gehäuserückwand zu
befestigen. Diese Befestigung kann über die bekannten Verbindungstechniken,
wie Einpressen, Ein- oder
Anschrauben, Schweißen,
Kleben, Löten,
Nieten, etc. bei gegebenenfalls erforderlicher Abdichtung gegen
Schmiermittelaustritt aus dem Pumpengehäuse erfolgen.
-
In
einem speziellen Anwendungsfall soll die Antriebswelle mit einer
zur Betätigung
von Einlass- und/oder Auslassventilen der Brennkraftmaschine dienenden
Nockenwelle koaxial drehverbunden sein. Eine derartige Anordnung
der Kolbenpumpe ist insbesondere von Brennkraftmaschinen mit Benzindirekteinspritzung
in Verbindung mit einem Common-Rail-Einspritzsystem bekannt und
unterliegt aufgrund der motorhaubennahen Lage der Kraftstoffhochdruckpumpe
im besonderen Maße
den eingangs erwähnten
Anforderungen an die Bauraumbeschränkung. Ein weiterer, besonders
geeigneter Anwendungsfall für
die erfindungsgemäße Kolbenpumpe
ist beispielsweise aber auch die parallele Anordnung der Antriebswelle
zu einer antreibenden Nockenwelle, wobei diese auch für den Ladungswechsel
einer Diesel-Brennkraftmaschine zuständig sein kann.
-
Die
Drehverbindung zwischen der Antriebswelle und der Nockenwelle kann
gemäß einer
ersten vorteilhaften Variante als formschlüssig wirkende Kupplung ausgestaltet
sein, in dem die Antriebswelle eine durchgehende Längsöffnung aufweist,
in welcher der hohlzylindrische Abschnitt und eine zu diesem benachbarte
Innenlängsverzahnung
verläuft, die
mit einer Außenlängsverzahnung
auf einem der Kolbenpumpe zugewandten Endabschnitt der Nockenwelle
im Eingriff steht.
-
Während darüber hinaus
auch weitere, formschlüssig
wirkende Kupplungen zwischen der Nockenwelle und der Antriebswelle
vorgesehen sein können,
wie beispielsweise in Form einer unter dem Markennamen "Oldham" bekannten, radial
verschiebbaren Zweiflach-Kupplung, sollen die Antriebswelle und
die Nockenwelle gemäß einer
zweiten Variante der Drehverbindung zu einer starr verbundenen Baueinheit
zusammengefasst sein. In diesem Fall besteht einerseits die Möglichkeit,
die vorgenannte weitere Lagerstelle in Form des gering belasteten
Axiallagers zugunsten einer zusätzlichen axialen
Baulängenreduzierung
der Kolbenpumpe entfallen zu lassen, da die Nockenwelle ohnehin
bereits in der Brennkraftmaschine axial gelagert ist. Andererseits
besteht auch die Möglichkeit,
die Nockenwelle gemeinsam mit der Antriebswelle über die weitere Lagerstelle
im Pumpengehäuse
axial zu lagern und das ursprüngliche
Axiallager der Nockenwelle entfallen zu lassen.
-
Unter
dem Begriff der starr verbundenen Baueinheit von Nockenwelle und
Antriebswelle sind an dieser Stelle alle bekannten kraft-, form-
oder stoffschlüssig
wirkenden Verbindungstechniken, die zu einer axial und radial belastbaren
Anbindung der Antriebswelle an die Nockenwelle führen, aber auch die einteilige
Ausführung
von Nockenwelle und Antriebswelle zu verstehen. So kann es unter
anderem vorgesehen sein, die Antriebswelle in oder auf die Nockenwelle
ein- bzw. aufzupressen
oder mit dieser zu verschrauben.
-
Als
Alternative zu einer hinsichtlich der Schmiermittelversorgung vergleichsweise
anspruchsvollen Gleitlagerung soll die eine Lagerstelle in einer
konstruktiv besonders einfachen und kostengünstigen Ausführung zumindest
ein Radialnadellager, das wenigstens aus einem Nadelkranz mit einem Käfig und
darin geführten
Nadeln besteht, umfassen. Bei der Verwendung eines solchen Nadelkranzes kann
die Innenmantelfläche
des hohlzylindrischen Abschnitts der Antriebswelle als äußere Laufbahn
für die
Nadeln dienen. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann dabei die äußere Laufbahn von
einer oder zwei sich radial einwärts
erstreckenden und mit der Antriebswelle einstückig ausgebildeten Schultern,
die als axiale Anlaufflächen
für die
Nadeln dienen, einseitig beziehungsweise beidseitig begrenzt sein.
-
In
Erweiterung des vorgenannten Nadelkranzes kann es auch vorgesehen
sein, dass das Radialnadellager als Nadelhülse mit einem dünnwandigen, in
die Innenmantelfläche
des hohlzylindrischen Abschnitts der Antriebswelle eingesetzten
Außenring ausgebildet
ist. Dabei weist der Außenring
eine als äußere Laufbahn
für die
Nadeln dienende Innenmantelfläche
sowie zwei sich radial einwärts
erstreckende und als axiale Anlauffläche für den Käfig dienende Schultern auf.
In diesem Fall ist es ausreichend, die Innenmantelfläche des
hohlzylindrischen Abschnitts als fein bearbeitete, nicht gehärtete Bohrung
der Antriebswelle auszuführen.
-
Im
Falle des wenigstens aus dem Nadelkranz bestehenden Radialnadellagers
soll außerdem die
innere Laufbahn für
die Nadeln durch einen auf die Außenmantelfläche des Lagerzapfens aufgezogenen
Innenring gebildet sein. Dies stellt eine kostengünstige Option
zur erforderlichen Feinbearbeitung und Härtung der Außenmantelfläche des
Lagerzapfens dar, wenn die Außenmantelfläche unmittelbar als
innere Laufbahn für
die Nadeln vorgesehen ist.
-
Ferner
sollen die Nadelhülse
und der dünnwandig
ausgebildete Innenring eine Baueinheit bilden, indem der Außenring
der Nadelhülse
von zwei sich radial auswärts
erstreckenden und mit dem Innenring einstückig ausgebildeten Schultern
axial eingefasst ist. Jedoch können
im Falle des Nadelkranzes die beiden sich radial auswärts erstreckenden Schultern
des dünnwandigen
Innenrings auch als axiale Anlaufflächen für den Käfig des Nadelkranzes dienen.
-
Eine
besonders kostengünstige
Axialsicherung des Innenrings auf dem Lagerzapfen ist ferner durch
eine stirnseitige und radial auswärts gerichtete Verstemmung
des Lagerzapfens gegeben, welche den Innenring zumindest partiell
radial überdeckt. Demnach
kann der beim Verstemmen erzeugte, stirnseitige Materialaufwurf
des Lagerzapfens entweder lokal, punkt- oder segmentförmig oder
auch ringförmig
umlaufend ausgebildet sein.
-
In
Weiterbildung der Erfindung soll die eine Lagerstelle ein Radial-Axial-Lager
mit dem Nadelkranz und einem zum Nadelkranz benachbart angeordneten
und vorzugsweise als Schrägkugellager ausgebildeten
Axialwälzlager
umfassen, wobei das Radial-Axial-Lager zu einer von der Antriebswelle und
vom Lagerzapfen separat hergestellten Baueinheit kombiniert ist.
Mit Hilfe einer derartigen, integrierten Baueinheit gelingt es,
die Antriebswelle an lediglich einer Lagerstelle sowohl radial als
auch axial zu lagern. Je nach Axialbelastung der Antriebswelle kann
diese besonders bauraumsparende Baueinheit sowohl zur Aufnahme von
Axialkräften
in nur eine Richtung als auch in beide Richtungen ausgeführt sein.
-
Als
Alternative zu der vorgenannten Baueinheit besteht auch die Möglichkeit,
das Radial-Axial-Lager so auszuführen,
dass die Innenmantelfläche des
hohlzylindrischen Abschnitts der Antriebswelle als äußere Laufbahn
für die
Kugeln und als äußere Laufbahn
für die
Nadeln dient. Einem etwaig erhöhten
Montageaufwand einer solchen Lösung
steht eine radiale Bauraumreduzierung infolge des dann nicht mehr
erforderlichen Außenrings
der kombinierten Baueinheit als Vorteil gegenüber.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest zwei Lagerstellen
für die
Antriebswelle vorgesehen, wobei die zweite Lagerstelle ein Axialwälzlager
umfasst. Dabei kann das Axialwälzlager gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausführungsform als
in der Welleneingangsöffnung
des Pumpengehäuses
angeordnetes Kugellager ausgebildet sein, wobei die innere Laufbahn
für die
Kugeln durch eine Umfangsnut auf einem in der Welleneingangsöffnung verlaufenden
Außenmantelabschnitt
der Antriebswelle gebildet ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform
kann das Axialwälzlager
auch als wenigstens aus einem Käfig
und darin geführten
Nadeln bestehendes Axialnadellager ausgebildet und zwischen der
Gehäuserückwand und
einer der Gehäuserückwand zugewandten
Ringstirnfläche
der Antriebswelle angeordnet sein.
-
Insbesondere
in dem Fall, in welchem die gesamte von den Pumpenstößeln erzeugte
Radiallast von der einen Lagerstelle zwischen dem hohlzylindrischen
Abschnitt der Antriebswelle und der Außenmantelfläche des Lagerzapfens abgestützt wird, kann
das an der zweiten Lagerstelle angeordnete Axialwälzlager
aufgrund der vergleichsweise kleinen Axialkräfte auf die Antriebswelle äußerst schmal
bauend, gewichtssparend und kostengünstig ausgeführt werden.
So ist es bei der Ausführungsform
als Kugellager beispielsweise möglich,
dass dieses bei geringer und dennoch ausreichender Tragzahl lediglich drei
Kugeln aufweist.
-
Im
Falle der Ausführungsform
als Axialnadellager und bei beidseitig auftretenden Axialkräften auf die
Antriebswelle kann auch ein weiteres Axialnadellager zwischen einem
die Welleneingangsöffnung begrenzenden
Innenwandabschnitt des Pumpengehäuses
und einer dem Innenwandabschnitt zugewandten Ringstirnfläche der
Antriebswelle angeordnet sein.
-
Eine
besonders bauraumsparende und kostengünstige Lagerung der Antriebswelle über separate
Radialnadellager und Axialnadellager kann außerdem auch über die
Gestaltung des auf den Lagerzapfen aufgezogenen Innenrings erfolgen.
Dabei soll der Innenring dünnwandig
ausgebildet sein und, ausgehend von der inneren Laufbahn für die Nadeln
des Radialnadellagers, einen sich in Richtung der Gehäuserückwand gestuft
vergrößernden
Durchmesser aufweisen. Dabei geht die innere Laufbahn in eine Schulter über, die
mit ihrer der Gehäuserückwand abgewandten
Ringstirnfläche
als axiale Anlauffläche
für den
Käfig des
Radialnadellagers dient und die mit ihrer Außenmantelfläche den Käfig des Axialnadellagers zentriert.
Außerdem
soll die Schulter in einen sich zwischen der Gehäuserückwand und der Ringstirnfläche der
Antriebswelle radial auswärts
erstreckenden Kragen übergehen,
der als gehäuseseitige Laufbahn
für die
Nadeln des Axialnadellagers dient.
-
Auch
kann es vorgesehen sein, dass der Innenring an seiner dem Kragen
gegenüberliegenden Stirnseite
einen sich radial einwärts
erstreckenden und den Lagerzapfen stirnseitig übergreifenden Bund aufweist.
Ein solcher Bund dient als Gegenfläche für ein Montagewerkzeug und erleichtert
das Aufschieben des Innenrings auf den Lagerzapfen.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll die Antriebswelle aus
einem gehärteten
Wälzlagerstahl
der Sorte C16, 16MnCr5, C45, Cf53, C80 oder 1000r6 bestehen. Hierdurch
wird nicht nur die erforderliche Verschleißbeständigkeit im Nocken-Pumpenstößel-Kontakt
sichergestellt, sondern die genannten Werkstoffe eignen sich auch
hervorragend für
die gegebenenfalls unmittelbar auf der Antriebswelle angeordneten
Wälzkörperlaufbahnen.
-
Schließlich soll
zur ausreichenden Schmiermittelversorgung der einen Lagerstelle
zumindest eine die Antriebswelle quer durchsetzende Bohrung vorgesehen
sein, die im Bereich der einen Lagerstelle mündet und als Schmiermittelka nal
dient. Während
eine oder mehrere solcher Bohrungen grundsätzlich auch zur Schmiermittelversorgung
von Gleitlagern geeignet sind, stellen Sie eine besonders effektive
und kostengünstige
Möglichkeit
zur Versorgung der vorgenannten Wälzlager mit drucklosem Spritzöl oder Ölnebel dar.
Das zur Schmierung der Pumpenstößel ohnehin
erforderliche Schmiermittel gelangt dann über die vergleichsweise kurze
Länge der
Schmiermittelbohrung in den tribologisch hoch beanspruchten Bereich
der Wälzlagerung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den Zeichnungen, in denen jeweils der zur Illustration der
Erfindung erforderliche Ausschnitt des Antriebsbereichs einer Kolbenpumpe
in verschiedenen Ausführungsvarianten
offenbart ist. Die Kolbenpumpe dient in allen Ausführungsvarianten
zur Kraftstoffhochdruckversorgung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung und ist in Verlängerung einer Nockenwelle zur
Betätigung
von Einlass und/oder Auslassventilen der Brennkraftmaschine an deren
Zylinderkopf angeflanscht.
-
Unabhängig von
der Ankopplung der in der Kolbenpumpe drehgelagerten Antriebswelle
an die Nockenwelle erfolgt die Hubbetätigung eines oder mehrerer
im Pumpengehäuse
längsbeweglich
gelagerter Pumpenstößel stets über eine
oder mehrere Nockenerhebungen an der Außenmantelfläche der Antriebswelle. Wie
bereits eingangs erwähnt,
besteht im Falle mehrerer Pumpenstößel weitgehender konstruktiver
Gestaltungsfreiraum, wonach die Pumpenstößel je nach Anwendungsfall
der Kolbenpumpe axial in Reihe, radial in einer Ebene oder sowohl
axial als auch radial versetzt angeordnet werden können. Als
Ausführungsform
der letztgenannten Möglichkeit sei
beispielsweise eine Kolbenpumpe mit V-förmig angeordneten Pumpenstößeln, die
von axial hintereinander liegenden Pumpennocken betätigt sind,
genannt.
-
Sofern
nicht anders bezeichnet, sind funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale
der Kolbenpumpe mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
-
3 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
-
4 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel;
-
5 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
fünften und
einem sechsten Ausführungsbeispiel
jeweils im Halbschnitt;
-
6 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
und
-
7 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
gemäß einem
achten und neunten Ausführungsbeispiel
jeweils im Halbschnitt.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
In 1 ist
eine Kolbenpumpe 1a mit einem Pumpengehäuse 2, einer im Pumpengehäuse 2 drehbar
gelagerten Antriebswelle 3a sowie einem in einer Stößelführung 4 des
Pumpengehäuses 2 längsbeweglich
gelagerten Pumpenstößel 5,
der bezüglich
der Antriebswelle 3a radial im Pumpengehäuse 2 ausgerichtet
ist, dargestellt. Der Pumpenstößel 5 besitzt
eine wälzgelagerte
Nockenrolle 6 als reibungsarmes Abgriffselement für einen
Pumpennocken 7, dessen Erhebung von dem gestrichelt eingezeichneten
Nockengrundkreis 8 aus geht. Die Antriebswelle 3a weist
eine durchgehende Längsöffnung 9 mit
einem hohlzylindrischen Abschnitt 10 zur Aufnahme einer
radialen Lagerstelle 11 und eine dazu benachbarte Innenlängsverzahnung 12 auf. Eine
hierzu korrespondierende Außenlängsverzahnung 13 befindet
sich auf einem der Kolbenpumpe 1a zugewandten Endabschnitt
einer zur Antriebswelle 3a koaxial angeordneten Nockenwelle 14a,
welche die Antriebswelle 3a über die formschlüssig ineinander
greifenden Verzahnungen 12 und 13 antreibt. Ein um
eine Welleneingangsöffnung 15 des
Pumpengehäuses 2 verlaufender
Dichtring 16 dient zur Abdichtung der Kolbenpumpe 1a gegenüber der
Stirnseite des Zylinderkopfs.
-
Die
radiale Lagerstelle 11 ist zwischen einer Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 der Antriebswelle 3a und
einer Außenmantelfläche 18 eines
Lagerzapfens 19 angeordnet, der von einer Gehäuserückwand 20 ausgeht
und hier einstückig
mit dem Pumpengehäuse 2 ausgebildet ist.
Die Lagerstelle 11 umfasst einen auf die Außenmantelfläche 18 des
Lagerzapfens 19 aufgezogenen und durch einen gehäuseseitigen
Sicherungsring 21a fixierten Innenring 22a sowie
ein als Nadelhülse 23 ausgebildetes
Radialnadellager 24, bestehend aus einem Nadelkranz 25 mit
Käfig 26 und
darin geführten
Nadeln 27 sowie einem dünnwandigen
Außenring 28 mit
zwei sich radial einwärts
erstreckenden und als axiale Anlauffläche für den Käfig 26 dienenden Schultern 29.
Zur Schmiermittelversorgung des Radialnadellagers 24 dient
eine die Antriebswelle 3a quer durchsetzende Bohrung 30,
die im Bereich der Lagerstelle 11 mündet und in der Stößelführung 4 anfallendes
Schmiermittel in das Radialnadellager 24 leitet.
-
Zur
Abstützung
etwaig auftretender Axialkräfte
an der Antriebswelle 3a ist in diesem Ausführungsbeispiel
eine zweite, axiale Lagerstelle 31 vorgesehen, die hier
ein in der Welleneingangsöffnung 15 zwischen
einem wellenseitigen Sicherungsring 21b und einem gehäuseseitigen
Absatz 32a abgestütztes
und als Rillenkugellager ausgebildetes Axialwälzlager 33a umfasst.
Dieses Dadurch, dass die Innenmantelfläche 34 des in den
hohlzylindrischen Abschnitt 10 der Antriebswelle 3a eingesetzten
Außenrings 28 als äußere Laufbahn
für die
Nadeln 27 dient und gleichzeitig das Rillenkugellager als
handelsübliche
Baueinheit ausgebildet ist, kann eine Oberflächenhärtung der Antriebswelle 3a auf
den Pumpennocken 7 beschränkt werden und beispielsweise
im Induktionsverfahren erfolgen.
-
Die
erfindungsgemäße Lagerung
der Antriebswelle 3a auf dem Lagerzapfen 19 ermöglicht es, die
radiale Lagerstelle 11 und den Pumpenstößel 5 in axialer Richtung
der Antriebswelle 3a so zueinander zu positionieren, dass
eine mit 35 bezeichnete Radialkraft, die als resultierende
Reaktionskraft bei der Hubbetätigung
des Pumpenstößels 5 erzeugt
und von der Lagerstelle 11 abgestützt wird, hebelarmfrei und
hier mittig innerhalb der Längserstreckung
der Lagerstelle 11 verläuft.
Neben der axialen Bauraumeinsparung führt diese Lageranordnung zu
einer beträchtlichen
Steifigkeitserhöhung
der Wellenlagerung und darüber
hinaus zu einer deutlichen Entlastung des Rillenkugellagers, das
nunmehr allenfalls geringfügig
auftretende Axialkräfte
abstützen
muss und bei kleiner erforderlicher Tragzahl entsprechend schmalbauend
ausgeführt
werden kann.
-
Der
Lagerzapfen 19 ist sowohl bei diesem als auch bei den nachfolgend
erläuterten
Ausführungsbeispielen
einteilig mit dem Pumpengehäuse 2 ausgebildet.
Dabei ist es zur Herstellung des Lagerzapfens 19 vorgesehen,
dass dessen Funktionsflächen
für die
Lagerstelle 11 mit einem durch die Welleneingangsöffnung 15 eintretenden
Zerspanwerkzeug fertig bearbeitet werden.
-
Die
Ausführungsbeispiele
gemäß den 2 bis 8 vermitteln einen – nicht abschließenden – Überblick über weitere
Ausgestaltungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe,
wobei sich die nachfolgenden Erläuterungen,
sofern nicht anders erwähnt,
auf die Variationen der Antriebswellenlagerung beschränken. Dabei
steht es dem Konstrukteur selbstverständlich frei, Gestaltungsmerkmale
einzelner Ausführungsbeispiele,
insbesondere je nach Anzahl und Anordnung mehrerer Pumpenstößel, in
geeigneter Weise fachmännisch
zu modifizieren, miteinander zu kombinieren oder entfallen zu lassen.
-
Bei
einer in 2 dargestellten Kolbenpumpe 1b beschränkt sich
das Radialnadellager 24 auf den zwischen dem Lagerzapfen 19 und
einer Antriebswelle 3b angeordneten Nadelkranz 25,
so dass die Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 unmittelbar die äußere Laufbahn
für die Nadeln 27 bildet.
Als axiale Anlaufflächen
für die
Nadeln 27 dienen dabei zwei sich radial einwärts erstreckende
und mit der Antriebswelle 3b einstückig ausgebildete Schultern 36.
Zur Axialsicherung des auf die Außenmantelfläche 18 des Lagerzapfens 19 aufgezogenen
Innenrings 22a ist in diesem Fall eine stirnseitige und
radial auswärts
gerichtete Verstemmung 37 des Lagerzapfens 19 vorgesehen.
Der dabei erzeugte und die Stirnseite des Innenrings 22a radial überdeckende
Materialaufwurf ist hier ringförmig umlaufend
ausgebildet.
-
Die
in der Welleneingangsöffnung 15 des Pumpengehäuses 2 angeordnete
zweite Lagerstelle 31 umfasst wiederum ein als Kugellager
ausgebildetes Axialwälzlager 33b,
das wie das Axialwälzlager 33a gemäß 1 nicht
nur zur Abstützung
etwaig auftretender Axialkräfte,
sondern auch zur Zentrierung des Pumpengehäuses gegenüber der Antriebswelle 3b bzw. 3a dient.
Das Axialwälzlager 33b ist hier
jedoch mit der Antriebswelle 3b zu einer Baueinheit zusammengefasst,
indem die innere Laufbahn für
die Kugeln 38 durch eine auf einem Außenmantelabschnitt 39 der
Antriebswelle 3b verlaufende Umfangsnut 40a gebildet
ist. Dadurch, dass die Antriebswelle 3b nicht nur am Pumpennocken 7 sondern auch
an der äußeren Laufbahn
für die
Nadeln 27 (Innenmantelfläche 17) und an der
inneren Laufbahn für die
Kugeln 38 (Umfangsnut 40a) tribologisch beansprucht
wird, ist es besonders zweckmäßig, die
Antriebswelle 3b aus einem einsatz- oder durchhärtenden
Wälzlagerstahl
der eingangs genannten Sorten auszuführen.
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 1c ist
aus 3 ersichtlich. Deren Antriebswelle 3c ist
wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen
ebenfalls an zwei Lagerstellen 11 und 31 drehgelagert,
wobei die zweite, axiale Lagerstelle 31 in diesem Fall
zwischen der Gehäuserückwand 20 und
einer der Gehäuserückwand 20 zugewandten
Ringstirnfläche 41 der
Antriebswelle 3c angeordnet ist. Die Lagerstelle 31 umfasst
ein Axialwälzla ger 33c in
Form eines auch als Axial-Nadelkranz bezeichneten, kurz bauenden
Axialnadellagers 42 mit einem durch den Innenring 22a zentrierten
Käfig 43 und
darin geführten
Nadeln 44 sowie eine an der Gehäuserückwand 20 anliegende
Anlaufscheibe 45 als gehäuseseitige Laufbahn für die Nadeln 44.
-
Ferner
wird die Antriebswelle 3c in diesem Fall nicht über eine
Innenlängsverzahnung
sondern über
eine stirnseitig verlaufende Rechteckausnehmung 46 zur
Aufnahme einer Zweiflach-Kupplung angetrieben, die einen durch Bauteiltoleranzen
und elastische Verformungen bedingten Radialversatz zwischen der
Nockenwelle und der Antriebswelle 3c ausgleicht.
-
Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 1d ist
deren Antriebswelle 3d einstückig mit einer Nockenwelle 14b ausgebildet.
Da die axiale Position der Nockenwelle 14b bereits in bekannter
Weise über
ein im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnetes Axiallager
festgelegt ist, ist zur Lagerung der Antriebswelle 3d im
Pumpengehäuse 2 lediglich
die radiale Lagerstelle 11 in Form der bereits aus 1 bekannten
Nadelhülse 23 zwischen
dem hohlzylindrischen Abschnitt 10 und dem Lagerzapfen 19 vorgesehen.
-
Aus
den in 5 dargestellten Halbschnitten gehen zwei weitere
Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäße Kolbenpumpen 1e und 1f hervor.
In dem in 5 unteren Halbschnitt ist erneut
eine einstückig
mit einer Nockenwelle 14c ausgebildete Antriebswelle 3e dargestellt,
die ebenfalls nur über
die radiale Lagerstelle 11 im Pumpengehäuse 2 gelagert ist.
Der Außenring 28 der
Nadelhülse 23 ist
hier jedoch von zwei sich radial auswärts erstreckenden und mit einem
dünnwandigen
Innenring 22b einstückig
ausgebildeten Schultern 47 axial eingefasst, so dass die
Nadelhülse 23 und
der Innenring 22b zu dem als Baueinheit montierbaren Radialnadellager 24 zusammengefasst
sind. Zum Zusammenbau der Kolbenpumpe 1e ist es vorgesehen,
zunächst
diese Baueinheit in den hohlzylindrischen Abschnitt 10 einzusetzen
und anschließend
gemeinsam mit der Antriebswelle 3e bzw. Nockenwelle 14c über eine
leichte Schiebesitzpassung auf den Lagerzapfen 19 aufzuziehen.
-
Der
in 5 obere Halbschnitt zeigt wiederum eine von der
Nockenwelle separate Antriebswelle 3f mit Innenlängsverzahnung 12 gemäß 1 und
in der Welleneingangsöffnung 15 angeordnetem
Kugellager gemäß 2.
Ein dünnwandig
ausgebildeter, auf den Lagerzapfen 19 aufgezogener und
mittels der Verstemmung 37 axial gesicherter Innenring 22c weist
in diesem Fall zwei sich radial auswärts erstreckende und als axiale
Anlaufflächen
für den
Käfig 26 des
Nadelkranzes 25 dienende Schultern 48 auf. Insofern
kann die auch hier als äußere Laufbahn
für die Nadeln 27 dienende
Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 durchgehend zylindrisch ohne
die in 2 dargestellten Schultern 36 ausgeführt werden,
wodurch die Bearbeitung der Antriebswelle 3f vereinfacht
wird.
-
In 6 ist
eine an drei Lagerstellen 11, 31 und 49 drehgelagerte
Antriebswelle 3g einer Kolbenpumpe 1g dargestellt.
Die Antriebswelle 3g wird analog zu dem Ausführungsbeispiel
nach 3 über eine
in die Rechteckausnehmung 46 eingreifende Zweiflach-Kupplung
von der Nockenwelle angetrieben, wobei zur Abstützung beidseitig wirkender
Axialkräfte
zwei Axialnadellager 42 und 50 vorgesehen sind.
Das erste Axialnadellager 42 ist zwischen der Gehäuserückwand 20 und
der dieser zugewandten Ringstirnfläche 41 der Antriebswelle 3g angeordnet, während das
zweite Axialnadellager 50 zwischen einem die Welleneingangsöffnung 15 begrenzenden Innenwandabschnitt 51 des
Pumpengehäuses 2 und einer
dem Innenwandabschnitt 51 zugewandten Ringstirnfläche 52 der
Antriebswelle 3g angeordnet ist. Dabei sind die wellenseitigen
Laufbahnen für
die Nadeln 44 beider Axialnadellager 42 und 50 unmittelbar
durch die Ringstirnflächen 41 und 52 gebildet.
Als gehäuseseitige
Laufbahn des an der Welleneingangsöffnung 15 angeordneten
Axialnadellagers 50 dient die in den Innenwandabschnitt 51 des
Pumpengehäuses 2 eingelegte
Anlaufscheibe 45. Zur Montage der Anlaufscheibe 45 ist
das Pumpengehäuse 2 zweiteilig
ausgebildet und umfasst einen die Welleneingangsöffnung 15 begrenzenden
Flansch 53. Ein solcher Flansch ist auch bei den anderen
Ausführungsbeispielen
insbesondere dann vorzusehen, wenn die Größe der Welleneingangsöffnung 15 ein Hindurchführen des
Pumpennockens 7 nicht erlaubt.
-
Die
gehäuseseitige
Laufbahn für
das an der Gehäuserückwand 20 angeordnete
Nadellager 42 ist durch einen auf den Lagerzapfen 19 aufgezogenen und
speziell geformten, dünnwandigen
Innenring 22d gebildet. Dieser weist, ausgehend von seiner
inneren Laufbahn für
die Nadeln 27 des wiederum nur als Nadelkranz 25 ausgebildeten
Radialnadellagers 24, einen sich in Richtung der Gehäuserückwand 20 gestuft
vergrößernden
Durchmesser auf. Dabei geht die innere Laufbahn in eine Schulter 54 über, die
mit ihrer der Gehäuserückwand 20 abgewandten
Ringstirnfläche 55 als
axiale Anlauffläche
für den
Käfig 26 des Nadelkranzes 25 dient
und die mit ihrer Außenmantelfläche 56 den
Käfig 43 des
Axialnadellagers 42 zentriert. Weiterhin geht die Schulter 54 in
einen sich zwischen der Gehäuserückwand 20 und
der Ringstirnfläche 41 der
Antriebswelle 3g radial auswärts erstreckenden Kragen 57 über, an
dem die Nadeln 44 des Axialnadellagers 42 abwälzen. Außerdem weist der
Innenring 22d an seiner dem Kragen 57 gegenüberliegenden
Stirnseite einen sich radial einwärts erstreckenden Bund 58 auf,
der den Lagerzapfen 19 stirnseitig übergreift und als Angriffsfläche für ein Montagewerkzeug
zum Aufschieben des Innenrings 22d auf den Lagerzapfen 19 dient.
-
In 7 sind
weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolbenpumpen 1h und 1i mit
Antriebswellen 3h und 3i und den zugehörigen Lagerstellen 11 jeweils
in einem oberen und einem unteren Halbschnitt dargestellt. Jede
Antriebswelle 3h und 3i weist die durchgehende
Längsöffnung 9 und
zwei diametral gegenüberliegende
Rechteckausnehmungen 46 zur Aufnahme der genannten Zweiflach-Kupplung
auf. Bei beiden Ausführungen
umfassen die zwischen dem hohlzylindrischen Abschnitt 10 und
dem Lagerzapfen 19 angeordneten Lagerstellen 11 ein
kombiniertes Radial-Axial-Lager 59a bzw. 59b, jeweils
bestehend aus dem Nadelkranz 25 und einem als Schrägkugellager
ausgebildeten Axialwälzlager 33d bzw. 33e zur
Abstützung
beidseitig wirkender Axialkräfte.
Bei dem Radial-Axial-Lager 59a gemäß dem oberen Halbschnitt ist
ein auf den Lagerzapfen 19 aufgezogener und verstemmter
Innenring 22e vorgesehen. Die zwischen dem Innenring 22e und der
Gehäuserückwand 20 eingelegte
Anlaufscheibe 45 dient als axiale Anlauffläche für den Käfig 26 des Nadel kranzes 25,
wobei die Nadeln 27 unmittelbar auf der Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 abwälzen. Die innere Laufbahn für die Kugeln 38 des
Schrägkugellagers
ist durch eine Umfangsnut 40b des Innenrings 22e gebildet,
während deren äußere Laufbahn
ebenfalls auf der Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 verläuft.
-
Demgegenüber ist
das in dem unteren Halbschnitt dargestellte Radial-Axiallager 59b zu
einer von der Antriebswelle 3i und dem Lagerzapfen 19 separat
hergestellten Baueinheit 60 kombiniert. Diese auch als
kombiniertes Nadellager bezeichnete Baueinheit 60 umfasst
einen in die Innenmantelfläche 17 des
hohlzylindrischen Abschnitts 10 eingesetzten Außenring 61 zur
Bildung der äußeren Laufbahnen für die Nadeln 27 des
Nadelkranzes 25 und die Kugeln 38 des Schrägkugellagers.
Ein die inneren Laufbahnen für
die Nadeln 27 und die Kugeln 38 bildender Innenring 22f ist
zur Abstützung
beidseitig wirkender Axialkräfte
zweigeteilt mit einem breiten und einem schmalen Abschnitt 62 und 63 ausgeführt. Die Baueinheit 60 ist
gehäuseseitig
durch die stirnseitige Verstemmung 37 sowie den Absatz 32b des Lagerzapfens 19 und
wellenseitig durch einen Absatz 32c und dem wellenseitigen
Sicherungsring 21b festgelegt.
-
Weitere
Informationen und auch Anregungen zur Gestaltung und Dimensionierung
der Lagerstellen, erhält
der Fachmann in den einschlägigen Lagerkatalogen,
wie beispielsweise im Katalog „Wälzlager" der Firma Schaeffler
KG, Ausgabe Januar 2006. In diesem Zusammenhang sei abschließend noch
erwähnt,
dass die Radialnadellager je nach Größe der Radialkraft anstelle
des Nadelkranzes auch vollrollig ohne Käfig zur Erhöhung der Tragzahl ausgebildet
sein können.
-
- 1a–i
- Kolbenpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3a–i
- Antriebswelle
- 4
- Stößelführung
- 5
- Pumpenstößel
- 6
- Nockenrolle
- 7
- Pumpennocken
- 8
- Nockengrundkreis
- 9
- Längsöffnung
- 10
- hohlzylindrischer
Abschnitt
- 11
- Lagerstelle
- 12
- Innenlängsverzahnung
- 13
- Außenlängsverzahnung
- 14a–c
- Nockenwelle
- 15
- Welleneingangsöffnung
- 16
- Dichtring
- 17
- Innenmantelfläche des
hohlzylindrischen Abschnitts
- 18
- Außenmantelfläche des
Lagerzapfens
- 19
- Lagerzapfen
- 20
- Gehäuserückwand
- 21a,
b
- Sicherungsring
- 22a–f
- Innenring
- 23
- Nadelhülse
- 24
- Radialnadellager
- 25
- Nadelkranz
- 26
- Käfig des
Radialnadellagers
- 27
- Nadeln
des Radialnadellagers
- 28
- Außenring
- 29
- Schulter
- 30
- Bohrung
- 31
- Lagerstelle
- 32a–c
- Absatz
- 33a–e
- Axialwälzlager
- 34
- Innenmantelfläche des
Außenrings
- 35
- Radialkraft
- 36
- Schulter
- 37
- Verstemmung
- 38
- Kugel
- 39
- Außenmantelabschnitt
der Antriebswelle
- 40a,
b
- Umfangsnut
- 41
- Ringstirnfläche der
Antriebswelle
- 42
- Axialnadellager
- 43
- Käfig des
Axialnadellagers
- 44
- Nadeln
des Axialnadellagers
- 45
- Anlaufscheibe
- 46
- Rechteckausnehmung
- 47
- Schulter
- 48
- Schulter
- 49
- Lagerstelle
- 50
- Axialnadellager
- 51
- Innenwandabschnitt
des Pumpengehäuses
- 52
- Ringstirnfläche der
Antriebswelle
- 53
- Flansch
- 54
- Schulter
- 55
- Ringstirnfläche des
Innenrings
- 56
- Außenmantelfläche der
Schulter
- 57
- Kragen
- 58
- Bund
- 59a,
b
- Radial-Axial-Lager
- 60
- Baueinheit
- 61
- Außenring
- 62
- breiter
Abschnitt
- 63
- schmaler
Abschnitt