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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem,
mit vorzugsweise mehreren bezüglich einer
in einem Pumpengehäuse
gelagerten Antriebswelle radial in einer Zylinderbohrung angeordneten Kolben,
wobei die Kolben einen Kolbenfuß und
einen Kolbenschaft aufweisen, mit einer an jedem Kolbenfuß angebrachten
Platte zur Übertragung
der Förderbewegung
von einem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle und einem mit
diesem zusammenwirkenden Polygonring auf den Kolben, wobei der Polygonring
Abflachungen aufweist, auf denen die Platten aufliegen.
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Wegen der hohen Drücke, auf
die der Kraftstoff gebracht werden muss, sind die von der Antriebswelle
auf die Kolben zu übertragenden
Kräfte sehr
groß.
Bei der Übertragung
der Drehbewegung der Antriebswelle in die oszillierende Bewegung
der Kolben findet eine Relativbewegung zwischen Kolben und Polygonring
in Umfangrichtung der Antriebswelle statt. Um eine möglichst
günstige
Kraftübertragung
vom Polygonring auf die Kolbenfüße zu gewährleisten,
ist an dem dem Polygonring zugewandten Ende des Kolbens eine Platte
vorgesehen. Diese Platte stützt
sich gegen die Abflachung des Polygonrings ab. Die Abflachung des
Polygonrings und die Platte bilden ein Gleitlager, welches durch
den im Innenraum des Pumpengehäuses
befindlichen Kraftstoff geschmiert und gekühlt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Radialkolbenpumpe mit weiter erhöhter
Belastbarkeit bereitzustellen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen mit vorzugsweise mehreren bezüglich einer
in einem Pumpengehäuse
gelagerten Antriebswelle radial in einer Zylinderbohrung angeordneten
Kolben, wobei die Kolben einen Kolbenfuß und einen Kolbenschaft aufweisen,
mit einer an jedem Kolbenfuß angebrachten
Platte zur Übertragung
der Förderbewegung
von einem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle und einem mit
diesem zusammenwirkenden Polygonring auf den Kolben, wobei der Polygonring
Abflachungen aufweist, auf denen die Platten aufliegen, dadurch gelöst, dass
in den Platten mindestens je eine Schmiertasche eingearbeitet ist.
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Durch die Schmiertasche wird die
Menge an Kraftstoff, welche zur Schmierung des Gleitlagers zwischen
Platte und Polygonring zur Verfügung steht,
erhöht,
was sich positiv auf die Belastbarkeit dieses Gleitlagers auswirkt.
Die Befüllung
dieser Schmiertasche erfolgt während
des Saughubs des Kolbens, da während
des Saughubs keine oder nur eine sehr geringe Kraft zwischen der
Platte und dem Polygonring wirkt. Infolgedessen ist der Schmierspalt zwischen
Platte und Polygonring während
des Saughubs relativ groß und
das Einströmen
von Kraftstoff, unterstützt
durch die Kapillarwirkung des Schmierspalts, in die Schmiertasche
wird gefördert. Während des
Förderhubs
wird eine große
Kraft vom Polygonring auf die Platte übertragen. Dadurch verkleinert
sich das mit Kraftstoff gefüllte
Volumen zwischen Platte und Polygonring, welches sich aus dem Schmierspalt
und dem Volumen der Schmiertasche zusammensetzt, so dass Kraftstoff
aus dem Gleitlager herausgepresst wird und somit ein extrem belastbarer
Schmierfilm ausgebildet wird. Dieser Effekt trägt wesentlich zur Steigerung
der Belastbarkeit des Gleitlagers zwischen Platte und Polygonring
bei.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn
die Schmiertasche mittig in der Platte angeordnet ist. In diesem
Fall ist die Flächenpressung
zwischen Platte und Polygonring sehr gleichmäßig, was sich ebenfalls positiv
auf die Belastbarkeit des Gleitlagers auswirkt.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn
die Schmiertaschen eine Tiefe von 0,001 mm – 0,1 mm aufweisen und/oder
der Durchmesser der Schmiertaschen etwa 1/3 bis 2/3 × Durchmesser
der Platten beträgt.
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Des Weiteren hat sich als vorteilhaft
erwiesen, die Schmiertasche konkav auszubilden. Dadurch wird das
Befüllen
der Schmiertasche während des
Saughubs erleichtert.
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Die Befüllung der Schmiertasche während des
Saughubs und die Ausbildung eines stabilen Schmierfilms während des
Förderhubs
kann weiter unterstützt
werden, wenn die Abmessungen der Platten, insbesondere deren Dicke,
so gewählt
sind, dass sich die Platten während
des Förderhubs
durchbiegen und das Volumen der Schmiertaschen weiter verringern.
Die Durchbiegung der Platten kann dabei sehr klein sein und nur
wenige μm
betragen.
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Während
des Saughubs wird die Durchbiegung der Platte wieder rückgängig gemacht
durch die Elastizität
der Platte, so dass ein aktives Ansaugen von Kraftstoff aus dem
Innenraum des Pumpengehäuses
in die Schmiertasche erfolgt. Somit ist eine aktive Förderung
von Kraftstoff in das Gleitlager zwischen Platte und Polygonring
gewährleistet.
Die Fördermenge
nimmt mit steigender Belastung des Kolbens zu, so dass die Belastbarkeit
des Gleitlagers zwischen Platte und Polygonring der Belastung der Radialkolbenpumpe
angepasst ist.
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Zur weiteren Verbesserung der Förderung von
Kraftstoff in die Schmiertasche während des Saughubs können in
den Abflachungen des Polygonrings mindestens eine Schmiernut eingearbeitet
sein, die bei einer seitlichen Auslenkung des Polygonrings relativ
zu den Platten eine hydraulische Verbindung zwischen dem Innenraum
des Pumpengehäuses
und den Schmiertaschen herstellt. Seitlich ausgelenkt ist der Polygonring
relativ zu den Platten, wenn sich der exzentrische Abschnitt der
Antriebswelle zwischen oberem und unterem Totpunkt bewegt. Dabei
ist darauf zu achten, dass die hydraulische Verbindung zwischen
dem Innenraum des Pumpengehäuses
und den Schmiertaschen dann hergestellt wird, wenn sich der Kolben
vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt im Saughub bewegt.
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Alternativ können die Abflachungen des Polygonrings
auch so bemessen werden, dass bei einer seitlichen Auslenkung des
Polygonrings relativ zu den Platten eine hydraulische Verbindung
zwischen dem Innenraum des Pumpengehäuses und den Schmiertaschen
hergestellt wird.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft,
wenn die Schmiertaschen im oberen Totpunkt des Kolbens keine hyraulische
Verbindung zu dem Innenraum des Pumpengehäuses haben, da das Gleitlager
zwischen Platte und Polygonring im oberen Totpunkt seiner maximalen
Belastung ausgesetzt ist. Selbstverständlich soll die hydraulische
Verbindung zwischen dem Innenraum des Pumpengehäuses und den Schmiertaschen
schon vor dem Erreichen des oberen Totpunkts unterbrochen werden,
da erst dann die gewünschte
Ausbildung eines Schmierteils zwischen Platte und Polygonring durch
Verdrängen
von Kraftstoff aus den Schmiertaschen und dem Schmierspalt stattfindet.
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Es hat sich weiter als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Platten im Pumpengehäuse geführt werden, da dann keine seitlichen
Kräfte
auf die Platten wirken und die Neigung zum Verkanten zwischen Platte
und Polygonring reduziert wird. Solche Platten, die im Pumpengehäuse geführt werden,
werden teilweise tassenförmig
ausgebildet.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
im Querschnitt,
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2 bis
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Platte
und eines erfindungsgemäßen Polygonrings
in verschiedenen Darstellungen und
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Platte
und eines erfindungsgemäßen Polygonrings.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe 1 zur
Kraftstoffhochdruckerzeugung in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen
dargestellt. Bei dieser Radialkolbenpumpe 1 sind drei Pumpenelemente 3 in
einem Winkel von jeweils 120 ° zueinander
um eine Antriebswelle 5 angeordnet. In der Schnittebene
von 1 ist ein exzentrischer
Abschnitt der Antriebswelle 5 dargestellt. Oberhalb und unterhalb
der Zeichnungsebene ist die Antriebswelle 5 drehbar in
einem Gehäuse 7 der
Radialkolbenpumpe 1 gelagert (nicht dargestellt).
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Ein Pumpenelement 3 besteht
aus einer Zylinderbohrung 9 und einem Kolben 11,
der in der Zylinderbohrung 9 dichtend geführt ist.
Der Kolben 11 wiederum besteht aus einem Kolbenschaft 13 und
einem Kolbenfuß 15.
Der Kolbenfuß 15 ist
kraftschlüssig
mit einer Platte 17 verbunden.
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Zwischen dem in 1 dargestellten exzentrischen Abschnitt
der Antriebswelle 5 und den Platten 17 ist ein
Polygonring 19 mit Abflachungen 21 angeordnet.
Der Polygonring 19 dient dazu, die Drehbewegung des exzentrischen
Abschnitts der Antriebswelle 5 in eine oszillierende Bewegung
umzusetzen. Während
einer Drehung des exzentrischen Abschnitts der Antriebswelle 5 oszilliert
der polygonförmige
Ring 19 einmal in Richtung der Längsachse der Kolben 11 und
senkrecht zur Längsrichtung
der Kolben 11. Der Polygonring 19 soll sich dabei
nicht drehen, um ein Verkanten zwischen Abflachungen 21 und
Platten 17 zu verhindern. Infolgedessen entsteht eine Gleitbewegung
zwischen Platten 17 und der zugehörigen Abflachung 21.
Die Richtung der Gleitbewegung zwischen Platte 17 und Abflachung 21 ist
in 1 durch die Doppelpfeile
VT angedeutet.
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Der Kolben 13 des in 1 senkrecht nach oben ragenden
Pumpenelements 3 befindet sich nahezu im oberen Totpunkt
(OT). Infolgedessen liegt die Platte 17 etwa mittig auf
der zugehörigen
Abflachung 21 des Polygonrings 19 auf. Im OT liegt
die Platte 17 genau mittig auf der Abflachung 21 auf.
Die beiden anderen Pumpenelemente 3 befinden sich zwischen
ihrem oberen Totpunkt und ihrem unteren Totpunkt. Infolgedessen
liegt die Platte 17 nicht mittig auf der zugehörigen Abflachung 21 auf.
Dieser Zustand wird im Zusammenhang mit der Erfindung als seitliche
Auslenkung des Polygonrings 19 relativ zu den Platten 17 bezeichnet.
Besonders deutlich wird die seitliche Auslenkung des Polygonrings
an dem in 1 recht unten
angeordneten Pumpenelement 3.
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Wegen der großen Kräfte, welche vom Polygonring 19 auf
die Platten 17 übertragen
werden, wenn sich der Kolben 13 vom unteren Totpunkt zu seinem
oberen Totpunkt bewegt, ist eine Schmierung zwischen Platte 17 und
Abflachung 21 zwingend erforderlich. Die Schmierung erfolgt
mit Kraftstoff (nicht dargestellt), welcher in einem Innenraum 25 des
Gehäuses 7 vorhanden
ist.
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Wenn sich der Kolben 13 von
seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt bewegt, wird er über eine
Druckfeder 27, welche sich einenends gegen das Gehäuse 7 und
anderenends gegen die mit dem Kolbenfuß fest verbundene Platte 17 abstützt, in Anlage
an der zugehörigen
Abflachung 21 gehalten. Da die Anpresskraft der Druckfeder 27 sehr
viel geringer ist als die während
des Förderhubs
vom Polygonring auf die Platte 17 übertragene Axialkraft, vergrößert sich
der Schmierspalt zwischen Platte 17 und Polygonring 19 während des
Saughubs. Während des
Förderhubs
wird wegen der großen
zwischen Polygonring 19 und Platte 17 zu übertragenden
Kräfte bei
Radialkolbenpumpen nach dem Stand der Technik der Kraftstoff vollständig aus
dem Schmierspalt zwischen Platte 17 und Polygonring 19 verdrängt, so dass
es zu einem direkten Kontakt zwischen Platte 17 und Polygonring 19 kommen
kann und infolgedessen eine unzulässig hohe Temperaturentwicklung und
ein "Fressen" zwischen Polygonring 19 und
Platte 17 stattfinden kann.
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Um dies zu verhindern, sind in den
Platten 17 Schmiertaschen 29 vorgesehen, deren
Geometrie und Abmessungen anhand der nachfolgenden 2 und 5 näher erläutert werden.
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In 2 sind
ein Polygonring 19 sowie eine Platte 17 vergrößert dargestellt.
Die Platte 17 ist im Schnitt dargestellt. Der Kolbenfuß 15 (siehe 1) ist in den 2–5 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt.
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In 2 ist
zu erkennen, dass die Schmiertaschen 29 bei diesem Ausführungsbeispiel
konkav ausgeführt
sind und einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die
Tiefe der Schmiertaschen 29 etwa 0,001 mm–0,1 mm
beträgt
und die Ausdehnung der Schmiertaschen 29 etwa 1/3–2/3 des
Durchmessers der Platte 17 entspricht.
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In der Abflachung 27 ist
eine Schmiernut 31 angeordnet. Die Schmiernut 31 beginnt
bei diesem Ausführungsbeispiel
am Rand der Abflachung 21 und stellt eine hydraulische
Verbindung zwischen dem Innenraum 25 (siehe 1) und der Schmiertasche 29 her,
wenn der Polygonring 19 relativ zur Platte 17 seitlich
ausgelenkt ist. Dies ist in der in 2 dargestellten
Position des Polygonrings 19 der Fall.
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In 3 ist
der Polygonring 19 nicht seitlich ausgelenkt relativ zur
Platte 17, was daran erkennbar ist, dass die Platte 17 mittig
auf der Abflachung 21 aufliegt. In dieser Position, welche
dann erreicht wird, wenn der Kolben 11 seinen oberen Totpunkt
erreicht hat (siehe 1),
besteht keine hydraulische Verbindung zwischen Schmiertasche 29 und
Innenraum über
die Schmiernut 31. Dies bedeutet, dass der in der Schmiertasche 29 und
dem nicht dargestellten Schmierspalt zwischen Platte 17 und
Abflachung 21 vorhandene Kraftstoff, welcher durch die
große
vom . Polygonring 19 auf die Platte 17 übertragene
Axialkraft des Kolbens 11 verdrängt wird, nur durch das den
Schmierspalt zwischen Platte 17 und Abflachung 21 der
Schmiertasche 29 in den Innenraum gelangen kann. Dadurch
wird ein Schmierkeil zwischen Platte 17 und Abflachung 21 zwangsweise
ausgebildet, was die Tragfähigkeit
des Gleitlagers zwischen Platte 17 und Abflachung 21 erhöht.
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In 4 ist
dieser Effekt weiter veranschaulicht worden. Um die herrschenden
Kräfteverhältnisse
etwas zu veranschaulichen, ist die Axialkraft F eingetragen, welche
die zwischen Platte 17 und Abflachung 21 übertragenen Kräfte andeuten
soll. Die Kraftverteilung innerhalb der Platte 17 ist durch
Pfeile 33 angedeutet.
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Aufgrund der elastischen Durchbiegung (nicht
dargestellt), welche die Platte 17 infolge der Axialkraft
F erfährt,
verringert sich das Volumen der Schmiertasche 29 während des
Förderhubs
des nicht dargestellten Pumpenelements 3, so dass Kraftstoff
zwangsweise aus der Schmiertasche durch den Schmierspalt zwischen
Platte 17 und Abflachung 21 in den Innenraum des
Gehäuses 7 eintritt.
Dieser Effekt kann durch eine geeignete Dimensionierung der Platte 17 weiter
unterstützt
werden. Wenn nämlich
die Platte "weich" ausgebildet wird,
wirkt sie wie eine Feder, welche sich während des Saughubs entspannt
und somit Kraftstoff in die Schmiertasche 29 ansaugt und
durch die Axialkraft F während
des Förderhubs
sich so durchbiegt, dass die Schmiertasche 29 bzw. deren
Volumen verringert wird. Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass
die Platte 17 nur elastisch verformt wird und nicht bricht.
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Der zuvor beschriebene Pumpeffekt
der Platte 17, welcher sich aus den wechselnden Belastungen
der Platte 17 während
des Saughubs und des Förderhubs
einstellt, ist auch wirksam, wenn keine Schmiernut 31 vorgesehen
ist. Allerdings wird dieser Pumpeffekt durch die Schmiernut 31 gefördert.
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In 5 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Platte 17 und
eines erfindungsgemäßen Polygonrings 19 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist keine Schmiernut 31 in der Abflachung 21 des
Polygonrings 19 vorgesehen. Stattdessen ist die Abflachung 21 so
dimensioniert, dass bei maximaler seitlicher Auslenkung des Polygonrings 19 relativ
zur Platte 17 die Schmiertasche 29 über die
Abflachung 21 hinausragt. Dieser Zustand ist in 5 mit durchgezogenen Linien
dargestellt. Dadurch stellt sich zwangsläufig eine hydraulische Verbindung
zwischen Innenraum 25 (siehe 1)
und Schmiertasche 29 ein. Sobald der Polygonring 29 sich
in 5 relativ zur Platte 17 nach rechts
bewegt (dieser Zustand ist in 5 durch
eine gestrichelte Darstellung des Kolbenschafts 13 und der
Platte 17 angedeutet), wird die Verbindung zwischen Schmiertasche 29 und
Innenraum 25 (siehe 1)
unterbrochen und es kommt zu der erfindungsgemäßen zwangsweisen Ausbildung
eines Schmierkeils zwischen Platte 17 und Abflachung 21.