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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellentrieb für eine Dieseleinspritzpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Nockenwellentrieb betrifft insbesondere Dieseleinspritzpumpen zur Förderung von Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems für eine Diesel-Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Die Offenlegungsschrift
DE 101 38 362 A1 offenbart einen gattungsgemäßen Nockenwellentrieb für eine Dieseleinspritzpumpe zur Förderung von Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail eines Kraftstoffeinspritzsystems. Der Nockenwellentrieb umfasst eine Nockenwelle mit einem exzentrischen Abschnitt, welcher den Nocken bildet. Über dem exzentrischen Abschnitt wälzt eine Laufrolle ab, wobei die Laufrolle in einem Rollenschuh drehbar aufgenommen ist, und mit einem Rollenstößel eine Hubbewegung ausführt. Die Laufrolle wird mittels einer Hochdruckfeder gegen die Nockenbahn auf dem exzentrischen Abschnitt der Nockenwelle gedrückt. Die Hubbewegung wird auf einen Kolben übertragen, welcher mit einem Ventilverband zusammenwirkt, um den Kraftstoff zu verdichten.
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Weitere Ausführungsformen der hier interessierenden Dieseleinspritzpumpe können auf einer Nockenwelle mehrere Nockenabschnitte umfassen, so dass mehrere Laufrollen auf jeweils zugeordneten Nockenbahnen abwälzen. Die Nockenwelle ist mittels einer Lagerung im Gehäuse des Nockenwellentriebes drehbar aufgenommen. Die Rotation der Nockenwelle erfolgt um eine gehäusefeste Nockenwellenachse. Die Kraftstoffdrücke, die zur Förderung des Kraftstoffs in den Hochdruckspeicher entstehen, können bis zu 2 kbar betragen, wobei in Einzelfällen der zu erzeugende Druck im Kraftstoff sogar noch höher liegen kann. Durch die hohen Förderdrücke entstehen erhebliche Kontaktkräfte zwischen der Laufrolle und der Nockenbahn, wobei ferner bei einer langen Betriebsdauer des Nockenwellentriebes für einen zuverlässigen Einsatz sehr hohe Genauigkeiten gefordert sind. Die hohen Genauigkeiten betreffen insbesondere die Führung des Rollenstößels innerhalb des Laufzylinders im Gehäuse, so dass sich die Laufrolle, der Rollenschuh sowie der Rollenstößel entlang der Hubachse bewegen kann. Um eine Verdrehsicherung der Laufrolle über der Nockenbahn der Nockenwelle zu schaffen, sind aus dem Stand der Technik Mittel bekannt, um die radiale Position des Rollenschuhs bzw. des Rollenstößels zu fixieren. Damit wird das Ziel verfolgt, die Laufrolle gegenüber der Ausrichtung der Nockenbahn zu positionieren. Die Mittel zur Verdrehsicherung können Gleitsteine umfassen, wobei die Gleitsteine entweder gehäusefest angeordnet sind und im Rollenstößel eine Nut vorgesehen ist, wobei auch Ausführungen bekannt sind, in denen der Nutenstein mit dem Rollenstößel eine Hubbewegung ausführt, und eine Führungsbahn im Gehäuse selbst eingebracht ist. Neuere Ausführungen von Dieseleinspritzpumpen mit einem Nockenwellentrieb sind jedoch führungsmittellos ausgeführt, so dass der Verband aus der Laufrolle, dem Rollenschuh sowie dem Rollenstößel lediglich über den Kontakt der Laufrolle auf der Nockenbahn geführt wird. So lange die Laufrolle eine Hubbewegung ausführt, d. h. auf dem Nockenanlauf oder dem Nockenablauf verläuft, stellen sich geometrische Verhältnisse zwischen der Hubachse und der Kontaktlinie zwischen der Laufrolle und der Nockenbahn ein, die die Laufrolle gegenüber der Nockenbahn ausrichten.
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Verdrehsicherungen wie Gleitsteine, Stifte und dergleichen, welche die hubbeweglichen Komponenten in ihrer Verdrehung um die Hubachse ausrichten sollen, können lediglich eine makroskopische Ausrichtung bewirken, welche vergleichsweise große Winkelbereiche betrifft. Die Vermeidung von kleineren und sehr kleinen Verdrehwinkeln sind auch mit den Führungseinrichtungen wie Gleitsteinen oder Stiften nicht erzielbar, da die Führungseinrichtungen funktionsgemäß ein gewisses Spiel aufweisen müssen.
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Bei der Ausrichtung der Laufrolle, des Rollenschuhs sowie des Rollenstößels in ihrer Verdrehung um die Hubachse entsteht jedoch das Problem, dass aufgrund von Toleranzen wie: Fertigungstoleranzen, Spiel, Unstetigkeiten, elastische oder sogar plastische Deformationen der hubbeweglichen Komponenten, des Gehäuses oder der gesamten Konstruktion sowie einer Torsionsneigung der Hochdruckfeder, welche die Laufrolle auf die Nockenbahn drückt, Abweichungen vom genauen Lauf der Laufrolle über der Nockenbahn entstehen.
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Die Torsion in der Hochdruckfeder entsteht insbesondere bei der Kompression der Hochdruckfeder, welche im Zusammenspiel mit den genannten Toleranzen eine Verdrehung des Rollenstößels und damit der Laufrolle um die Hubachse bewirkt. Ferner kann die Laufrolle in ihrer axialen Rotationsachse gegen den Anlauf im Rollenstößel anlaufen, und einen Verschleiß verursachen. Die Rollenkuppen begrenzen die Laufrolle in axialer Richtung gegen die seitliche Aufnahme des Rollenstößels. Die Laufrollen liegen daher je nach Toleranz immer an einem der beiden axialen Anschläge mit einer der Rollenkuppen im Rollenstößel an und können somit einen Verschleiß erzeugen.
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Durch die
FR 854 863 A ist ein Nockenwellentrieb einer Pumpe bekannt, bei dem auf einer Nockenbahn eine Laufrolle abwälzt um über der Nockenbahn eine Hubbewegung in einer Hubachse auszuführen. Die Nockenbahn schließt dabei mit der Nockenwellenachse einen Winkel ein, wobei die Nockenbahn in Richtung der Nockenwellenachse verschiebbar ist. Die Laufrolle weist eine geringere Breite als die Nockenbahn auf, so dass durch die Verschiebung der Nockenbahn unterschiedliche Hübe der Laufrolle realisiert werden können. Ein Ausgleich von Toleranzen innerhalb des Hubsystems im Nockenwellentrieb ist hierdurch nicht möglich.
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Durch die
US 5 152 188 A ist ein Nockenwellentrieb einer Pumpe bekannt, bei dem auf einer Nockenbahn eine Laufrolle abwälzt um über die Nockenbahn eine Hubbewegung in einer Hubachse auszuführen. Der die Laufrolle tragende Stößel ist um die Hubachse frei drehbar gelagert, um Schrägstellungen der Laufrolle zur Nockenbahn ausgleichen zu können. Ein weitergehender Ausgleich von Toleranzen innerhalb des Hubsystems im Nockenwellentrieb ist auch hier nicht möglich. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dieseleinspritzpumpe zu schaffen, welche die bekannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und auftretende Toleranzen innerhalb des Hubsystems im Nockenwellentrieb ausgleicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Nockenwellentrieb für eine Dieseleinspritzpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nockenbahn ermöglicht einen gezielten Toleranzausgleich im Laufrollenverband. Der Laufrollenverband umfasst dabei die Laufrolle selbst, den Rollenschuh sowie den Rollenstößel. Ferner ist der Rollenstößel mit einem Kolben verbunden, welcher sich in den Ventilverband hinein erstreckt und die Kompression des Kraftstoffs über eine Hubbewegung ermöglicht. In einem idealisierten Normalzustand verläuft die Kontaktlinie parallel zur Nockenwellenachse. Von der idealisierten Anordnung abweichende Anordnungen aufgrund geometrischer Fehler, Toleranzen und dergleichen entsteht eine Anordnung der Kontaktlinie gegenüber der Nockenwellenachse unter einem Winkel α. Die beiden Geraden, welche aus der Nockenwellenachse sowie aus der Kontaktlinie gebildet werden, können mathematisch als „windschief” bezeichnet werden, d. h., die beiden Geraden liegen nicht in einer Ebene. Der Winkel α zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie ist daher in der Projektion der Nockenwellenachse sowie der Kontaktlinie in die Ebene zu verstehen, welche durch die Nockenwellenachse sowie die Hubachse aufgespannt wird. Damit ist die räumliche Betrachtung auf eine zweidimensionale Betrachtung reduziert, wobei die Kontaktlinie durch eine virtuelle Verlängerung des Linienkontaktes zwischen der Laufrolle und der Nockenbahn gebildet werden kann.
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Die Bestimmung der Winkelabweichung der Nockenbahn über der Volldrehung in ihrer Neigung zur Nockenwellenachse kann beispielsweise mittels einer FEM-Simulation erfolgen, bei der auftretende Toleranzen im Rollenverband bewusst vorgegeben werden. Im Ergebnis der Simulation kann eine Nockenbahn bestimmt werden, deren Neigung zur Nockenwellenachse abhängig vom Rotationswinkel der Nockenwelle unterschiedliche Werte annimmt. Toleranzen im Rollenverband, welche bewirken, dass die Rolle beispielsweise axial gegen den Rollenschuh anläuft oder dass der Rollenstößel eine Verkippung in der Führung im Gehäuse des Nockenwellentriebes ausführt, kann durch die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise führt die Laufrolle mittels des veränderlichen Winkels α der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle eine vorbestimmte Drehbewegung um die Hubachse aus. Damit ist mittels des veränderlichen Winkels α zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle ein Drehmoment in die Laufrolle einleitbar. Die Laufrolle ist dabei mittels einer Hochdruckfeder gegen die Nockenbahn gedrückt, wobei bei einer Kompression der Hochdruckfeder ein Moment um die Hubachse in die Laufrolle eingeleitet wird. Das durch die Hochdruckfeder in die Laufrolle eingeleitete Drehmoment ist dabei mittels des durch den veränderlichen Winkel zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie in die Laufrolle eingeleiteten Gegendrehmoments kompensierbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Winkel α zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie mit der Drehung der Nockenwelle veränderlich. Mit der sich ändernden Verdrehung der Nockenwelle übt die Laufrolle sowie der Laufschuh eine Hubbewegung aus, so dass die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse mit dem Hub der Laufrolle in der Hubachse in ein Verhältnis gebracht werden kann. Ferner besteht die Möglichkeit, erkennbare Verschleißbilder an der Laufrolle bzw. am Laufrollenverband durch bewusste Einbringung von Neigungen in die Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse entstehen zu lassen. Zeigt die Laufrolle an einer Rollenkuppe in axialer Richtung beispielsweise einen Verschleiß, so kann die Nockenbahn insgesamt als eine konische Nockenbahn ausgeführt sein, so dass durch ein Gefälle in der Nockenbahn in Richtung der Nockenwellenachse der Zeitraum bzw. der Winkelbereich, in dem die Rolle seitlich gegen den Rollenstößel anläuft, minimiert wird.
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Vorteilhafterweise nimmt die Kontaktlinie in einer parallelen Ausrichtung zur Nockenwellenachse eine Nulllage ein und weicht mit der Drehung der Nockenwelle von der Nulllage ab. Die Nulllage bildet dabei den Idealzustand, so dass die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse auf dem gesamten Umfang der Nockenbahn in Richtung der Nockenwellenachse immer eine Parallele bildet. Die Neigung der Nockenbahn kann dabei sowohl in der einen Erstreckungsrichtung der Nockenwellenachse als auch in der anderen Erstreckungsrichtung der Nockenwellenachse ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt die Kontaktlinie über der Volldrehung der Nockenwelle die Nulllage in einer rotationsabhängigen Position ein. Abhängig davon, ob der Nockenwellentrieb mit einer Nocke, mit zwei Nocken oder mit mehreren Nocken ausgebildet ist, durchläuft die Laufrolle ein oder mehrere obere Totpunkte sowie ein oder mehrere untere Totpunkte über der Volldrehung. Daher besteht die Möglichkeit, die Nulllage, d. h. die parallele Ausrichtung der Kontaktlinie mit der Nockenwellenachse in den oberen Totpunkt zu legen. Ebenso ist es möglich, die Nulllage der Kontaktlinie im unteren Totpunkt vorzusehen. Durchläuft die Kontaktlinie lediglich eine Nulllage über der Volldrehung der Nockenwelle, so weicht die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse lediglich in einer Richtung ab. Nimmt jedoch die Kontaktlinie über der Volldrehung der Nockenwelle zwei oder mehrere Nulllagen ein, so kann die Neigung der Nockenbahn gegenüber der Nockenwellenachse in zwei Richtungen ausgebildet sein. Damit übt die Kontaktlinie der Laufrolle auf der Nockenbahn zwei Nulldurchläufe aus. Diese Nulldurchläufe können beispielsweise ebenfalls in den oberen Totpunkt oder in den unteren Totpunkt der Laufrolle über der Volldrehung der Nockenwelle gelegt werden. Der Nulldurchgang, d. h. die Durchkreuzung der Nulllage durch die Kontaktlinie kann jedoch auch im Nockenanlauf oder im Nockenablauf liegen. Der Nockenanlauf beschreibt dabei das Winkelsegment der Drehung der Nockenwelle, in dem die Laufrolle einen Hub in Richtung des Ventilverbandes entlang der Hubachse ausführt. Der Rollenablauf hingegen beschreibt den Rückhub der Laufrolle entlang der Hubachse. Alternativ kann die Neigung der Nockenbahn im Nockenanlauf gezielt eine andere Richtung haben als im Nockenablauf. Im Extremfall sogar gegensinnig. Durch eine umlaufend konische oder durch die gegensinnige Ausbildung der Neigung kann zusätzlich die Rolle gezielt von einem axialen Anschlag der Rollenkuppe zum anderen Anschlag bewegt werden, damit der Verschleiß der Rollenkuppen minimiert werden kann.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der veränderliche Winkel α zwischen der Nockenwellenachse und der Kontaktlinie einen Wert von 0,001° bis 3° aufweist. Der veränderliche Winkel zwischen 0,001° und 3° kann mittels einer FEM-Simulation über der Umdrehung der Nockenwelle optimiert werden. Der angegebene Winkelbereich ist lediglich als ein Winkelbereich einer möglichen Ausführungsform zu bewerten, und ist nicht als Einschränkung im Sinne des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zu sehen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Es zeigt:
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1 eine quergeschnittene Seitenansicht eines Nockenwellentriebes mit einer Nockenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine zweite quergeschnittene Seitenansicht eines Nockenwellentriebes, wobei die erfindungsgemäße Neigung der Nockenbahn an einer anderen Position gezeigt ist.
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In den 1 und 2 ist ein Nockenwellentrieb 1 in der Ausgestaltung einer Dieseleinspritzpumpe zur Förderung von Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher gezeigt. Der Nockenwellentrieb 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Nockenwelle 3 drehbar aufgenommen ist. Die Nockenwelle 3 erstreckt sich entlang der einer Nockenwellenachse 4, welche die Rotationsachse der Nockenwelle 3 bildet. Die Nockenwelle 3 ist im Gehäuse 2 über zwei Gleitlager gelagert, wobei die Nockenwelle 3 zwischen den beiden Gleitlagern einen Nockenabschnitt aufweist, welcher eine umfangsseitige Nockenbahn 5 umfasst. Auf der Nockenbahn 5 wälzt eine Laufrolle 6 ab, wobei die Nockenbahn 5 zwei Nocken umfasst, welche sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende der Bildebene in der Nockenbahn 5 ausgebildet sind.
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Die Laufrolle 6 ist in einer Hubachse 7 hubbeweglich aufgenommen, wobei die Hubachse 7 in einem Winkel von 90° gegenüber der Nockenwellenachse 4 angeordnet ist. Wird die Nockenwelle 3 in Rotation versetzt, so führt die Laufrolle 6 aufgrund der Abwälzbewegung über die Nockenbahn 5 und die in dieser eingebrachten Nocken eine Hubbewegung in der Hubachse 7 aus. Die Laufrolle 6 ist in einem Rollenschuh 10 drehbar aufgenommen, wobei der Rollenschuh 10 wiederum innerhalb eines Rollenstößels 11 eingebracht ist. Die Laufrolle 6, der Rollenschuh 10 und der Rollenstößel 11 bilden einen Laufrollenverband, welcher die Hubbewegung über der Nockenbahn 5 der Nockenwelle 3 ausführt. Aus dem Rollenverband erstreckt sich ein Hochdruckkolben 12, welcher zur Kompression des Dieselkraftstoffs mit einem Ventilverband 13 zusammenwirkt.
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Die Laufrolle 6 bildet einen Linienkontakt mit der Nockenbahn 5, wobei der Linienkontakt entlang einer Kontaktlinie 8 verläuft. Wenn die Nockenbahn 5 neigungsfrei ausgebildet ist, verläuft diese entlang einer Nulllage. In 1 ist die Nulllage mit dem Bezugszeichen 8' und in 2 mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Die Nulllage 8' in 1 ist auf der in der Bildebene unteren Seite der Nockenbahn 5 gezeigt und steht nicht im direkten Kontakt mit der Laufrolle 6. In 2 fällt die Nulllage mit der Kontaktlinie 8 zusammen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Nockenbahn 5 derart ausgebildet, dass die Nockenwellenachse 4 mit der Kontaktlinie 8 abhängig von der Drehung der Nockenwelle 3 einen Winkel α einschließt. Der Winkel α ist in der 1 sowohl zwischen der Nulllage und der Kontaktlinie 8 angedeutet, und wiederholt sich im Sinne eines Wechselwinkels zwischen der Nockenwellenachse 4 und der Kontaktlinie 8. Die Laufrolle 6 folgt der Neigung durch den Winkel α in der Oberfläche der Nockenbahn 5, und kann Toleranzen sowie eingeleitete Drehmomente durch die Hochdruckfeder 9 ausgleichen. Ferner kann die Laufrolle 6 im Kontakt der Rollenkuppe 14 an dem Rollenstößel 11 gelöst werden, so dass der Verschleiß zwischen der Laufrolle 6 und dem axialen Anlauf im Rollenstößel 11 minimiert wird.
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In 1 ist die Neigung in der Nockenbahn 5 in Kontakt mit der Laufrolle 6 gezeigt, wobei die Laufrolle 6 in der Darstellung in 1 mit der ersten Nocke in der Nockenbahn 5 in Kontakt steht. Gemäß der Darstellung in 2 ist die Nocke mit der eingebrachten Neigung in der Nockenbahn 5 180° versetzt zum Kontakt der Laufrolle 6 mit der Nockenbahn 5 dargestellt.
