DE102009029297A1

DE102009029297A1 - Kolbenpumpe mit kavitationsfreiem Rollenschuh/Laufrollen-Verband

Info

Publication number: DE102009029297A1
Application number: DE200910029297
Authority: DE
Inventors: Gerhard Meier; Friedrich Boecking; Andreas Dutt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-10

Abstract

Bei einer Kolbenpumpe (1) mit mindestens einem zumindest annähernd radial zu einer Antriebswelle (3) verschiebbar geführten Pumpenkolben (7), der über eine in einem Rollenschuh (10) drehbar gelagerte Laufrolle (11) auf einer aufweisenden Nockenbahn (6) der Antriebswelle (3) abgestützt ist und dadurch in einer Hubbewegung angetrieben wird, wobei die Laufrolle (11) auf ihrer dem Rollenschuh (10) abgewandten Seite in ein nockenbahnseitiges Schmieröl-Reservoir (16) eingetaucht ist, wobei der sich im Betrieb zwischen Rollenschuh (10) und Laufrolle (11) einstellende, ölgeschmierte Lagerspalt, ausgehend von einem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite, zu beiden Seiten hin zunimmt und wobei sich in einem dem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite in Drehrichtung (18) der Laufrolle (11) voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) gegenüber dem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite ein Unterdruck ausbildet, ist der voreilende Lagerspaltabschnitt (19) erfindungsgemäß an mindestens eine Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (23) angebunden, die den im voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) herrschenden Druck erhöht.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kolbenpumpe nach der Gattung des Anspruchs 1.
Eine solche Kolbenpumpe ist beispielsweise durch die DE 10 2006 045 933 A1 bekannt geworden. Diese bekannte Kolbenpumpe ist für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen und als Radialkolbenpumpe mit einer drehbar gelagerten Nockenwelle ausgeführt. Radial zur Nockenwelle ist mindestens ein Pumpenkolben verschiebbar geführt, der sich über eine in einem Rollenschuh drehbar gelagerte Laufrolle auf der Nockenwelle abstützt und durch eine Nockenbahn der Nockenwelle 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. Die Drehung der Nockenwelle wird also mittels des aus Nockenbahn, Laufrolle, Rollenschuh und Stößelkörper bestehenden, öl- bzw. kraftstoffgeschmierten Antriebsverbands (Rollentrieb) in eine axiale Bewegung zum Antrieb des Pumpenkolbens umgewandelt.
Aufgrund der Schmierung bildet sich durch die Drehbewegung der Laufrolle ein hydrodynamisches Gleitlager zwischen Laufrolle und Rollenschuh aus. Der hydrodynamische Druck im Schmierspalt nimmt die Belastung des Rollentriebes auf, wobei der Druck an der Stelle des kleinsten Schmierspalts maximal ist. In Drehrichtung der Laufrolle, dem maximalen Schmierdruck voreilend, ergibt sich ein Unterdruckgebiet, das durch den sich in Drehrichtung öffnenden Schmierspalt verursacht wird. In diesem Unterdruckgebiet können bei Unterschreitung des Dampfdrucks des Schmieröls Kavitationsblasen entstehen, welche bei Implosion Erosionsschäden im Gleitlager verursachen oder bei Belastungsrichtungsänderung Mangelschmierung zwischen Laufrolle und Rollenschuh erzeugen können, wodurch wiederum erhöhte Reibung und erhöhter Verschleiß der Laufpartner auftreten.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, Schmierkraftstoff in den durch Kavitation gefährdeten Bereich zwischen Rollenschuh und Laufrolle gezielt zu fördern, um dadurch den Druck in diesem Bereich zu erhöhen und so die Dampfblasenentstehung zu reduzieren. Außerdem wird der gefährdete Bereich durch geförderten Kraftstoff durchgespült und so Kavitationsblasen frühzeitig entfernt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Laufrolle stirnseitig eine oder mehrere Schleppnuten auf, um durch die sich drehende Laufrolle Kraftstoff aus einem nockenbahnseitigen Kraftstoff-Reservoir in den voreilenden Lagerspaltabschnitt einzuschleppen. Die Schleppnuten sind vorzugsweise um die Rollenachse ring- oder spiralförmig ausgebildet, wobei im letzteren Fall der Kraftstoff gezielt ins Laufrollenzentrum, also in den kleinsten axialen Spaltbereich, gefördert wird.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind im Laufschuh eine oder mehrere Schmierbohrungen oder -nuten gebildet, die den voreilenden Lagerspaltabschnitt an ein insbesondere kolbenseitiges Kraftstoff-Reservoir anbinden. Dieses Reservoir kann zusätzlich unter Überdruck stehen, um die Förderung von Kraftstoff in den kritischen Bereich zu unterstützen.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere axiale Längsschmiernuten in der Lagerfläche des Laufschuhs gebildet, um den Unterdruck im gefährdeten Bereich entgegenzuwirken und dem hydrodynamischen Gleitlager genügend Schmierkraftstoff zur Verfügung zu stellen.
In einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung herrscht im nockenbahnseitigen Kraftstoff-Reservoir ein Kraftstoffüberdruck, um durch diese Anhebung des Umgebungsdruckes die Kavitationsneigung im kritischen Bereich zu vermindern, da die Druckdifferenz zum Dampfdruck vergrößert wird.
In einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Kraftstoffstrahl von der Seite der Antriebswelle her in den Axialspalt zwischen der Stirnseite der Laufrolle und der Axialführung der Laufrolle gerichtet. Durch dieses gezielte Anströmen des Axialspalts kann die Kavitationsbildung ebenfalls reduziert werden.
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 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einem Längsschnitt;
2 eine Detailansicht einer in einem Laufschuh gelagerten Laufrolle gemäß dem Detail II in 1;
3 eine Seitenansicht der Laufrolle gemäß der Schnittlinie III-III in 2;
4 eine modifizierte Laufrolle in einer Seitenansicht analog zu 3;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einer Detailansicht analog zu 2;
6a, 6b ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einer Querschnittansicht (6a) der Laufrolle und in einer Abwicklungsansicht der Lagerfläche des Rollenschuhs (6b);
7 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einer Detailansicht analog zu 2; und
8 ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einer Detailansicht analog zu 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist 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 gefördert, beispielsweise in einen Speicher, aus dem Kraftstoff zur Einspritzung an der Brennkraftmaschine entnommen wird.
Die Hochdruckpumpe 1 ist als Radialkolbenpumpe ausgebildet und weist ein mehrteiliges Pumpengehäuse 2 auf, in dem eine Antriebswelle (Nockenwelle) 3 um eine Achse 4 in zwei als Lagerbuchsen ausgebildeten Lagern 5 drehbar gelagert ist. Zwischen den beiden Lagern 5 weist die Antriebswelle 3 eine Nockenbahn 6 auf, die einen Pumpenkolben 7 in einer Hubbewegung antreibt. Der Pumpkolben 7 ist im Pumpengehäuse 2 in einer radial zur Drehachse 4 der Antriebswelle 3 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 6 ab. Der Rollenschuh 10 ist wiederum in einen Stößelkörper 12 eingepresst, der in einer Stößelführungsbohrung 13 des Pumpengehäuses 2 hubbeweglich geführt und um seine Längsachse frei drehbar gelagert ist. Eine Druckfeder 14 drückt über den Stößelkörper 12 sowie den Rollenschuh 10 die Laufrolle 11 gegen die Antriebswelle 3, wodurch die Laufrolle 11 in Anlage an der Nockenbahn 6 gehalten ist. Der durch die Nockenbahn 6, den Rollenschuh 10, die Laufrolle 11 und den Stößelkörper 12 gebildete Nocken- oder Rollentrieb ist insgesamt mit 15 bezeichnet.
Wie in 2 im Detail gezeigt ist, ist die Laufrolle 11 im Stößelkörper 12 mit geringem Axialspiel bzw. -spalt geführt und auf ihrer dem Rollenschuh 10 abgewandten Seite in Kraftstoff (Dieselöl) eingetaucht, mit dem der Pumpeninnenraum 16 gefüllt ist. Der kraftstoffgefüllte Pumpeninnenraum wird im Folgenden als nockenbahnseitiges Schmieröl-Reservoir bezeichnet. Aufgrund der Schmierung bildet sich durch die Drehbewegung der Laufrolle 11 ein hydrodynamisches Gleitlager zwischen Laufrolle 11 und Rollenschuh 10 aus.
Wie in 3 übertrieben dargestellt ist, bildet sich im Betrieb zwischen Rollenschuh 10 und Laufrolle 11 ein ölgeschmierter Lagerspalt (Schmierspalt), der ausgehend von der Stelle 17 mit minimaler Spaltbreite zu beiden Seiten hin zunimmt. Der in Drehrichtung 18 der Laufrolle 11 voreilende Lagerspaltabschnitt ist mit 19 und der nacheilende Lagerspaltabschnitt mit 20 bezeichnet. Der hydrodynamische Druck im Lagerspalt nimmt die Belastung des Rollentriebes 15 auf, wobei der Druck an der Stelle 17 minimaler Spaltbreite maximal ist. In Drehrichtung 18 der Laufrolle 11, dem maximalen Schmierdruck voreilend, ergibt sich im voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 ein Unterdruckgebiet, das durch den sich in Drehrichtung 18 öffnenden Schmierspalt verursacht wird. In diesem Unterdruckgebiet können bei Unterschreitung des Dampfdrucks des Schmieröls Kavitationsblasen entstehen, welche bei Implosion Erosionsschäden im Gleitlager verursachen oder bei Belastungsrichtungsänderung Mangelschmierung zwischen Laufrolle 11 und Rollenschuh 10 erzeugen können, wodurch wiederum erhöhte Reibung und erhöhter Verschleiß der Laufpartner auftreten.
Wie in 2 und 3 weiter gezeigt ist, weist die Laufrolle 11 an ihren beiden konvexen Stirnseiten 21 jeweils eine ringförmige Schleppnut 22 auf. Mittels dieser umlaufenden Schleppnuten 22 wird Kraftstoff aus dem nockenbahnseitigen Schmieröl-Reservoir 16 durch die sich drehende Laufrolle 11 in den kavitationsgefährdeten voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 eingeschleppt. Durch den so in den voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 geförderten Kraftstoff wird der dort herrschende Druck erhöht, d. h., die Schleppnuten 22 bilden somit eine Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung 23. Außerdem wird durch den eingeschleppten Kraftstoff der voreilende Lagerspaltabschnitt 19 durchgespült und dabei Kavitationsblasen frühzeitig entfernt. Statt der gezeigten einen ringförmigen Schleppnut kann die Laufrolle 11 an ihren beiden konvexen Stirnseiten 15 jeweils auch mehrere, insbesondere konzentrische Schleppnuten 16 aufweisen.
Wie in 4 gezeigt, kann die Laufrolle 11 an ihren beiden konvexen Stirnseiten 21 statt einer ringförmigen Schleppnut auch jeweils eine spiralförmige Schleppnut 24 aufweisen, die in Drehrichtung 18 der Laufrolle 11 nach innen gewickelt ist. Durch diese spiralförmige Schleppnut 24 wird der Kraftstoff in den voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 und gezielt ins Laufrollenzentrum, also in den Spaltbereich mit dem kleinsten axialen Spiel, gefördert.
5 zeigt eine weitere Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung 30, die durch eine oder mehrere Schmierbohrungen oder -nuten 31 gebildet ist, welche im Laufschuh 10 verlaufen und die den voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 an ein schematisch angedeutetes, hier kolbenseitiges Schmieröl-Reservoir 32 anbinden. Durch den so in den voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 geförderten Kraftstoff wird sowohl der dort herrschende Druck erhöht als auch der voreilende Lagerspaltabschnitt 19 durchgespült und dabei Kavitationsblasen frühzeitig entfernt.
6a und 6b zeigen eine weitere Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung 40, die durch zwei parallele axiale Längsschmiernuten 41a und 41b bzw. alternativ 41b' gebildet ist, welche in der Lagerfläche 42 des Laufschuhs 10 verlaufen und in Drehrichtung 18 der Laufrolle 11 zueinander versetzt angeordnet sind. Die Einlauf-Längsschmiernut 41a ist im nacheilenden Lagerspaltabschnitt 20 und die Auslauf-Längsschmiernut 41b, 41b' im voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 vorgesehen, wobei die Längsschmiernut 41b im Unterdruckgebiet des voreilenden Lagerspaltabschnitts 19 und die alternative Längsschmiernut 41b' bezüglich der Stelle 17 mit minimaler Spaltbreite etwa spiegelsymmetrisch zur Längsschmiernut 41a angeordnet ist. Wie beispielhaft nur für die Längsschmiernut 41a, 41b gezeigt, können optional eine oder beide Längsschmiernuten durch Schmierbohrungen oder -nuten 43, welche im Laufschuh 10 verlaufen, an ein schematisch angedeutetes, hier kolbenseitiges Schmieröl-Reservoir 44 angebunden sein. Anstelle oder zusätzlich zur Schmierbohrung können sich eine oder beide Längsschmiernuten über die gesamte axiale Länge des Laufschuhs 10 erstrecken, wie bei 45 angedeutet ist, und über den Axialspalt 61 (8) zwischen der Stirnseite der Laufrolle 11 und der Führung des Stößelkörpers 12 an das nockenbahnseitige Schmieröl-Reservoir 16 angebunden sein. Durch die Längsschmiernuten kann dem hydrodynamischen Gleitlager genügend Schmierkraftstoff zur Verfügung gestellt werden, zum einem zur Versorgung des nacheilenden Lagerspaltabschnitts 20 und zum anderen zur Druckanhebung und Versorgung des voreilenden Lagerspaltabschnitts 19.
7 zeigt eine weitere Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung 50, die durch einen Überdruck im nockenbahnseitigen Schmieröl-Reservoir 16 gebildet ist. Durch diese Anhebung des Umgebungsdruckes wird die Kavitationsneigung im voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 vermindert, da die Druckdifferenz zum Dampfdruck vergrößert wird. Für Pumpendrehzahlen bis 5000 min-1 und Hüben bis 7,5 mm ist ein Überdruck von größer als 4bar absolut notwendig.
8 zeigt schließlich noch eine weitere Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung 60, die durch jeweils einen auf den Axialspalt 61 zwischen der Stirnseite der Laufrolle 11 und der Führung des Stößelkörpers 12 gerichteten Schmieröl-Strahl 62 gebildet ist. Durch gezieltes Anströmen des Axialspalts 61 mittels des Strahls 62 von der Seite der Antriebswelle 3 her wird Kraftstoff in den voreilenden Lagerspaltabschnitt 19 gefördert, wodurch sowohl der dort herrschende Druck erhöht wird als auch der voreilende Lagerspaltabschnitt 19 durchgespült wird und so Kavitationsblasen frühzeitig entfernt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006045933 A1 [0002]

Claims

Kolbenpumpe (1), insbesondere Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem zumindest annähernd radial zu einer Antriebswelle (3) verschiebbar geführten Pumpenkolben (7), der über eine in einem Rollenschuh (10) drehbar gelagerte Laufrolle (11) auf einer aufweisenden Nockenbahn (6) der Antriebswelle (3) abgestützt ist und dadurch in einer Hubbewegung angetrieben wird, wobei die Laufrolle (11) auf ihrer dem Rollenschuh (10) abgewandten Seite in ein nockenbahnseitiges Schmieröl-Reservoir (16) eingetaucht ist, wobei der sich im Betrieb zwischen Rollenschuh (10) und Laufrolle (11) einstellende, ölgeschmierte Lagerspalt ausgehend von einem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite zu beiden Seiten hin zunimmt und wobei sich in einem dem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite in Drehrichtung (18) der Laufrolle (11) voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) gegenüber dem Bereich (17) mit minimaler Spaltbreite ein Unterdruck ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der voreilende Lagerspaltabschnitt (19) an mindestens eine Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (23, 30, 40, 50, 60) angebunden ist, die den im voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) herrschenden Druck erhöht.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (23) durch eine oder mehrere Schleppnuten (22, 24) gebildet ist, die in einer oder beiden Stirnseiten (21) der Laufrolle (11) vorgesehen sind und die Schmieröl aus dem nockenbahnseitigen Schmieröl-Reservoir (16) in den voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) einschleppen.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schleppnut (22) ringförmig ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schleppnut (24) spiralförmig ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (30) durch eine oder mehrere Schmierbohrungen oder -nuten (31) gebildet ist, die im Laufschuh (10) verlaufen und die den voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) an ein insbesondere kolbenseitiges Schmieröl-Reservoir (32) anbinden.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (40) durch eine oder mehrere axiale Längsschmiernuten (41a, 41b, 41b') gebildet ist, die in der Lagerfläche (42) des Laufschuhs (10) verlaufen.
Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (41b, 41b') der axialen Längsschmiernuten im voreilenden Lagerspaltabschnitt (19) vorgesehen ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (41a) der axialen Längsschmiernuten in dem in Drehrichtung (18) der Laufrolle (10) nacheilenden Lagerspaltabschnitt (20) vorgesehen ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine oder mehrere der axialen Längsschmiernuten (41a, 41b, 41b') über die gesamte axiale Länge des Laufschuhs (10) erstreckt und über einen Axialspalt, welcher zwischen der Laufrolle (11) und einem den Laufschuh (10) aufnehmenden Stößelkörper (12) vorhanden ist, an das nockenbahnseitige Schmieröl-Reservoir (16) angebunden ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der axialen Längsschmiernuten (41a, 41b, 41b') über eine oder mehrere Schmierbohrungen oder -nuten (43), welche im Laufschuh (10) verlaufen, an ein insbesondere kolbenseitiges Schmieröl-Reservoir (44) angebunden sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (50) durch einen Überdruck im nockenbahnseitigen Schmieröl-Reservoir (16) gebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmieröl-Druckerhöhungseinrichtung (60) durch mindestens einen von der Antriebswelle (3) her in einen Axialspalt (61) zwischen der Stirnseite (21) und der Axialführung der Laufrolle (11) gerichteten Schmieröl-Strahl (62) gebildet ist.