EP3039281B1

EP3039281B1 - Kraftstoffhochdruckpumpe oder motorventil

Info

Publication number: EP3039281B1
Application number: EP15733402.0A
Authority: EP
Inventors: Jörg BERNHARDT
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: DE102014216173A1; KR20160091420A; DE102014216173B4; JP6218963B2; CN105745435A; CN105745435B; US20170159628A1; JP2017501339A; US10294905B2; KR101891012B1; WO2016023665A1; EP3039281A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckbeeinflussungseinrichtung zum Beeinflussen eines Druckes in einem Medium, wie beispielsweise ein Motorventil bzw. eine Kraftstoffhochdruckpumpe.
Sowohl bei Motorventilen als auch bei beispielsweise Kolbenpumpen, die als Kraftstoffhochdruckpumpen zum Pumpen von Kraftstoff verwendet werden, ist häufig eine Stange vorhanden, die durch einen Stößel angetrieben wird. Der Stößel seinerseits wird beispielsweise im Falle einer Kolbenpumpe als Kraftstoffhochdruckpumpe von einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben.
Fig. 12 zeigt eine Prinzipsdarstellung einer durch einen Stößel 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 Bewegung 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 sowohl bei der Anwendung in einer Kolbenpumpe 14 als auch bei der Anwendung in einem Motorventil 18 eine Druckbeeinflussungseinrichtung 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 aufgebaut 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 Kontakt 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 beispielsweise 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 F_a, andererseits jedoch auch über geometrische Toleranzen der einzelnen Bauteile der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 und dem jeweiligen Spiel der einzelnen Elemente in der Druckbeeinflussungseinrichtung 28.
Im Einzelnen wirken die folgenden Kräfte:

Die Hertz'sche Pressung bzw. der Hertz'sche Kontakt (F_a, siehe Fig. 12) durch die Axialkraft F_a, die eine Abplattung der miteinander in Kontakt stehenden Flächen bewirkt und, sodass statt eines idealen punktförmigen Kontaktes eine Kontaktfläche mit vergrößerter Kontaktfläche vorherrscht;
Querkräfte (siehe in Fig. 13), die aus einem Winkelfehler α zwischen einer Stößelführungsachse 50 und der Stangenachse 26 resultieren;
Querkräfte durch den Aufstandswinkel β₁ zwischen der Stangenachse 26 und der Normalen im Aufstandspunkt der Traverse 36 auf die Stange 12 (siehe Fig. 13);
Querkräfte durch den Aufstandswinkel β₂ zwischen der Stößelachse 40 und der Normalen im Aufstandspunkt der Traverse 36 auf den Stößel 10 (siehe Fig. 13);
Aufstandsmomente als Produkt aus der Axiallast F_a und den Abständen a₁ bzw. a₂ eines Kontaktpunktes K von Traverse 36 zu Stange 12 zu der Stößelführungsachse 50 bzw. einer Stangenführungsachse 52 (vgl. Fig. 13). Die Aufstandsmomente werden hervorgerufen durch die Aufstandswinkel β₁ und β₂, den Koaxialfehler der beiden Führungsachsen 50, 52, d. h. dem Winkelfehler α, und den Abstand zwischen der Stößelführungsachse 50 und einem Schnittpunkt S einer Flanschfläche 54 des Flansches 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 zulässigen 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'sche Pressung und den Winkelfehler α zwischen den Führungsachsen 50, 52 kompensieren zu können, wird ein balliges Stangenende 48 in Kalottenform verwendet. 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'schen Pressung führt. Zur Erzielung von zulässigen Hertz'schen 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 wiederum die Toleranzen eingeschränkt werden, was ebenfalls zur Erhöhung der Herstellungskosten führt.
Querkräfte aus dem Winkelfehler α können nur durch Einschränkung 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 F_a und der erforderlichen Bauteilfestigkeit zumeist nur schwer erreichbar ist.
Der Winkelfehler insgesamt ist die Summe aus dem Winkelfehler α 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 β₁ und β₂. Die resultierende Querkraft auf die Stange 12 berechnet sich über den Term sin β₁ x F_a. Die resultierende Querkraft auf den Stößel 10 berechnet sich über den Term sin β₂ x (F_a x 1/cosα). 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 a₁ und a₂ zu den Führungsachsen 50, 52 resultieren aus den Koaxialfehlern der Führungen 50, 52 zueinander und den Aufstandswinkeln β₁ bzw. β₂, welche aus den Winkelfehlern α, γ und dem Radius des kalottenförmigen Stangenendes 48 resultieren. Dies führt zum radialen Auswandern des Kontaktpunktes K und erzeugt die Hebelarme a₁ und a₂. Zur Reduzierung der Hebelarme a₁ und a₂ können entweder die Toleranzen 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 jedoch meist aufgrund der Hertz'schen 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.
WO 2008/068116 A1 , JP 2000 179 308 A1 , DE 10 2008 008 438 A1 , DE 10 2007 022 220 A1 und DE 10 2007 057 911 A1 beschreiben jeweils einen Kolben, der auf einer Traverse in einem Stößel aufliegt und von dem Stößel in einer translatorischen Bewegung angetrieben wird. Der Kolben weist in dem Kontaktbereich, in dem er in Kontakt mit der Traverse ist, einen kalottenförmigen Endbereich auf, während die Traverse in diesem Kontaktbereich eine kalottenförmige Ausbuchtung aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine in dieser Hinsicht verbesserte Druckbeeinflussungseinrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Druckbeeinflussungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Druckbeeinflussungseinrichtung zum Beeinflussen eines Druckes in einem Medium weist 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 zweiten 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.
Unter dem "oberen Totpunkt" soll eine Position der Stange verstanden werden, in der die Stange von einem Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle, an ihren höchsten Auslenkungspunkt 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.
Die Druckbeeinflussungseinrichtung kann dabei eine Kraftstoffhochdruckpumpe oder ein Motorventil sein. Im Falle der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dann die Stange durch den Kolben gebildet.
Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Druck weist daher 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 Kontaktbereich 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.
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, nämlich eine Kugelkalotte, 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 Mittelpunkt der Kalottenform bleibt zurück. Dies wirkt sich positiv auf die Querkräfte und die resultierenden Momente aus, da die Aufstandswinkel β₁ bzw. β₂ und die Hebelarme a₁ und a₂ reduziert 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 a₁ und a₂, die Abstände zwischen dem Kontaktpunkt K und einer Stößelführungsachse bzw. einer Stangenführungsachse definieren, sowie die Aufstandswinkel β₁, β₂, 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.
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 Prägen in eine ebene Traversenoberfläche eingebracht wird. Dadurch 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 eines 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 insbesondere ohne radiale Befestigung in den Stößel eingelegt ist. Dadurch können vorteilhaft die Koaxialfehler über die radial bewegliche Traverse kompensiert werden. Denn die Koaxialfehler stellen vorteilhaft nur einen sehr geringen Anteil an den Hebelarmen a₁ 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 Positionsfehler 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 Betriebszuständen mit ihrem kalottenförmigen Endbereich sicher in der kalottenförmigen Ausbuchtung der Traverse befindet.
Es ist eine Stangenführung mit einer Stangenführungsachse 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 Stangenkalottenoberfläche 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 Schnittpunkt 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 β₁ und β₂ vorteilhaft kleiner bzw. gleich sind zum Winkelfehler α und dadurch vorzugsweise nur geringe Querkräfte wirken.
Die Druckbeeinflussungseinrichtung kann vorteilhaft eine Kraftstoffhochdruckpumpe sein, sie kann jedoch auch alternativ ein Motorventil sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend 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 Verbrennungsmotor 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 Darstellung der vorherrschen Aufstandswinkel und Hebelarme;
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;
Fig. 11: ein Diagramm, das die in verschiedenen geometrischen Anordnungen der Druckbeeinflussungseinrichtung vorherrschenden radialen Kräfte abhängig von der auf eine Stangenachse wirkende Kraft darstellt;
Fig. 12: eine Druckbeeinflussungseinrichtung nach dem Stand der Technik ohne geometrische Fehler; und
Fig. 13: eine Druckbeeinflussungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit geometrischen Fehlern.

Im Folgenden stehen die Begriffe "Stange" und "Kolben" synonym füreinander. Gleiches gilt für die Begriffe "Druckbeeinflussungseinrichtung", "Motorventil" und "Kraftstoffhochdruckpumpe".
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 56, an dem über einen Flansch 44 eine Druckbeeinflussungseinrichtung 28 in Form einer Kraftstoffhochdruckpumpe 16 befestigt ist. Die Druckbeeinflussungseinrichtung 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 Stangenführung 30 und Stange 12. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Verbrennungsmotor 56 ist kein Flansch 44 vorgesehen.
In Fig. 3 ist die Druckbeeinflussungseinrichtung aus Fig. 1 mit Flansch 44, der eine Flanschebene 58 ausbildet, schematisch 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 wiederum 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 Verbrennungsmotors 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 Stößelführung 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 gelagert, 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 punktförmig 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 benachbart 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 verläuft, geschnitten wird.
Fig. 3 zeigt nur eine idealisierte Darstellung der Druckbeeinflussungseinrichtung 28 dar, während in Fig. 4 die tatsächlich vorherrschenden Verhältnisse überzeichnet dargestellt 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 F_a 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 Druckbeeinflussungseinrichtung 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 Stößelführungsachse 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 Druckbeinflussungseinrichtung 28 gemäß Fig. 6. Durch diesen größeren Abstand ergeben sich auch größere Aufstandswinkel β₁, β₂ sowie vergrößerte 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 Winkelfehler 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 α. Die Aufstandswinkel β₁, β₂ resultieren aus der Summe von α und γ.
Das bedeutet, dass der Winkelfehler γ in günstigen Situationen - im Folgenden bezeichnet als "best case" - den Winkelfehler α je nach Vorzeichen ausgleichen kann. Er kann den Winkelfehler α jedoch auch noch weiter verstärken, im Folgenden als "worst case" bezeichnet.
Durch die Summe aus α und γ resultieren die in Fig. 7 dargestellten Aufstandspunkte für den "worst case" (Aufstandspunkt 78), einen "neutral case" (Aufstandspunkt 80) und für den "best case" (Aufstandspunkt 82). Für den Fall des Aufstandspunktes 78 sind die Aufstandswinkel β₁, β₂ eingezeichnet, die verhältnismäßig groß sind. Weiter eingezeichnet sind die wirkende Axsialkraft F_a auf die Stangenachse 26 sowie die Hebelarme a₁ und a₂, die den Abstand des jeweiligen Aufstandspunktes 78, 80, 82 von der Stößelachse 40, bzw. der Stangenachse 26 darstellen. Je größer die Aufstandswinkel β₁, β₂ sind und somit je größer die Hebelarme a₁ bzw. a₂ sind, desto größer sind auch die Querkräfte, die auf die Druckbeeinflussungseinrichtung 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 β nur so groß sein kann wie der Winkelfehler α. Es resultiert daher auch nur der Hebelarm a₂, d.h. ein Abstand zwischen Kontaktpunkt K und Stangenachse 26, der Hebelarm a₁ 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'schen Pressungen ohne Einschränkung 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. Unterscheidungskriterium ist dabei die Bedingung, dass die Hertz'sche Pressung im Vergleich zu einer Anordnung der Druckbeeinflussungseinrichtung 28, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, nicht vergrößert werden 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 a_min 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 kleiner auszubilden als den Abstand a_min, was in Fig. 9 dargestellt ist.
Aufgrund zu groß werdender Hertz'scher Pressungen kann es jedoch auch ungünstig sein, den Stangenendradius 84 kleiner auszubilden als den Abstand a_min. Diese Situation - zweiter Fall - ist in Fig. 10 dargestellt.
In allen Betriebszuständen jedoch ist es vorteilhaft, wenn ein Ausbuchtungsradius 88 der kalottenförmigen Ausbuchtung 72 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 erreicht 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 Stangenendradius 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 sehen, liegt der Aufstandspunkt 82 der Stange 12 mit dem größten 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 β und somit die Querkräfte, die auf die Druckbeeinflussungseinrichtungen 28 wirken.
Wie zu sehen, ist in Fig. 9 die Situation dann am besten, wenn der Stangenendradius 84 kleiner ist als a_min.
Aufgrund der Hertz'schen Pressungen kann es jedoch auch günstig sein, wenn der Stangenendradius 84 größer gewählt ist als a_min. Auch diese Konstellation stellt eine deutliche Verbesserung 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 dargestellt sind zwei Stangen 12 mit unterschiedlichen Endradien 84 in einem Bereich größer als a_min. 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 F_a darstellt.
Dabei sind die Kräfte für vier verschiedene Anordnungen der druckbeeinflussenden Einrichtung 28 aufgetragen. Diagramm A stellt die Kräfteverhältnisse für eine Druckbeeinflussungseinrichtung 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 Druckbeinflussungseinrichtung 28 ohne kalottenförmige Ausbuchtung 72 für das "worst case"-Szenario - Aufstandspunkt 78 in Fig. 7 - dar.
Das Diagramm B zeigt die Kräfteverhältnisse für eine Druckbeeinflussungseinrichtung 28, die eine kalottenförmige Ausbuchtung 72 in der Traverse 36 aufweist. Die Traverse 36 im Diagramm B weist eine radiale Beweglichkeit zur Stößelachse 40 auf.
Das Diagramm D zeigt die Situation einer Druckbeeinflussungseinrichtung 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 Ausbuchtung 72. Da das Erreichen von "worst case" und "best case" nicht steuerbar ist und der Kräfteverlauf im Diagramm B nahe an den "best case"-Fall herankommt, ergibt sich ein besser steuerbares Kräfteverhältnis in einer Druckbeeinflussungseinrichtung 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 Druckbeeinflussungseinrichtung 28 nach dem Stand der Technik liegen. Dies entspricht einer allgemeinen Reduzierung der vorherrschenden Querkräfte.
Insgesamt können die aus den Axialkräften F_a 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 β₁, β₂ können größtenteils eliminiert werden, was zu einer Reduzierung der Querkräfte führt. Gleichzeitig ist die Rechtwinkligkeit der Traverse 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 Streuung und Größe des Gesamtwinkelfehlers β₁ bzw. β₂ wird erheblich reduziert, so dass für die Auslegung mit nahezu konstanten 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 β₁ bzw. β₂ sogar kleiner als der unvermeidbare Winkelfehler α zwischen den Achsen 50, 52 der Führungen gehalten werden. Diese Vorteile können genutzt werden, um die Axiallast F_a 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 erweitern, was ebenfalls zu einer Kostensenkung im Herstellungsprozess 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.

Bezugszeichen

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: Stangenkalottenoberfläche
88: Ausbuchtungsradius
90: Hub
α: Winkelfehler (Stößelführungsachse - Stangenachse)
β₁: Aufstandswinkel (Stangenachse - Normale auf Traverse in Kontaktpunkt)
β₂: 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
F_a: Axiallast/Hertz'sche Pressung/Axialkraft
a₁: Abstand Kontaktpunkt zu Stößelführungsachse/ Stößelachse
a₂: Abstand Kontaktpunkt zu Stangenführungsachse/ Stangenachse
a_min: Abstand Tangente an Stangenkalottenoberfläche zu Schnittpunkt Stößelachse/Stangenachse

Claims

Druckbeeinflussungseinrichtung (28) zum Beeinflussen eines 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 Kontaktbereich (68) von einer Traversenoberfläche (70) und einem 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
dadurch gekennzeichnet, dass eine Stangenführung (30) mit einer Stangenführungsachse (52) vorgesehen ist, wobei ein Stangenendradius (84) des kalottenförmigen Endbereichs (74) der Stange (12) kleiner als oder gleich groß wie ein an dem oberen Totpunkt (60) der Stange (12) vorherrschender Abstand (a_min) von einer Tangente (T) an einer Stangenkalottenoberfläche (86) an der Stangenachse (26) zu einem Schnittpunkt (S) der Stößelachse (40) und der Stangenführungsachse (50) ist.
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse (36) in an die kalottenförmige Ausbuchtung (72) angrenzenden Bereichen eine im Wesentlichen senkrecht zur Stößelachse (40) eben ausgebildete Traversenoberfläche (70) aufweist.
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmige Ausbuchtung (72) durch Prägen in die Traversenoberfläche (70) eingebracht ist.
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmige Ausbuchtung (72) symmetrisch um eine die Traverse (36) senkrecht zu ihrer Längsachse (76) halbierende Achse angeordnet ist.
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
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.
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausbuchtungsradius (88) der kalottenförmigen Ausbuchtung (72) der Traverse (36) größer ist als ein Stangenendradius (84) des kalottenförmigen Endbereichs (74) der Stange (12).
Druckbeeinflussungseinrichtung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftstoffhochdruckpumpe (16) oder ein Motorventil (18) ist.