EP3039281A1 - Kraftstoffhochdruckpumpe und druckbeeinflussungseinrichtung - Google Patents

Kraftstoffhochdruckpumpe und druckbeeinflussungseinrichtung

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EP3039281A1
EP3039281A1 EP15733402.0A EP15733402A EP3039281A1 EP 3039281 A1 EP3039281 A1 EP 3039281A1 EP 15733402 A EP15733402 A EP 15733402A EP 3039281 A1 EP3039281 A1 EP 3039281A1
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EP
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rod
dome
axis
pressure
plunger
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Continental Automotive GmbH
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Publication date
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Definitions

  • High-pressure fuel pump and the pressure influencing device The invention relates to a high-pressure fuel pump for loading ⁇ open a fuel pressure and a Druckbe ⁇ einpoundungs adopted for affecting a pressure in a medium, such as an engine valve and said high-pressure fuel pump.
  • a rod is often IN ANY ⁇ , which is driven by a plunger.
  • the plunger on its part, for example, is driven in the case of a piston pump as a high-pressure fuel pump by a camshaft of a combustion ⁇ engine.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a rod 12 driven by a tappet 10.
  • the arrangement shown in FIG. 12 can be used both in a piston pump 14, for example, as a high-pressure fuel pump 16 and in engine valves 18.
  • a high-pressure fuel pump 16 and motor valve 18 - is by a movement of the rod 12 - which in the case of the piston pump 14 is a piston 20 - a pressure in a arranged in Fig. 12 above the piston 20, not shown space at a first end portion 22 of the rod 12 influenced.
  • fuel is pressurized by the BEWE ⁇ supply of the piston 20 along a piston axis 24 with pressure.
  • the pressure-influencing device 28 in FIG. 12 has a rod guide 30 for guiding the rod 12 and a rod guide 30
  • the plunger 10 is constructed from a plunger shirt 34 and a cross member 36 and the cross member 36 is in contact with a roller 38 via the plunger shirt 34.
  • a cam shaft moves the roller 38 up and down along a ram guide axis 50, which coincides with the rod guide axis 52 in FIG. 12, and the roller 38 transmits this upward and downward movement to the cross member 36.
  • the crossbeam 36 is in turn in Kon ⁇ clock with the rod 12 at a second end portion 42 of the rod 12, and transmits the up and down movement next to the rod 12, so that this with its first end portion 22 of a pressure in an upstream of the first end portion 22 of the rod 12 arranged, not shown room can influence.
  • FIG. 12 also shows diagrammatically a flange 44 with which the pressure-influencing device 28 can be fastened, for example, to a motor housing.
  • the individual forces are influenced as follows: - To the Hertz 'see pressure and the angular error between the guide shafts 50 to be able to compensate 52 is a spherical rod end 48, in particular dome-shaped, ver ⁇ turns.
  • the dome-shaped rod end 48 is placed on a flat traverse 36, as shown in Fig. 13.
  • the flatness of the traverse 36 allows both a convex and a concave surface, Therefore, in order to obtain allowable Hertzian pressures, either the tolerances for the flatness and / or the tolerances for the shape of the dome-shaped rod end 48 must be reduced, which leads to an increase in the production costs Furthermore, it is also possible to increase the radius of the dome-shaped rod end 48, whereby, however, the
  • the resulting transverse forces can also by a lower stiffness or
  • Cross spring rate of the rod 12 can be reduced, which is usually difficult to achieve due to the axial load F a and the required component strength.
  • the angular error as a whole is the sum of the angular error between the guide shafts 50, 52, the guide plays (i.e., tilting of the plunger 10 in the plunger guide 32 and the rod 12 in the rod guide 30), and the
  • the object of the invention is therefore to provide an improved in this respect pressure influencing device or high-pressure fuel pump.
  • a high-pressure fuel pump for applying a force ⁇ material with pressure has a between a first top dead center and a second bottom dead center along a Piston axis movably arranged piston, and a plunger with a substantially perpendicular to a plunger axis arranged traverse for transmitting kinetic energy from a plunger drive on the piston in a contact region of a truss surface and an end portion of the piston.
  • the piston In the contact region, the piston has a dome-shaped end region and the traverse also has a dome-shaped bulge.
  • top dead center is intended to mean a position of the rod in which the rod of a drive, for example a cam shaft is pressed against its highest deflection ⁇ point along the rod axis relative to an axis, for example, of the camshaft.
  • bottom dead center is to be understood as the point at which the rod is closest to the axis of, for example, the camshaft.
  • pressure influencing means for influencing a pressure in a medium comprises a rod having a first end portion for defining a medium containing space, the rod being movably arranged along a rod axis between a first top dead center and a second bottom dead center.
  • a plunger with a substantially perpendicular to one
  • Plunger axis arranged traverse for transmitting kinetic energy from a plunger drive to the rod in a contact region of a truss surface and a two ⁇ th end portion of the rod, which is arranged opposite to the first end portion provided.
  • the rod In the contact region, the rod has a dome-shaped end region and the traverse also has a dome-shaped bulge.
  • the pressure-influencing device can be a high-pressure fuel pump or an engine valve. In case of High-pressure fuel pump is then the rod formed by the piston.
  • the rod with its dome-shaped rod end no longer moves on a flat traverse, but in a dome-shaped trench, ie. H. the previous "dome-surface contact” is replaced by a "dome-dome contact”.
  • a dome in particular a spherical cap, is introduced into the hitherto flat surface of the traverse. This can be at the same
  • Hertz 'shear pressing a smaller radius at the dome-shaped end portion of the rod can be selected.
  • the angular error ⁇ is thereby completely eliminated. Only a slight coaxial error between a rod axis and a midpoint of the dome shape remains. This has a positive effect on the lateral forces and the resulting moments, since the contact angle ßi or ß 2 and the lever arms ai and a2 redu ⁇ are adorned.
  • a contact point K between the cross member and the rod shifts from an outer edge region of the dome-shaped end portion of the rod to the rod axis.
  • the described lever arms ai and a 2 the distances between the contact point K and a ram guide axis or a rod guide axis define, as well as the contact angle ßi, ß 2 , the angle of each normal to the traverse at the contact point K to a rod axis or a Defining ram axis, significantly reduced.
  • the traverse in adjacent to the dome-shaped bulge areas on a substantially perpendicular to the plunger axis flat trained truss surface.
  • the region of the truss surface which comes into contact with the dome-shaped end region of the rod is preferably not completely dome-shaped, but additionally has even partial regions. This contributes advantageously to the reinforcement of the traverse as a whole.
  • the dome-shaped bulge can be generated in the truss surface by being introduced by ref ⁇ conditions in a flat truss surface. Since ⁇ , an advantageous cost-effective realization of the traverse surface geometry can be achieved by.
  • dome-shaped bulge disposed symmetrically about a traverse perpendicular to its longitudinal axis bisecting axis.
  • the dome-shaped bulge is advantageously arranged symmetrically overall on the side of the traverse, which comes into contact with the dome-shaped end region of the rod.
  • a defined position ei ⁇ nes midpoint of the dome-shaped bulge can be advantageously generated on the crosshead, which in turn leads to an advantageous defined leadership of the rod by the crossbar.
  • the traverse is radial to the
  • the traverse is inserted in particular special ⁇ without radial attachment in the plunger.
  • the coaxial errors can advantageously be compensated via the radially movable traverse.
  • the Koaxialfeh ⁇ ler advantageous only a very small proportion of the lever arms ai and a 2 , it is preferably a static position error of the dome shape.
  • the traverse preferably finds its position within the first strokes of the rod and can thus preferably compensate for the static position error.
  • a bulge radius of the dome-shaped bulge of the traverse is greater than a rod radius of the dome-shaped end region of the rod.
  • a rod guide is provided with a rod guide axis, wherein a rod end radius of the
  • dome-shaped end portion of the rod is less than or equal to a distance prevailing at the top dead center of the rod from a tangent on a rod dome surface on the rod axis to an intersection of the ram axis and the rod guide axis.
  • the distance between the tangent to the dome-shaped end portion of the rod in the point where the rod axis intersects an outer surface of the rod and an intersection of the ram axis with the rod guide axis varies during operation of the rod.
  • the distance is smaller at top dead center of the rod than at bottom dead center and all operating states in between. That is, the radius of the dome-shaped end portion of the rod is preferably less than or equal to the smallest distance between the intersection of the guide axes and a smallest protrusion of the rod end - in the position at top dead center - selected. This results in that the contact angles ßi and ß2 are advantageously smaller or equal to the angle error and thus preferably act only low lateral forces.
  • the bulge radius of the dome-shaped bulge is significantly greater than the radius of the dome-shaped end region.
  • a rod guide with egg ⁇ ner rod guide axis is advantageously provided, wherein a rod end radius of the dome-shaped end portion of the rod is greater than a prevailing at the top dead center of the rod distance from a tangent to a Stangenkalottenoberflache on the rod axis to an intersection of the plunger axis and Rod guide axis, wherein a bulge radius of the dome-shaped bulge of the traverse is so much greater than a Stangenendradius the dome-shaped Endberei ⁇ Che the rod that the Hertz 'see pressing when using the same materials in the region of a contact a flat truss surface with a dome-shaped end portion of the rod lies.
  • dome-shaped recess is provided in the traverse, should be at least similar values for the advantageous
  • the pressure influencing device can be advantageous to a high-pressure fuel pump, but it may also alterna ⁇ tive be an engine valve.
  • An advantageous embodiment of the invention is explained nachfol ⁇ quietly with reference to the accompanying drawings.
  • Fig. 1 shows a detail of an internal combustion engine with a
  • Pressure-influencing device wherein the pressure-influencing means is a high-pressure fuel pump, which is fixed with a flange in the internal combustion engine;
  • FIG. 2 shows a detail of an internal combustion engine with a pressure-influencing device without flange attachment
  • FIG. 3 shows the pressure-influencing device from FIGS. 1 and 2 with a dome-shaped bulge in a traverse of a tappet;
  • Fig. 7 is a schematic geometric representation of
  • Pressure-influencing device from FIG. 5 for representing the contact angle and lever arms
  • Fig. 8 is a schematic geometric representation of
  • FIG. 10 shows a further schematic geoemtrical representation of the pressure-influencing device from FIG. 6 to FIG Representation of ideal radii ratios of
  • FIG. 1 a diagram illustrating the prevailing radial forces in various geometric arrangements of the pressure influencing device depending on the force acting on a rod axis force; a pressure-influencing device according to the prior art without geometric errors; and a prior art pressure-influencing device with geometric errors.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 56 to which a pressure-influencing device 28 in the form of a high-pressure fuel pump 16 is attached via a flange 44.
  • the Druckbe ⁇ influencing device 28 has a plunger 10 with a plunger guide 32, a plunger shirt 34 and a cross member 36. Furthermore, the pressure-influencing device 28 has a rod 12 in the form of a piston 20 and a rod guide 30.
  • FIG. 3 the pressure-influencing device of FIG. 1 with flange 44, which forms a flange 58, shown schematically ⁇ table.
  • the pressure-influencing device 28 in the form of the high-pressure fuel pump 16 has the plunger 10 with plunger guide 30, plunger shirt 34 and cross member 36 and the rod 12 with rod guide 30.
  • the rod 12 of the traverse 36 is between a first top dead center 60 and a second bottom dead center 62 along a rod axis 26 driven, that is, moved up and down.
  • the crossbeam 36, as ⁇ derum is driven by a below the cross member 36 arranged roller 38 along a ram axis 40, which coincides in the embodiment shown in Fig. 3 the idealized representation of the pressure influencing device 28 with the rod axis 26.
  • the roller 38 is driven via a camshaft 65 of the Ver ⁇ combustion engine 56.
  • the roller 38 and the camshaft 65 thus together form a plunger drive 66th
  • the rod 12, and the piston 20 has a play in the rod guide 30, as well as the plunger 10 has a play in the plunger guide 32.
  • the cross member 36 is movable in the plunger shirt 34 gela ⁇ siege, which is indicated by the arrows P, and is movable radially to the plunger axis 40 in all directions.
  • the crossbar 36 and the rod 12 point contact ⁇ form in a contact region 68 of a truss surface 70 and a second end portion 42 of the rod 12, which is opposite to a first end portion 22.
  • the traverse has a dome-shaped bulge 72 and the rod 12 has a dome-shaped end region 74.
  • the dome-shaped bulge 72 does not span the entire truss surface 70, but the traverse 36 has, adjacent to the dome-shaped bulge 72, a truss surface which is formed perpendicular to the ram axis 40.
  • the dome-shaped bulge 72 can be introduced into the truss surface 70 by embossing, for example.
  • the dome-shaped bulge 72 is symmetrical on the
  • Traverse surface 70 arranged so that the lowest point of the dome-shaped bulge 72 of the plunger shaft 40, which runs perpendicular to a longitudinal axis 76 of the crossbar 36, is cut.
  • Fig. 3 shows represent only an idealized representation of Druckbe ⁇ einhneungs Huawei 28, while in Fig. 4, the actually prevailing conditions oversubscribed ones shown, is shown.
  • the plunger guide axis 50 and the rod guide axis 52 or the plunger axis 40 and the rod axis 26 do not coincide, so that in addition to a force acting perpendicular to the rod 12 axial force F a transverse forces act.
  • a transverse forces act.
  • FIG. 5 This is shown by a comparison between a pressure-influencing device 28 according to the prior art, shown in FIG. 5, and the pressure-influencing device 28 proposed here, shown in FIG. 6.
  • a contact point K between dome-shaped end portion 74 and cross member 36 is significantly further away from the rod axis 26 than in the Druckbeinpoundungs- device 28th 6.
  • FIG. through this greater distance also larger contact angle SSI, SS2 and ver ⁇ scenicte transverse forces acting result.
  • FIG. 7 schematically illustrates the situation of the pressure-leg influencing device 28 from FIG. 5 in a geometrical arrangement.
  • the play in the guides 30, 32 and the coaxial error in an intersection point S between the rod axis 26 and the plunger axis 40 has not been shown. because these errors are usually very small in relation to the errors shown.
  • the traverse 36 can have an angular misalignment ⁇ in both the positive and negative directions.
  • the contact angles are ßi In the event of the uprising ⁇ point 78, drawn ß2, which are relatively large Next located.
  • ⁇ kende Axsialkraft F a to the rod axis 26 and the lever arms ai and a 2 , which represent the distance between the respective contact point ⁇ point 78, 80, 82 of the plunger axis 40, and the rod ⁇ axis 26.
  • the larger the contact angle ßi, ß 2 and thus the larger the lever arms ai and a 2 the greater the transverse forces acting on the Druckbeeinflus- device 28.
  • FIG. 8 shows the situation of the pressure influencing 28 according to FIG. 6 geometrically.
  • the angle error ⁇ of the crossbeam 36 becomes irrelevant due to the dome-shaped bulge 72 in the crossmember 36.
  • the riot angle ß can only be as large as the angle error. It therefore results Also, only the lever arm a 2 , ie a distance between the contact ⁇ point K and rod axis 26, the lever arm ai deleted.
  • a bulge radius 88 of the dome-shaped bulge of the traverse 36 is greater than the rod end radius 84. Therefore, it is also advantageous if the traverse 36 is provided with sufficient rigidity. As a result, it can be ⁇ enough that the contact point K is always between the axes 50, 52 and a very small spread between "worst case” and “best case” tolerances can be realized.
  • FIG. 9 illustrates various situations of the rod end radius 84 for the first case.
  • Rod ends 48 are shown with three different rod end radii 84.
  • a stroke 90 of the rods 12 is indicated.
  • the contact point 82 of the rod 12 is located with the Gr Deposit ⁇ th Stangenendradius 84 significantly spaced from the rod axis 26.
  • the situation is best when the rod end radius 84 is smaller than a m i n .
  • the rod end radius 84 is chosen to be larger than a m i n .
  • This constellation provides a significant IMPROVE ⁇ tion to the situation in Figure 5 is as long as the Ausbuchtungsradius 88 has a minimum radius that is significantly greater than the Stangenendradius 84.
  • the situation -. Case two - is shown in Figure 10 for two different Ausbuchtungsradien 88. shown. Also provided are ⁇ two rods 12 with different end radii 84 in a range greater than a m i n.
  • Fig. 11 is a diagram showing the lateral force acting on the pressure influencing means 28 in accordance with the axial load F a .
  • Chart A illustrates the relationship of forces for a printing influencing ⁇ device 28 without dome-shaped bulge 72 in the cross member 36 for the "best case” situation is shown in Fig. 7 with the uprising 82nd contrast
  • the diagram C represents the situation for a Pressure influencing device 28 without dome-shaped bulge 72 for the "worst case” scenario - Aufstandstician 78 in Fig. 7 - dar.
  • the diagram B shows the balance of power for a Druckbe ⁇ influencing device 28 having a dome-shaped bulge 72 in the traverse 36.
  • the traverse 36 in the slide ⁇ gramme B has a radial mobility to the ram axis 40.
  • the diagram D shows the situation of a pressure-influencing ⁇ device 28 with the dome-shaped bulge 72, when the traverse 36 is fixed and not radially to
  • Ram axis 40 is movable.
  • dome-shaped bulge 72 and movable cross-member 36 provides significantly better balance of power than the "worst case” scenario of pressure-influencing device 28 without dome-shaped bulge 72. Since the achievement of "worst case” and “ best case “is not controllable and the flow of forces in the diagram B close to the""case zoom is best case, there is a bes ⁇ ser controllable forces in a Druckbeeinflus- Sealing device 28 with dome-shaped bulge 72nd
  • the dome-shaped bulge 72 generates multi-directional lateral forces, which lie at a low level between "best case” and “worst case” of Druckbeeinflus ⁇ sungs Rhein 28 according to the prior art. This corresponds to a general reduction of the prevailing lateral forces.
  • the dome-shaped bulge 72 of the traverse 36 can be produced by simple stamping, which is particularly cost-effective. Can be a total of the angle error is ⁇ completely eliminated and the scattering of and size of the overall angle error ßi or ß2 is uplifting ⁇ Lich reduced so that expected for the design with virtually konstan ⁇ th loads and "best case” and “worst case "Advantageously close to each other.
  • the guides can be maintained at swift pairing of the rod 84 and the radius 88 Ausbuchtungsradius SSI and SS2 even smaller than the non- ⁇ avoidable error angle between the axes 50, 52nd
  • dome-shaped bulge 72 of course also in a separate shoe, which is arranged in the plunger 10 may be provided.
  • Angular error (ram guide axis - rod axis)
  • ßi Rupture angle (rod axis - normal on traverse in contact point)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe (16) zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Druck, wobei ein zwischen einem ersten, oberen Totpunkt (60) und einem zweiten, unteren Totpunkt (62) entlang einer Kolbenachse (24) beweglich angeordneter Kolben (20) sowie ein Stößel (10) mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Stößelachse (40) angeordneten Traverse (36) zum Übertragen von kinetischer Energie von einem Stößelantrieb (66) auf den Kolben (20) in einem Kontaktbereich (68) von einer Traversenoberfläche (70) und einem Endbereich (42) des Kolbens (20) vorgesehen sind. In dem Kontaktbereich (68) weist der Kolben (20) einen kalottenförmigen Endbereich (74) und die Traverse (36) eine kalottenförmige Ausbuchtung (72) auf.

Description

Beschreibung
Kraftstoffhochdruckpumpe und Druckbeeinflussungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Be¬ aufschlagen eines Kraftstoffes mit Druck und eine Druckbe¬ einflussungseinrichtung zum Beeinflussen eines Druckes in einem Medium, wie beispielsweise ein Motorventil bzw. besagte Kraftstoffhochdruckpumpe .
Sowohl bei Motorventilen als auch bei beispielsweise Kolbenpumpen, die als Kraftstoffhochdruckpumpen zum Pumpen von Kraftstoff verwendet werden, ist häufig eine Stange vorhan¬ den, die durch einen Stößel angetrieben wird. Der Stößel sei- nerseits wird beispielsweise im Falle einer Kolbenpumpe als Kraftstoffhochdruckpumpe von einer Nockenwelle einer Brenn¬ kraftmaschine angetrieben.
Fig. 12 zeigt eine Prinzipsdarstellung einer durch einen Stö- ßel 10 angetriebenen Stange 12. Die in Fig. 12 dargestellte Anordnung kann sowohl in beispielsweise einer Kolbenpumpe 14 als Kraftstoffhochdruckpumpe 16 als auch in Motorventilen 18 verwendet werden. In beiden Fällen - Kraftstoffhochdruckpumpe 16 und Motorventil 18 - wird durch eine Bewegung der Stange 12 - die im Falle der Kolbenpumpe 14 einen Kolben 20 darstellt - ein Druck in einem in Fig. 12 oberhalb des Kolbens 20 angeordneten, nicht dargestellten Raum an einem ersten Endbereich 22 der Stange 12 beeinflusst. Im Falle der Kolbenpumpe 14 wird Kraftstoff durch die Bewe¬ gung des Kolbens 20 entlang einer Kolbenachse 24 mit Druck beaufschlagt .
Im Falle eines Motorventils 18 wird durch die Bewegung der Stange 12 entlang einer Stangenachse 26 das Motorventil 18 geöffnet und geschlossen und somit beim Öffnen ein Druck abgelassen bzw. beim Schließen des Motorventils 18 Druck aufgebaut . Insgesamt stellt daher die in Fig. 12 gezeigte Anordnung so¬ wohl bei der Anwendung in einer Kolbenpumpe 14 als auch bei der Anwendung in einem Motorventil 18 eine Druckbeeinflus¬ sungseinrichtung 28 dar.
Die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 in Fig. 12 weist eine Stangenführung 30 zur Führung der Stange 12 und eine
Stößelführung 32 zur Führung des Stößels 10 auf. Der Stößel 10 ist aus einem Stößelhemd 34 und einer Traverse 36 aufge- baut und die die Traverse 36 ist über das Stößelhemd 34 mit einer Rolle 38 in Kontakt. Eine Nockenwelle bewegt die Rolle 38 entlang einer Stößelführungsachse 50, die in Fig. 12 mit der Stangenführungsachse 52 zusammenfällt, auf- und abwärts, wobei die Rolle 38 diese Auf- und Abwärtsbewegung auf die Traverse 36 überträgt. Die Traverse 36 wiederum ist in Kon¬ takt mit der Stange 12 an einem zweiten Endbereich 42 der Stange 12 und überträgt die Auf- und Abwärtsbewegung weiter auf die Stange 12, so dass diese mit ihren ersten Endbereich 22 einen Druck in einem oberhalb des ersten Endbereichs 22 der Stange 12 angeordneten, nicht gezeigten Raum beeinflussen kann .
In Fig. 12 ist weiter auch schematisch ein Flansch 44 dargestellt, mit dem die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 bei- spielsweise an einem Motorgehäuse befestigt werden kann.
Allgemein entstehen bei einer durch den Stößel 10 angetriebenen Stange 12 - beispielsweise in Motorventilen 18 oder auch bei Kolbenpumpen 14 - in einem Kontaktpunkt 46 zwischen einem Stangenende 48 im zweiten Endbereich 42 der Stange 12 und der Traverse 36 des Stößels 10 erhebliche Kontaktkräfte. Dies wird einerseits verursacht durch die Axiallast Fa, anderer¬ seits jedoch auch über geometrische Toleranzen der einzelnen Bauteile der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 und dem jewei- ligen Spiel der einzelnen Elemente in der Druckbeeinflus¬ sungseinrichtung 28.
Im Einzelnen wirken die folgenden Kräfte: - Die Hertz' sehe Pressung bzw. der Hertz' sehe Kontakt (Fa, siehe Fig. 12) durch die Axialkraft Fa, die eine Abplattung der miteinander in Kontakt stehenden Flächen bewirkt und, so- dass statt eines idealen punktförmigen Kontaktes eine Kon¬ taktfläche mit vergrößerter Kontaktfläche vorherrscht;
- Querkräfte (siehe in Fig. 13), die aus einem Winkelfehler zwischen einer Stößelführungsachse 50 und der Stangenachse 26 resultieren;
- Querkräfte durch den Aufstandswinkel ßi zwischen der Stan¬ genachse 26 und der Normalen im Aufstandspunkt der Traverse 36 auf die Stange 12 (siehe Fig. 13);
- Querkräfte durch den Aufstandswinkel ß2 zwischen der
Stößelachse 40 und der Normalen im Aufstandspunkt der Traver- se 36 auf den Stößel 10 (siehe Fig. 13);
- Aufstandsmomente als Produkt aus der Axiallast Fa und den Abständen ai bzw. a2 eines Kontaktpunktes K von Traverse 36 zu Stange 12 zu der Stößelführungsachse 50 bzw. einer Stan¬ genführungsachse 52 (vgl. Fig. 13) . Die Aufstandsmomente wer- den hervorgerufen durch die Aufstandswinkel ßi und ß2, den Ko¬ axialfehler der beiden Führungsachsen 50, 52, d. h. dem Winkelfehler , und den Abstand zwischen der Stößelführungsachse 50 und einem Schnittpunkt S einer Flanschfläche 54 des Flan¬ sches 44 mit der Stangenführungsachse 52.
All diese Kräfte führen sowohl in der Stößelführung 32 als auch in der Stangenführung 30 zu erheblichen Lagerreaktionskräften, welche zu Verschleiß und schließlich zum Fressen der Linear- bzw. Gleitführungen führen können. Die maximal zuläs- sigen Lagerreaktionskräfte in den Führungen 50, 52 bestimmen die maximal zulässigen Fehler des Gesamtsystems.
Bisher wurde zur Verbesserung des Systems mit engen Toleranzen mit hohen Herstellungskosten bzw. mit einer Erhöhung der Führungslängen gearbeitet. Die einzelnen Kräfte werden dabei folgendermaßen beeinflusst: - Um die Hertz' sehe Pressung und den Winkelfehler zwischen den Führungsachsen 50, 52 kompensieren zu können, wird ein balliges Stangenende 48, insbesondere in Kalottenform, ver¬ wendet. Der Begriff „Kalotte" umfasst dabei sämtliche Segmen- te auf kuppeiförmigen Körpern. Das kalottenförmige Stangenende 48 wird, wie in Fig. 13 gezeigt, auf eine ebene Traverse 36 gestellt. Die Ebenheit der Traverse 36 lässt sowohl eine konvexe als auch konkave Fläche zu, was zu einer erheblichen Streuung der Hertz' sehen Pressung führt. Zur Erzielung von zulässigen Hertz 'sehen Pressungen müssen daher entweder die Toleranzen für die Ebenheit und/oder die Toleranzen für die Form des kalottenförmigen Stangenendes 48 reduziert werden, was mit einer Erhöhung der Herstellungskosten einhergeht. Weiter ist es auch möglich, den Radius des kalottenförmigen Stangenendes 48 zu vergrößern, wodurch jedoch das
Aufstandsmoment steigt. Zur Kompensation müssen daher wiede¬ rum die Toleranzen eingeschränkt werden, was ebenfalls zur Erhöhung der Herstellungskosten führt.
- Querkräfte aus dem Winkelfehler können nur durch Ein- schränkung der Toleranzen reduziert werden, was mit höheren
Fertigungskosten einhergeht. Die daraus resultierenden Querkräfte können auch durch eine geringere Steifigkeit bzw.
Querfederrate der Stange 12 reduziert werden, was aufgrund der Axiallast Fa und der erforderlichen Bauteilfestigkeit zu- meist nur schwer erreichbar ist.
- Der Winkelfehler insgesamt ist die Summe aus dem Winkelfehler zwischen den Führungsachsen 50, 52, den Führungspielen (d. h. Verkippen des Stößels 10 in der Stößelführung 32 bzw. der Stange 12 in der Stangenführung 30), und der
Rechtwinkligkeit γ der Traverse 36, d. h. dem Winkelfehler der Traverse 36 zum Führungsdurchmesser des Stößels 10, d. h. des Stößelhemdes 34. Die Summe dieser Winkelfehler sind die Aufstandswinkel ß i und ß 2 . Die resultierende Querkraft auf die Stange 12 berechnet sich über den Term sin ß i x Fa. Die resultierende Querkraft auf den Stößel 10 berechnet sich über den Term sin ß 2 x (Fa x 1/cos ) . Diese Querkräfte können nur durch Reduzierung der Toleranzen und/oder in bedingtem Maße durch Erhöhung der Führungslängen reduziert werden. Beides führt jedoch zur Erhöhung der Herstellungskosten.
- Die Hebelarme ai und a2 zu den Führungsachsen 50, 52 resul¬ tieren aus den Koaxialfehlern der Führungen 50, 52 zueinander und den Aufstandswinkeln ßi bzw. ß2, welche aus den Winkel¬ fehlern , γ und dem Radius des kalottenförmigen Stangenendes 48 resultieren. Dies führt zum radialen Auswandern des Kontaktpunktes K und erzeugt die Hebelarme ai und a2. Zur Redu¬ zierung der Hebelarme ai und a2 können entweder die Toleran- zen der Koaxialfehler oder des Radius des kalottenförmigen Stangenendes 48 eingeschränkt werden. Dies führt jedoch zu keiner großen Verbesserung und dennoch steigenden Herstellungskosten. Alternativ kann auch der Nennwert des Radius des kalottenförmigen Stangenendes 48 verkleinert werden, was je- doch meist aufgrund der Hertz' sehen Pressungen nur schwer möglich ist.
Insgesamt können daher die erheblichen Kontaktkräfte, die in einem Aufbau nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 12 und Fig. 13 bei Kontakt eines kalottenförmigen Stangenendes 48 mit einer ebenen Traverse 36 vorherrschen, nur unter erheblicher Erhöhung der Herstellungskosten und nur unbefriedigend gelöst werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine in dieser Hinsicht verbesserte Druckbeeinflussungseinrichtung bzw. Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. eine Druckbeeinflussungseinrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraft¬ stoffes mit Druck weist einen zwischen einem ersten, oberen Totpunkt und einem zweiten, unteren Totpunkt entlang einer Kolbenachse beweglich angeordneten Kolben, sowie einen Stößel mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Stößelachse angeordneten Traverse zum Übertragen von kinetischer Energie von einem Stößelantrieb auf den Kolben in einen Kontaktbe- reich von einer Traversenoberfläche und einem Endbereich des Kolbens auf. In dem Kontaktbereich weist der Kolben einen kalottenförmigen Endbereich und die Traverse eine ebenfalls kalottenförmige Ausbuchtung auf. Unter dem „oberen Totpunkt" soll eine Position der Stange verstanden werden, in der die Stange von einem Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle, an ihren höchsten Auslenkungs¬ punkt entlang der Stangenachse relativ zu einer Achse von beispielsweise der Nockenwelle gedrückt ist. Analog ist unter dem Begriff „unterer Totpunkt" der Punkt zu verstehen, an dem sich die Stange am dichtesten an der Achse von beispielsweise der Nockenwelle befindet.
Entsprechend weist eine Druckbeeinflussungseinrichtung zum Beeinflussen eines Druckes in einem Medium eine Stange mit einem ersten Endbereich zum Begrenzen eines das Medium aufweisenden Raumes auf, wobei die Stange entlang einer Stangenachse zwischen einem ersten, oberen Totpunkt und einem zweiten, unteren Totpunkt beweglich angeordnet ist. Weiter ist ein Stößel mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer
Stößelachse angeordneten Traverse zum Übertragen von kinetischer Energie von einem Stößelantrieb auf die Stange in einem Kontaktbereich von einer Traversenoberfläche und einem zwei¬ ten Endbereich der Stange, der gegenüberliegend zu dem ersten Endbereich angeordnet ist, vorgesehen. In dem Kontaktbereich weist die Stange einen kalottenförmigen Endbereich und die Traverse eine ebenfalls kalottenförmige Ausbuchtung auf.
Somit ist der zweite Endbereich der Stange durch den
kalottenförmigen Endbereich gebildet.
Die Druckbeeinflussungseinrichtung kann dabei eine Kraftstoffhochdruckpumpe oder ein Motorventil sein. Im Falle der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dann die Stange durch den Kolben gebildet .
Durch die beschriebene Anordnung bewegt sich nun die Stange mit ihrem kalottenförmigen Stangenende nicht mehr auf einer ebenen Traverse, sondern in einem kalottenförmigen Graben, d. h. der bisherige „Kalotten-Flächen-Kontakt" wird durch einen „Kalotten-Kalotten-Kontakt" ersetzt. Dabei wird in die bisher ebene Fläche der Traverse eine Kalotte, insbesondere eine Ku- gelkalotte, eingebracht. Dadurch kann bei gleicher
Hertz' scher Pressung ein kleinerer Radius am kalottenförmigen Endbereich der Stange gewählt werden. Der Winkelfehler γ wird dadurch vollständig eliminiert. Lediglich ein geringfügiger Koaxialfehler zwischen einer Stangenachse und einem Mittel- punkt der Kalottenform bleibt zurück. Dies wirkt sich positiv auf die Querkräfte und die resultierenden Momente aus, da die Aufstandswinkel ßi bzw. ß2 und die Hebelarme ai und a2 redu¬ ziert werden. Denn durch die kalottenförmige Ausbuchtung in der Traverse verschiebt sich ein Kontaktpunkt K zwischen der Traverse und der Stange von einem äußeren Randbereich des kalottenförmigen Endbereiches der Stange zur Stangenachse hin. Dadurch werden die beschriebenen Hebelarme ai und a2, die Abstände zwischen dem Kontaktpunkt K und einer Stößelführungsachse bzw. einer Stangenführungsachse definieren, sowie die Aufstandswinkel ßi, ß2, die Winkel jeweils einer Normalen auf die Traverse im Kontaktpunkt K zu einer Stangenachse bzw. einer Stößelachse definieren, deutlich verkleinert.
Dadurch können die zwischen den Elementen wirkenden Kontaktkräfte deutlich reduziert werden, ohne jedoch Toleranzen und Führungslängen zu stark zu verändern, so dass insgesamt eine verbesserte Übertragung einer kinetischen Energie von dem Stößel auf die Stange erreicht werden kann, ohne dabei die Herstellungskosten zu stark zu erhöhen. 0
Vorzugsweise weist die Traverse in an die kalottenförmige Ausbuchtung angrenzenden Bereichen eine im Wesentlichen senkrecht zur Stößelachse eben ausgebildete Traversenoberfläche auf. Somit ist der Bereich der Traversenoberfläche, der in Kontakt kommt mit dem kalottenförmigen Endbereich der Stange, vorzugsweise nicht vollständig kalottenförmig ausgebildet, sondern weist zusätzlich noch ebene Teilbereiche auf. Dies trägt vorteilhaft zur Verstärkung der Traverse insgesamt bei. Zusätzlich kann es jedoch noch vorteilhaft sein, wenn weitere Maßnahmen zur Versteifung der Traverse ergriffen werden, beispielsweise wenn die Traverse im Vergleich zu einer Traverse aus dem Stand der Technik parallel zur Stößelachse dicker ausgebildet oder aus einem steiferen Material gebildet wird.
Besonders vorteilhaft kann die kalottenförmige Ausbuchtung in der Traversenoberfläche erzeugt werden, indem sie durch Prä¬ gen in eine ebene Traversenoberfläche eingebracht wird. Da¬ durch kann eine vorteilhaft kostengünstige Realisierung der Traversenoberflächengeometrie erzielt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die
kalottenförmige Ausbuchtung symmetrisch um eine die Traverse senkrecht zu ihrer Längsachse halbierende Achse angeordnet. Das bedeutet, die kalottenförmige Ausbuchtung ist vorteilhaft insgesamt symmetrisch auf der Seite der Traverse angeordnet, die in Kontakt kommt mit dem kalottenförmigen Endbereich der Stange. Dadurch kann vorteilhaft eine definierte Position ei¬ nes Mittelpunktes der kalottenförmigen Ausbuchtung auf der Traverse erzeugt werden, was wiederum zu einer vorteilhaft definierten Führung der Stange durch die Traverse führt.
Besonders bevorzugt ist die Traverse radial zu der
Stößelachse beweglich angeordnet, wobei die Traverse insbe¬ sondere ohne radiale Befestigung in den Stößel eingelegt ist. Dadurch können vorteilhaft die Koaxialfehler über die radial bewegliche Traverse kompensiert werden. Denn die Koaxialfeh¬ ler stellen vorteilhaft nur einen sehr geringen Anteil an den Hebelarmen ai und a2 , es handelt sich vorzugsweise um einen statischen Positionsfehler der Kalottenform. Bei einer vorteilhaften radial zur Stößelachse beweglichen Traverse findet daher die Traverse vorzugsweise innerhalb der ersten Hübe der Stange ihre Position und kann somit den statischen Positions- fehler bevorzugt ausgleichen.
Vorteilhaft ist ein Ausbuchtungsradius der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse größer als ein Stangenradius des kalottenförmigen Endbereichs der Stange. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Stange sich vorteilhaft in allen Be- triebszuständen mit ihrem kalottenförmigen Endbereich sicher in der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse befindet.
Vorzugsweise ist eine Stangenführung mit einer Stangenfüh- rungsachse vorgesehen, wobei ein Stangenendradius des
kalottenförmigen Endbereichs der Stange kleiner als oder gleich groß wie ein an dem oberen Totpunkt der Stange vorherrschender Abstand von einer Tangente an einer Stangen- kalottenoberflache an der Stangenachse zu einem Schnittpunkt der Stößelachse und der Stangenführungsachse ist.
Der Abstand zwischen der Tangente an dem kalottenförmigen Endbereich der Stange in dem Punkt, in dem die Stangenachse eine Außenoberfläche der Stange schneidet, und einem Schnitt- punkt der Stößelachse mit der Stangenführungsachse verändert sich während des Betriebes der Stange. Der Abstand ist im oberen Totpunkt der Stange kleiner als im unteren Totpunkt und sämtlichen Betriebszuständen dazwischen. Das bedeutet, der Radius des kalottenförmigen Endbereiches der Stange wird vorzugsweise kleiner bzw. gleich dem kleinsten Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Führungsachsen und einer kleinsten Auskragung des Stangenendes - in der Position im oberen Totpunkt - gewählt. Dies führt dazu, dass die Aufstandswinkel ßi und ß2 vorteilhaft kleiner bzw. gleich sind zum Winkelfehler und dadurch vorzugsweise nur geringe Querkräfte wirken.
Ist es aus konstruktionstechnischen Gründen beispielsweise nicht möglich, den Stangenendradius des kalottenförmigen End- bereichs der Stange kleiner auszugestalten als der beschriebene Minimal-Abstand im oberen Totpunkt, ist es vorteilhaft, wenn der Ausbuchtungsradius der kalottenförmigen Ausbuchtung deutlich größer ist als der Radius des kalottenförmigen End- bereiches. Dabei ist vorteilhaft eine Stangenführung mit ei¬ ner Stangenführungsachse vorgesehen, wobei ein Stangenendra- dius des kalottenförmigen Endbereiches der Stange größer ist als ein an dem oberen Totpunkt der Stange vorherrschender Abstand von einer Tangente an einer Stangenkalottenoberflache an der Stangenachse zu einem Schnittpunkt der Stößelachse und der Stangenführungsachse, wobei ein Ausbuchtungsradius der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse um so viel größer ist, als ein Stangenendradius des kalottenförmigen Endberei¬ ches der Stange, dass die Hertz' sehe Pressung bei Verwendung gleicher Materialien im Bereich eines Kontaktes einer ebenen Traversenoberfläche mit einem kalottenförmigen Endbereich der Stange liegt.
Das bedeutet, wenn der Radius des kalottenförmigen Endberei- ches der Stange beispielsweise aufgrund sich zu stark erhö¬ hender Hertz' scher Pressungswerte aufgrund des sehr kleinen Radius des Endbereiches nicht realisiert werden kann, sollten vorteilhaft die Werte der Hertz' sehen Pressung über einen größeren Radius der kalottenförmigen Ausbuchtung vorzugsweise ausgeglichen werden. Denn je größer vorteilhaft der Radius der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse ist, desto geringer wird die Kontaktfläche zwischen Endbereich der Stange und Traversenoberfläche bedingt durch die Hertz' sehe Pres¬ sung. Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der keine
kalottenförmige Ausnehmung in der Traverse vorgesehen ist, sollten vorteilhaft zumindest ähnliche Werte für die
Hertz' sehe Pressung realisiert werden.
Die Druckbeeinflussungseinrichtung kann vorteilhaft eine Kraftstoffhochdruckpumpe sein, sie kann jedoch auch alterna¬ tiv ein Motorventil sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfol¬ gend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Verbrennungsmotors mit einer
Druckbeeinflussungseinrichtung, wobei die Druckbeeinflussungseinrichtung eine Kraftstoffhochdruckpumpe ist, die mit einem Flansch in dem Verbren- nungsmotor befestigt ist;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Verbrennungsmotor mit einer Druckbeeinflussungseinrichtung ohne Flanschbefestigung;
Fig. 3 die Druckbeeinflussungseinrichtung aus den Fig. 1 und Fig. 2 mit einer kalottenförmigen Ausbuchtung in einer Traverse eines Stößels;
Fig. 4 die Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 3 mit
WinkelfehlStellungen ;
Fig. 5 die Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 1 und
Fig. 2, wobei die Traverse keine kalottenförmige
Ausbuchtung aufweist;
Fig. 6 die Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 1 und
Fig. 2 mit kalottenförmiger Ausbuchtung in der Traverse;
Fig. 7 eine schematische geometrische Darstellung der
Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 5 zur Darstellung der Aufstandswinkel und Hebelarme;
Fig. 8 eine schematische geometrische Darstellung der
Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 6 zur Dar- Stellung der vorherrschen Aufstandswinkel und He¬ belarme ;
Fig. 9 eine schematische geometrische Darstellung der
Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 6 zur Darstellung idealer Radienverhältnisse der
kalottenförmigen Ausbuchtung sowie eines kalottenförmigen Endbereiches einer Stange;
Fig. 10 eine weitere schematische geoemtrische Darstellung der Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 6 zur Darstellung idealer Radienverhältnisse der
kalottenförmigen Ausbuchung und des
kalottenförmigen Endbereiches;
ein Diagramm, das die in verschiedenen geometrischen Anordnungen der Druckbeeinflussungseinrichtung vorherrschenden radialen Kräfte abhängig von der auf eine Stangenachse wirkende Kraft darstellt; eine Druckbeeinflussungseinrichtung nach dem Stand der Technik ohne geometrische Fehler; und eine Druckbeeinflussungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit geometrischen Fehlern.
Im Folgenden stehen die Begriffe „Stange" und „Kolben" syno¬ nym füreinander. Gleiches gilt für die Begriffe „Druckbeeinf lussungseinrichtung" , „Motorventil" und „Kraftstoffhochdruck pumpe" .
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 56, an dem über einen Flansch 44 eine Druckbeeinflussungseinrichtung 28 in Form ei- ner Kraftstoffhochdruckpumpe 16 befestigt ist. Die Druckbe¬ einflussungseinrichtung 28 weist einen Stößel 10 mit einer Stößelführung 32, einem Stößelhemd 34 sowie einer Traverse 36 auf. Weiter weist die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 eine Stange 12 in Form eines Kolbens 20 und einer Stangenführung 30 auf.
Fig. 2 zeigt eine Druckbeeinflussungseinrichtung 28 mit Stößel 10 und Stößelführung 32 sowie Stößelhemd 34 und mit Stan¬ genführung 30 und Stange 12. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ver- brennungsmotor 56 ist kein Flansch 44 vorgesehen.
In Fig. 3 ist die Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 1 mit Flansch 44, der eine Flanschebene 58 ausbildet, schema¬ tisch dargestellt. Die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 in Form der Kraftstoffhochdruckpumpe 16 weist den Stößel 10 mit Stößelführung 30, Stößelhemd 34 und Traverse 36 sowie die Stange 12 mit Stangenführung 30 auf. Die Stange 12 von der Traverse 36 wird zwischen einem ersten oberen Totpunkt 60 und einem zweiten unteren Totpunkt 62 entlang einer Stangenachse 26 angetrieben, d.h. auf- und abbewegt. Die Traverse 36 wie¬ derum wird über eine unterhalb der Traverse 36 angeordnete Rolle 38 entlang einer Stößelachse 40 angetrieben, die in der in Fig. 3 gezeigten idealisierten Darstellung der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 mit der Stangenachse 26 zusammenfällt. Die Rolle 38 wird über eine Nockenwelle 65 des Ver¬ brennungsmotors 56 angetrieben. Die Rolle 38 und die Nockenwelle 65 bilden somit gemeinsam einen Stößelantrieb 66.
In der idealisierten Darstellung in Fig. 3 fallen nicht nur die Stößelachse 40 und die Stangenachse 26 zusammen, sondern auch eine Stößelführungsachse 50, d.h. die Achse der Stößel¬ führung 32, und eine Stangenführungsachse 52, d.h. die Achse der Stangenführung 30.
Wie weiter in Fig. 3 zu sehen ist, hat die Stange 12, bzw. der Kolben 20 ein Spiel in der Stangenführung 30, wie auch der Stößel 10 ein Spiel in der Stößelführung 32 hat. Zusätzlich ist die Traverse 36 beweglich in dem Stößelhemd 34 gela¬ gert, was durch die Pfeile P angedeutet ist, und ist radial zur Stößelachse 40 in alle Richtungen beweglich.
Bei der idealen Ausführung der Druckbeinflussungseinrichtung 28 kontaktieren sich die Traverse 36 und die Stange 12 punkt¬ förmig in einem Kontaktbereich 68 einer Traversenoberfläche 70 und eines zweiten Endbereiches 42 der Stange 12, die einem ersten Endbereich 22 gegenüberliegt. In dem Kontaktbereich 68 weist die Traverse eine kalottenförmige Ausbuchtung 72 und die Stange 12 einen kalottenförmigen Endbereich 74 auf. Die kalottenförmige Ausbuchtung 72 überspannt nicht die gesamte Traversenoberfläche 70, sondern die Traverse 36 weist benach- bart zu der kalottenförmigen Ausbuchtung 72 eine senkrecht zur Stößelachse 40 eben ausgebildete Traversenoberfläche auf. Die kalottenförmige Ausbuchtung 72 kann beispielsweise durch Prägen in die Traversenoberfläche 70 eingebracht werden. Die kalottenförmige Ausbuchtung 72 ist symmetrisch auf der
Traversenoberfläche 70 angeordnet, so dass der niedrigste Punkt der kalottenförmigen Ausbuchtung 72 von der Stößelachse 40, die senkrecht zu einer Längsachse 76 der Traverse 36 ver- läuft, geschnitten wird.
Fig. 3 zeigt nur eine idealisierte Darstellung der Druckbe¬ einflussungseinrichtung 28 dar, während in Fig. 4 die tatsächlich vorherrschenden Verhältnisse überzeichnet darge- stellt sind. In der Realität fallen die Stößelführungsachse 50 und die Stangenführungsachse 52 bzw. die Stößelachse 40 und die Stangenachse 26 nicht zusammen, so dass zusätzlich zu einer senkrecht auf die Stange 12 wirkenden Axialkraft Fa Querkräfte wirken. Diese können durch die Kombination aus kalottenförmiger Ausbuchtung 72 in der Traversenoberfläche 70 und dem kalottenförmigen Endbereich 74 am zweiten Endbereich 42 der Stange 12 minimiert werden.
Dies zeigt ein Vergleich zwischen einer Druckbeeinflussungs- einrichtung 28 gemäß dem Stand der Technik, gezeigt in Fig. 5, und der hier vorgeschlagenen Druckbeeinflussungseinrichtung 28, gezeigt in Fig. 6. Bei einem Vergleich der beiden Darstellungen in Fig. 5 und Fig. 6 ist zu sehen, dass bei einer gleichen Neigung der Stangenachse 26 um die Stößel- führungsachse 50 bei einer Druckbeeinflussungseinrichtung 28 gemäß Fig. 5 ein Kontaktpunkt K zwischen kalottenförmigen Endbereich 74 und Traverse 36 deutlich weiter von der Stangenachse 26 entfernt ist als in der Druckbeinflussungs- einrichtung 28 gemäß Fig. 6. Durch diesen größeren Abstand ergeben sich auch größere Aufstandswinkel ßi, ß2 sowie ver¬ größerte wirkende Querkräfte.
Fig. 7 stellt die Situation der Druckbeinflussungseinrichtung 28 aus Fig. 5 schematisch in einer geometrischen Anordnung dar. Zum besseren Verständnis wurde das Spiel in den Führungen 30, 32 und der Koaxialfehler in einem Schnittpunkt S zwischen Stangenachse 26 und Stößelachse 40 nicht dargestellt, da diese Fehler im Verhältnis zu den dargestellten Fehlern in der Regel sehr klein sind.
Wie in Fig. 7 zu sehen, kann die Traverse 36 einen Winkelfeh- 1er γ sowohl in positiver als auch in negativer Richtung aufweisen .
Weiter entsteht durch die Verkippung der Stange 12 weg von der Stößelachse 40 der Winkelfehler . Die Aufstandswinkel ßi, ß2 resultieren aus der Summe von und γ.
Das bedeutet, dass der Winkelfehler γ in günstigen Situationen - im Folgenden bezeichnet als „best case" - den Winkel¬ fehler je nach Vorzeichen ausgleichen kann. Er kann den Winkelfehler jedoch auch noch weiter verstärken, im Folgenden als „worst case" bezeichnet.
Durch die Summe aus und γ resultieren die in Fig. 7 darge¬ stellten Aufstandspunkte für den „worst case" (Aufstandspunkt 78), einen „neutral case" (Aufstandspunkt 80) und für den
„best case" (Aufstandspunkt 82) . Für den Fall des Aufstands¬ punktes 78 sind die Aufstandswinkel ßi, ß2 eingezeichnet, die verhältnismäßig groß sind. Weiter eingezeichnet sind die wir¬ kende Axsialkraft Fa auf die Stangenachse 26 sowie die Hebel- arme ai und a2, die den Abstand des jeweiligen Aufstands¬ punktes 78, 80, 82 von der Stößelachse 40, bzw. der Stangen¬ achse 26 darstellen. Je größer die Aufstandswinkel ßi, ß2 sind und somit je größer die Hebelarme ai bzw. a2 sind, desto größer sind auch die Querkräfte, die auf die Druckbeeinflus- sungseinrichtung 28 wirken.
Fig. 8 stellt die Situation der Druckbeeinflussung 28 gemäß Fig. 6 geometrisch dar. Hier ist zu sehen, dass durch die kalottenförmige Ausbuchtung 72 in der Traverse 36 der Winkelfehler γ der Traverse 36 irrelevant wird. Das bedeutet, dass der Aufstandswinkel ß nur so groß sein kann wie der Winkelfehler . Es resultiert daher auch nur der Hebelarm a2, d.h. ein Abstand zwischen Kontakt¬ punkt K und Stangenachse 26, der Hebelarm ai entfällt.
Dadurch ergeben sich insgesamt deutlich geringere Querkräfte, die auf die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 wirken, was zu deutlich geringeren Belastungen und einem geringeren Verschleiß der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 führt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Hertz 'sehen Pressungen ohne Ein- schränkung der Herstellungstoleranzen konstant gehalten werden. Dies kann durch vorteilhafte Wahl der Radienverhältnisse von kalottenförmiger Ausbuchtung 72 und kalottenförmigem Endbereich 74 geschehen. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Unterscheidungskrite¬ rium ist dabei die Bedingung, dass die Hertz xsche Pressung im Vergleich zu einer Anordnung der Druckbeeinflussungseinrichtung 28, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, nicht vergrößert wer¬ den sollte. Daraus bestimmt sich, ob ein Stangenendradius 84 des kalottenförmigen Endbereichs 74 der Stange 12 kleiner oder gleich ausgestaltet werden kann wie ein minimaler Abstand amin an dem oberen Totpunkt 60 der Stange 12 zwischen einer Tangente T an einer Stangenkalottenoberfläche 86 im Punkt der Stangenachse 26 zu dem Schnittpunkt S der
Stößelachse 40 und der Stangenführungsachse 52.
Im ersten Fall ist es möglich, den Stangenendradius 84 klei¬ ner auszubilden als den Abstand amin, was in Fig. 9 darge¬ stellt ist.
Aufgrund zu groß werdender Hertz' scher Pressungen kann es jedoch auch ungünstig sein, den Stangenendradius 84 kleiner auszubilden als den Abstand amin. Diese Situation - zweiter Fall - ist in Fig. 10 dargestellt.
In allen Betriebszuständen jedoch ist es vorteilhaft, wenn ein Ausbuchtungsradius 88 der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse 36 größer ist als der Stangenendradius 84. Deshalb ist es weiter vorteilhaft, wenn für eine ausreichende Steifigkeit der Traverse 36 gesorgt wird. Dadurch kann er¬ reicht werden, dass sich der Kontaktpunkt K immer zwischen den Achsen 50, 52 befindet und eine sehr geringe Streuung zwischen „worst case"- und „best case"-Toleranzen realisiert werden kann.
Fig. 9 verdeutlicht verschiedene Situationen des Stangenend- radius 84 für den ersten Fall. Es sind Stangenenden 48 mit drei unterschiedlichen Stangenendradien 84 dargestellt. Zusätzlich ist ein Hub 90 der Stangen 12 angedeutet. Wie zu se¬ hen, liegt der Aufstandspunkt 82 der Stange 12 mit dem grö߬ ten Stangenendradius 84 deutlich beabstandet zur Stangenachse 26. Je kleiner der Stangenendradius wird, desto geringer wird auch dieser Abstand a2. Mit Verringerung dieses Abstandes a2 verringern sich gleichzeitig auch der Aufstandswinkel ß und somit die Querkräfte, die auf die Druckbeeinflussungseinrich¬ tungen 28 wirken. Wie zu sehen, ist in Fig. 9 die Situation dann am besten, wenn der Stangenendradius 84 kleiner ist als amin.
Aufgrund der Hertz 'sehen Pressungen kann es jedoch auch günstig sein, wenn der Stangenendradius 84 größer gewählt ist als amin. Auch diese Konstellation stellt eine deutliche Verbesse¬ rung zur Situation in Fig. 5 dar, solange der Ausbuchtungsradius 88 einen Mindestradius aufweist, der deutlich größer ist als der Stangenendradius 84. Die Situation - Fall zwei - ist in Fig. 10 für zwei unterschiedliche Ausbuchtungsradien 88 dargestellt. Ebenfalls dar¬ gestellt sind zwei Stangen 12 mit unterschiedlichen Endradien 84 in einem Bereich größer als amin. Es ist zu sehen, dass sich im Falle des kleineren Ausbuchtungsradius 88 für den größeren Stangenendradius 84 ein Kontaktpunkt K ergibt, der deutlich beabstandet ist zur Stangenachse 26. Im Falle des größeren Ausbuchtungsradius 88 jedoch liegen die Kontaktpunkte K sowohl für den kleineren Stangenendradius 84 als auch für den größeren Stangenendradius 84 verhältnismäßig nah an der Stangenachse 26.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm, das die Querkraft, die auf die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 wirkt, in Abhängigkeit der Axiallast Fa darstellt.
Dabei sind die Kräfte für vier verschiedene Anordnungen der druckbeeinflussenden Einrichtung 28 aufgetragen. Diagramm A stellt die Kräfteverhältnisse für eine Druckbeeinflussungs¬ einrichtung 28 ohne kalottenförmige Ausbuchtung 72 in der Traverse 36 für die „best case"-Situation dar, die in Fig. 7 mit dem Aufstand 82 gezeigt ist. Das Diagramm C stellt dagegen die Situation für eine Druck- beinflussungseinrichtung 28 ohne kalottenförmige Ausbuchtung 72 für das „worst case"-Szenario - Aufstandspunkt 78 in Fig. 7 - dar. Das Diagramm B zeigt die Kräfteverhältnisse für eine Druckbe¬ einflussungseinrichtung 28, die eine kalottenförmige Ausbuchtung 72 in der Traverse 36 aufweist. Die Traverse 36 im Dia¬ gramm B weist eine radiale Beweglichkeit zur Stößelachse 40 auf .
Das Diagramm D zeigt die Situation einer Druckbeeinflussungs¬ einrichtung 28 mit der kalottenförmigen Ausbuchtung 72, wenn die Traverse 36 jedoch fixiert ist und nicht radial zur
Stößelachse 40 beweglich ist.
Es ist klar zu sehen, dass die Anordnung mit kalottenförmiger Ausbuchtung 72 und beweglicher Traverse 36 deutlich bessere Kräfteverhältnisse liefert, als das „worst case"-Szenario der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 ohne kalottenförmige Aus- buchtung 72. Da das Erreichen von „worst case" und „best ca- se" nicht steuerbar ist und der Kräfteverlauf im Diagramm B nahe an den „best case"-Fall herankommt, ergibt sich ein bes¬ ser steuerbares Kräfteverhältnis in einer Druckbeeinflus- sungseinrichtung 28 mit kalottenförmiger Ausbuchtung 72.
Gleichzeitig zeigen die Unterschiede der Diagramme B und D jedoch, dass eine radial bewegliche 36 deutlich begünstigt ist .
Insgesamt erzeugt also die kalottenförmige Ausbuchtung 72 richtungsunabhängige Querkräfte, welche auf niedrigem Niveau zwischen „best case" und „worst case" der Druckbeeinflus¬ sungseinrichtung 28 nach dem Stand der Technik liegen. Dies entspricht einer allgemeinen Reduzierung der vorherrschenden Querkräfte .
Insgesamt können die aus den Axialkräften Fa durch geometrische Ungänzen der Bauteile stammenden Querkräfte im Vergleich zu der „worst case"-Konstellation aus dem Stand der Technik um bis zu 40% reduziert werden. Die schädlichen Einflüsse der Querkräfte durch die Aufstandswinkel ßi, ß2 können größten¬ teils eliminiert werden, was zu einer Reduzierung der Querkräfte führt. Gleichzeitig ist die Rechtwinkligkeit der Tra- verse 36 zur Stößelachse 40 nahezu irrelevant, was zu einer
Reduzierung der Herstellungskosten führt. Die kalottenförmige Ausbuchtung 72 der Traverse 36 kann durch einfaches Prägen erzeugt werden, was besonders kostengünstig ist. Insgesamt wird der Winkelfehler γ vollständig eliminiert und die Streu- ung und Größe des Gesamtwinkelfehlers ßi bzw. ß2 wird erheb¬ lich reduziert, so dass für die Auslegung mit nahezu konstan¬ ten Belastungen gerechnet werden kann und „best case" bzw. „worst case" vorteilhaft nahe beieinander liegen. Zusätzlich können bei geschickter Paarung des Stangenradius 84 und des Ausbuchtungsradius 88 ßi bzw. ß2 sogar kleiner als der unver¬ meidbare Winkelfehler zwischen den Achsen 50, 52 der Führungen gehalten werden. Diese Vorteile können genutzt werden, um die Axiallast Fa insgesamt zu steigern, die Lebensdauer der Führungen 30, 32 zu verbessern, d.h. die Robustheit zu steigern, die erforderlichen Führungslängen zu reduzieren, was mit einer Kostensenkung und einer Bauraumverkleinerung einhergeht, und insgesamt die Toleranzen der Bauteile zu er- weitern, was ebenfalls zu einer Kostensenkung im Herstel- lungsprozess beiträgt.
Alternativ zu der beschriebenen Anordnung kann die
kalottenförmige Ausbuchtung 72 selbstverständlich auch in einem separaten Gleitschuh, der in dem Stößel 10 angeordnet ist, vorgesehen sein.
Bezugs zeichen
10 Stößel
12 Stange
14 Kolbenpumpe
16 Kraftstoffhochdruckpumpe
18 Motorventil
20 Kolben
22 erster Endbereich
24 Kolbenachse
26 Stangenachse
28 Druckbeeinflussungseinrichtung
30 Stangenführung
32 Stößelführung
34 Stößelhemd
36 Traverse
38 Rolle
40 Stößelachse
42 zweiter Endbereich
44 Flansch
46 Kontaktpunkt
48 Stangenende
50 Stößelführungsachse
52 Stangenführungsachse
54 Flanschfläche
56 Verbrennungsmotor
58 Flanschebene
60 erster oberer Totpunkt
62 zweiter unterer Totpunkt
65 Nockenwelle
66 Stößelantrieb
68 Kontaktbereich
70 Traversenoberfläche
72 kalottenförmige Ausbuchtung
74 kalottenförmiger Endbereich
76 Längsachse Traverse
78 Aufstandspunkt „worst case"
80 Aufstandspunkt „neutral case" 82 Aufstandspunkt „best case"
84 Stangenendradius
86 Stangenkalottenoberflache
88 Ausbuchtungsradius
90 Hub
Winkelfehler (Stößelführungsachse - Stangenachse) ßi Aufstandswinkel (Stangenachse - Normale auf Traverse in Kontaktpunkt)
ß2 Aufstandswinkel (Stößelführungsachse/Stößel - Normale auf Traverse zu Kontaktpunkt)
γ Winkelfehler Traverse (Winkel Traverse zu
Stößelführung)
A „best case" ohne kalottenförmige Ausbuchtung
B bewegliche Traverse mit kalottenförmiger Ausbuchtung C „worst case" ohne kalottenförmige Ausbuchtung
D fixierte Traverse mit kalottenförmiger Ausbuchtung
K Kontaktpunkt Stange und Traverse
P Pfeil
S Schnittpunkt Stößelachse/Stangenachse
T Tangente
Fa Axiallast/Hertz λ sehe Pressung/Axialkraft
ai Abstand Kontaktpunkt zu Stößelführungsachse/
Stößelachse
Ά2 Abstand Kontaktpunkt zu Stangenführungsachse/
Stangenachse
amin Abstand Tangente an Stangenkalottenoberflache zu
Schnittpunkt Stößelachse/Stangenachse

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffhochdruckpumpe (16) zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Druck, aufweisend
- einen zwischen einem ersten, oberen Totpunkt (60) und einem zweiten, unteren Totpunkt (62) entlang einer Kolbenachse (24) beweglich angeordneten Kolben (20), einen Stößel (10) mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Stößelachse (40) angeordneten Traverse (36) zum Übertragen von kinetischer Energie von einem
Stößelantrieb (66) auf den Kolben (20) in einem Kontakt¬ bereich (68) von einer Traversenoberfläche (70) und ei¬ nem Endbereich (42) des Kolbens (20),
wobei der Kolben (20) in dem Kontaktbereich (68) einen kalottenförmigen Endbereich (74) und die Traverse (36) in dem Kontaktbereich (68) eine kalottenförmige Ausbuchtung (72) aufweist.
2. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) zum Beeinflussen ei- nes Druckes in einem Medium, aufweisend
eine Stange (12) mit einem ersten Endbereich (22) zum Begrenzen eines das Medium aufweisenden Raumes, wobei die Stange (12) entlang einer Stangenachse (26) zwischen einem ersten, oberen Totpunkt (60) und einem zweiten, unteren Totpunkt (62) beweglich angeordnet ist;
einen Stößel (10) mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Stößelachse (40) angeordneten Traverse (36) zum Übertragen von kinetischer Energie von einem
Stößelantrieb (66) auf die Stange (12) in einem Kontakt- bereich (68) von einer Traversenoberfläche (70) und ei¬ nem zweiten Endbereich (42) der Stange (12), der gegenüberliegend zu dem ersten Endbereich (22) angeordnet ist, wobei die Stange (12) in dem Kontaktbereich (68) einen kalottenförmigen Endbereich (74) und die Traverse (36) in dem Kontaktbereich (68) eine kalottenförmige Ausbuchtung (72) aufweist.
3. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse (36) in an die kalottenförmige Ausbuchtung (72) angrenzenden Bereichen eine im Wesentlichen senkrecht zur Stößelachse (40) eben ausgebil- dete Traversenoberfläche (70) aufweist.
4. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmige Ausbuchtung (72) durch Prägen in die Traversenoberfläche (70) eingebracht ist .
5. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmige Ausbuchtung (72) symmetrisch um eine die Traverse (36) senkrecht zu ihrer Längsachse (76) halbierende Achse angeordnet ist.
6. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der An- sprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse (36) radial zu der Stößelachse (40) beweglich angeordnet ist, wobei die Traverse (36) insbesondere ohne radiale Befestigungen in den Stößel (10) eingelegt ist.
7. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausbuchtungsradius (88) der kalottenförmigen Ausbuchtung (72) der Traverse (36) größer ist als ein Stangenendradius (84) des kalottenförmigen Endbe¬ reichs (74) der Stange (12) .
8. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der An- sprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Stangenführung (30) mit ei¬ ner Stangenführungsachse (52) vorgesehen ist, wobei ein Stan¬ genendradius (84) des kalottenförmigen Endbereichs (74) der Stange (12) kleiner als oder gleich groß wie ein an dem obe- ren Totpunkt (60) der Stange (12) vorherrschender Abstand (amin ) von einer Tangente (T) an einer
Stangenkalottenoberflache (86) an der Stangenachse (26) zu einem Schnittpunkt (S) der Stößelachse (40) und der Stangen¬ führungsachse (50) ist.
9. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Stangenführung (30) mit ei¬ ner Stangenführungsachse (52) vorgesehen ist, wobei ein Stan- genendradius (84) des kalottenförmigen Endbereichs (74) der Stange (12) größer ist als ein an dem oberen Totpunkt (60) der Stange (12) vorherrschender Abstand (amin ) von einer Tan¬ gente (T) an einer Stangenkalottenoberflache (86) an der Stangenachse (26) zu einem Schnittpunkt (S) der Stößelachse (40) und der Stangenführungsachse (52), wobei ein Ausbuch¬ tungsradius (88) der kalottenförmigen Ausbuchtung (72) der Traverse (36) um so viel größer ist als ein Stangenendradius (84) des kalottenförmigen Endbereichs (74) der Stange (12), dass die Hertz' sehe Pressung bei Verwendung gleicher Materia- lien im Bereich eines Kontaktes einer ebenen
Traversenoberfläche (70) mit einem kalottenförmigen Endbe¬ reich (74) der Stange (12) liegt.
10. Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftstoffhochdruckpumpe (16) oder ein Motorventil (18) ist.
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