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Die Erfindung betrifft einen Rollenstößel aufweisend einen eine Laufrolle tragenden Rollenschuh, wobei der Rollenschuh zur Aufnahme der Laufrolle eine an die Außenkontur des Zylinderumfangs der Laufrolle angepasste Ausnehmung aufweist, wobei zwischen der Laufrolle und der Ausnehmung eine ein Laufrollenspiel x0 bestimmende Spaltgeometrie besteht, und die Ausnehmung zu der Laufrolle einen Umschlingungswinkel α aufweist.
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Stand der Technik
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Eine derartiger Rollenstößel ist aus der
DE 10 2011 076 859 A1 bekannt. Dieser Rollenstößel einer Stößelbaugruppe einer Kraftstoffhochdruckpumpe weist einen Rollenschuh zur Aufnahme einer Laufrolle auf, wobei die Ausnehmung zumindest über einen Teilbereich ihrer Oberfläche eine Beschichtung mit Gleitlagermaterial aufweist. Diese Beschichtung soll eine Haftreibung und Gleitreibung im Kontaktbereich des Rollenschuhs mit der Laufrolle reduzieren, um insbesondere im Startfall ein sicheres Anlaufen der Laufrolle zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rollenstößel bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Dauerhaltbarkeit verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Spaltgeometrie und/oder der Umschlingungswinkel α eine ein Verklemmen der Laufrolle in der Ausnehmung verhindernde Ausgestaltung aufweist. Dieser erfindungsgemäßen Gestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für den Fall, dass die Laufrolle in der Ausnehmung in dem Rollenschuh sowohl beim Anlaufen, als auch im Betrieb nicht gleitet, sogenannte Bremsplatten entstehen können, die eine Vorschädigung darstellen, die wiederum zu einem Ausfall des Rollenstößels führen können. Bremsplatten können entstehen, wenn der Druck in einem Druckspeicher eines Hochdrucksystems, beispielsweise eines Kraftstoffhochdrucksystems, an dem der Rollenstößel verbaut ist, größer als circa 300 bar ist, und die Laufrolle in der Ausnehmung mit sehr großen Kräften am Rotieren gehindert wird. Abschätzungen der großen Kräfte ergeben einen notwendigen äquivalenten Reibkoeffizienten zwischen der Laufrolle und dem Rollenschuh von μ > 0,5. Solche hohen Reibkoeffizienten können durch Oberflächenfehler auf den Laufflächen direkt nicht entstehen. Daher liegt der Erfindung das Verständnis zugrunde, dass die Rotation der Laufrolle durch ein Verklemmen der Laufrolle im Rollenschuh verhindert wird. Im Allgemeinen ist der Laufrollendurchmesser und das Laufrollenspiel x0 von ungefähr 20 µm bis 40 µm kleiner als der Durchmesser der Ausnehmung in dem Rollenschuh. Durch die Kraft von einem auf eine Bodenfläche des Rollenschuhs einwirkenden Pumpenkolben FHyd und einer Stößelfeder FSp wird im Normalbetrieb die Laufrolle in einem hydrodynamischen Schmierfilm exzentrisch in die Ausnehmung mit einem verbleibenden sehr kleinen Spalt hmin in der Größenordnung von 1 µm gepresst. Näherungsweise kann also von einem Sichelspalt zwischen der Laufrolle und der Ausnehmung ausgegangen werden. Dieser Sichelspalt beträgt in radialer Richtung x0(1 – cos α). Die Ausnehmung des Rollenschuhs umschließt die Laufrolle mit einem Umschlingungswinkel α von normalerweise angenähert 200°, so dass ein Herausfallen der Laufrolle aus der Ausnehmung verhindert ist. Dies hat Vorteile bei der Montage, wobei darüber hinaus Versuche mit einem Umschlingungswinkel α < als 180° gezeigt haben, dass auch im laufenden Betrieb ein Herausfallen der Laufrolle verhindert werden muss. Ein Umschlingungswinkel α von 200° und ein Nominalspiel von 30 µm ergibt eine maximale Exzentrizität von circa 100 µm. Geometrisch kann sich also die Laufrolle um diesen Betrag vertikal im Rollenschuh bewegen. Falls nun eine Störung zu einer außermittigen Lage der Laufrolle in der Ausnehmung in dem Rollenschuh führt, ist es kritischer, wenn die Laufrolle den Bereich um die Eintrittskante in die Ausnehmung berührt, als wenn diese den Bereich um die Austrittskante aus der Ausnehmung berührt. Bremst nämlich eine Reibkraft an der Eintrittskante, kann über die Rotation der Laufrolle die vertikale Bewegung verstärkt werden und im Schadensfall verklemmt die Laufrolle zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante und es kommt so zum Stillstand der Laufrolle. Im Gegensatz dazu führt eine Auslenkung der rotierenden Laufrolle in Richtung der Austrittskante eher zu einer Bewegung weg von den Kanten und die Laufrolle rotiert weiter. Weiterhin erfindungsrelevant ist die Überlegung, welche Größe von Partikel oder einer Schichtdicke von in der Ausnehmung sich bildenden Belägen zu einem Verklemmen der Laufrolle zwischen einer solchen Störung und dem Eintrittsbereich führen kann:
- – Störungen, die kleiner als das Laufrollenspiel x0 (Spalt, wenn die Laufrolle maximal zu einer Seite ausgelenkt ist) sind, können rein geometrisch an der Eintrittskante in den Spalt eindringen und sind eher unkritisch, da sie rein geometrisch nicht zum Verklemmen der Laufrolle führen können. Zu jedem Zeitpunkt kann durch eine Ausgleichsbewegung der Laufrolle der Spalt ≤ x0 sein. Durch die Rotationsbewegung der Laufrolle kann die Störung durch den gesamten Spalt vom Eintritt bis zum Austritt durchgefördert werden.
- – Störungen, die größer als x0 sind, können rein geometrisch nicht über die Eintrittskante in den Spalt eintreten. Falls die Laufrolle an der Eintrittskante und Austrittskante anliegt, kann die Spalthöhe x0 deutlich überschreiten. Hierbei können Werte bis zu 70 µm erreicht werden. Solche Störungen können gemäß der nachfolgenden drei Beispiele folgender Art in den Spalt gelangen:
1. Die mit dem Rollenstößel zusammenwirkende Hochdruckpumpe kommt im Nockenwellenablauf mit leicht verdrehtem Rollenstößel zum Stehen. Die Laufrolle liegt auf der einen Seite an der Nockenwelle an mit hmin = 0 und hat auf der anderen Seite eine maximale Exzentrizität. Dort bilden sich durch Ablagerungen des den Rollenstößel schmierenden Mediums beispielsweise Kraftstoff, Beläge in dem Spalt.
2. Die Hochdruckpumpe kommt zum Stillstand mit über die gesamte Breite der Ausnehmung anliegender Laufrolle. Beim Wiederanlauf akkumulieren sich Beläge zu einer Höhe größer als x0.
3. Partikel werden im Betrieb axial in den Spalt zwischen der Ausnehmung und der Laufrolle gezogen. Ist beispielsweise der Rollenstößel im Nockenablauf verdreht, öffnet sich auf der einen Seite wie bei 1. dargestellt ein genügend großer Spalt und es können entsprechende Partikel in den Spalt eindringen.
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Dieses Eindringen von Partikeln und die Bildung von Belägen kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spaltgeometrie und/oder den erfindungsgemäß ausgebildeten Umschlingungswinkel verhindert werden, so dass ein Verklemmen der Laufrolle verhindert ist.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Umschlingungswinkel α im mittleren Bereich der Laufrolle einen Wert von angenähert 200° auf, und im Bereich der beiden Enden der Laufrolle einen Wert von weniger als 200° auf. Dadurch wird die Laufrolle im mittleren Bereich sicher in der Ausnehmung gehalten, während der geringere Umschlingungswinkel α verhindert, dass beim Auftreten einer Exzentrizität der Laufrolle ein direktes Verklemmen der Laufrolle an der Einlaufkante entsteht, da diese durch den geringeren Umschlingungswinkel α zurückgezogen ist. Ebenso wenig können Partikel oder Ablagerungen dann in diesem Bereich ein Verklemmen verursachen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung eine ballige Kontur und/oder zumindest eine Ausfräsung auf. Durch diese Ausgestaltung ist der im Bereich der beiden Enden der Ausnehmung gewünschte Umschlingungswinkel α von weniger als 200° ebenfalls darstellbar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die ballige Kontur und/oder Ausfräsung an einer Einlaufkante und/oder Auslaufkante des Rollenschuhs angeordnet. Diese Ausgestaltung reicht zum Verhindern eines Verklemmens grundsätzlich aus, wobei aber eine bevorzugte Ausführung vorsieht, dass die Balligkeit beziehungsweise Ausfräsung so ausgelegt ist, dass in jedem Schnitt über die Rollenbreite das horizontale Spiel so groß ist, wie der durch eine Verkippung maximal mögliche Spalt. Dadurch wird bei allen möglichen Stellungen der Laufrolle in der Ausnehmung ein Verklemmen verhindert.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Umschlingungswinkel α entlang der Laufrollenbreite durch eine gewellte Auslaufkante und/oder Einlaufkante partiell einen Wert > 180° auf. Auch durch diese Ausgestaltung wird ein Verklemmen der Laufrolle verhindert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Umschlingungswinkel α insgesamt > 200°. Dadurch wird eine deutliche Reduzierung der maximalen Exzentrizität, die beispielsweise bei einem Umschlingungswinkel von 200° 105 µm und bei einem Umschlingungswinkel von 220° 60 µm beträgt, erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Spannvorrichtung vorgesehen, die die Laufrolle in die Ausnehmung drückt. Dadurch wird erreicht, dass unter Beibehaltung eines Umschlingungswinkels α von angenähert 200° im Stillstand ein Sichelspalt gebildet wird, der eine Dicke von > x0 aufweist. Dabei kann die Spannvorrichtung durch eine Feder oder einen Spannclip gebildet sein. Die Feder oder der Spannclip sind bevorzugt im Bereich der Enden der Laufrolle angeordnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung im Bereich eines Austrittsbereichs eine axiale Nut auf. Diese axiale Nut ermöglicht ein Herausfördern von Störungen. Diese Nut kann bei einem Umschlingungswinkel von > 180° direkt in dem Rollenschuh realisiert werden oder aber alternativ durch eine eine Aussparung aufweisende Anlaufplatte gebildet sein, wobei die Anlaufplatte insbesondere bei einem Umschlingungswinkel von ≤ 180° zudem die Laufrolle in der Ausnehmung hält.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine teilweise dargestellte perspektivische Schnittansicht einer Hochdruckpumpe im Bereich eines Rollenstößels,
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Rollenstößels,
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3 eine Schnittdarstellung eines Rollenstößels mit einer Darstellung von möglichen Lagen einer Laufrolle in einer Ausnehmung,
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4 eine Schnittdarstellung eines Rollenstößels mit einer balligen Ausgestaltung einer eine Laufrolle aufnehmenden Ausnehmung,
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5 eine Schnittdarstellung eines Rollenstößels mit einer im Bereich eines Austrittsbereichs aus einer Ausnehmung angeordneten axialen Nut und
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6 eine Schnittdarstellung eines Rollenstößels mit einer eine Aussparung aufweisende Anlaufplatte.
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Die in der 1 ausschnittsweise im Bereich eines Rollenstößels dargestellte Hochdruckpumpe umfasst wenigstens ein Pumpenelement mit einem hubbeweglich geführten Pumpenkolben 1, welcher über einen Rollenstößel an einem Nocken 2 einer Antriebswelle 3 abgestützt ist. Die Hochdruckpumpe ist bevorzugt Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems, das an einer Brennkraftmaschine verbaut ist. Dabei ist das Kraftstoffeinspritzsystem beispielsweise als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet und der Kraftstoff ist Dieselkratstoff. Der Rollenstößel bewirkt eine Umwandlung der Rotationsbewegung der Antriebswelle 3 in eine Translationsbewegung des Pumpenkolbens 1. Der Rollenstößel umfasst einen hülsenförmigen Stößelkörper 4, sowie einen hierin aufgenommenen Rollenschuh 5, in welchem eine Laufrolle 6 drehbar gelagert ist. Hierzu weist der Rollenschuh 5 eine an die Außenkontur der Laufrolle 6 angepasste Ausnehmung 7 auf. Der Stößelkörper 4 und der Rollenschuh 5 können auch einstückig ausgebildet sein, wobei dann die Ausnehmung 7 sich bis zu einer Bohrung 8 eines den Stößelkörper 4 aufnehmenden Gehäuseteils 9 erstreckt. Mit der Laufrolle 6 liegt der Stößelkörper 4 außenumfangsseitig an Nocken 2 der Antriebswelle an. Eine Stößelfeder 10 hält den Stößelkörper 4 in Anlage mit dem Nocken 2.
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Der hülsenförmige Stößelkörper 4 weist innenumfangsseitig einen Ringbund 11 auf. Der Ringbund 11 dient zur Abstützung des Rollenschuhs 5, sowie gegenüberliegend eines Federtellers 12. Über den Federteller 12 wird die Verbindung des Pumpenkolbens 1 mit dem Rollenstößel bewirkt. Hierzu ist der Pumpenkolben 1 durch eine zentrale Ausnehmung des Federtellers 12 geführt, so dass er mit seinem Kolbenfuss 13 an dem Rollenschuh 5 anliegt. Auf diese Weise wird eine formschlüssige Verbindung des Pumpenkolbens 1 mit dem Rollenstößel erreicht.
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Der in 1 dargestellte Rollenstößel ist in der Bohrung 8 des Gehäuseteils 9 der Hochdruckpumpe aufgenommen, welche in einen Triebwerksraum zur Aufnahme der Antriebswelle 3 der Hochdruckpumpe mündet. Über den Triebwerksraum wird die Bohrung 8 sowie der hierin aufgenommene Rollenstößel mit Kraftstoff als Schmiermedium und/oder Kühlmedium versorgt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Rollenstößels mit dem Stößelkörper 4, dem Rollenschuh 5 und der Laufrolle 6.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Rollenstößels mit einer Darstellung von möglichen Lagen der Laufrolle 6 in der Ausnehmung 7 mit den angreifenden Kräften und möglichen Spielen. Dabei liegt der Erfindung das Verständnis zugrunde, dass die Rotation der Laufrolle 6 durch ein Verklemmen der Laufrolle 6 im Rollenschuh 5 verhindert wird. Im Allgemeinen ist der Laufrollendurchmesser und das Laufrollenspiel x0 von ungefähr 20 µm bis 40 µm kleiner als der Durchmesser der Ausnehmung 7 in dem Rollenschuh 5. Durch die Kraft FHyd von dem auf eine Bodenfläche des Rollenschuhs 5 einwirkenden Pumpenkolben 1 und der Kraft FSp der Stößelfeder 10 wird im Normalbetrieb die Laufrolle 6 in einem hydrodynamischen Schmierfilm exzentrisch in die Ausnehmung gepresst mit einem verbleibenden sehr kleinen Spalt hmin in der Größenordnung von 1 µm. Näherungsweise kann also von einem Sichelspalt zwischen der Laufrolle 6 und der Ausnehmung 7 ausgegangen werden. Dieser Sichelspalt beträgt in radialer Richtung x0(1 – cos α). Die Ausnehmung 7 des Rollenschuhs 5 umschließt die Laufrolle 6 mit einem Umschlingungswinkel α von normalerweise angenähert 200°, so dass ein Herausfallen der Laufrolle 6 aus der Ausnehmung 7 verhindert ist. Dies hat Vorteile bei der Montage, wobei darüber hinaus Versuche mit einem Umschlingungswinkel α < als 180° gezeigt haben, dass auch im laufenden Betrieb ein Herausfallen der Laufrolle 6 verhindert werden muss. Ein Umschlingungswinkel α von 200° und ein Nominalspiel von 30 µm ergibt eine maximale Exzentrizität von circa 100 µm. Geometrisch kann sich also die Laufrolle 6 um diesen Betrag vertikal im Rollenschuh 5 bewegen. Falls nun eine Störung zu einer außermittigen Lage der Laufrolle 6 in der Ausnehmung 7 in dem Rollenschuh 5 führt, ist es kritischer, wenn die Laufrolle 6 den Bereich um die Eintrittskante 19 in die Ausnehmung 7 berührt, als wenn diese den Bereich um die Austrittskante 20 aus der Ausnehmung 7 berührt. Bremst nämlich eine Reibkraft an der Eintrittskante 19, kann über die Rotation der Laufrolle 6 die vertikale Bewegung verstärkt werden und im Schadensfall verklemmt die Laufrolle 6 in der strichliniert dargestellten Stellung zwischen der Eintrittskante 19 und der Austrittskante 20 und es kommt so zum Stillstand der Laufrolle. Im Gegensatz dazu führt eine Auslenkung der rotierenden Laufrolle 6 in Richtung der Austrittskante 20 eher zu einer Bewegung weg von den Kanten 19, 20 und die Laufrolle 6 rotiert weiter.
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Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung dargestellt ist, soll die Dauerhaltbarkeit des Rollenstößels durch Verhinderung eines möglichen Verklemmens der Laufrolle 6 in der Ausnehmung 7 verbessert beziehungsweise gesteigert werden. Dies wird ausweislich in der in 4 dargestellten Ausgestaltung der Ausnehmung 7 des Rollenschuhs 5 mit einer balligen Kontur 14 oder einer Ausfräsung erreicht. Diese ballige Kontur 14 oder Ausfräsung vermindert den in der Mitte des Rollenschuhs 5 vorhandenen Umschlingungswinkel vom 200° im Bereich der beiden Enden der Ausnehmung 7 im Bereich der Einlaufkante 19 und der Auslaufkante 20 auf einen Umschlingungswinkel von < 200°. Alternativ kann die ballige Form oder die Ausfräsung sich über den gesamten Umfang der Ausnehmung 7 erstrecken, so dass in jedem Schnitt über die Rollenbreite das horizontale Spiel so groß ist, wie der durch eine Verkippung der Laufrolle 6 maximal mögliche Spalt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 zeigt einen Schnitt durch den Rollenschuh 5 mit der in der Ausnehmung 7 eingesetzten Laufrolle 6. Der Umschlingungswinkel der Ausnehmung 7 zum Halten der Laufrolle 6 weist einen Wert > 180° auf. Um ein axiale Herausfördern von in den Spalt 15 gelangten Störungen beispielsweise in Form vom Partikeln zu ermöglichen, ist benachbart zur der Austrittskante 20 eine axiale Nut 16 direkt in den Rollenschuh 5 eingearbeitet.
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Alternativ zu der Ausgestaltung nach 5 ist ausweislich der 6 bei einem Umschlingungswinkel von < 180° eine Anlaufplatte 17 an dem Rollenschuh 5 befestigt, die anstelle einer Nut 16 eine Aussparung 18 aufweist. Auch durch diese Aussparung 18 werden Störungen aus dem kritischen Bereich weggeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076859 A1 [0002]
