DE102009001096A1

DE102009001096A1 - Radialkolbenpumpe mit einer Nockenwelle mit partiell gehärteten Nockenflanken

Info

Publication number: DE102009001096A1
Application number: DE200910001096
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking; Andreas Dutt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-08-26
Also published as: WO2010097247A1

Abstract

Bei einer Kolbenpumpe (1) mit mindestens einem zumindest annähernd radial zu einer Antriebswelle (2) verschiebbar gefhrten Pumpenkolben (7), der über eine in einem Rollenschuh (10) drehbar gelagerte Laufrolle (11) auf einer mindestens einen oder mehrere Nocken (6) aufweisenden Nockenbahn (5) der Antriebswelle (2) abgestützt ist und dadurch in einer Hubbewegung angetrieben wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die in Drehrichtung (17) der Antriebswelle (2) jeweils ansteigende Nockenflanke (20) des bzw. jedes Nockens (6) im Bereich des vorlaufenden unteren Totpunkts (19) und im Bereich des oberen Totpunkts (18) eine höhere Festigkeit als der dazwischen liegende Flankenabschnitt der ansteigenden Nockenflanke (20) aufweist und/oder dass die in Drehrichtung (17) der Antriebswelle (2) jeweils abfallende Nockenflanke (21) im Bereich des oberen Totpunkts (19) eine höhere Festigkeit als der in Drehrichtung (17) nachfolgende Flankenabschnitt der abfallenden Nockenflanke (21) aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kolbenpumpe für Kraftstoff nach der Gattung des Anspruchs 1.
Eine solche gattungsgemäße Kolbenpumpe ist beispielsweise durch die DE 10 2006 045 933 A1 bekanntgeworden. Diese bekannte Kolbenpumpe ist für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen und als Radialkolbenpumpe mit einer drehbar gelagerten Nockenwelle mit Doppelnocken ausgeführt. Radial zur Nockenwelle ist ein Pumpenkolben verschiebbar geführt, der sich über eine in einem Rollenschuh drehbar gelagerte Laufrolle auf dem Doppelnocken abstützt und dadurch in einer Hubbewegung angetrieben wird. Der Rollenschuh ist in einen Stößelkörper eingepresst, der wiederum in einer Stößelführungsbohrung sowohl hubbeweglich geführt als auch um seine Längsachse frei drehbar gelagert ist. Über eine auf den Stößelkörper wirkende Stößelfeder ist der Pumpenkolben bzw. die Laufrolle zuverlässig an den Doppelnocken angedrückt. Dadurch ist immer eine Normalkraft zwischen Laufrolle und Doppelnocken und somit eine Reibkraft auf die Laufrolle gegeben, wodurch die Laufrolle angetrieben wird. Die Drehung der Nockenwelle wird mittels des aus Doppelnocken, Laufrolle, Rollenschuh und Stößelkörper bestehenden Nockenwellentriebs in eine axiale Bewegung zum Antrieb des Pumpenkolbens umgewandelt. Der Pumpkolben begrenzt mit seiner der Nockenwelle abgewandten Stirnseite eine Pumpkammer und wird durch die in Drehrichtung der Nockenwelle bis zum oberen Totpunkt ansteigenden Nockenflanken des Doppelnockens jeweils zu einem Kompressions- bzw. Förderhub und durch die in Drehrichtung der Nockenwelle bis zum unteren Totpunkt abfallenden Nockenflanken des Doppelnockens jeweils zu einem Saughub angetrieben.
Bei solchen nach außen fördernden nockengetriebenen Radialkolbenpumpen tritt die maximale Beanspruchung des Doppelnockens jeweils im Bereich der oberen Totpunkte auf und äußert sich dadurch, dass in diesem Bereich Ausfälle mit Wälzermüdung auftreten. Zur Robustheitssteigerung der Nocken ist es bekannt, die Nockengeometrie durch Druckeigenspannungen gegen Wälzermüdung resistenter gemacht wird. Diese Druckeigenspannungen werden z. B. durch Kugelstrahlen, Einsatzhärtung oder Rollieren über die gesamte Lauffläche eingebracht, was sehr aufwändig und daher kostenintensiv ist.
Aus JP 2000 063 953 A ist es bekannt, die beiden Nockenflanken eines Einfachnockens, also im Winkelbereich von ca. ±90° um den oberen Totpunkt herum, durch Aufschmelzen gezielt zu härten, während der restliche Nockenabschnitt dabei nicht gehärtet wird.
Weiterhin ist es aus JP 59-044251 bekannt, bei einem Einfachnocken lediglich die Nockenspitze, also den Winkelbereich von ca. ±30° um den oberen Totpunkt herum, gezielt zu härten, während der restliche Nockenabschnitt nicht gehärtet wird.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß ist die Nockenbahn nur in den Nockenabschnitten, in denen die höchsten Belastungen auftreten, gehärtet, indem beispielsweise gezielt in diese Nockenabschnitten Druckeigenspannungen eingebracht werden. Da diese Druckeigenspannungen nur partiell in die Nockenbahn eingebracht werden, sind deutliche Kosteneinsparungen gegenüber dem Einbringen von Druckeigenspannungen über die gesamte Nockenbahn möglich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe gemäß I-I in 2;
2 einen anderen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe von 1;
3 eine Detailansicht der in 1 und 2 als Doppelnocken ausgeführten Nockenbahn; und
4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele der Nockenbahn in Form eines Dreifachnockens (4) und eines Vierfachnockens (5), jeweils in einer Detailansicht analog zu 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 und 2 ist ausschnittsweise eine Hochdruckpumpe 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Durch die Hochdruckpumpe 1 wird dabei Kraftstoff unter Hochdruck von bis zu 2000 bar oder mehr gefördert, beispielsweise in einen Speicher, aus dem Kraftstoff zur Einspritzung an der Brennkraftmaschine entnommen wird.
Die Hochdruckpumpe 1 ist als Radialkolbenpumpe ausgebildet, deren Antriebswelle 2 um eine Achse 3 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 2 weist im mehrteiligen Pumpengehäuse 4 eine Nockenbahn 5 mit zwei Nocken (Doppelnocken) 6 auf, die einen (oder auch zwei) Pumpenkolben 7 in einer Hubbewegung antreiben. Der Pumpkolben 7 ist im Pumpengehäuse 4 in einer radial zur Drehachse 3 der Antriebswelle 2 verlaufenden Zylinderbohrung 8 verschiebbar dicht geführt und stützt sich mit einem Kolbenfuß 9 über eine in einem Rollenschuh 10 drehbar gelagerte Laufrolle 11 an der Nockenbahn 5 ab. Der Rollenschuh 10 ist wiederum in einen hülsenförmigen Stößelkörper 12 eingepresst, der in einer Stößelführungsbohrung 13 des Pumpengehäuses 4 geführt ist. Eine gehäuseseitig abgestützte Druckfeder 14 drückt über den Stößelkörper 12 und den Rollenschuh 10 die Laufrolle 11 radial nach innen, die dadurch in Anlage an der Nockenbahn 5 gehalten ist. Der durch die Nockenbahn 5, die Laufrolle 11, den Rollenschuh 10 und den Stößelkörper 12 gebildete Rollentrieb ist insgesamt mit 15 bezeichnet. Statt dem gezeigten einen Pumpkolben können durch den Rollentrieb 15 auch mehrere Pumpenkolben 7 angetrieben werden, die um die Antriebswelle 2 herum angeordnet sind.
Der Pumpkolben 7 begrenzt mit seiner der Antriebswelle 2 abgewandten Stirnseite eine Pumpkammer 16 (2) und wird, wie in 1 gezeigt, durch die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 bis zum oberen Totpunkt 18 ansteigenden Nockenflanken der beiden Nocken 6 jeweils zu einem Kompressions- bzw. Förderhub und durch die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 bis zum unteren Totpunkt 19 abfallenden Nockenflanken der beiden Nocken 6 jeweils zu einem Saughub angetrieben.
Die Belastung der Nocken 6 ist abhängig von der Übertragungskraft und von der Geometrie, den Krümmungsradien und der E-Module. Die hochbelasteten Bereiche der beiden Nocken 6 sind im Nockenanlauf, denn hier wird im Bereich vom unteren Totpunkt bis ca. 20° das Nockenprofil so schnell als möglich auf eine maximale Fördergeschwindigkeit beschleunigt, damit ein maximaler Hub erreicht werden kann. Durch diese Beschleunigung werden die zu übertragenden Massekräfte sehr groß.
Genauer gesagt sind im Bereich der oberen Totpunkte die Krümmungsradien sehr klein, um in möglichst wenigen Winkelgraden die Förder- in eine Saugbewegung zu ändern. Durch die kleinen Krümmungsradien und die Hochdruckbelastung werden im Bereich ca. 30° vor dem oberen Totpunkt die Hertschen Spannungen maximal, die Druckbelastung fällt bis ca. 30° nach dem oberen Totpunkt aufgrund des Saugens wieder ab, daher nehmen ab 30° nach dem oberen Totpunkt die Hertsche Spannungen wieder ab.
Wie in 3 durch eine dickere Strichstärke angedeutet, weisen die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 ansteigenden Nockenflanken 20 der beiden Nocken 6 ab dem jeweils vorlaufenden unteren Totpunkt 19 bis zu einem Winkel α1 = ca. 20° nach dem unteren Totpunkt 19 sowie ab einem Winkel α2 = ca. 30° vor dem oberen Totpunkt 18 bis zum oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der dazwischen liegende Flankenabschnitt der ansteigenden Nockenflanke 20 auf. Die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 abfallenden Nockenflanken 21 der beiden Nocken 6 weisen jeweils ab dem oberen Totpunkt 18 bis zu einem Winkel α3 = ca. 30° nach dem oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der in Drehrichtung 17 nachfolgende Flankenabschnitt der abfallenden Nockenflanke 21 auf. Die höhere Festigkeit ist in die genannten Flankenabschnitte durch Druckeigenspannungen, z. B. durch Kugelstrahlen, Einsatzhärtung oder Rollieren, eingebracht, während die übrigen Flankenabschnitte der beiden Nocken 6 keine eingebrachten Druckeigenspannungen aufweisen. Mit anderen Worten sind die Druckeigenspannungen partiell nur in denjenigen Flankenabschnitten der beiden Nocken 6 eingebracht, in denen die höchsten Belastungen auftreten.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Nockenbahn 5 als Dreifachnocken mit drei Nocken 6 ausgebildet ist. Wie in 4 beispielhaft nur bei einem der Nocken 6 durch eine dickere Strichstärke angedeutet ist, weisen die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 ansteigenden Nockenflanken 20 der Nocken 6 ab dem jeweils vorlaufenden unteren Totpunkt 19 bis zu einem Winkel α1 = ca. 13° nach dem unteren Totpunkt 19 sowie ab einem Winkel α2 = ca. 20° vordem oberen Totpunkt 18 bis zum oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der dazwischen liegende Flankenabschnitt der ansteigenden Nockenflanke 20 auf. Die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 abfallenden Nockenflanken 21 der Nocken 6 weisen ab dem oberen Totpunkt 18 bis zu einem Winkel α3 = ca. 20° nach dem oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der in Drehrichtung 17 nachfolgende Flankenabschnitt der abfallenden Nockenflanke 21 auf. Die höhere Festigkeit ist in die genannten Flankenabschnitte durch Druckeigenspannungen eingebracht, während die übrigen Flankenabschnitte der Nocken 6 keine eingebrachten Druckeigenspannungen aufweisen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Nockenbahn 5 als Vierfachnocken mit vier Nocken 6 ausgebildet ist. Wie in 5 beispielhaft nur bei einem der Nocken 6 durch eine dickere Strichstärke angedeutet ist, weisen die in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 ansteigenden Nockenflanken 20 der Nocken 6 ab dem jeweils vorlaufenden unteren Totpunkt 19 bis zu einem Winkel α1 = ca. 10° nach dem unteren Totpunkt 19 sowie ab einem Winkel α2 = ca. 15° vor dem oberen Totpunkt 18 bis zum oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der dazwischen liegende Flankenabschnitt der ansteigenden Nockenflanke 20 auf. Die beiden in Drehrichtung 17 der Antriebswelle 2 abfallenden Nockenflanken 21 der Nocken 6 weisen jeweils ab dem oberen Totpunkt 18 bis zu einem Winkel α3 = ca. 15° nach dem oberen Totpunkt 18 eine höhere Festigkeit als der in Drehrichtung 17 nachfolgende Flankenabschnitt der abfallenden Nockenflanke 21 auf. Die höhere Festigkeit ist in die genannten Flankenabschnitte durch Druckeigenspannungen eingebracht, während die übrigen Flankenabschnitte der Nocken 6 keine eingebrachten Druckeigenspannungen aufweisen.
Allgemein betrachtet sind abhängig von der Nockenanzahl N der Nockenbahn die wenig belasteten Bereiche wie folgt:

– auf der Förderseite: von ca. 40°/N nach dem unteren Totpunkt (OT) bis 60°/N vor dem oberen Totpunkt (OT),
– auf der Saugseite: von 60°/N nach dem oberen Totpunkt (UT) bis zum unteren Totpunkt (UT).

So ergeben sich für die in 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele sowie für einen in den Figuren nicht gezeigten Einfachnocken folgende Winkelbereiche, die wenig beansprucht sind und somit ohne Druckeigenspannungen ausgeführt werden können:

Nockenvariante	Förderhub	Förderbereich	Saugbereich
1-Nocken	180°	40° nach UT–60° vor OT	60° nach OT–UT
2-Nocken	90°	20° nach UT–30° vor OT	30° nach OT–UT
3-Nocken	60°	13° nach UT–20° vor OT	20° nach OT–UT
4-Nocken	45°	10° nach UT–15° vor OT	15° nach OT–UT

Die übrigen hoch belasteten Winkelbereiche sind durch Einbringung von Druckeigenspannungen gegen Wälzermüdung haltbar gemacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006045933 A1 [0002]
- JP 2000063953 A [0004]
- JP 59-044251 [0005]

Claims

Kolbenpumpe (1), insbesondere Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritz-einrichtung einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem zumindest annähernd radial zu einer Antriebswelle (2) verschiebbar geführten Pumpenkolben (7), der über eine in einem Rollenschuh (10) drehbar gelagerte Laufrolle (11) auf einer mindestens einen oder mehrere Nocken (6) aufweisenden Nockenbahn (5) der Antriebswelle (2) abgestützt ist und dadurch in einer Hubbewegung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in Drehrichtung (17) der Antriebswelle (2) jeweils ansteigende Nockenflanke (20) des bzw. jedes Nockens (6) im Bereich des vorlaufenden unteren Totpunkts (19) und im Bereich des oberen Totpunkts (18) eine höhere Festigkeit als der dazwischen liegende Flankenabschnitt der ansteigenden Nockenflanke (20) aufweist und/oder dass die in Drehrichtung (17) der Antriebswelle (2) jeweils abfallende Nockenflanke (21) im Bereich des oberen Totpunkts (19) eine höhere Festigkeit als der in Drehrichtung (17) nachfolgende Flankenabschnitt der abfallenden Nockenflanke (21) aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des vorlaufenden unteren Totpunkts (19) des Nockens (6) die ansteigende Nockenflanke (20) des Nockens (6) die höhere Festigkeit ab dem vorlaufenden unteren Totpunkt (19) bis zu einem Winkel (α1) nach dem unteren Totpunkt (19), der in Abhängigkeit von der Anzahl (N) der Nocken (6) als ca. 40°/N definiert ist, aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des oberen Totpunkts (18) des Nockens (6) die ansteigende Nockenflanke (20) die höhere Festigkeit ab einem Winkel (α2) vor dem oberen Totpunkt (18), der in Abhängigkeit von der Anzahl (N) der Nocken (6) als ca. 60°/N definiert ist, bis zum oberen Totpunkt (18) aufweist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des oberen Totpunkts (18) des Nockens (6) die abfallende Nockenflanke (21) die höhere Festigkeit ab dem oberen Totpunkt (18) bis zu einem Winkel (α3) nach dem oberen Totpunkt (18), der in Abhängigkeit von der Anzahl (N) der Nocken (6) als ca. 60°/N definiert ist, aufweist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die höhere Festigkeit aufweisenden Bereiche der ansteigenden und/oder abfallenden Nockenflanken (20, 21) jeweils eingebrachte Druckeigenspannungen aufweisen.