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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine Hochdruckpumpe der vorstehend genanten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 041 673 A1 hervor. 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. Zur Verringerung des Verschleißes an den jeweiligen Kontaktflächen wird daher eine Oberfläche mit hoher Verschleißfestigkeit vorgeschlagen. Vorzugsweise ist die Oberfläche mit einer Beschichtung aus einem Werkstoff mit hoher Verschleißfestigkeit versehen. Alternativ wird vorgeschlagen, im Kontaktbereich einen Einsatz aus einem Werkstoff mit hoher Verschleißfestigkeit einzufügen. Entsprechende Maßnahmen können auch im Kontaktbereich der Rolle mit dem Stößel vorgesehen sein, da auch hier die jeweiligen Kontaktflächen auf Reibung und damit auf Verschleiß beansprucht werden. Dementsprechend kann auch die Kontaktfläche des Stößels mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen und im Kontaktbereich ein Einsatz aus einem verschleißfesten Werkstoff eingefügt sein. Die dem Stößel zugewandten Stirnflächen der Rolle sind dabei vorzugsweise konvex gewölbt ausgebildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe der vorstehend genannten Art im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit der Rolle im Kontaktbereich mit dem Stößel weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine aufwändige Beschichtung der Kontaktflächen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit verzichtbar sein.
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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 vorgeschlagene Hochdruckpumpe umfasst wenigstens ein Pumpenelement, das einen Pumpenkolben aufweist, der über einen Nocken oder Exzenter einer Antriebswelle in einer Hubbewegung antreibbar ist, wobei der Pumpenkolben mittelbar über einen Stößel und eine Rolle am Nocken oder Exzenter der Antriebswelle abgestützt ist. Erfindungsgemäß ist an einer im Betrieb der Hochdruckpumpe in Reibkontakt mit dem Stößel stehenden Stirnfläche der Rolle wenigstens eine Kontaktfläche ausgebildet, die gegenüber einer als Reibpartner dienenden Oberfläche des Stößels geneigt ist, so dass ein keilförmiger Zwischenraum zur Aufnahme eines Schmiermittels ausgebildet wird. Durch die Neigung der Kontaktfläche wird die Ausbildung eines Schmierfilms erleichtert, welcher den Kontakt zwischen der Rolle und dem Stößel unterbricht. Der Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms verringert somit den Verschleiß im Bereich der jeweiligen Kontaktflächen der Rolle bzw. des Stößels. Eine zusätzliche Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Kontaktflächen, beispielsweise durch Verwendung eines verschleißfesten Werkstoffs und/oder Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung, ist demzufolge nicht mehr zwingend erforderlich. Der Schmierfilm besitzt weiterhin den Vorteil, dass die Kontaktflächen gekühlt werden, da die aufgrund der Reibung entstehende Wärme über das Schmiermittel abtransportiert wird. Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Fluids, das als Schmiermittel dienen kann. Als Schmiermittel kann beispielsweise Kraftstoff oder Motoröl dienen. Ferner setzt die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms eine Relativbewegung der Rolle gegenüber dem Stößel voraus, das heißt den Betrieb der Hochdruckpumpe. Die geneigte Kontaktfläche an der Stirnfläche der Rolle ist vorzugsweise so gestaltet, dass es schon bei kleinen Relativgeschwindigkeiten der Reibpartner zur vollständigen hydrodynamischen Schmierung und somit zur vollständigen Trennung der beiden Kontaktflächen kommt, wodurch der Verschleiß auf ein Minimum reduziert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die an der Rolle ausgebildete Kontaktfläche schwach geneigt. D. h., dass die Kontaktfläche eine Länge L besitzt, die größer als die Differenz h zwischen einer Mindeststärke s des Zwischenraums und einer Maximalstärke s + h gewählt ist. Die Neigung der Fläche wird demnach durch die Länge L und die Höhe der Steigung h bestimmt. Dabei gilt die Gleichung L > h.
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Weiterhin bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen der Maximalstärke s + h und der Mindeststärke s zwischen ca. 1,25 und 10. Bei einem entsprechenden Verhältnis (h + s)/s wird ein Reibungskoeffizient bzw. Reibwert μ von weniger als 0,01 erreicht. Die Mindeststärke s definiert gleichzeitig die bevorzugte Mindestschmierfilmdicke, die im Betrieb der Hochdruckpumpe entsteht. Vorteilhafterweise ist die Schmierfilmdicke größer als die Oberflächenrauheit einer Kontaktfläche gewählt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Stirnfläche der Rolle mehrere geneigte Kontaktflächen auf. Weiterhin bevorzugt sind die wenigstens zwei Kontaktflächen in gleicher Richtung und/oder entgegengesetzt geneigt.
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Alternativ oder ergänzend können die mehreren geneigten Kontaktflächen auch derart angeordnet sein, dass wenigstens zwei aneinander grenzende geneigte Kontaktflächen einen Grat oder eine Spitze ausbilden.
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Darüber hinaus kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass zwischen wenigstens zwei genannten Kontaktflächen eine ebene Kontaktfläche ausgebildet ist. Die an der Stirnfläche einer Rolle ausgebildeten Kontaktflächen können demnach in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung und Anordnung zur Ausbildung komplexer Strukturen führen. Konkrete Beispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Weiterhin bevorzugt ist der Reibungskoeffizient μ < 0,01 gewählt. Als Funktion des Verhältnisses (h + s)/s kann der Reibungskoeffizient rechnerisch ermittelt werden. Ein entsprechend kleiner Reibungskoeffizient μ gewährleistet eine vollständige hydrodynamische Schmierung, so dass die Reibbelastung und der damit einhergehende Verschleiß gering sind.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Rolle in einem Stützelement drehbar gelagert ist, das in den Stößel eingesetzt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Hochdruckpumpe mit einer Antriebseinheit,
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2 einen Ausschnitt der 1 im Bereich der Stößelbaugruppe,
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3 einen stark vergrößerten Ausschnitt der 2 im Bereich der Kontaktflächen der Rolle mit dem Stößel,
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4 und 5 Varianten zur Ausführung der 3,
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6 bis 8 jeweils eine Draufsicht und Seitenansicht verschiedener Stirnflächengestaltungen der Rolle,
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9 und 10 jeweils eine Draufsicht auf weitere Stirnflächengestaltungen der Rolle und
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11 eine grafische Darstellung des Reibkoeffizienten μ als Funktion des Verhältnisses (h + s)/s.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die Darstellung der 1 ist eine Antriebseinheit umfassend eine Antriebswelle 1 mit einem Nocken 2, an welchem eine Stößelbaugruppe einer Hochdruckpumpe abgestützt ist. Die Stößelbaugruppe umfasst einen hülsenförmigen Stößel 4, der mit einem Pumpenkolben 3 der Hochdruckpumpe verbunden ist. Wie der 2 zu entnehmen ist, ist in den hülsenförmigen Stößel 4 ein Stützelement 13 aufgenommen, das der drehbaren Lagerung der Rolle 5 dient, mit welcher die Stößelbaugruppe am Nocken 2 der Antriebseinheit abgestützt ist. Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe zeichnet sich durch die besondere Gestaltung der Stirnflächen 6 der Rolle 5 aus, welche in Reibkontakt mit dem Stößel 4 stehen. Denn im Betrieb der Hochdruckpumpe wird die Rolle 5 durch die Drehbewegung des Nockens 2 der Antriebswelle 1 in Rotation versetzt und rollt auf einer Nockenbahn ab. Durch geometrische Unzulänglichkeiten, die fertigungsbedingt sind oder durch Dynamik und Deformationen entstehen, kommt es hierbei oftmals zu einer Schiefstellung der Rolle 5, die wiederum zu einem Parallelitätsfehler der Rollenachse zur Antriebswellenachse führt. Als Folge des Parallelitätsfehlers versucht die Rolle 5 axial vom Nocken 2 zu laufen, was jedoch durch die geometrische Begrenzung der axialen Führung über den Stößel 4 verhindert wird. Hierdurch kommt es zum Kontakt der Stirnfläche 6 der Rolle 5 mit der Innenseite des Stößels 4, wobei die Rolle 5 eine Rotationsbewegung um ihre Längsachse ausführt. Da sich die Rolle 5 relativ zum Stößel 4 bewegt, werden die jeweiligen Kontaktflächen an der Rolle 5 und dem Stößel 4 auf Reibung und damit auf Verschleiß beansprucht. Zur Verringerung des Verschleißes wird das Gesamtsystem mit Diesel oder Motoröl geschmiert.
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Um die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms im Bereich der Kontaktflächen zu erleichtern, weist die Rolle 5 einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe eine Stirnfläche 6 mit wenigstens einer Kontaktfläche 7 auf, welche gegenüber einer als Reibpartner dienenden Oberfläche 8 des Stößels 4 geneigt ist. Aufgrund der Neigung der Kontaktfläche 7 der Rolle 5 gegenüber der Oberfläche 8 des Stößels 4 bildet sich zwischen der Rolle 5 und dem Stößel 4 ein keilförmiger Zwischenraum 9 zur Aufnahme des Schmiermittels aus. Der keilförmige Zwischenraum 9 fördert die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms, welcher zu einer Kontaktunterbrechung zwischen der Rolle 5 und dem Stößel 4 führt. Die Rolle 5 und der Stößel 4 werden somit im Kontaktbereich einer geringeren Beanspruchung ausgesetzt. Eine zusätzliche verschleißfeste Beschichtung oder die Ausbildung der Kontaktflächen aus einem verschleißfesten Werkstoff kann damit entfallen.
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Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ist die Neigung der Kontaktfläche 7 derart gewählt, dass die Länge L der Kontaktfläche 7 deutlich größer als die Höhe h der Steigung ist (siehe 3). Die Mindeststärke s des Zwischenraums 9, welche auch der Mindeststärke der hydraulischen Schmierfilmdicke entspricht, steigt demzufolge auf eine Maximalstärke s + h an.
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Entsprechend der Ausführungsform der 3 können an einer Stirnfläche 6 der Rolle 5 auch mehrere geneigte Kontaktflächen 7 ausgebildet sein. Beispiele, die sich lediglich im Hinblick auf die Orientierung der geneigten Kontaktflächen 7 unterscheiden, sind in den 4 und 5 dargestellt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 liegen sich zwei geneigte Kontaktflächen 7 gegenüber, wobei die Neigung der Kontaktflächen entgegengesetzt ist. In Abhängigkeit von der Form der Kontaktfläche 7 kann dabei ein Grat 10 oder eine Spitze 11 ausgebildet werden. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel der 5 ist zwischen den beiden geneigten Kontaktflächen 7 eine weitere Kontaktfläche 12 angeordnet, welche eben ausgeführt ist.
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Anordnungen der Kontaktfläche 7 entsprechend den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 können zu Stirnflächengestaltungen der Rolle 5 entsprechend den 6 bis 10 führen, wobei die Ausführungsformen der 6 bis 9 eine oder mehrere sektorförmige Kontaktflächen 7 umfassen, die der Stirnfläche 6 eine annähernd flache kegelförmige Außenkontur verschaffen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 10 weist die Stirnfläche 6 eine golfballähnliche Struktur auf, indem die geneigten Kontaktflächen 7 derart angeordnet sind, dass sich ebene Kontaktflächen 12 und geneigte Kontaktflächen 7 in unterschiedlicher Ausrichtung abwechseln. In Abhängigkeit von der Gestaltung und Ausrichtung zweier angrenzender Kontaktflächen 7, 12 kann ein Grat 10 und/oder eine Spitze 11 ausgebildet werden (siehe insbesondere 8 und 9). Neben den dargestellten Ausführungsformen sind eine Vielzahl weiterer Stirnflächengestaltungen möglich.
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In der Grafik der 11 ist der Zusammenhang zwischen dem Reibkoeffizienten bzw. dem Reibwert μ und dem Verhältnis (h + s)/s dargestellt. Die Werte gelten für eine Mindeststärke s des Zwischenraums 9 von einem Mikrometer und einer Länge L der geneigten Kontaktfläche 7 von 1000 Mikrometern. Liegt das Verhältnis (h + s)/s zwischen ca. 1,25 und 10, wird ein Reibwert μ von weniger als 0,01 erreicht. Ein Minimum erreicht der Reibwert μ bei einem Verhältnis (h + s)/s = 2,53. Für Verhältnisse zwischen 5 und 10 folgt der Reibbeiwert μ in guter Näherung der Beziehung μ = (h + s)/L.
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Die Gestaltung der Stirnfläche 6 der Rolle 5 entsprechend den dargestellten Ausführungsformen kann beispielsweise durch oszillierendes Schleifen, Prägen, Kugelstrahlen oder durch Laserstrukturierung hergestellt werden. Die vorgeschlagene Gestaltung steigert die Robustheit der Hochdruckpumpe, da der Verschleiß im Bereich der Kontaktstelle zwischen der rotierenden Stirnfläche 6 der zylindrischen Rolle 5 und ihrer axialen Führung in Form des Stößels 4 verringert wird. Zur Verringerung des Verschleißes trägt die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms bei, welcher den Kontakt der Rolle 5 zum Stößel 4 unterbricht. Die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms wird wiederum durch die vorgeschlagene Stirnflächengestaltung der Rolle 5 unterstützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006041673 A1 [0002]
