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Derartige hydrostatische Fördereinheiten haben eine Antriebswelle, über die eine Verdrängereinheit zur Druckbeaufschlagung eines Druckmittels antreibbar ist. Die Verdrängereinheit kann beispielsweise als Flügelzellenpumpe ausgeführt sein, wie sie in der
DE 32 12 363 A1 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Flügelzellenpumpe ist ein Rotor über eine Verzahnung auf den Endabschnitt einer Antriebswelle aufgesetzt, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem die Flügel tragenden Rotor und der Antriebswelle vorliegt. Diese Konstruktion setzt jedoch voraus, dass die Antriebswelle im Bereich des Rotors endet.
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Insbesondere bei Kraftstoffeinspritzsystemen finden Fördereinheiten Verwendung, bei denen über die Antriebswelle sowohl eine Vorförderpumpe – beispielsweise die vorbeschriebene Flügelzellenpumpe – als auch eine Hochdruckpumpe, beispielsweise eine Radialkolbenpumpe angetrieben werden. D. h., die Verdränger beider Pumpen werden von einer gemeinsamen Antriebswelle betätigt und sind in einem gemeinsamen Pumpengehäuse aufgenommen. Bei derartigen Konstruktionen, bei denen die Antriebswelle den Rotor der Flügelzellenpumpe durchsetzt, ist eine Verzahnung zur Verbindung des Rotors mit der Antriebswelle nur mit einem erheblichen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand realisierbar.
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Zur Vereinfachung ist man daher dazu übergegangen, anstelle der Verzahnung eine Scheibenfeder vorzusehen, die in eine Aufnahmenut der Antriebswelle eingepasst ist und mit ihrem radial vorstehenden Endabschnitt in eine Axialnut des Rotors (oder einer sonstigen Verdrängereinheit) eintaucht. Diese Konstruktion ermöglicht es, den Rotor bei bereits im Pumpengehäuse gelagerter Antriebswelle auf diese aufzuschieben und mit dieser drehfest zu verbinden.
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An dem den Rotor durchsetzenden, in das Pumpengehäuse hineinragenden Endabschnitt der Antriebswelle ist dann beispielsweise ein Exzenter zur Betätigung der Verdränger der Radialkolbenpumpe ausgebildet.
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Insbesondere bei den vorgenannten Kraftstaffeinspritzsystemen kann es vorkommen, dass die Antriebswelle aufgrund von Förder- und Druckschwankungen der Hochdruckpumpe wechselnden Belastungen unterworfen ist, die zu einem Beschleunigen oder Abbremsen der Antriebswelle durch die Hochdruckpumpe führen. Durch diese wechselnden oder zyklischen Belastungen der Antriebswelle kann es vorkommen, dass an dieser Scheibenfeder Verschleiss auftritt und dieses Bauteil sogar abgeschert wird.
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Die Druckschrift
US 2,746,391 zeigt eine Rotationspumpe in Form einer Flügelzellenpumpe, bei der eine Antriebswelle über Passfedern mit dem die Flügel tragenden Pumpenrotor verbunden ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fördereinheit zu schaffen, bei der die Lebensdauer auch bei wechselnden Belastungen der Antriebswelle erhöht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fördereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird eine Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar drehfest mit zumindest einem Rotor einer Verdrängereinheit über ein Verbindungsteil mit kreisförmigem Querschnitt verbunden, das in eine entsprechend ausgebildete Aufnahme in der Antriebswelle und dem Rotor eingesetzt wird. Das Verbindungsteil ist dabei mit seiner Achse parallel zur Wellenachse angeordnet. Bei der Erprobung dieser erfindungsgemäßen Fördereinheit zeigte es sich, dass derartige kreisförmige Querschnitte wesentlich unempfindlicher gegenüber Scherkräften sind als die vorbeschriebenen rechteckförmigen Querschnitte, die bei Pass- oder Scheibenfeder verwendet werden.
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Es wird das Verbindungsteil als scheiben- oder zylinderförmiger Mitnehmer ausgeführt, der in eine entsprechende Radialtasche der Antriebswelle und eine Axialnut der Verdrängereinheit (Rotor) aufgenommen ist, so dass ebenfalls wieder eine äusserst einfache Montage ermöglicht wird.
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Eine besonders preiswerte Konstruktion erhält man, wenn der Mitnehmer ein Wälzkörper ist, wie er üblicherweise bei Wälzlagern verwendet wird. Derartige Wälzkörper zeichnen sich durch eine gute Verschleissfestigkeit und hohe Härte aus.
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Durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Verbindungsteils wird zum einen die Montage wesentlich erleichtert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der nicht spielfreien Aufnahme des Verbindungsteils dieses während der Wechselbelastungen der Antriebswelle sich um seine Rotationsachse leicht verdrehen kann, so dass das Verbindungsteil nicht immer an den gleichen Bereichen einer Scherkraft ausgesetzt ist.
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Die erfindungsgemäße Verbindung lässt sich besonders vorteilhaft bei einer Verdrängereinheit einsetzen, die als Flügelzellenpumpe ausgeführt ist. Dabei ist dann ein Rotor der Flügelzellenpumpe über den Spannstift oder den rollenartigen Körper mit der Antriebswelle verbunden.
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Die erfindungsgemäßen Konstruktionen werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die Antriebswelle einer zyklischen Belastung ausgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Fördereinheit lässt sich daher besonders vorteilhaft dann einsetzen, wenn die Antriebswelle auch zum Antrieb einer Hochdruckpumpe verwendet wird.
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Sonstige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Schaltschema eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems mit einer erfindungsgemäßen Fördereinheit;
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2 eine Schnittdarstellung durch eine Fördereinheit für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem;
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3 einen Teilschnitt durch die Fördereinheit aus 2;
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4 eine Detaildarstellung der Fördereinheit aus 2.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltschema eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems eines modernen Verbrennungsmotors. Demgemäß wird über eine Fördereinheit 1 Kraftstoff aus einem Tank T angesaugt und mit Hochdruck von bis zu 2000 bar beaufschlagt, in eine Common-Rail 2 eingespeist. Diese ist mit Kraftstoffeinspritzventilen verbunden, über die der Kraftstoff in die Zylinder des Verbrennungsmotors einspritzbar ist. Die Fördereinheit 1 hat einen Sauganschluss P1, einen Tankanschluss PT und einen Druckanschluss P2, wobei die erstgenannten Anschlüsse P1, PT mit dem Tank T und der Druckanschluss P2 mit der Common-Rail 2 verbunden ist.
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Die Fördereinheit 1 hat eine Vorförderpumpe 6 und eine strichpunktiert angedeutete Hochdruckpumpe 8, die als sauggedrosselte Radialkolbenpumpe ausgeführt ist.
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Die Hochdruckpumpe 8 und die Vorförderpumpe 6 werden über eine gemeinsame Antriebswelle 10 angetrieben. Der Speisedruck der Hochdruckpumpe 8, d. h. der Ausgangsdruck der Vorförderpumpe 6 lässt sich über ein Druckbegrenzungsventil 12 und der Druck am Ausgang der Hochdruckpumpe 8 über ein Druckmodulationsventil 14 begrenzen. Das Druckbegrenzungsventil 14 und ein Saugdrosselventil 16 der Hochdruckpumpe 8 lassen sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors ansteuern, so dass der Volumenstrom zur und der Druck in der Common-Rail 2 ständig in optimaler Weise angepasst wird. D. h., der Druck in der Common-Rail 2 und somit der Druck am Druckanschluss P2 können innerhalb von wenigen Sekundenbruchteilen von vergleichsweise niedrigen Drücken im Bereich von 100 bar bis zu Hochdrücken im Bereich von 1000 bar variieren. Aufgrund dieser schwellenden Belastung der Hochdruckpumpe 8 ist die Antriebswelle 10 einer wechselnden Belastung mit Beschleunigung und Abbremsen unterworfen.
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Wie bereits erwähnt, wird die Hochdruckpumpe
8 in der Regel als Radialkolbenpumpe ausgeführt, wobei eine Vielzahl von Verdrängern über einen Exzenter der Antriebswelle
10 angetrieben werden. Eine derartige Konstruktion ist beispielsweise aus der
DE 197 27 249 A1 bekannt.
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Die Vorförderpumpe 6, über die der Kraftstoff auf einen Druck von beispielsweise 2 bis 5 bar gebracht wird, wird üblicherweise als Flügelzellenpumpe ausgeführt, die sich durch einen besonders einfachen Aufbau auszeichnet.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine Fördereinheit 1 im Bereich der Vorförderpumpe 6. Die Fördereinheit 1 hat ein Pumpengehäuse 18, in dem die Antriebswelle 10 drehbar gelagert ist. Diese ist über ein Verbindungsteil 20 drehfest mit einem Rotor 22 verbunden. Dieser hat eine Vielzahl von Radialschlitzen, in denen Flügel 24 radial verschiebbar geführt sind. Die über den Umfang des Rotors 22 hinausstehenden Endabschnitte der Flügel 24 liegen an der Innenumfangsfläche eines exzentrisch im Pumpengehäuse 18 gelagerten Hubrings 26 an. Durch jeweils benachbarte Flügel 24, den Hubring 26 und den Rotor 22 werden Zellen 28 begrenzt, deren Volumen sich in Abhängigkeit von der Drehposition der Antriebswelle 10 zyklisch vergrössert bzw. verkleinert.
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Diese Volumenänderung der Zellen 28 wird zur Druckbeaufschlagung des Druckmittels – im vorliegenden Fall des Kraftstoffes ausgenutzt. Der Sauganschluss der Vorförderpumpe 6 ist durch eine kreissegmentförmige Saugniere 30 und der Druckanschluss durch eine Druckniere 32 gebildet, die diametral zueinander angeordnet sind. Die Saug- und die Druckniere 30, 32 sind gemäß 3 in einem Pumpendeckel 34 ausgebildet, der mit dem Pumpengehäuse 18 verbunden ist. Den rückwärtigen, seitlichen Abschluss bildet eine Seitenscheibe 36, die in eine Aufnahme des Pumpengehäuses 18 eingesetzt ist. Gemäß 3 ist die Antriebswelle 10 im Bereich der Seitenscheibe 36 durch eine Gleitbuchse 38 gelagert.
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Das Anpressen der Flügel 24 an die Innenumfangsfläche des Hubrings 26 erfolgt über Druckmittel, das in die radial innenliegenden Druckkammern 40 eingeleitet wird.
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4 zeigt eine Detaildarstellung der Fördereinheit aus 2, bei der das Verbindungsteil als Mitnehmerrolle bzw. Mitnehmer 54 ausgeführt ist, die tangential zwischen der Antriebswelle 10 und dem Rotor 22 angeordnet ist. Der Mitnehmer 54 ist einerseits in einer Tasche 56 der Antriebswelle 10 aufgenommen, wobei diese Tasche 56 in Axialrichtung, d. h. senkrecht oberhalb und unterhalb der Zeichenebene (4) verschlossen ist. Rotorseitig ist der Mitnehmer 54 in einer Axialnut 58 aufgenommen, die einen kreisbogenförmig gekrümmten Boden hat. Der Krümmungsradius der Axialnut 58 sowie der Aufnahmetasche 56 ist an den Radius des Mitnehmers 54 angepasst.
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Bei Tests der erfindungsgemäßen Fördereinheit stellte sich heraus, dass für den Mitnehmer 54 besonders gut Wälzkörper eines Wälzlagers verwendet werden können, da diese eine hohe Verschleissfestigkeit aufweisen.
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Der wesentliche Unterschied bei der Verwendung eines Mitnehmers 54 anstelle der eingangs beschriebenen Passscheiben dürfte darin liegen, dass beim Auflaufen des Rotors 22 auf das Verbindungsteil bei dem Mitnehmer 54 aufgrund der Krümmung des Aussenumfangs eine hinsichtlich der Scherkräfte günstigere Krafteinleitung vorliegt als es bei der Passscheibe der Fall war, bei der die Kräfte in die senkrecht dazu angeordnete Passscheibenseitenfläche eingeleitet werden.
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Ein weiterer Vorteil der in der 4 dargestellten Lösung besteht darin, dass die Montage des Mitnehmers 54 sehr einfach ist, da diese ein rotationssymmetrischer Körper ist und somit eine Ausrichtung lediglich in Axialrichtung erforderlich ist. Da der Mitnehmer 54 mit einem geringen Spiel zwischen dem Rotor 22 und der Antriebswelle 10 aufgenommen ist, kann diese sich aufgrund der Winkelbeschleunigungen der Antriebswelle 10 geringfügig verdrehen, so dass die Scherkräfte nicht immer entlang der gleichen Umfangslinien in die Mitnahmerolle 54 eingeleitet werden. Auch dies trägt zur Minimierung des Verschleisses bei.
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Die Montage des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels erfolgt im wesentlichen auf gleiche Weise wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. D. h., der Mitnehmer 54 wird in die Aufnahmetasche 56 der im Pumpengehäuse 18 montierten Antriebswelle 10 eingelegt, nachdem die Seitenscheibe 36 im Gehäuse 18 eingesetzt wurde. Anschliessend werden der Rotor und der Hubring 26 montiert, so dass der Mitnehmer 54 während des Einschiebens in der Axialnut 58 angeordnet ist. Anschließend wird der Pumpendeckel 34 aufgebracht, so dass die Zellen 28 fluiddicht abgesperrt sind.
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Die Mittelachse des Mitnehmers 54 ist in der Darstellung gemäß 3 gestrichelt mit dem Bezugszeichen 60 versehen.
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Selbstverständlich ist die in 4 dargestellte Alternative nicht auf eine Mitnahmerolle 54 mit rotationssymmetrischem Querschnitt beschränkt, sondern es können prinzipiell auch andere Querschnitte verwendet werden, bei denen beispielsweise lediglich im Trennebenenbereich eine gekrümmte oder optimierte Umfangsflächenform verwendet wird, die zu einer günstigeren Krafteinleitung zur Erhöhung der Scherfestigkeit führen.
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Offenbart ist eine Fördereinheit mit einer Antriebswelle, die drehfest mit einer Verdrängereinheit, beispielsweise dem Rotor einer Flügelzellenpumpe verbunden ist. Erfindungsgemäß kann dieser Rotor über einen Mitnehmer mit der Antriebswelle verbunden werden, so dass auch bei wechselnden Belastungen der Antriebswelle eine zuverlässige Verbindung mit minimalem vorrichtungstechnischen und montagetechnischen Aufwand ermöglicht ist.
