-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
-
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, das 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 Pumpenelements verbindbares
Bauteil zur Abstützung der Rolle oder ein Stößelabschnitt
bezeichnet.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe mit wenigstens
einem Pumpenelement, das ein Stützelement und eine Rolle
zur Abstützung eines Pumpenkolbens an einem Nocken oder
Exzenter einer Antriebswelle umfasst, derart zu verbessern, dass
der Verschleiss an dynamisch belasteten Bauteiloberflächen
verringert und somit die Lebensdauer der Hochdruckpumpe erhöht
werden kann.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden
in den direkt oder indirekt auf Anspruch 1 rückbezogenen
Unteransprüchen angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
vorgeschlagene Hochdruckpumpe besitzt wenigstens ein Pumpenelement
mit einem Pumpenkolben, der mittelbar über wenigstens ein
Stützelement und eine Rolle an einem Nocken oder Exzenter
einer Antriebswelle abgestützt ist. Das Stützelement
und die Rolle weisen demnach Oberflächen auf, die bei Betrieb
der Hochdruckpumpe auf Reibung beansprucht werden. Erfindungsgemäß weist zumindest
ein Teilbereich einer solchen auf Reibung beanspruchten Oberfläche
als Schmierstoffreservoir nutzbare Vertiefungen auf, die gleichartig
ausgebildet und regelmäßig angeordnet sind. Im
Betrieb der Hochdruckpumpe halten diese Vertiefungen Kraftstoff
zurück, der als Schmierstoff dient und somit dauerhaft
eine ausreichende Schmierung der Oberfläche sicherstellt.
Die Vertiefungen tragen demnach zur Verbesserung der tribologischen
Eigenschaften der Hochdruckpumpe im Bereich der Rollenlagerung bei.
-
Die
vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Vertiefungen beruht unter
anderem darauf, dass die mit Kraftstoff gefüllten Vertiefungen
Mikrodruckkammern ausbilden, die ein „Aufschwimmen” des Bauteils
bewirken, das an der mit Vertiefungen versehenen Oberfläche
anliegt. Die als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen führen
demnach nicht nur zu einer flächenmäßigen
Verkleinerung der auf Reibung beanspruchten Oberfläche,
sondern sorgen zudem für eine gezielte Verbesserung der
hydrodynamischen Schmiereigenschaften zwischen den jeweiligen Reibpartnern.
Der Reibwert wird reduziert und der Verschleiß an den auf
Reibung beanspruchten Oberflächen gemindert. Aufgrund des
geringeren Veschleißes der dynamisch belasteten Bauteile
kann zudem die Lebensdauer einer solchen Hochdruckpumpe verlängert
werden.
-
Vorzugsweise
sind die als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen über
zumindest einen Teilbereich einer Oberfläche des Stützelements und/oder
der Rolle mittels eines materialabtragenenden Verfahrens, vorzugsweise
mittels Laserstrahlschneidens, hergestellt worden. Die Vertiefungen werden
demnach erst nach Herstellung des Stützelements und/oder
der Rolle in einem Nachbehandlungsprozess eingebracht. Indem die
Ausbildung der Vertiefungen einen Materialabtrag erfordert, erstrecken
sich diese Vertiefungen in das Material des jeweiligen Bauteils.
Dem Einbringen der Vertiefungen kann eine weitere Nachbehandlung
folgen. Beispielsweise kann die Oberfläche hiernach mechanisch
geglättet werden, um etwaige Materialaufwerfungen, verursacht
durch das Laserstrahlschneiden, abgetragen werden.
-
Die
als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen besitzen in der
Draufsicht auf die Oberfläche eine eckige, vorzugsweise
eine viereckige, oder eine runde, vorzugsweise eine kreisrunde,
Grundform. Im Falle der viereckigen Grundform weisen die Vertiefungen
eine Länge a und eine Breite b auf. Sofern die Grundform
kreisrund ist, wird deren Größe durch den Durchmesser
D bestimmt. Die konkreten Abmessungen liegen jeweils im Mikrometerbereich.
-
Des
Weiteren können die als Schmierstoffreservoir nutzbaren
Vertiefungen in einer Ebene senkrecht zu der jeweiligen Oberfläche
ein eckiges, vorzugsweise ein drei- oder viereckiges, oder ein rundes,
vorzugsweise ein kreisrundes, Querschnittsprofil besitzen. Die Gesamttiefe
wird durch die Tiefe t bestimmt. In Abhängigkeit von der
jeweiligen Wahl der Grundform und des Querschnittprofils können
die Vertiefungen demnach qader-, zylinder-, kegel-, keil-, teilzylinder-
oder teilkugelförmig ausgebildet sein. Die Vertiefungen
können zudem aus geraden Wandabschnitten sowie aus gerundeten Wandabschnitten
zusammengesetzt sein. Muldenartige Vertiefungen werden besonders
bevorzugt, da diese die Schmierstoffabgabe zur Ausbildung eines Schmierfilms
erleichtern.
-
Bevorzugt
sind die als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen in einem
Abstand d zueinander entlang parallel ausgerichteter Achsen A angeordnet,
so dass sich ein Abstand c der Vertiefungen zueinander in einer
Richtung senkrecht zu den Achsen A ergibt. Die Vertiefungen sind
demnach reihenweise angeordnet und weisen in einer ersten Richtung
parallel zu den Achsen A sowie in einer zweiten Richtung senkrecht
zu den Achsen A jeweils den gleichen Abstand d bzw. c auf, wobei
sich der Abstand d von dem Abstand c unterscheiden kann. Vorzugsweise
ist der Abstand d jedoch gleich dem Abstand c gewählt.
Werden die Abmessungen a und b der Vertiefungen größer
als die Abstände c und d gewählt, verbleiben zwischen
den Vertiefungen stegförmige Oberflächenbereiche,
welche die Vertiefungen voneinander trennen. Der flächenmäßige
Anteil der Vertiefungen übersteigt dann den Anteil der
verbleibenden, auf Reibung beanspruchten Oberfläche und
beträgt folglich mehr als 50%. Der Flächenanteil
der Vertiefungen kann jedoch auch kleiner gewählt werden.
Vorzugsweise liegt der Flächenanteil der Vertiefungen in
Bezug auf die jeweilige Oberfläche zwischen 30% und 70%,
weiterhin vorzugsweise zwischen 40% und 60%. Dadurch kann der Flächenanteil
der auf Reibung beanspruchten Oberfläche deutlich gesenkt
werden, so dass sich ein verringerter Reibwert ergibt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind die als Schmierstoffreservoir
nutzbaren Vertiefungen entlang einer Achse A in Achsrichtung versetzt
zu den Vertiefungen einer benachbarten Achse A angeordnet. Das heißt,
dass die Vertiefungen einer nachfolgenden Reihe versetzt zu denen
der vorhergehenden Reihe angeordnet sind. Das Maß, um das die
Vertiefungen der nachfolgenden Reihe versetzt sind, kann beispielsweise ½a
plus ½d betragen. Die Vertiefungen der nachfolgenden Reihe
liegen somit jeweils mittig zwischen zwei Vertiefungen der vorhergehenden
Reihe.
-
Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass die als Schmierstoffreservoir
nutzbaren Vertiefungen in einem Abstand e zueinander entlang parallel
zueinander ausgerichteter Achsen B angerodnet sind, wobei die Achsen
B schräg zu den Achsen A verlaufen. Diese konkrete Anordnung
bietet sich insbesondere dann an, wenn die Vertiefungen eine kreisrunde Grundform
besitzen. Die Achsen A und B laufen dann jeweils durch den Kreismittelpunkt,
wobei die schräg zu den Achsen A liegenden Achsen B eine
versetzte Anordnung der Vertiefungen bewirken.
-
Die
konkrete Ausbildung und Anordnung der Vertiefungen einer auf Reibung
beanspruchten Oberfläche eines Stützelements oder
der Rolle können demnach sehr vielgestaltig sein. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
gleichartige Ausbildung und regelmäßige Anordnung
der Vertiefungen über zumindest einen Teilbereich der Oberfläche
schließt zudem nicht aus, dass mehrere sich hinsichtlich
ihrer Grundform und/oder ihres Querschnittsprofils unterscheidende
Vertiefungen kombiniert werden, wobei zwei oder mehr unterschiedliche,
jeweils aus gleichartigen und regelmäßig angeordneten
Vertiefungen bestehende Oberflächenstrukturen sich überlagern.
-
Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein Stützelement
der Hochdruckpumpe ein Stößelkörper,
in dem vorzugsweise die Rolle zumindest teilweise aufgenommen ist,
und wobei der Stößelkörper eine Oberfläche
mit als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen besitzt. Die
Oberfläche ist vorzugsweise außenumfangsseitig
angeordnet, so dass sich die Gleiteigenschaften des sich in einer
Führungsbohrung eines Gehäuseteils hin- und herbewegenden
Stößelkörpers verbessern. Alternativ
oder ergänzend kann auch eine solche Oberfläche innenumfangsseitig
des Stößelkörpers im Bereich der Rollenaufnahme
ausgebildet sein. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Reibbelastung
im Kontaktbereich des Stößelkörpers mit
der Rolle reduziert werden kann. Alternativ oder ergänzend
kann ebenfalls eine Oberfläche der Rolle zumindest in einem Teilbereich
als Schmierstoffreservoir nutzbare Vertiefungen aufweisen. Beispielsweise
können die Stirnflächen der Rolle mit derartigen
Vertiefungen versehen sein, um die Gleitwirkung um Kontaktbereich
mit dem Stößelkörper zu verbessern. Die
Vertiefungen können aber auch zumindest in einem Teilbereich
der Mantelfläche der Rolle angeordnet sein, um die Gleiteigenschaften
im Kontaktbereich der Rolle mit dem Nocken oder Exzenter der Antriebswelle
zu verbessern.
-
Das
Stützelement, das eine auf Reibung beanspruchte Oberfläche
besitzt, kann allerdings auch ein Rollenschuh sein, in dem die Rolle
zumindest teilweise aufgenommen ist. In diesem Fall kann der Rollenschuh
eine Oberfläche mit als Schmierstoffreservoir nutzbaren
Vertiefungen, wobei diese Oberfläche insbesondere einen
Kontaktbereich mit der Außenumfangsfläche bzw.
Mantelfläche der Rolle ausbildet. Auch hier tragen die
Vertiefungen dazu bei, dass die tribologischen Eigenschaften verbessert,
der Veschleiß reduziert und die Lebensdauer der Hochdruckpumpe
verlängert werden.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
perspektivische Darstellung eines Stößelkörpers
sowie eine Vergrößerung der Stößelkörperaußenumfangsfläche,
-
2a–b
verschiedene Oberflächenstrukturen, die Vertiefungen ausbilden,
-
3 einen
Schemaschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete
Oberfläche,
-
4 eine
Seitenansicht einer Rolle,
-
5 eine
Draufsicht auf einen Rollenschuh und
-
6 eine
perspektivische Darstellung des Rollenschuhs der 5.
-
Der
Darstellung der 1 ist ein Stößelkörper 1 einer
erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe zu entnehmen,
der einen zylinderförmigen Abschnitt mit einer außenumfangseitig
angeordneten Oberfläche 4 mit Vertiefungen 5 aufweist.
Die auf Reibung beanspruchte Oberfläche 4 des
Stößelkörpers 1 weist somit
verbesserte Gleiteigenschaften auf, da in den Vertiefungen 5 Kraftstoff
zurückgehalten wird, welcher der Ausbildung eines Schmierfilms
auf der Oberfläche 4 des Stößelkörpers 1 dient.
Bei Betrieb der Hochdruckpumpe tragen die Vertiefungen 5 im Bereich
der Oberfläche 4 des Stößelkörpers 1 dazu bei,
dass die Beanspruchung der Oberfläche 4 auf Reibung
aufgrund der Hubbewegung des Stößelkörpers 1 gegenüber
einer Führungsbohrung (nicht dargestellt) innerhalb eines
Gehäuseteils der Hochdruckpumpe (ebenfalls nicht dargestellt)
verringert wird.
-
Die
Vertiefungen 5 können verschiedenartig ausgebildet
sein. Wie in der 2a dargestellt, können
sie beispielsweise eine eckige, vorliegend eine viereckige Grundform
besitzen, so dass die Grundform der Vertiefungen 5 durch
die Maße Länge a und Breite b bestimmt werden.
Alternativ können die Vertiefungen 5 aber auch
rund, gemäß 2b kreisrund,
augebildet werden, so dass sich ihre Abmessungen nach dem Durchmesser
D bestimmen. Alternativ hierzu sind auch andere Grundformen möglich.
-
Unabhängig
von der Wahl der Grundform sind die Vertiefungen 5 auf
der Oberfläche 4 in Reihen angeordnet. Die Reihen
werden durch Längsachsen A definiert, die parallel und
in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Vertiefungen 5 einer
Reihe entlang einer Achse A weisen demnach alle den gleichem Abstand
d zueinander auf. In einer Richtung senkrecht zu den Achsen A weisen
die Vertiefungen 5 den gleichen Abstand c zueinander auf. Die
Abstandsmaße c und d entsprechen sich in dem dargestellten
Beispiel. Die Breite b der Vertiefungen 5 ist vorliegend
kleiner als die Länge a gewählt. Sämtliche
Maße liegen im Mikrometerbereich.
-
Die
in der 2b dargestellten kreisrunden Vertiefungen
sind ebenfalls in Reihen angeordnet, wobei die Reihen sowohl entlang
der Achsen A, als auch entlang der schräg hierzu liegenden
Achsen B ausgerichtet sind. Dadurch ergibt sich wiederum eine versetzte
Anordnung der kreisrunden Vertiefungen 5.
-
Anhand
der Darstellung der 3 soll die Wirkungsweise der
Vertiefungen 5 einer Oberfläche 4 näher
erläutert werden. Der Schemaschnitt stellt ausschnittsweise
den Kontaktbereich zwischen einem Stützelement 1, 2 und
einer Rolle 3 dar. Sowohl an der Rolle 3, als
auch am Stützelement 1, 2 werden Oberflächen 4 ausgebildet,
die auf Reibung beansprucht werden. In dem vorliegenden Beispiel
weist lediglich die Oberfläche 4 des Stützelements 1, 2 mehrere
Vertiefungen 5 zur Ausbildung einer die Gleiteigenschaften
verbessernden Oberflächenstruktur auf. Da es sich bei der
Darstellung der 3 um einen stark vergrößerten
Ausschnitt handelt, hat man sich auf die Darstellung leiglich einer
Vertiefung 5 beschränkt. Die gezeigte Vertiefung 5 besitzt
ein teilkreisförmiges Querschnittsprofil und ist demnach muldenartig
ausgeformt. Von der Oberfläche 4 aus, erstreckt
sich die Vertiefung 5, um das Maß t in die Tiefe
des Materials des Stützelements 1, 2.
Im Betrieb der Hochdruckpumpe ist die Vertiefung 5 der Oberfläche 4 des
Stützelementes 1, 2 mit Kraftstoff gefüllt,
so dass die Verteifung 5 eine Mikrodruckkammer ausbildet, über
welche eine Druckkraft p auf die in Pfeilrichtung auf der Oberfläche 4 abrollende
Rolle 3 ausübt, die zu einem Aufschwimmen der
Rolle 3 führt. Beim Abrollen wird die an der Oberfläche 4 des Stützelementes 1, 2 anliegende
Oberfläche der Rolle 3 zudem gleichmäßig
mit Kraftstoff als Schmierstoff benetzt, so dass eine dauerhafte
Schmierung im Kontaktbereich der Reibpartner gewährleistet
ist.
-
Die
vorstehend genannten Vorteile kommen in entsprechender Weise bei
anderen Oberflächen zum Tragen, die ebenfalls einer Reibbelastung
ausgesetzt sind. Bei einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
kann dies beispielsweise die Außenumfangsfläche
einer Rolle 3 sein. Da die Außenumfangsfläche
der Rolle 3 im Betrieb der Pumpe auf der am Nocken oder
Exzenter ausgebildeten Lauffläche abrollt, wird auch die
Außenumfangsfläche der Rolle 3 auf Reibung
beansprucht. Sie bildet somit eine Oberfläche 4 aus.
Insoweit kann auch die Außenumfangsfläche der
Rolle 3 mit Vertiefungen 5 versehen sein, die
gleichmäßig ausgebildet und regelmäßig angeordnet
sind. Ein entsprechendes Beispiel ist in der 4 dargestellt.
Die dargestellte Rolle 3 weit eine Außenumfangsfläche
auf, die vollständig mit einer Oberflächenstruktur
bestehend aus Vertiefungen 5 überzogen ist. Lediglich
die als Kuppen 6 ausgebildeten Stirnflächen der
Rolle 3 weisen keine Vertiefungen 5 auf. Sofern
die Stirnflächen der Rolle 3 Kontaktbereiche mit
dem Stößelkörper ausbilden, können
auch diese mit Vertiefungen 5 versehen sein. Alternativ
oder ergänzend hierzu kann auch der Stößelkörper 1 eine
Innenumfangsfläche 7 (siehe 1) besitzen,
die eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur
aufweist.
-
Ist
die Rolle 3 des Weiteren in einem Rollenschuh aufgenommen,
der ein weiteres Stützelement 2 ausbildet, kann
alternativ oder ergänzend auch der Aufnahmebereich 8 des
Rollenschuhs Vertiefungen 5 besitzen. Ein entsprechend
ausgeführter Rollenschuh ist den 5 und 6 zu
entnehmen. Der Rollenschuh ist derart ausgebildet, dass er in einen Stößelkörper
entsprechend der 1 eingesetzt werden kann. Er
besitzt zudem eine teilzylindrische Ausnehmung 8 zur teilweisen
Aufnahme der Rolle 3, wobei die Innenflächen der
teilzylindrischen Ausnehmung 8 mit Vertiefungen 5 versehen
sind. Denn im Betrieb der Hochdruckpumpe bilden auch die Innenflächen
der Ausnehmung 8 auf Reibung beanspruchte Oberflächen 4 aus.
Die Vorteile der als Schmierstoffreservoir nutzbaren Vertiefungen 5 kommen demnach
auch bei einem Rollenschuh entsprechend der 5 und 6 zum
Tragen.
-
Es
versteht sich von selbst, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen
zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einzeln oder kumulativ
angewandt werden können. So können beispielsweise beide
Stützelemente 1, 2 und die Rolle 3 jeweils
eine Oberfläche 4 mit Vertiefungen 5 besitzen.
Die Vorteile zeigen sich aber auch, wenn lediglich eine Oberfläche 4 oder
zumindst ein Teilbereich einer solchen Oberfläche entweder
an einem Stützelement 1, 2 oder an der
Rolle 3 mit Vertiefungen 5 ausgestattet ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006041673
A1 [0002]
