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Die Erfindung betrifft eine Welle und eine Hochdruckpumpe.
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Vorzugsweise werden Hochdruckpumpen als Förderpumpen zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Speichereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Common-Rail-Systemen, sollen den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen können. Die Hochdruckpumpe unterliegt in Speichereinspritzsystemen für Kraftfahrzeuge starken Belastungen, insbesondere mechanischen Beanspruchungen. Insbesondere müssen von derartigen Hockdruckpumpen große Kräfte aufgenommen werden können. Damit werden sowohl hohe Anforderungen an das Material als auch an die Konstruktion der Hockdruckpumpe gestellt.
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Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise bis über 2000 bar ausgesetzt sind, müssen sie hohen Beanspruchungen standhalten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Welle und eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen und dabei einem möglichst geringen Verschleiß unterliegen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Welle für eine Hochdruckpumpe, mit mindestens einem sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden zylinderförmigen Wellenabschnitt, der zur Lagerung der Welle in der Hochdruckpumpe ausgebildet ist und der einen Außenwandabschnitt aufweist. In dem Außenwandabschnitt ist mindestens eine Ausnehmung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, einen Schmierstoff aufzunehmen.
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Eine derartige Welle hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Umspülung der Welle mit dem Schmierstoff erreicht werden kann. Damit kann Wärme gut von der Welle abgeführt werden. Des Weiteren können durch die gute Schmierung der Welle gute tribologische Verhältnisse erreicht werden. Die Reibung an der Welle kann klein sein. Damit kann der Verschleiß an der Welle klein gehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Ausnehmung schraubenförmig ausgebildet. Dies ermöglicht eine kostengünstige Ausbildung der Ausnehmung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in dem Außenwandabschnitt des mindestens einen Wellenabschnitts eine erste schraubenförmige Ausnehmung und eine weitere schraubenförmige Ausnehmung angeordnet. Die erste schraubenförmige Ausnehmung hat eine erste Windungsrichtung, die entgegengesetzt zu einer zweiten Windungsrichtung der weiteren schraubenförmigen Ausnehmung ist. Dies hat den Vorteil, dass der Schmierstoff gezielt einem Bereich des Außenwandabschnitts der Welle zugeführt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Welle mindestens zwei Wellenabschnitte mit Außenwandabschnitten auf, und in einem ersten der Außenwandabschnitte ist eine erste schraubenförmige Ausnehmung und in einem weiteren der Außenwandabschnitte ist eine weitere schraubenförmige Ausnehmung angeordnet. Die erste schraubenförmige Ausnehmung hat eine erste Windungsrichtung, die entgegengesetzt zu einer zweiten Windungsrichtung der weiteren schraubenförmigen Ausnehmung ist. Dies hat den Vorteil, dass der Schmierstoff gezielt einem Bereich zwischen zwei Wellenabschnitten zugeführt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Ausnehmung taschenförmig ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Welle.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die in der Außenwand angeordnete mindestens eine Ausnehmung kalottenförmig oder halbkugelförmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die mindestens eine Ausnehmung besonders einfach herstellbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die in dem Außenwandabschnitt angeordnete mindestens eine taschenförmige Ausnehmung in Richtung einer Längsachse. Die Längsachse der taschenförmigen Ausnehmung ist im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Welle. Damit kann eine bevorzugte Fließrichtung des Schmierstoffs auf dem Außenwandabschnitt der Welle erzielt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in dem Außenwandabschnitt eine Vielzahl von taschenförmigen Ausnehmungen angeordnet. Die taschenförmigen Ausnehmungen sind matrixförmig angeordnet.
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Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Hochdruckpumpe mit einem Wellenlager und einer in dem Wellenlager drehbar gelagerten Welle gemäß des ersten Aspekts der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Hochdruckpumpe mit einer Welle in einem Längsschnitt,
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2 eine schematische Ansicht der Welle in einer ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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3 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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4 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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5 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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6 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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7 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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8 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts VIII der 7 in einem Längsschnitt,
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9 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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10 eine schematische Ansicht der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht,
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11 eine schematische Ansicht von Details der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Aufsicht und einer Seitenansicht,
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12 eine schematische Ansicht von Details der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Aufsicht und einer Seitenansicht,
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13 eine schematische Ansicht von Details der Welle in einer weiteren Ausführungsform in einer Aufsicht und einer Seitenansicht.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Hochdruckpumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12 und einer Pumpeneinheit 13. Das Pumpengehäuse 12 ist in der dargestellten Ausführungsform mehrteilig ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann das Pumpengehäuse 12 auch einteilig ausgeführt sein.
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Die Hochdruckpumpe 10 weist zentral eine Welle 16 auf. Die Lagerung der Welle 16 erfolgt in Wellenlagern 15, die in der Hochdruckpumpe 10 angeordnet sind.
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Die Welle 16 steht mit einem Exzenterring 17 in Wirkverbindung steht und ist drehbar in dem Pumpengehäuse 12 gelagert. Anstelle des Exzenterrings 17 kann eine Nockenwelle als Antriebswelle verwendet werden. In diesem Fall kann die Anzahl der Förder- und Kompressionshübe über die Anzahl der Nocken vorgegeben werden. Die Anzahl der Förder- beziehungsweise Kompressionshübe entspricht dabei der Anzahl der Nocken.
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Die Pumpeneinheit 13 besteht im Wesentlichen aus einem Zylindergehäuse 14, einem in dem Zylindergehäuse 14 angeordneten Zylinderraum 18, einer Feder 20 und einem Hochdruckkolben 22. Das Zylindergehäuse 14, der Zylinderraum 18, der Hochdruckkolben 22 und die Feder 20 sind zueinander koaxial angeordnet. Das Zylindergehäuse 14 ist mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt. Das Zylindergehäuse 14 ist aus einem Metall, vorzugsweise einem Stahl gebildet.
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Der Hochdruckkolben 22 ist axial bewegbar in dem Zylinderraum 18 des Zylindergehäuses 14 gelagert und steht mit dem Exzenterring 17 in Wirkverbindung. Der Hochdruckkolben 22 wird mittels der Feder 20, die sich vorzugsweise am Zylindergehäuse 14 und am Hochdruckkolben 22 abstützt, in ständiger Anlage an den Exzenterring 17 gehalten. Damit kann ein Abheben und Wiederauftreffen des Hochdruckkolbens 22 auf den Exzenterring 17 vermieden werden, was zu Beschädigungen sowohl des Exzenterrings 17 als auch des Hochdruckkolbens 22 führen könnte.
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Um den Zylinderraum 18 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine (nicht dargestellte) Zylinderraumzulaufleitung auf. Der Zylinderraum 18 weist weiter eine (nicht dargestellte) Zylinderraumablaufleitung, über die Fluid aus dem Zylinderraum 18 ausgestoßen werden kann.
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Im Folgenden soll die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 10 kurz beschrieben werden:
Durch eine Drehbewegung der Welle 16 wird der Hochdruckkolben 22 mittels des Exzenterrings 17 zunächst radial zur Welle 16 hinbewegt. Dabei wird der Zylinderraum 18 mit Fluid befüllt. Durch die weitere Drehbewegung der Welle 16 wird der Hochdruckkolben 22 durch den Exzenterring 17 axial von der Welle 16 wegbewegt und verdichtet dabei in dem Zylinderraum 18 befindliches Fluid. Das komprimierte Fluid kann schließlich im Anschluss an den Kompressionshub ausgestoßen werden. Handelt es sich bei der Hochdruckpumpe 10 beispielsweise um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann das mit hohem Druck beaufschlagte Fluid zu einem Hochdruckkraftstoffspeicher, dem so genannten Common-Rail gelangen.
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In den 2 bis 10 ist die Welle 16 im Detail dargestellt. In den hier gezeigten Ausführungsformen hat die Welle Wellenabschnitte 30, die sich jeweils in Richtung einer Längsachse L erstrecken und zylinderförmig ausgebildet sind. Die Wellenabschnitte 30 sind in Richtung der Längsachse L zueinander benachbart angeordnet. Die Wellenabschnitte 30 weisen jeweils einen Außenwandabschnitt 32 auf. In den Außenwandabschnitten 32 (bzw. an der Oberfläche der Wellenabschnitte 30) ist jeweils mindestens eine Ausnehmung 34, 34a, 36 angeordnet. Die Ausnehmungen 34, 34a, 36 sind dazu ausgebildet, einen Schmierstoff aufzunehmen. Vorzugsweise werden die Ausnehmungen 34, 34a, 36 durch Laserstrukturieren oder Erodieren hergestellt.
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Die in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsformen der Wellen 16 weisen jeweils schraubenförmige Ausnehmungen 34, 34a auf. Die schraubenförmigen Ausnehmungen 34, 34a können in verschiedener Form, zum Beispiel mit unterschiedlichem Schraubenwinkel, unterschiedlicher Tiefe der Ausnehmungen, unterschiedlicher Gängigkeit, Förderquerschnitt und Periodenlänge ausgebildet sein. Die schraubenförmigen Ausnehmungen 34, 34a können rechtsgängig oder linksgängig ausgebildet sein.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform hat die erste schraubenförmige Ausnehmung 34 des bezüglich der Figur rechten Wellenabschnitts 30 eine erste Windungsrichtung W1. Die schraubenförmige weitere Ausnehmung 34a des bezüglich der Figur rechten Wellenabschnitts 30 hat eine zweite Windungsrichtung W2. Die erste Windungsrichtung W1 ist entgegengesetzt zu der zweiten Windungsrichtung W2 ausgebildet. Dies ermöglicht bei einer Drehung der Welle 16 den Schmierstoff über die Ausnehmungen 34, 34a gezielt einem bestimmten Bereich des Außenwandabschnitts 32 der Welle 16 zuzuführen. In der in 2 gezeigten Ausführungsform der Welle 16 ist dies insbesondere ein mittlerer Bereich des Außenwandabschnitts 32 des bezüglich der Figur rechten Wellenabschnitts 30.
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In den Ausführungsformen der Welle 16 der 3 und 4 sind die schraubenförmigen Ausnehmungen 34 derart ausgebildet, dass sie jeweils eine identische Windungsrichtung haben.
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In den Ausführungsformen der Welle 16 der 5 und 6 hat der Außenwandabschnitt 32 des bezüglich der Figuren rechten Wellenabschnitts 30 die erste schraubenförmige Ausnehmung 34 mit der Windungsrichtung W1. Die schraubenförmige Ausnehmung 34a des Außenwandabschnitts 32 des bezüglich der Figuren linken Wellenabschnitts 30 hat eine Windungsrichtung W2, die entgegengesetzt zu der Windungsrichtung W1 der ersten schraubenförmigen Ausnehmungen 34 ist. Für eine vorgegebene Drehrichtung der Welle 16 ermöglicht eine derartige Anordnung der schraubenförmigen Ausnehmungen 34, 34a, dass der Schmierstoff gezielt dem bezüglich der Figuren mittleren Außenwandabschnitt 32 des Wellenabschnitts 30 zugeführt werden kann, um eine besonders gute Schmierung dieses Wellenabschnitts 30 zu ermöglichen.
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Die in den 7 bis 10 gezeigten Ausnehmungen 36 sind taschenförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind die taschenförmigen Ausnehmungen 36 als Mikrostrukturen ausgebildet. In den in den 7 bis 10 gezeigten Ausführungsformen sind die taschenförmigen Ausnehmungen 36 kalottenförmig oder halbkugelförmig ausgebildet. Die Ausnehmungen 36 sind in den hier gezeigten Ausführungsformen in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet (siehe insbesondere auch 8). In weiteren Ausführungsformen können die Ausnehmungen 36 auch in unregelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sein. In den in 7 und 9 gezeigten Ausführungsformen sind die taschenförmigen Ausnehmungen 36 matrixförmig angeordnet. In der in 10 gezeigten Ausführungsform sind die taschenförmigen Ausnehmungen in einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet.
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Die taschenförmigen Ausnehmungen 36 können verschiedene Formen und Querschnitte aufweisen. So haben die in den 7 bis 10 gezeigten Ausführungsformen der taschenförmigen Ausnehmungen 36 eine kreisförmige Querschnittsform.
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In der in 11 gezeigten Ausführungsform haben die taschenförmige Ausnehmungen 36 eine quadratische Form. Die in den 12 und 13 gezeigten Ausführungsformen zeigen eine taschenförmige Ausnehmung 36 mit rechteckiger beziehungsweise dreieckförmiger Form. Die taschenförmige Ausnehmungen 36 der Ausführungsformen der 12 und 13 erstrecken sich in Richtung einer Längsachse A. Die Längsachse A der taschenförmigen Ausnehmungen 36 ist vorzugsweise parallel zu der Längsachse L der Welle 10. Damit kann eine bevorzugte Fließrichtung des Schmierstoffs auf dem Außenwandabschnitt 32 in Richtung der Längsachse L der Welle 10 erreicht werden.
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Die Ausnehmungen 36 weisen vorzugsweise eine konstante Tiefe auf, wie dies in den Ausführungsformen der 11 und 12 gezeigt ist. In weiteren Ausführungsformen ist die Tiefe der Ausnehmungen 36 variabel. Vorzugsweise weisen die taschenförmigen Ausnehmungen 36 geneigte Bodenflächen auf, wie in der Ausführungsform der 13 dargestellt ist. Mittels derartiger geneigter Bodenflächen kann eine bevorzugte Fließrichtung des Schmierstoffs auf dem Außenwandabschnitt 32 erreicht werden. Erstreckt sich die taschenförmige Ausnehmung 36 insbesondere in Richtung einer Längsachse A, und ist die Neigung der Bodenflächen der taschenförmigen Ausnehmungen 36 im Wesentlichen parallel zu der Längsachse L der Welle 16 ausgebildet, so ermöglicht dies eine gezielte Zuführung des Schmierstoffs in bestimmte Bereiche der Außenwandabschnitte 32.
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Durch die Ausbildung der Ausnehmungen 34, 34a, 36 in den Außenwandabschnitten 32 kann eine gute Spülung mit dem Schmierstoff und damit eine gute Wärmeabfuhr von der Welle 16 erreicht werden. Durch die gute Schmierung werden insbesondere sehr gute tribologische Verhältnisse erreicht. Es kann eine geringe Reibung zwischen der Welle 16 und den Wellenlagern 15 erreicht werden. Damit kann eine hohe Verschleißfestigkeit der entsprechenden Wellenabschnitte 30 erreicht werden. Dies ermöglicht eine hohe Lebensdauer der Hochdruckpumpe 10. Durch die geringe Reibung kann eine hohe energetische Effizienz und damit eine geringe CO2-Emission der Hochdruckpumpe 10 erreicht werden. Die Ausnehmungen 34, 34a, 36 ermöglichen insbesondere eine sehr gute Schmierung und Kühlung an den Außenwandabschnitten 32 der Welle 16. Damit werden sehr gute Reibe- und Gleiteigenschaften der Welle 16 gegenüber den Wellenlagern 15 erreicht und ein Wärmeeintrag in den Außenwandabschnitten 32 klein gehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochdruckpumpe
- 12
- Trägerelement
- 13
- Pumpeneinheit
- 14
- Zylindergehäuse
- 15
- Wellenlager
- 16
- Welle
- 17
- Exzenterring
- 18
- Zylinderraum
- 20
- Feder
- 22
- Hochdruckkolben
- 30
- Wellenabschnitt
- 32
- Außenwandabschnitt
- 34
- erste schraubenförmige Ausnehmung
- 34a
- weitere schraubenförmige Ausnehmung
- 36
- taschenförmige Ausnehmung
- A
- Längsachse der taschenförmigen Ausnehmung
- L
- Längsachse der Welle
- W1
- erste Windungsrichtung
- W2
- zweite Windungsrichtung
