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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe, insbesondere für Brennkraftmaschinen
mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, mit einer Antriebswelle
mit mindestens einem Lagerabschnitt und mit mindestens einem Antriebsabschnitt, mit
einer ersten Ausnehmung in dem Gehäuse, in welcher der Lagerabschnitt
und der Antriebsabschnitt der Antriebswelle aufgenommen sind, mit mindestens
einem Förderelement,
welches in einer zweiten Ausnehmung im Gehäuse angeordnet ist, von dem
mindestens einen Antriebsabschnitt der Antriebswelle wenigstens
mittelbar in Bewegung versetzt wird, und zur Förderung des Kraftstoffs dient, wobei
wenigstens im Betrieb mindestens in einem Hohlraum zwischen der
ersten Ausnehmung und den Abschnitten der Antriebswelle ein von
dem zu fördernden
Kraftstoff unterschiedliches Schmiermittel vorhanden ist.
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Eine
derartige Kraftstoffpumpe ist aus der
US
5 984 650 bekannt. Diese zeigt eine Radialkolbenpumpe mit
einer einseitig gelagerten Exzenterwelle, welche mit einer Nockenwelle
einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Ein Wellenraum und eine
Lagerkammer werden von der Brennkraftmaschine her von einem Schmiermittel
durchströmt, welches
unter Druck steht.
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Eine ähnliche
Kraftstoffpumpe ist auch aus der
DE 196 27 757 A1 bekannt. Bei ihr handelt
es sich um eine Radialkolbenpumpe, deren Förderkolben von einer Exzenterwelle
angetrieben wird. Die Exzenterwelle ist einseitig durch zwei Kugellager
gelagert, welche durch ein Schmiermittel geschmiert werden. Zwischen
dem Exzenterabschnitt der Antriebswelle und den Kugellagern ist
ein Trennraum vorhanden, durch den verhindert werden soll, dass Kraftstoff
zu den Kugellagern gelangt und dort den Schmierstoff verdünnt. Dies
würde zu
einer Verringerung der Lebensdauer der Kraftstoffpumpe führen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kraftstoffpumpe der
eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass die Kraftstoffpumpe
eine möglichst
hohe Lebensdauer aufweist, dabei aber sehr einfach und preiswert
gebaut und betrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Kraftstoffpumpe der eingangs erwähnten Art
dadurch gelöst,
dass der Hohlraum abgeschlossen ist und sie eine Einrichtung aufweist,
welche den Druck des Schmiermittels in dem Hohlraum auf einem bestimmten
Niveau hält.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird
auf einen Trennraum, welcher das Schmiermittel vom Antriebsabschnitt
der Antriebswelle fernhält, verzichtet.
Stattdessen ist in der gesamten ersten Ausnehmung, in welcher der
Lagerabschnitt und der Antriebsabschnitt der Antriebswelle aufgenommen ist, Schmiermittel
vorhanden. Dies vereinfacht die Konstruktion der Kraftstoffpumpe
und ermöglicht
beispielsweise die Anordnung des Exzenterabschnitts zwischen zwei
Lagerabschnitten, was für
den Momentenverlauf der Antriebswelle günstig ist. Um dennoch sicherstellen
zu können,
dass das Schmiermittel nicht oder nicht wesentlich durch den zu
fördernden
Kraftstoff verschmutzt wird (im Betrieb kann Kraftstoff zwischen
dem Förderelement
und der zweiten Ausnehmung hindurchtreten und in die erste Ausnehmung
gelangen), wird das Schmiermittel, welches sich in der ersten Ausnehmung
befindet, von einer Einrichtung unter Druck gesetzt. Hierdurch wird der
Eintritt von Kraftstoff in die erste Ausnehmung verringert und die
Vermischung des Schmiermittels mit dem zu fördernden Kraftstoff reduziert.
Die Schmierung des Lagerabschnitts der Antriebswelle ist daher während eines
langen Zeitraums gewährleistet,
was der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe zugute
kommt.
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Auch
eine Verbindung mit dem Druckölkreislauf
der Brennkraftmaschine ist nicht mehr erforderlich, da das Schmiermittel
in dem abgeschlossenen Hohlraum unabhängig von der Brennkraftmaschine unter
Druck gesetzt werden kann. Dabei kann dieser Druck konstant gehalten
werden, wohingegen er bisher vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw.
der aktuellen Förderleistung
der Ölpumpe
abhing.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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In
einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung
welche den Druck des Schmiermittels im Hohlraum im Wesentlichen
auf einem bestimmten Niveau hält,
ein kolbenartiges Teil umfasst, welches in einer dritten Ausnehmung,
die mit dem Hohlraum fluidisch verbunden ist, im Gehäuse gleitend
geführt
ist und welches von einem Vorspannelement beaufschlagt wird. Bei
dem Vorspannelement kann es sich beispielsweise um eine einfache
Schrauben-Druckfeder
handeln. Eine derartige Druckbeaufschlagungseinrichtung ist sehr
einfach zu realisieren. Darüber
hinaus wird durch eine solche Einrichtung eine Volumenänderung
des Schmiermittels, welche durch eine Wärmeausdehnung des Schmiermittels
und/oder des Gehäuses
der Kraftstoffpumpe bewirkt wird, kompensiert. Auch ein Verlust
von Schmiermittel, beispielsweise durch Undichtigkeiten, kann durch
eine solchermaßen
gestaltete Einrichtung ausgeglichen werden.
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Dabei
wird vorgeschlagen, dass die Vorspannkraft des Vorspannelements
so gewählt
ist, dass der Druck des Schmierstoffes in der zweiten Ausnehmung
in etwa einem durchschnittlichen Druck des zu fördernden Kraftstoffs in einem
Bereich zwischen dem Förderelement
und der zweiten Ausnehmung entspricht. Bei dieser Weiterbildung
wird also gewährleistet,
dass dieser Gegendruck, den der Schmierstoff dem zu fördernden
Kraftstoff im Bereich zwischen dem Förderelement und der zweiten
Ausnehmung entgegensetzt, in etwa dem Druck des zu fördernden
Kraftstoffs in diesem Bereich selbst entspricht. Hierdurch wird
das Eindringen von Kraftstoff in die erste Ausnehmung wirkungsvoll
verhindert bzw. verringert.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn die Vorspannkraft des Vorspannelements über den
Bewegungsweg des Vorspannelements im Wesentlichen konstant ist. Hierdurch
wird sichergestellt, dass bei einer Volumenänderung des Schmierstoffes
im Hohlraum oder des Hohlraums selbst, beispielsweise aufgrund von Wärmedehnung,
sich die Kraft, welche das kolbenartige Teil auf den Schmierstoff
ausübt,
möglichst
wenig ändert.
Somit ist auch dann, wenn beispielsweise aufgrund von Leckagen die
Menge des in der ersten Ausnehmung vorhanden Schmierstoffes abgenommen
hat, gewährleistet,
dass ein zur Verringerung des Fluidaustausches ausreichend starker
Gegendruck erzeugt wird.
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Eine
andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe zeichnet
sich dadurch aus, dass das Gehäuse
ein erstes Gehäuseteil
umfasst, welches in einer Aufnahmeöffnung in einem zweiten Gehäuseteil
aufgenommen ist und in welches die erste, die zweite und die dritte
Ausnehmung eingebracht sind. Hierdurch wird das Einarbeiten der
Ausnehmungen in das Gehäuse
der Kraftstoffpumpe erheblich vereinfacht, was wiederum die Herstellkosten senkt.
Insbesondere das Einbringen der dritten Ausnehmung, welche zur Aufnahme
des kolbenartigen Teils dient und Teil jener Einrichtung ist, welche
den Druck des Schmiermittels in dem Hohlraum zwischen erster Ausnehmung
und Antriebswelle konstant hält, wird
durch diese Weiterbildung sehr preiswert möglich gemacht.
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In
die gleiche Richtung zielt jene Weiterbildung, bei der in mindestens
einer der einander zugewandten Flächen der beiden Gehäuseteile
ein Ringkanal für
die Zuführung
des zu fördernden
Kraftstoffs und/oder ein Ringkanal für die Ableitung von zwischen
dem Förderelement
und der zweiten Ausnehmung hindurchtretendem Kraftstoff vorhanden sind/ist.
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Besonders
reibungsarm arbeitet die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe dann, wenn
eine Lagereinrichtung, mit welcher der mindestens eine Lagerabschnitt
der Antriebswelle in der ersten Ausnehmung in dem Gehäuse gelagert
ist, mindestens ein Kugellager umfasst, welches von dem Schmiermittel geschmiert
wird. Ein durch Schmiermittel bzw. Schmieröl anstelle von Kraftstoff geschmiertes
Kugellager kostet vergleichsweise wenig, was die Herstellkosten
insgesamt der Kraftstoffpumpe nochmals verringert. Grundsätzlich denkbar
sind aber auch besonders kostengünstige
Gleitlager zur Lagerung der Antriebswelle im Gehäuse. In diesem Fall muss aber mit
einer etwas höheren
Drehmomentaufnahme der Kraftstoffpumpe gerechnet werden.
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Vorgeschlagen
wird ferner, dass die Kraftstoffpumpe mindestens einen Radialdichtring
umfasst, welcher den Spalt zwischen der ersten Ausnehmung und der
Antriebswelle nach außen
hin abdichtet. Auch ein solcher Radialdichtring ist vergleichsweise
kostengünstig
und gewährleistet
eine gute Abdichtung des zwischen der Antriebswelle und der ersten
Ausnehmung gebildeten Hohlraums nach außen.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
teilweisen Längsschnitt
durch eine Kraftstoffpumpe;
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2 eine
teilweise aufgebrochene Draufsicht auf eine Stirnseite der Kraftstoffpumpe
von 1; und
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3 einen
Schnitt längs
der Linie III-III von 1.
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In
den 1 bis 3 trägt eine Kraftstoffpumpe insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Gehäuse 12,
eine Antriebswelle 14, und einen Förderkolben 16 (1 und 3).
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Das
Gehäuse 12 besteht
wiederum aus zwei Gehäuseteilen 18 und 20.
Beide Gehäuseteile 18 und 20 weisen
eine insgesamt kreiszylindrische Außenkontur auf und sind zueinander
koaxial angeordnet. Das innere Gehäuseteil ist dabei in einer
Aufnahmeöffnung 22 im äußeren Gehäuseteil 18 aufgenommen.
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Im
inneren Gehäuseteil 20 ist
eine zentrische, durchgehende und stufenförmige Ausnehmung 24 vorhanden.
In dieser ist die Antriebswelle 14 über zwei Kugellager 25 und 26 in
axialer und radialer Richtung gehalten. Zwischen Antriebswelle 14 und Ausnehmung 24 ist
ein Hohlraum 27 vorhanden. Die Antriebswelle 14 weist
einen in 1 linken Lagerabschnitt 28 und
einen in 1 rechten Lagerabschnitt 30 auf.
Zwischen den beiden Lagerabschnitten 28 und 30 ist
die Antriebswelle 14 mit einem Exzenterabschnitt 32 versehen.
Auf diesen ist wiederum ein Hubring 34 aufgeschoben.
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Bei
der Kraftstoffpumpe 10 handelt es sich um einen Radialkolbenpumpe
mit drei Zylindern 36a, 36b und 36c (vgl. 3).
Der Förderkolben 15 eines jeden
Zylinders 35 ist in einer Zylinderbuchse 38 aufgenommen
(aus Darstellungsgründen
sind in 3 nur die Elemente eines Zylinders 36 mit
Bezugszeichen versehen; es versteht sich jedoch, dass die Zylinder 36a, 36b und 36c identisch
aufgebaut sind). Die Zylinderbuchse 38 ist in eine radial
verlaufende Ausnehmung 40 im inneren Gehäuseteil 20 eingesetzt.
Die Zylinderbuchse 38 ist mit Dichtringen (ohne Bezugszeichen)
gegenüber
der Ausnehmung 40 abgedichtet.
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Die
Zylinderbuchse 38 weist selbst eine diese in Längsrichtung
durchsetzende Ausnehmung 42 auf, in der der Förderkolben 16 im
weitgehend fluiddichten Gleitspiel und in seiner Längsrichtung
beweglich aufgenommen ist. Zwischen dem radial innen liegenden Ende
des Förderkolbens 16 und
dem Hubring 34 ist ein Gleitschuh 43 angeordnet.
Der Förderkolben 16 wird
mit dem Gleitschuh 43 von einer Druckfeder 45 gegen
einen plan gearbeiteten Abschnitt auf der äußeren Mantelfläche des
Hubrings 34 beaufschlagt. Die Abdichtung der Zylinderbuchse 38 gegenüber der
Ausnehmung 40 im inneren Gehäuseteil 20 erfolgt
durch eine Mehrzahl von Dichtringen (ohne Bezugszeichen).
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Ein
Einlassventil 44 ist im radial äußeren Bereich der Ausnehmung 42 angeordnet.
In geöffnetem Zustand
verbindet es einen in die radial innere Mantelfläche der Aufnahmeöffnung 22 im äußeren Gehäuseteil 18 eingebrachten
Ringkanal 46 mit einem zwischen dem Einlassventil 44 und
dem Förderkolben 16 vorhandenen
Förderraum 48.
Der Ringkanal 46 ist wiederum mit einem Zulauf 50 verbunden
(vgl. 2 und 3).
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Ein
Auslasskanal 52 führt
im Wesentlichen in axialer Richtung der Pumpe 10 vom Förderraum 48 zu
einem Hochdruckanschluss 54. Der in der Zylinderbuchse 38 gelegene
Bereich des Auslasskanals 52 hat einen geringeren Durchmesser
als der im Gehäuseteil 20 gelegene
Bereich des Auslasskanals 52. Hierdurch wird ein Ventilsitz
eines Auslassventils 56 geschaffen. Wie aus 2 ersichtlich
ist, sind im äußeren Gehäuseteil 18 zwei
Hochdruckkanäle 55b und 55c verbohrt,
die von den einzelnen Zylindern 36b und 36c zum
Hochdruckanschluss 54 führen. Der
Hochdruckkanal 55c ist dabei am einen Ende nach außen mit
einer Kugel 57 verschlossen.
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Im
Bereich der Gleitführung
des Förderkolbens 16 in
der Zylinderbuchse 38 ist in die innere Mantelfläche der
Ausnehmung 42 eine umlaufende Ringnut 58 eingebracht.
Ein Stichkanal (ohne Bezugszeichen) in der Zylinderbuchse 38 führt zu einer in
die äußere Mantelfläche der
Zylinderbuchse 38 eingebrachten umlaufenden Ringnut 60.
Von dieser führt
wiederum ein Kanal 62 im inneren Gehäuseteil 20 zu dessen
in 1 rechter Stirnfläche. Der entsprechenden Mündung des
Stichkanals 62 in diese Stirnfläche gegenüberliegend ist in die Stirnfläche der
Aufnahmeöffnung 22 im äußeren Gehäuseteil 18 eine
umlaufende Nut 64 eingebracht. In diese münden auch
die entsprechenden Kanäle
von den Zylindern 36a und 36b. Ein Leckagekanal 66 (vgl. 2) führt von
dieser Nut 64 zu einem Leckageanschluss 68. Sämtliche
Anschlüsse 50, 54 und 68 sind
somit am äußeren Gehäuseteil 18 untergebracht.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, ist zusätzlich zu den drei radial verlaufenden
Ausnehmungen 40 im inneren Gehäuseteil 20 noch eine
weitere radial verlaufende und das Gehäuseteil 20 vollständig von
außen
nach innen durchsetzende Ausnehmung vorhanden, welche das Bezugszeichen 70 trägt. Sie
ist stufenförmig
ausgebildet, wobei ihr geringster Querschnitt radial innen und ihr
größter Querschnitt
radial außen
liegt. In einem mittleren Bereich der Ausnehmung 70 ist
ein zylindrischer Kolben 72 geführt, der über eine O-Ringdichtung 74 gegenüber der
Ausnehmung 70 abgedichtet ist. Nach radial außen hin
wird die Ausnehmung 70 durch eine Verschlussschraube 76 verschlossen,
an der sich ein Ende einer Schrauben-Druckfeder 78 abstützt. Das
andere Ende der Schrauben-Druckfeder 78 beaufschlagt
den zylindrischen Kolben 72 nach radial einwärts.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellte Kraftstoffpumpe 10 dient
zur Komprimierung des Kraftstoffes auf sehr hohe Betriebsdrücke. Diese
sind insbesondere bei Brennkraft maschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung
erforderlich. Angetrieben wird die Kraftstoffpumpe 10 von
der Nockenwelle der entsprechenden Brennkraftmaschine (diese ist
in den Figuren nicht dargestellt). Hierzu wird die Nockenwelle der
Brennkraftmaschine mit einem Flanschabschnitt der Antriebswelle 14 der
Kraftstoffpumpe 10 verbunden. Dieser Flanschabschnitt ist
in 1 auf der linken Seite der Figur dargestellt und trägt das Bezugszeichen 80.
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Im
Zulauf 50 der Kraftstoffpumpe 10 liegt im Betrieb
ein leicht erhöhter
Kraftstoffdruck an, welcher üblicherweise
von einer Förderpumpe
(in der Zeichnung nicht dargestellt) bereitgestellt wird. Der Hochdruckanschluss 54 führt zu einer
Kraftstoffsammelleitung, welche gemeinhin als "Rail" bezeichnet
wird. In dieser kann der von der Kraftstoffpumpe 10 komprimierte
Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden. An die Kraftstoffsammelleitung
sind Injektoren angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in entsprechende
Brennräume
der Brennkraftmaschine einspritzen. Der Leckageanschluss 68 ist
mit einem Kraftstoffbehälter
(ebenfalls nicht dargestellt) verbunden.
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Die
Kraftstoffpumpe 10 arbeitet folgendermaßen: Eine Drehung der Antriebswelle 14 versetzt den
Hubring 34 in eine Bewegung längs einer Kreisbahn. Über die
Gleitschuhe 43 werden die Förderkolben 16 der
einzelnen Zylinder 36a, 36b und 36c jeweils
in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Bei einer radial einwärts gerichteten
Bewegung eines Förderkolbens öffnet das
Einlassventil 44, sodass Kraftstoff vom Zulauf 50 in
den Förderraum 48 gelangen kann.
Bei einer radial auswärts
gerichteten Bewegung eines Förderkolbens 16 schließt das Einlassventil 44 und
der Kraftstoff wird im Förderraum 48 komprimiert.
Bei Überschreiten
eines bestimmten Drucks öffnet
das Auslassventil 56 und der komprimierte Kraftstoff wird
zum Hochdruckanschluss 54 hin aus dem Förderraum 48 ausgestoßen.
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Dabei
gelangt Kraftstoff auch zwischen Förderkolben 16 und
der Ausnehmung 42 in der Zylinderbuchse 38 hindurch
nach radial einwärts.
Er gelangt dabei in die umlaufende Ringnut 58 und wird von
dort über
den Leckageanschluss 68 um Kraftstoffbehälter zurückgeführt.
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Der
Hohlraum 27 zwischen der Ausnehmung 24 im inneren
Gehäuseteil 20 und
den Lagerabschnitten 28 und 30 sowie dem Exzenterabschnitt 32 der
Antriebswelle 14 ist mit Schmieröl 82 gefüllt. Hierzu
befindet sich im Gehäuseteil 20 der
Kraftstoffpumpe 10 an geeigneter Stelle eine mit einer
Schraube verschlossene Schmieröl-Einfüllöffnung (in
den Fig. nicht sichtbar). Die Antriebswelle 14 mit ihren
Lagerabschnitten 28 und 30 und dem Exzenterabschnitt 32 läuft somit
in einem "Schmierölbad". Auch die Kugellager 25 und 26 befinden
sich in diesem Schmierölbad.
Somit können
für diese
Kugellager 25 und 26 handelsübliche Kugellager verwendet
werden, welche vergleichsweise preiswert sind. Aufgrund der guten
Schmierung wird ferner eine lange Lebensdauer der Kugellager 25 und 26 erreicht.
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Auch
die Gleitschuhe 43 werden gegenüber dem auf dem Exzenterabschnitt 32 der
Antriebswelle 14 beweglichen Hubring 34 durch
das Schmieröl 82 geschmiert.
Zur Verbesserung der Schmierwirkung sind hierzu in die plan bearbeitenden
Flächen
(ohne Bezugszeichen) des Hubrings 34 in axialer Richtung verlaufende
Nuten eingebracht. Diese sind in 3 sichtbar,
wobei aus Darstellungsgründen
nur eine mit dem Bezugszeichen 84 gekennzeichnet ist.
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Das
sich in dem Hohlraum 27 zwischen der Ausnehmung 24 und
der Antriebswelle 14 befindende Schmieröl 82 steht unter einem
gewissen Druck. Dieser wird durch den Kolben 72 bzw. dessen
Beaufschlagung durch die Schrauben-Druckfeder 78 bewirkt.
Die Schrauben-Druckfeder 78 hat dabei eine sehr flache
Kennlinie, sodass der Druck des Schmieröls 82 in dem Hohlraum
zwischen Antriebswelle 14 und Ausnehmung unabhängig von
der Stellung des zylindrischen Kolbens 72 im Wesentlichen immer
gleich ist.
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Die
Vorspannkraft durch die Schrauben-Druckfeder 78 ist dabei
so gewählt,
dass der Druck des Schmieröls 82 in
dem Hohlraum 27 zwischen Antriebswelle 14 und
Ausnehmung 24 in etwa einem durchschnittlichen Druck des
zu fördernden Kraftstoffs
im Bereich der Ringnut 58 bzw. im Bereich zwischen Ringnut 58 und
Hohlraum 27 entspricht. Durch diesen Gegendruck des Schmieröls 82 findet zwischen
der mit Kraftstoff gefüllten
Ringnut 58 und dem mit Schmieröl 82 gefüllten Hohlraum 27 nur
wenig Austausch zwischen den entsprechenden Medien statt. Hierdurch
wird das sich im Hohlraum 27 befindende Schmieröl 82 im
Laufe der Zeit nur in geringe Umfange durch den Kraftstoff verdünnt. Der
Zeitraum, nach welchem das Schmieröl 82 ausgetauscht werden
muss, um die Funktion und eine ausreichend lange Lebensdauer der
Kugellager 25 bzw. 26 zu gewährleisten, ist somit sehr lang.
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Der
Spalt zwischen der Antriebswelle 14 und der Ausnehmung
wird nach außen
hin durch einen handelsüblichen
Radial-Dichtring 86 verschlossen.