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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Exzentertriebwerk, vorzugsweise für
ein medium geschmiertes Hochdruckpumpentriebwerk, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
Hochdruckpumpen werden Exzentertriebwerke zur Erzeugung einer oszillierenden
Bewegung zur Druckerzeugung mittels Hochdruckkolben eingesetzt.
Aufgrund der tribologisch hoch beanspruchten Kontakte der bewegten
Bauelemente eines Exzentertriebwerks kann diese Funktionsfähigkeit
und Qualität nur mit hohem Aufwand sichergestellt werden.
Die
DE 103 30 757
A1 beschreibt ein Exzentertriebwerk, bei dem ein rotierbar
gelagerter Exzenter mehrere in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete
Kolben über ein Gleitlagerelement antreibt, über
das sich der Exzenter an die Kolben aufnehmenden Kolbentaschen abstützt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes Exzentertriebwerk
mit einer geringen tribologischen Kontaktbeanspruchung bereitzustellen.
Bevorzugt soll das Exzentertriebwerk mit möglichst wenigen,
einfachen und kostengünstigen Bauteilen herstellbar sein.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Exzentertriebwerk für eine Pumpe
oder einen Hydraulikmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, radial zwischen dem Exzenter
und dem mindestens einen Kolben ein den Exzenter umgreifendes Wälzlager
anzuordnen, um die tribologische Beanspruchung der bewegten, in
Kontakt stehenden Bauteile zu reduzieren. Bevorzugt sind die Kolben
in Richtung des Wälzlagers federkraftbeaufschlagt, um durch eine
Mindestlast ein Gleiten der Wälzelemente und damit eine
erhöhte Reibung zu vermeiden. Durch das Vorsehen eines,
vorzugsweise handelsüblichen, Wälzlagers kann
eine einfache, kostengünstige Konstruktion eines Exzentertriebwerks,
insbesondere für Hochdruckpumpen, realisiert werden. Dabei
ist besonders hervorzuheben, dass Standardbauteile einsetzbar sind.
Ein weiterer Vorteil eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten
Triebwerks besteht in den reduzierten Fertigungskosten und den geringen
Anforderungen an die Form und die Oberflächentopografien
der Bauteile, da die auftretende Reibung aufgrund der Verwendung
eines Wälzlagers auf ein Minimum reduziert ist. Durch das
Vorsehen eines Wälzlagers kann darüber hinaus
die Qualität und die Zuverlässigkeit des Exzentertriebwerks
wesentlich verbessert werden. Insgesamt kann durch das Vorsehen
eines Wälzlagers ein geringer Bauraum bei gleichzeitig
realisierbaren hohen Leistungsdichten verwirklicht werden. Durch
die Möglichkeit der Rea lisierung geringer Reibwerte, insbesondere
von μ ~ 0,001, kann ein Schmierfilmversagen quasi ausgeschlossen
werden. Darüber hinaus kann ein unzulässiger Temperaturanstieg,
wie dieser bei bekannten Exzentertriebwerken häufig zu
verzeichnen ist, mit Vorteil vermieden werden. Insgesamt wird eine
günstige Kinematik durch eine kontinuierliche Drehbewegung
realisiert. Dabei gewährleisten die hohen Summengeschwindigkeiten
der Wälzpartner eine gute Schmierung der Kontaktflächen.
Ferner wird durch die hohe Summengeschwindigkeit der Aufbau einer hydrodynamischen
Schmierung gewährleistet, wodurch insgesamt stark belastbare
und zuverlässige tribologische Kontakte realisiert werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
den Exzenter umgreifende Lager als, vorzugsweise handelsübliches,
Zylinderrollenlager oder Rillenkugellager ausgebildet ist, also als
ein Wälzlager, bei dem die Wälzelemente ein logarithmisches
Profil aufweisen. Zylinderrollenlager zeichnen sich durch eine hohe
Robustheit und minimale Reibwerte aus.
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Bevorzugt
sind die, insbesondere als Zylinderelemente ausgebildeten, Wälzelemente
innerhalb eines Außenrings des Lagers angeordnet. Dabei
ist es weiter bevorzugt, wenn sich der mindestens eine Kolben unmittelbar
an dem die Wälzelemente umgebenden Außenring abstützt.
Alternativ stützt sich der Kolben über eine Kolbentasche
am Außenring, wobei die Kolbentasche einen größeren
Außendurchmesser aufweist als der Kolben. Die Kolbentasche
sorgt für eine entsprechende Führung innerhalb
eines, vorzugsweise vom Gehäuse des Exzentertriebwerks
gebildeten, Zylinders.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein
Innenring des Wälzlagers, also ein die Wälzelemente
radial innen abstützendes Element, unmittelbar vom Exzenter
gebildet ist, wobei hierfür bevorzugt im Außenumfang
des Exzenters entsprechende Laufflächen für die
Wälzelemente eingeformt sind.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Exzentertriebwerks,
bei der der Kolben oder eine fakultativ vorgesehene, den Kolben
endseitig aufnehmende, Kolbentasche über ein Kraftübertragungselement
mit dem Lager gekoppelt ist, wobei das Kraftübertragungselement,
wie später noch erläutert werden wird, Bestandteil
des Wälzlagers sein kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, wenn das
Kraftübertragungselement, um ein Verkanten während
des Betriebes zu vermeiden, relativ zu dem Kolben, in gewissen Grenzen
verkippbar angeordnet ist. Hierzu umfasst das Kraftübertragungselement
bevorzugt einen Führungsabschnitt, der eine Verkippbewegung
gewährleistend, vorzugsweise in einem Gehäuse
des Exzentertriebwerks, geführt ist.
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Um
eine definierte Kippbewegung des Führungsabschnittes zu
ermöglichen und dabei gleichzeitig die Reibung zu minimieren,
ist es bevorzugt, wenn der zuvor erläuterte Führungsabschnitt
ballig geformte Seitenflächen aufweist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der
Außenring des Wälzlagers, also das Lagerelement,
an dem sich die Wälzelemente unmittelbar radial abstützen,
von mindestens zwei Kraftübertragungselementen gebildet
ist, die sich ganz bevorzugt ein Stück weit in Umfangsrichtung überlappen,
um ein Herausfallen von Wälzelementen nach radial außen
sicher zu verhindern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Exzentertriebwerks mit
drei gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten
Kolben, die sich radial innen an einem Außenring eines
einen Exzenter umgreifenden Wälzlagers abstützen,
und
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2 eine
alternative Ausführungsform eines Exzentertriebwerks mit
zwei um 180° zueinander versetzt angeordneten Kraftübertragungselementen, die
gleichzeitig einen Außenring des Wälzlagers bilden
und die sich in radialer Richtung an jeweils einem Kolben abstützen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Exzentertriebwerks 1 für
eine ansonsten nicht näher dargestellte Hochdruckpumpe
gezeigt. Das Exzentertriebwerk 1 umfasst einen exzentrisch
drehbar um eine Drehachse 2 drehbar gela gerten Exzenter 3 (Nocken).
Der Exzenter 3 ist rotatorisch um die Drehachse 2 angetrieben
von einem nicht gezeigten, an sich bekannten Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor.
An seinem Außenumfang trägt der Exzenter 3 einen
drehfest mit dem Exzenter 3 verbundenen Innenring 4 eines
Wälzlagers 5 mit einer Vielzahl von über
den Umfang verteilt angeordneten, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
zylinderförmigen, Wälzelementen 7. Bei
einer Rotation des Exzenters 3 um die Drehachse 2 rollen
die Wälzelemente 7 auf dem Innenring 4 ab.
Radial außen rollen die Wälzelemente 7 entlang
eines konzentrisch zum Innenring 4 angeordneten Außenrings 8 des
Wälzlagers 5. Bei einer alternativen, nicht gezeigten,
Ausführungsvariante wird der Innenring 4 unmittelbar
von dem Exzenter 3 gebildet, wobei in diesem Fall Laufflächen für
die Wälzelemente 7 bevorzugt unmittelbar in den Außenumfang
des Exzenters 3 eingeformt sind.
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Am
Außenumfang des Außenrings 8 stützen sich
drei gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete
Kolben 9 unmittelbar ab, wobei jeder Kolben 9 in einem
von einem Gehäuse 10 gebildeten Zylinder 11 geführt
ist. Die Kolben 9 sind mit jeweils einer, nicht gezeigten,
Rückstellfeder gegen das Wälzlager 5 federkraftbeaufschlagt.
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Wird
der Exzenter 3 mittels des nicht gezeigten Verbrennungsmotors
und/oder Elektromotors um die Drehachse 2 in Rotation versetzt,
werden die Kolben 9 nacheinander nach radial außen
verstellt und kurz darauf wieder von den dem Kolben 9 zugeordneten,
nicht gezeigten, Rückstellfedern nach radial innen zurückgestellt.
Bei ihrer Axialbewegung liegen die Kolben 9 aufgrund des
Vorsehens der Rückstellfeder dauerhaft an dem Außenring 8 des
Wälzlagers 5 an. Die Rückstellfedern
haben zusätzlich die Funktion der Aufbrin gung einer Mindestlast,
um ein Gleiten der zylinderförmigen Wälzelemente 7 innerhalb des
Innenrings 4 und des Außenrings 8 zu
vermeiden.
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Wie
sich aus 1 ergibt, ist der Exzenter 3 mitsamt
dem Wälzlager 5 innerhalb einer kreisförmig konturierten
Aussparung 12 im Gehäuse 10 aufgenommen,
wobei der Durchmesser der Aussparung 12 so bemessen ist,
dass eine behinderungsfreie Drehbewegung des Exzenters 3 mitsamt
Wälzlager 5 im Gehäuse 10 bzw.
in der Ausnehmung 12 möglich ist.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Exzentertriebwerks 1 gezeigt.
Dieses umfasst im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 lediglich zwei gleichmäßig
in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Kolben 9. Jeder
Kolben 9 stützt sich radial innen an einem Kraftübertragungselement 13 ab,
welches Bestandteil eines den Exzenter 3 umgebenden Wälzlagers 5 ist.
Bemerkenswert hierbei ist, dass die Kraftübertragungselemente 13 gemeinsam
einen umfangsgeschlossenen Außenring 8 des Wälzlagers 5 bilden,
wobei sich die Kraftübertragungselemente 13 hierzu
mit einem radial inneren, in Umfangsrichtung weisenden Abschnitt 14 ein
Stück weit in Umfangsrichtung überlappen, um ein
Herausfallen der Wälzelemente 7 nach radial außen
sicher zu verhindern.
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Die
Kraftübertragungselemente 13 sind identisch ausgebildet
und umfassen einen teilkreisförmig konturierten Ringabschnitt 15,
der sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa über
den halben Umfang des Exzenters 3 erstreckt. Radial außen geht
der Ringabschnitt 15 jeweils über in einen stößelförmigen
Führungsabschnitt 16, wobei jedem Führungsabschnitt 16 ein
von dem Gehäuse 10 gebildeter Zylin derabschnitt 17 zugeordnet
ist, der das Kraftübertragungselement 13 zum einen
führt und zum anderen eine Drehbewegung des Kraftübertragungselementes 13 durch
Mitnahme in Umfangsrichtung verhindert. Die Kraftübertragungselemente 13 sind
mit ihrem jeweiligen Führungsabschnitt 16 in einem
diesem zugeordneten Zylinderabschnitt 17 aufgenommen, derart,
dass ein eine Drehbewegung des Exzenters 3 um die Drehachse 2 ermöglichendes Verkippen
relativ zu dem jeweiligen Kolben 9 möglich ist.
Um eine definierte Kippbewegung zu realisieren, sind die Seitenflächen 18 der
Führungsabschnitte 16 ballig ausgeformt.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird
der Innenring 4 des Wälzlagers 5 unmittelbar
gebildet von dem Exzenter 3.
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Bei
einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform liegen
die Kolben 3 nicht unmittelbar an den Führungsabschnitten 16 der
Kraftübertragungselemente 13 an, sondern stützen
sich an diesen über an sich aus dem Stand der Technik bekannte
Kolbentaschen (Kolbenschuhe) ab, die wiederum in, vorzugsweise vom
Gehäuse 10 gebildeten Zylindern geführt
sind.
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Auch
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
jedem Kolben 3 eine nicht gezeigte Rückstellfeder
zugeordnet, die für einen dauerhaften Kontakt zwischen
Kolben 9 und Kraftübertragungselement 13 sorgt.
Durch das Vorsehen der Rückstellfedern wird eine Mindestlast
auf das Wälzlager 5 aufgebracht, wodurch ein Gleiten
der Wälzelemente 7 sicher vermieden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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