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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruchs 1.
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Eine
solche Hochdruckpumpe ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 041 673 A1 bekannt.
Die hierin beschriebene Hochdruckpumpe weist eine Antriebswelle
mit wenigstens einem Nocken oder Exzenter auf, sowie wenigstens
ein Pumpenelement, dass einen Pumpenkolben besitzt, der durch den
Nocken oder Exzenter der Antriebswelle in einer Hubbewegung antreibbar
ist. Dabei ist der Pumpenkolben mittelbar über ein Stützelement
und eine Rolle, die in dem Stützelement drehbar gelagert
ist, am Nocken bzw. Exzenter der Antriebswelle abgestützt.
Im Betrieb der Pumpe führt die Rolle eine Drehbewegung gegenüber
dem Stützelement aus, so dass sowohl die Rolle, als auch
das Stützelement im Kontaktbereich einem erhöhten
Verschleiß durch Abrieb ausgesetzt sind. Es werden daher
eine Rolle und/oder ein Stützelement vorgeschlagen, deren
Oberflächen zumindest im gegenseitigen Kontaktbereich eine
hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Zur Ausbildung einer solchen
Oberfläche wird ferner vorgeschlagen, die Oberfläche
mit einer Beschichtung aus einem Werkstoff mit hoher Verschleißfestigkeit
zu versehen. Alternativ hierzu wird ein Einsatz aus einem Werkstoff mit
hoher Verschleißfestigkeit im Kontaktbereich zwischen der
Rolle und dem Stützelement vorgeschlagen, wobei sowohl
die Rolle als auch das Stützelement einen entsprechenden
Einsatz aufweisen kann. Als Stützelement wird in dieser
Druckschrift ein mit dem Stößel des Pumpenelementes
verbindbares Bauteil zur Abstützung der Rolle oder ein
Stößelabschnitt bezeichnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe mit wenigstens
einem Pumpenelement, das einen Stößel und eine
Rolle zur Abstützung eines Pumpenkolbens an einem Nocken oder
Exzenter einer Antriebswelle umfasst, derart zu verbessern, dass
die in Kontakt mit dem Stößel und/oder dem Nocken
bzw. Exzenter und/oder einem Stößelkörper
stehenden Oberflächen der Rolle, insbesondere im Hinblick
auf ihre Verschleißfestigkeit, weiter optimiert werden.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
zur Abstützung eines Pumpenkolbens am Nocken oder Exzenter
einer Antriebswelle vorgesehene Rolle der vorgeschlagenen Hochdruckpumpe
besitzt erfindungsgemäß zumindest über
einen Teilbereich ihrer Oberfläche, insbesondere im Bereich
ihrer in Kontakt mit dem Stößel und/oder dem Nocken
bzw. Exzenter und/oder dem Stößelkörper stehenden
Oberfläche, eine Oberflächenstruktur, die als
Schmierstoffreservoir nutzbare Vertiefungen aufweist. Die Vertiefungen
bewirken zum einen, dass die Kontaktfläche, über
welche die Rolle in Kontakt mit dem Stößel und/oder
dem Nocken bzw. Exzenter und/oder dem Stößelkörper
steht, reduziert wird. Bei einer Drehbewegung der Rolle beispielsweise
gegenüber dem Stößel, werden somit nur
die zwischen den Vertiefungen verbleibenden Kontaktflächen
auf Reibung beansprucht. Mit einer Verringerung der Kontaktfläche
verringert sich auch der Abrieb, so dass die Kontaktflächen
weniger durch Späne oder andere Abriebpartikel belastet
werden, die sich ggf. in die Oberflächen eingraben und
sogar zum Ausfall der Pumpe führen können. Dies
kann insbesondere dann auftreten, wenn die Rolle sich mit sehr hohen Drehgeschwindigkeiten
gegenüber dem Stößelkörper bewegt.
Ein vergleichbarer Abrieb bzw. Verschleiß findet auch an
den Kontaktflächen der Rolle mit dem Nocken bzw. Exzenter
der Antriebswelle oder dem Stößelkörper
statt, so dass die genannten Vorteile einer Vertiefungen aufweisenden
Oberflächenstruktur auch hier zum Tragen kommt.
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Eine
Reduzierung der Kontaktfläche der Rolle mit dem Stößel
und/oder dem Nocken bzw. Exzenter der Antriebswelle und/oder dem
Stößelkörper besitzt weiterhin den Vorteil,
dass die zur Abführung der aus der Reibung resultierenden
Wärme verfügbare Oberfläche ebenfalls
reduziert wird. Somit wird weniger Warme auf die in Kontakt mit
der Rolle stehenden Bauteile übertragen bzw. deren Kühlung
verbessert.
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Die
Vertiefungen der Oberflächenstruktur weisen ferner den
Vorteil auf, dass sie Hohlräume ausbilden, in denen sich
Schmierstoff, beispielsweise Kraftstoff, zur Schmierung der Kontaktflächen
ansammeln kann. Die Vertiefungen dienen somit als Schmierstoffreservoir,
so dass eine fortlaufende Schmierung der Kontaktflächen
zur Ausbildung gleitoptimierter Oberflächen gewährleistet
ist. Durch die Schmierung werden die Reibungskräfte an
den Kontaktflächen soweit reduziert, dass der Verschleiß an diesen
Oberflächen deutlich geringer ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind die als Schmierstoffreservoir
nutzbaren Vertiefungen über zumindest einen Teilbereich
der Oberfläche der Rolle mittels eines materialabtragenden
Verfahrens hergestellt worden. D. h., dass die Rolle einer Nachbearbeitung
unterzogen worden ist. Zum Materialabtrag eignen sich sowohl physikalische,
als auch chemische Verfahren, wie beispielsweise eine Bearbeitung
mittels Laser, Sand- oder Kugelstrahlen, Honen oder Ätzen.
Durch Einsatz derartiger Verfahren können auf der Oberfläche
der Rolle Mikrostrukturen ausgebildet werden, die als Schmierstoffreservoir nutzbare
Vertiefungen aufweisen. Vorzugsweise erfolgt die Ausbildung einer
solchen Mikrostruktur mittels Kugelstrahlens.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die
als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen über zumindest
einen Teilbereich der Oberfläche der Rolle mittels eines
materialauftragenden Verfahrens hergestellt worden. Zum Auftragen
des Material wurde die Rolle vorzgusweise wiederum einer Nachbearbeitung
unterzogen. Die Nachbearbeitung kann beispielsweise eine Beschichtung der
Rollenoberfläche umfassen. Als geeignetes Beschichtungsmaterial
erweisen sich insbesondere strukturbildende Materialien. Bevorzugt
werden Beschichtungen mit Strukturchrom und/oder Hartchrom. Eine
Beschichtung mit Strukturchrom besitzt den Vorteil, dass eine aus
einzelnen teilkugelförmigen Oberflächen zusammengesetzte
Mikrostruktur ausbildet wird. Eine teilkugelför mige Oberfläche
weist nur einen einzigen Kontaktpunkt mit einer anliegenden ebenen
Oberfläche auf, so dass bei Ausbildung einer solchen Mikrostruktur
auf der Oberfläche der Rolle die Kontaktfläche
aus vielen solcher Kontaktpunkte zusammengesetzt ist.
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Unabhängig
davon, ob die Vertiefungen mittels eines materialabtragenden oder
eines materialauftragenden Verfahrens hergestellt worden sind, besitzt
die Rolle weiterhin vorzugsweise zumindest über einen Teilbereich
ihrer Oberfläche, insbesondere im Bereich ihrer in Kontakt
mit dem Stößel und/oder dem Nocken bzw. Exzenter
stehenden Oberfläche, eine Beschichtung zur Erhöhung
der Verschleißfestigkeit. Bevorzugt wird eine Kohlenstoff enthaltende
Beschichtung, durch welche die Verschleißfähigkeit
der Rolle deutlich erhöht werden kann. Die Beschichtung
besitzt vorzugsweise eine gleichbleibende Stärke, so dass
die mittels eines materialabtragenden oder materialauftragenden
Verfahrens hergestellte erfindungsgemäße Oberflächenstruktur
in Form von Vertiefungen erhalten bleibt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Oberflächenstruktur
der Rolle teilkugelförmige Vertiefungen auf. Vorzugsweise
sind diese Vertiefungen in einem materialabtragenden Verfahren,
beispielsweise mittels Kugelstrahlens, hergestellt worden. Die zwischen
den teilkugelförmigen Vertiefungen verbleibenden Stegbereiche
bilden die Kontaktfläche der Rolle mit dem Stößel
und/oder dem Nocken bzw. Exzenter der Antriebswelle und/oder dem
Stoßelkörper aus. Die Stegbereiche können
je nach Anordnung bzw. Verteilung der teilkugelförmigen
Vertiefungen auf der Rollenoberfläche die Form einer Ebene
oder eines Grates aufweisen.
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Gemäß einer
alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Oberflächenstruktur
der Rolle teilkugelförmige Erhöhungen zur Ausbildung
von Vertiefungen auf. Vorzugsweise wurde hierzu ein materialauftragendes
Verfahren, beispielsweise in Form einer Beschichtung mit Strukturchrom,
eingesetzt. Dabei liegen die teilkugelförmigen Erhöhungen
vorzugweise derart dicht beieinander, dass die Vertiefungen zwickelförmig
ausgebildet sind. Der sich in den zwickelförmigen Vertiefungen
ansammelnde Schmierstoff versieht die teilkugelförmigen
Erhöhungen mit einer Gleitschicht, so dass es zu einer
großflächigen Benetzung der je weiligen Konktaktflächen mit
Schmierstoff kommt. Dies führt zur Ausbildung einer besonders
gleitoptimierten Oberfläche.
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Die
erfindungsgemäße Vertiefungen aufweisende Oberflächenstruktur
der Rolle ist bevorzugt im Kontaktbereich der Rolle mit dem Stößel
vorgesehen. Als Stößel wird vorliegend auch ein
mit dem Stößel verbindbares Bauteil zur Abstützung
der Rolle verstanden, das eine Funktionseinheit mit dem Stößel
bildet. Der Stößel kann somit auch mehrteilig
aufgebaut sein. Vorzugsweise liegt die Rolle mit wenigstens einem
Teilbereich einer Stirnfläche am Stößel an.
Die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur
ist demnach bevorzugt im Bereich der Stirnflächen der Rolle
ausgebildet.
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Um
die Kontaktfläche der Rolle mit dem Stößel
zu verringern, ist vorteilhafterweise ferner vorgesehen, dass die
Stirnflächen der Rolle zumindest über einen Teilbereich
konvex gewölbt und/oder konisch verlaufend ausgebildet
sind. Die Stirnflächen können beispielsweise auch
aus einem konisch verlaufenden und einem konvex gewölbten
Abschnitt zusammengesetzt sein. Dabei bildet der konvex gewölbte
Abschnitt bevorzugt eine teilkugelförmige Kontaktfläche
aus, mit der die Rolle am Stößel anliegt.
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Bevorzugt
ist weiterhin vorgesehen, dass die Rolle zumindest teilweise im
Stößel aufgenommen ist. Vorzugsweise ist hierzu
der Stößel im Bereich der Rollenaufnahme hohlzylindrisch
ausgebildet, so dass die Stirnflächen der Rolle zumindest
teilweise an einer Innenumfangsfläche des Stößels
anliegen. Im Bereich der Innenumfangsfläche des Stößels
kann zudem eine korrespondierend zu der jeweiligen Stirnfläche
der Rolle ausgebildete Aufnahmeausnehmung vorgesehen sein.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer stark vergrößerten
Oberflächenstruktur,
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2 eine
Draufsicht auf eine Oberflächenstruktur einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Kontaktfläche,
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3 einen
schematisch dargestellten Querschnitt durch eine an einem Stößel
anliegende Rolle,
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4 einen
perspektivische Darstellung eines Stößels mit
eingesetzter Rolle und
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5 eine
Ansicht einer Stirnfläche einer Rolle.
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Die
in 1 dargestellte Oberflächenstruktur mit
teilkugelförmigen Erhöhungen 5 und zwickelförmigen
Vertiefungen 4 zwischen den teilkugelförmigen
Erhöhungen 5 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße
Oberflächenstruktur 3, die im Kontaktbereich zwischen
einer Rolle und einem Stößel oder einer Rolle
und einem Stößelkörper an der Oberfläche einer
Rolle eines Pumpenelementes einer erfindungsgemäßen
Hochdruckpumpe ausgebildet sein kann. Eine solche Oberflächenstruktur 3 ist
beispielsweise mittels einer Beschichtung aus Strukturchrom herstellbar. Über
die teilkugelförmigen Erhöhungen 5 liegt
die beschichtete Oberfläche der Rolle jeweils immer nur
punktuell am angrenzenden Bauteil an, so dass eine Beanspruchung
auf Reibung lediglich im Bereich dieser Kontaktpunkte erfolgt. Die
Zwischenräume bzw. Vertiefungen 4 füllen
sich im Betrieb der Pumpe mit Kraftstoff, so dass die Vertiefungen 4 der Oberflächenstruktur
als Schmierstoffreservoir nutzbar sind und zur Ausbildung einer
gleitoptimierten Oberfläche beitragen.
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Eine
vergleichbare Oberflächenstruktur bildet beispielsweise
eine Beschichtung aus Hartchrom aus. Eine solche ist in der Draufsicht
der 2 dargestellt. Die Oberflächenstruktur
weist Erhöhungen 5 auf, die eine ballige Form
besitzen. Eine Beschichtung aus Hartchrom besitzt den Vorteil, dass
sie zugleich die Verschleißfestigkeit der Rolle erhöht.
Eine zusätzliche weitere Beschichtung zur Erhöhung
der Verschleißfestigkeit der Rolle ist demnach nicht erforderlich.
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Der
schematischen Querschnittszeichnung der 3 kann eine
alternative Ausführungsform einer Oberflächenstruktur 3 entnommen
werden, die anstelle teilkugelförmiger oder balliger Erhöhungen 5 teilkugelförmige
Vertiefungen 4 an einer Rolle 2 aufweist. Die
teilkugelförmige Vertiefungen 4 aufweisende Oberflächenstruktur 3 kann
beispielsweise mittels Kugelstrahlens hergestellt worden sein. Die
Oberflächenstruktur 3 ist in einem Teilbereich
der Oberfläche der Rolle 2 angeordnet, der in
Kontakt mit einer Oberfläche eines Stößels 1 oder
eines Stößelkörpers steht. Über
die Ausbildung der teilkugelförmigen Vertiefungen 4 kann
die Kontaktfläche der Rolle 2 mit dem Stößel 1 oder
dem Stößelkörper deutlich reduziert werden.
Eine Verringerung der Kontaktfläche bedeutet immer auch
eine Verringerung der Reibungskräfte, so dass sowohl die
Rolle 2, als auch der Stößel 1 einem
geringeren Verschleiß unterliegen. Zudem sind die teilkugelförmigen
Vertiefungen 4 in der Rolle 2 als Schmierstoffreservoir
nutzbar, d. h., dass in den Kontaktbereich gelangender Kraftstoff über
die Vertiefungen 4 aufgefangen wird, welcher zur Schmierung
der zwischen den Vertiefungen 4 verbleibenden stegartigen
Kontaktflächen herangezogen werden kann. Die in 3 schematisch
dargestellte Oberflächenstruktur 3 kann beispielsweise
an einer Stirnfläche 6 einer in einem hohlzylindrisch
ausgebildeten Abschnitt eines Stößels 1 aufgenommenen
Rolle 2 ausgebildet sein. Eine solche Anordnung ist beispielhaft
der 4 zu entnehmen. Die Stirnflächen 6 der
Rolle 2 sind konvex gewölbt, wobei die Wölbung
entlang einer Kreislinie verläuft, deren Durchmesser geringfügig
kleiner als der Durchmesser der Innenumfangsfläche 7 des
Stößels 1 ist. Dadurch ist sichergestellt,
dass die Stirnflächen 6 der Rolle 2 nur
in einem Teilbereich an der Innenumfangsfläche 7 des
Stößels 1 anliegen.
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Alternativ
hierzu können die Stirnflächen 6 der
Rolle 2 auch einen konisch verlaufenden Abschnitt aufweisen
oder aus einem konisch verlaufenden Abschnitt und einem konvex gewölbten
Abschnitt zusammengesetzt sein, wie dies beispielhaft in 5 dargestellt
ist. Vorliegend sind lediglich die in Kontakt mit dem Stößel 1 stehenden
Stirnflächen der Rolle 2 mit einer erfindungsgemäßen
Oberflächenstruktur versehen, so dass lediglich die Stirnflächen 6 als
Schmierstoffreservoir nutzbare Vertiefungen 4 besitzen.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, die
in Kontakt mit einem Nocken oder Exzenter stehenden Oberflächen
der Rolle 2 mit einer erfindungsgemäßen
Oberflächenstruktur 3 zu versehen, da diese ebenfalls
auf Reibung beansprucht werden, so dass auch hier die vorstehend
beschriebenen Vorteile zum Tragen kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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