DE102012214911A1

DE102012214911A1 - Nockenring für eine Fluidförderpumpe

Info

Publication number: DE102012214911A1
Application number: DE102012214911.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Scharting; Dieter Göbel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2014029394A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nockenring für eine Fluidförderpumpe der als solcher einen Ringkorpus mit einer von einer Ringachse radial beabstandeten Stirnfläche aufweist, die als Nockenprofilfläche fungiert und in ihrem Verlauf um jene Ringachse alternierende Axialniveaus durchquert. Erfindungsgemäß ist der Ringkorpus als zusammengesetzte Struktur gefertigt und setzt sich aus einem Tragring und einem Laufring zusammen. Der Tragring bildet eine erste Sitzgeometrie und der Laufring bildet eine hierzu komplementäre zweite Sitzgeometrie. Der Tragring und der Laufring sind über diese Sitzgeometrien zusammengefügt. Die als Nockenprofilfläche fungierende Stirnfläche erstreckt sich auf einer der zweiten Sitzgeometrie abgewandten Seite des Laufringes.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Nockenring für eine Fluidförderpumpe, der als solcher einen Ringkorpus mit einer zu einer Ringachse konzentrischen Stirnfläche aufweist, die in ihrem Verlauf um jene Ringachse alternierende Axialniveaus durchquert und dabei als axial profilierte Nockenprofilfläche fungiert.
Ein Nockenring der vorgenannten Art wird bei einer bewährten Ölförderpumpe eingesetzt und betätigt dabei mehrere parallel zur Umlaufachse des Nockenringes angeordnete Kolbenpumpenmodule. Die kinematische Koppelung der Kolbenpumpenmodule mit dem Nockenring erfolgt hierbei über Nockenfolger in Form von Laufrollen die als solche auf der axial profilierten Stirnfläche des Nockenringes abrollen. Insbesondere bei der Realisierung hoher Förderdrücke ist der Nockenring hohen strukturmechanischen Belastungen ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben durch welche es möglich wird, einen Nockenring für eine Fluidförderpumpe zu schaffen, der sich durch einen robusten Aufbau, eine lange Lebensdauer und ein vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenring für eine Fluidförderpumpe der als solcher einen Ringkorpus mit einer von einer Ringachse radial beabstandeten Stirnfläche aufweist, die als Nockenprofilfläche fungiert und in ihrem Verlauf um jene Ringachse alternierende Axialniveaus durchquert, wobei:

– der Ringkorpus als zusammengesetzte Struktur gefertigt ist und sich aus einem Tragring und einem Laufring zusammensetzt, und
– der Tragring eine erste Sitzgeometrie und der Laufring eine hierzu komplementäre zweite Sitzgeometrie bilden und der Tragring und der Laufring über diese Sitzgeometrien zusammengefügt sind, und wobei
– die als Nockenprofilfläche fungierende Stirnfläche sich auf einer der zweiten Sitzgeometrie abgewandten Seite des Laufringes erstreckt.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, einen Nockenring für eine Fluidförderpumpe zu schaffen, bei welcher sich im Bereich der Nockenprofilfläche gegenüber bisherigen Bauformen erhöhte Festigkeitsreserven ergeben. Die Erhöhung der Sicherheit im Laufbahnbereich wird erreicht durch die Aufgliederung des Bauteils in zwei Ringkomponenten. Hiermit wird die Beschränkung der Festigkeit bei den Gusswerkstoffen aufgehoben. Der primär auf Druck belastete Tragring kann weiterhin als Gussteil ausgeführt werden. Der Laufring wird aus einem hochfesten Stahlmaterial, insbesondere aus Wälzlagerstahl gefertigt und bietet damit im Bereich des Kontakts mit den einzelnen Nockenfolgern, insbesondere Laufrollen höhere Festigkeitsreserven.
An dem als Gussteil ausgeführten Tragring können auf gießtechnischem Wege komplexe Detailgeometrien realisiert werden. Der Laufring wird vorzugsweise aus Wälzlagerstahl gefertigt und hoch vergütet, zum sicheren Ertragen der Wälzbelastung
Weiterhin erfolgt vorzugsweise eine Optimierung der Verbindungsebene zwischen Tragund Laufring zur Minimierung der Zerspanung des Laufrings bei der Bildung der Laufbahn. Weiterhin erfolgt vorzugsweise eine Optimierung der Verschraubung zwischen Trag- und Laufring indem die Schrauben so ausgerichtet werden, dass diese im wesentlichen normal zur Trennstelle zwischen den beiden Ringelementen ausgerichtet sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die an dem Tragring und dem Laufring ausgebildeten Sitzgeometrien derart gestaltet, dass sich der Tragring und der Laufring in radialer Richtung formschlüssig aneinander stützen. Diese radiale Abstützung kann insbesondere erreicht werden, indem die Sitzgeometrien so ausgeführt werden, dass die erste und die zweite Sitzgeometrie jeweils eine zur Ringachse angestellte, plane Ringfläche beinhalten und die erste und die zweite Sitzgeometrie zudem eine sich gegenseitig radial stützende Ringstufenstruktur bilden.
Die Haupttrennebene zwischen dem Tragring und dem Laufring verläuft vorzugsweise zur Ringachse geneigt. Der Neigungswinkel ist so gewählt, dass sich einerseits an der axial niedrigsten Zone des Laufringes noch eine ausreichende Festigkeit ergibt und andererseits die höchste Zone des Nockenprofils noch mit moderatem Überstand über die Sitzfläche realisiert werden kann. Insgesamt werden der Tragring und der Laufring vorzugsweise so aufeinander abgestimmt dimensioniert, dass die in axialer Richtung gemessene Ringhöhe des Laufringes an dessen axial niedrigster Stelle, in etwa der Hälfte der minimalen axialen Stützhöhe des Ringkorpus entspricht. Tragring und Laufring haben dann an der niedrigsten Stelle des Ringkorpus in etwa gleiche Axialhöhen.
Vorzugsweise werden der Tragring und der Laufring durch in Umfangsrichtung abfolgend angeordnete, im wesentlichen normal zur Sitzfläche ausgerichtete Schrauben miteinander verschraubt. Die Schrauben sind vorzugsweise als Dehnschrauben ausgeführt. Die Verankerung der Schrauben in dem Laufring erfolgt vorzugsweise indem im Laufring Sacklochgewindebohrungen ausgebildet sind.
Der Laufring selbst ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus einem Wälzlagerstahl und dabei wiederum vorzugsweise als Schmiedeteil gefertigt. Die als Nockenprofilfläche fungierende Lauffläche des Laufringes ist vorzugsweise einer Gefügebehandlung unterzogen. So ist es insbesondere möglich, in den die Lauffläche bildenden Werkstückbereich Druckspannungen einzubauen indem die Lauffläche einer Behandlung durch Kugelstrahlen unterzogen wird. Die so behandelte Lauffläche kann dann beispielsweise durch Borieren weiter gehärtet und abschließend überschliffen werden.
Der Tragring ist vorzugsweise als Gussbauteil aus einem Stahlgusswerkstoff gefertigt und kann mit gießtechnisch vorteilhaft realisierbaren Detailgeometrien versehen sein. Der Tragring wird vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser auf seiner der ersten Sitzgeometrie abgewandten Stirnseite eine plane Sitzfläche für einen Wälzlagerlaufring bildet. Es ist möglich, diesen Wälzlagerlaufring mit dem Laufring des Ringkorpus zu verschrauben und damit über die Verschraubung in den Tragring eine Druckspannung einzubringen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Nockenringes für eine Fluidförderpumpe;
2 eine Axialschnittdarstellung des Nockenringes nach 1 zur weiteren Veranschaulichung des Innenaufbaus desselben;
3a eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus des Nockenringes im Bereich des Hubmaximums;
3a eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus des Nockenringes im Bereich des Hubminimums;
4 eine perspektivische Darstellung einer Fluidförderpumpe zur Förderung von Rohöl bei welcher die Betätigung der einzelnen Pumpmodule zukünftig über einen erfindungsgemäß aufgebauten Nockenring erfolgt.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Nockenring für eine Fluidförderpumpe dargestellt. Der Nockenring besteht aus einem Ringkorpus mit einer von einer Ringachse X radial beabstandeten Stirnfläche 3, die als Nockenprofilfläche fungiert und in ihrem Verlauf um jene Ringachse X alternierende Axialniveaus durchquert. Der Ringkorpus ist als zusammengesetzte Struktur gefertigt und setzt sich aus einem Tragring 1 und einem Laufring 2 zusammen. Der Tragring 1 bildet eine erste Sitzgeometrie S1. Der Laufring 2 bildet eine zur ersten Sitzgeometrie S1 komplementäre zweite Sitzgeometrie S2. Der Tragring 1 und der Laufring 2 sind über diese Sitzgeometrien S1, S2 derart zusammengefügt dass sich die als Nockenprofilfläche fungierende Stirnfläche 3 auf einer der zweiten Sitzgeometrie S2 abgewandten Seite des Laufringes 2 erstreckt.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Laufring 2 aus einem Wälzlagerstahl gefertigt. ist. Die als Nockenprofilfläche fungierende Stirnfläche 3 ist als gehärtete und geschliffene Axialnockenfläche ausgeführt.
Der Tragring 1 ist als Gussbauteil gefertigt. An dem Tragring 1 sind auf gießtechnischem Wege Rippenstrukturen 5 realisiert, die zumindest in dem hier erkennbaren Bereich MAX des Hubmaximums eine Aussteifung des Tragringes 1 bei moderatem Materialeinsatz bewirken. Die Rippenstrukturen 5 heben sich radial einwärts von einem Hauptmantel 6 ab und bilden in Verbindung mit Fenstern 7 eine axial hochsteife Rippengalerie. Die Rippenstrukturen 5 erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Ringachse X, oder insbesondere im wesentlich normal zu jenem Bereich der Nockenprofilfläche der von einer gedachten Verlängerung der jeweiligen Rippenstruktur 5 durchstoßen wird. Die Rippenstrukturen 5 münden im Bereich ihrer den Sitzgeometrien S1, S2 abgewandten Enden in einen Ringflanschabschnitt 8. Im Zusammenspiel mit diesem Ringflanschabschnitt bildet der Tragring 1 auf seiner der ersten Sitzgeometrie S1 abgewandten Stirnseite eine plane Sitzfläche (vgl. 2 Bezugszeichen 8a) für einen Wälzlagerlaufring.
Der spezielle Innenaufbau des Nockenringes ist aus 2 näher ersichtlich. Wie in 2 dargestellt sind die erste und die zweite Sitzgeometrie S1, S2 derart gestaltet, dass sich der Tragring 1 und der Laufring 2 in radialer Richtung formschlüssig aneinander abstützen. Die erste und die zweite Sitzgeometrie S1, S2 beinhalten jeweils eine zur Ringachse X angestellte, plane Ringfläche F1, F2. Zudem bilden die erste und die zweite Sitzgeometrie S1, S2 eine ineinandergreifende und sich gegenseitig radial stützende Ringstufenstruktur 4.
In dieser Darstellung ist insbesondere der Querschnitt des Tragrings 1 im Bereich des Ringflanschabschnitts 8 erkennbar. Wie angesprochen bildet der Ringflansch 8 eine plane Sitzfläche 8a die als Auflagefläche für einen hier nicht näher dargestellten Laufring eines Wälzlagers, insbesondere Zylinderrollenlagers fungiert. Die plane Sitzfläche 8a ist von einer Ringstufe 8b eingefasst. Diese Ringstufe 8b bildete eine Zentrierstruktur zur Zentrierung und radialen Sicherung des Laufringes des vorgenannten Wälzlagers.
Die in dem Tragring 1 in der Rippengalerie angeordneten Fenster 7 bilden Sitzflächen 7a auf welchen Schraubenköpfe 9a von Schrauben 9 aufsitzen über welche der Laufring 2 an den Tragring 1 gespannt ist.
In 3a ist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Ringnockens im Bereich des Hubmaximums dargestellt. Wie erkennbar ist der Laufring 2 über Schrauben 9 mit dem Tragring 1 verschraubt. Die Schrauben 9 sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass die jeweilige Schraubenachse XS im wesentlichen normal zu dem von ihr durchbrochenen Bereich der Ringfläche F1 verläuft. Der Laufring 2 hat im Bereich des Hubmaximums eine axiale Höhe hmax die nur geringfügig größer ist als die axiale Höhe hmin (vgl. 3b) des Laufrings im Bereich des Hubminimums. Der Laufring 2 kann damit bei moderatem Zerspanungsbedarf aus einem relativ flachen Ringrohling gefertigt werden. Die raumgreifenderen und den Laufring 2 anstellenden (d.h. schrägstellenden) Strukturen werden über den gießtechnisch gefertigten Tragring 1 bereitgestellt.
In 3b ist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Ringnockens im Bereich des Hubminimums dargestellt. Die in axialer Richtung gemessene Ringhöhe hmin des Laufringes 2 entspricht in etwa der Hälfte der minimalen axialen Stützhöhe hminges des Ringkorpus. Auch in diesem Bereich sind der Tragring 1 und der Laufring 2 durch in Umfangsrichtung abfolgend angeordnete, im wesentlichen normal zur Sitzfläche F1 ausgerichtete Schrauben 9 miteinander verschraubt. Die Schrauben 9 greifen in Sacklochgewindebohrungen 10 ein, welche im Laufring 2 ausgebildet sind. Im engeren Umgebungsbereich des Hubminimums bildet der Tragring 1 eine Massivwand die nicht wie im Bereich des Hubmaximums von Fenstern 7 durchbrochen ist. Dieses massive Umfangssegment erstreckt sich über einen Winkel von etwa 70°.
In 4 ist eine Fluidförderpumpe dargestellt die mehrere Pumpenmodule P umfasst die über einen umlaufend angetriebenen Nockenring R betätigt werden. Dieser Nockenring R hat bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fluidförderpumpe den vorangehend in Verbindung mit den 1 bis 3b beschriebenen mehrteiligen Aufbau.
Der Ringnocken R wird über eine hier nur unscharf erkennbare Zahnradstruktur Z von zwei Elektromotoren E1, E2 angetrieben. Die Zahnradstruktur Z ist als Stirnradring ausgeführt und greift über eine Innenverzahnung an dem Ringflansch 8 an. Der Nockenring R ist axial über das hier erkennbare Wälzlager W abgestützt. Dieses Wälzlager W umfasst einen unteren Laufring W1 und einen oberen Laufring W2. Der untere Laufring W1 sitz auf einer planen Stirnfläche des Nockenringes R.
Bei einem Umlauf des Nockenringes R um die Ringachse X wirkt die Stirnfläche 3 mit den Nockenfolgern CF der Pumpmodule P zusammen, so dass bei einem Umlauf des Nockenrings die jeweilige Kolbenstange K eines Pumpmodules P einen vollständigen Pumpzyklus durchläuft. Die Nockenfolger CF sind hier als Laufrollen ausgeführt die auf der Stirnseite 3 abrollen. Die Nockenfolger CF sind über hier nicht weiter erkennbare Linearführungen derart abgestützt, dass die an den Nockenfolgern CF angreifenden Querkraftkomponenten nicht über die Kolbenstangen K abgeführt werden müssen.
Bei der hier gezeigten Fluidförderpumpe handelt es sich um eine Großpumpe mit einem elektrischen Leistungsbezug von etwa 1.8 MW. Der Außendurchmesser des Ringnockens beträgt etwa 1,5m. Das erfindungsgemäße Konzept der Ausführung des Ringnockens als in Längsrichtung „schräg“ geteilte Struktur eignet sich auch für die Umsetzung bei kleineren Pumpen.
Bezugszeichenliste

1: Tragring
2: Laufring
3: Stirnfläche
5: Rippenstrukturen
6: Hauptmantel
7: Fenstern
8: Ringflanschabschnitts
8b: Ringstufe
9: Schraube
9a: Schraubenkopf
10: Sacklochgewindebohrung
E1: Elektromotor
E2: Elektromotor
F1: plane Ringfläche
F2: plane Ringfläche
CF: Nockenfolger
K: Kolbenstange
MAX: Bereich des Hubmaximums
P: Pumpmodul
R: Nockenring
S1: Sitzgeometrie
S2: Sitzgeometrie
W1: Laufring
W2: Laufring
XS: Schraubenachse
X: Ringachse
Z: Zahnradstruktur

Claims

Nockenring für eine Fluidförderpumpe, der als solcher einen Ringkorpus mit einer von einer Ringachse (X) radial beabstandeten Stirnfläche (3) aufweist, die als Nockenprofilfläche fungiert und in ihrem Verlauf um jene Ringachse (X) alternierende Axialniveaus durchquert, wobei: – der Ringkorpus als zusammengesetzte Struktur gefertigt ist und sich aus einem Tragring (1) und einem Laufring (2) zusammensetzt, und – der Tragring (1) eine erste Sitzgeometrie (S1) und der Laufring (2) eine hierzu komplementäre zweite Sitzgeometrie (S2) bilden und der Tragring (1) und der Laufring (2) über diese Sitzgeometrien (S1, S2) zusammengefügt sind, und wobei – die als Nockenprofilfläche fungierende Stirnfläche (3) sich auf einer der zweiten (S2) Sitzgeometrie abgewandten Seite des Laufringes (2) erstreckt.
Nockenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sitzgeometrie (S1) derart gestaltet sind, dass sich der Tragring (1) und der Laufring (2) in radialer Richtung formschlüssig aneinander stützen.
Nockenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sitzgeometrie (S1, S2) jeweils eine zur Ringachse schräg angestellte, plane Ringfläche (F1, F2) beinhaltet und die erste und die zweite Sitzgeometrie (S1, S2) eine sich gegenseitig radial stützende Ringstufenstruktur (4) bilden.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in axialer Richtung gemessene minimale Ringhöhe (hmin) des Laufringes (2) in etwa der Hälfte der minimalen axialen Stützhöhe (hminges) des Ringkorpus entspricht.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (1) und der Laufring (2) durch in Umfangsrichtung abfolgend angeordnete, im wesentlichen normal zur Sitzfläche ausgerichtete Schrauben (9) miteinander verschraubt sind.
Nockenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufring (2) Sacklochgewindebohrungen (10) ausgebildet sind.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufring (2) aus einem Wälzlagerstahl gefertigt ist.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufring (2) als Schmiedeteil gefertigt ist.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nockenprofilfläche fungierende Lauf- und Stirnfläche (3) einer Gefügebehandlung unterzogen ist.
Nockenring nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (1) als Gussbauteil gefertigt ist und auf seiner der ersten Sitzgeometrie (S1) abgewandten Stirnseite eine plane Sitzfläche (8a) für einen Wälzlagerlaufring bildet.