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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für flüssige
und/oder gasförmige Stoffe, mit mindestens einem ersten
Kolben, der in einem ersten Zylinder mittels einer Nockenwelle gegen
die Kraft einer ersten Schraubenfeder unter Zwischenschaltung eines ersten
Rollenstößels verlagerbar ist.
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Stand der Technik
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Kolbenpumpen
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So offenbart beispielsweise die
DE 10 2006 048722 A1 eine Kolbenpumpe einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, die zum Fördern
von Kraftstoff dient. Dazu weist die Kolbenpumpe einen in einem
Zylinder axial hin und her bewegbaren Kolben auf. Der Kolben wird dabei
durch den Nocken einer Nockenwelle gegen die Kraft einer Feder verlagert,
wobei die Feder als Rückstellfeder dient und dafür
sorgt, dass der Rollenstößel stets in Anlagekontakt
mit dem Nocken der Nockenwelle steht. Ein Rollenstößel
besteht üblicherweise aus einem Stößelkörper,
an dem eine Laufrolle drehbar gelagert und gehalten ist. Diese Laufrolle
läuft auf der Nockenbahn des Nockens ab, wodurch die Reibung
zwischen der Nockenwelle und dem Kolben minimiert wird. Üblicherweise
wird als Feder eine Schraubenfeder verwendet. In einem Pumptakt
wird der Rollenstößel gegen die Kraft der Schraubenfeder
verlagert, wodurch die Schraubenfeder gestaucht wird und eine Torsion
erfährt. Im darauffolgenden Saugtakt entspannt sich die
Schraubenfeder, wodurch die Schraubenfeder wiederum eine (entgegengerichtete)
Torsion erfährt. Während des Pumptakts sind die
Kräfte, die zwischen der Nockenwelle und dem Kolben wirken
so hoch, dass sich die Laufrolle im Bezug auf den Nocken selbst
ausrichtet. Im Saugtakt jedoch treten sehr viel geringere Kräfte
zwischen dem Nocken und dem Kolben auf, sodass hier durch die Torsion
der Schraubenfeder eine Drehbewegung auf den Rollenstößel übertragen wird.
Dadurch stellt sich der Rollenstößel mit Bezug auf
den Nocken schräg, sodass die Laufrolle nicht mehr geradlinig
auf dem Nocken abläuft beziehungsweise die Drehachse der üblicherweise
zylinderförmigen Laufrolle verkippt zu der Drehachse der
Nockenwelle ausgerichtet ist. Dadurch entsteht eine Kraftkomponente,
die axial auf die Nockenwelle wirkt, sodass diese axial beaufschlagt
und verlagert wird. Dies kann zu Verschleiß zwischen der
Nockenwelle und einem die Nockenwelle lagernden Lager der Kolbenpumpe
führen. Darüber hinaus wird auch die Laufrolle
an dem Stößelkörper axial – im
Bezug auf die Laufrolle – verschoben, bis sie mit einer
Stirnseite an dem Stößelkörper anliegt,
wodurch die Reibung zwischen der Laufrolle und dem Stößelkörper erhöht
wird. Abhängig von der entstehenden Axialkraft ist somit
ein möglicher Verschleiß die Folge.
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Aus
der
WO 94/28308 ist
es weiterhin bekannt, zwei entgegengesetzt gewundene Schraubenfedern
seriell hintereinander anzuordnen, um eine Übertragung
einer Torsion auf einen Kolben zu vermeiden. Bei Hochdruck-Anwendungen
führt dies jedoch zu schwer einzuschätzenden und
schwer zu verhindernden Ausschlag-Bewegungen der Schraubenfedern.
Um dies zu verhindern ist eine aufwendige Führung der Federn,
die wiederum zu Reibung und Verschleiß führt,
notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kolbenpumpe zeichnet sich dadurch
aus, dass mindestens ein zweiter Kolben in einem zweiten Zylinder
mittels der Nockenwelle gegen die Kraft einer zweiten Schraubenfeder, die
eine zu der ersten Schraubenfeder gegensinnige Wicklungsrichtung
aufweist, unter Zwischenschaltung eines zweiten Rollenstößels
verlagerbar ist. Es sind somit zwei Kolben vorgesehen, die durch
die Nockenwelle betätigt werden. Jedem der Kolben sind ein
Rollenstößel sowie eine Schraubenfeder zugeordnet,
die jeweils für einen Anlagekontakt zwischen dem Kolben
beziehungsweise Stößel und der Nockenwelle sorgt.
Die zweite Schraubenfeder unterscheidet sich dahingehend von der
ersten Schraubenfeder, dass sie eine entgegengerichtete Wicklungsrichtung
aufweist. Während also die erste Schraubenfeder beispielsweise
links gewickelt ist, ist die zweite Schraubenfeder rechts gewickelt.
Die gegensinnige Wicklungsrichtung der Schraubenfedern hat zur Folge,
dass die Rollenstößel im Betrieb, insbesondere
in dem jeweiligen Saugtakt, durch die Torsionsbewegung der jeweiligen
Schrau benfeder entgegengesetzt verdreht werden, sodass die entstehenden,
die Nockenwelle beaufschlagenden Axialkräfte entgegengesetzt
wirken. Dadurch wird zumindest eine dauerhafte Axial-Verlagerung
der Nockenwelle verhindert. und somit Reibung und Verschleiß der
Kolbenpumpe minimiert.
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Zweckmäßigerweise
weisen die erste und die zweite Schraubenfeder die gleiche Federkennlinie
auf. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Torsionsbewegungen
der Schraubenfedern in Bezug auf die Axialverlagerung der Nockenwelle
kompensieren. Die Schraubenfedern werden lediglich in Bezug auf
die Laufrichtung der Nockenwelle gegensinnig gewickelt verbaut.
Ansonsten weisen sie zweckmäßigerweise im Wesentlichen
die gleichen Eigenschaften auf.
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Vorteilhafterweise
weist die Nockenwelle einen Nocken auf, der mit dem ersten und mit
dem zweiten Rollenstößel zusammenwirkt. Die Kolben sind
damit axial – in Bezug auf die Nockenwelle – auf gleicher
Höhe, jedoch in unterschiedlichen Winkelpositionen radial
dazu angeordnet, sodass der Nocken zunächst auf den ersten
Rollenstößel/Kolben und anschließend
auf den zweiten Rollenstößel/Kolben wirkt. Durch
das nacheinander Betätigen der Kolben beziehungsweise Rollenstößel
und die entgegengesetzt gewickelten Schraubenfedern, wie oben beschrieben,
wird die Nockenwelle in eine minimale Pendelbewegung versetzt, durch
die die Nockenwelle sowie die Laufrolle ohne beziehungsweise mit
nur geringem Anlauf an ihren (axialen) Stirnflächen gehalten
werden.
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Alternativ
weist die Nockenwelle jeweils einen dem ersten und dem zweiten Rollenstößel
beziehungsweise Kolben zugeordneten Nocken auf. Die Nocken können
dabei in der gleichen oder in unterschiedlichen Phasen liegen, sodass
die Kolben gleichzeitig oder nacheinander betätigt werden.
Werden die Kolben gleichzeitig betätigt, so werden die
resultierenden Axialkräfte sogleich kompensiert, sodass
die Nockenwelle in keine Pendelbewegung versetzt wird und stets
in einer verschleißgünstigen Position gehalten
ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kolbenpumpe mehrere
Paare von ersten und zweiten Kolben mit entsprechenden ersten und zweiten
Schraubenfedern auf. Durch die Anzahl der Kolben wird die Leistung
der Kolbenpumpe erhöht und durch das Vorsehen der gegensinnig
gewickelten Schraubenfedern Reibung und Verschleiß zwischen
der Nockenwelle und dem Nockenwellenlager sowie zwischen den Laufrollen
und den entsprechenden Stößelkörpern
verringert beziehungsweise gering gehalten. Wichtig ist dabei, dass
die Kolbenpumpe für jede erste Schraubenfeder auch eine
zweite, gegensinnig gewickelte Schraubenfeder aufweist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kolbenpumpe als Hochdruckpumpe
ausgebildet. Gerade hier treten hohe Kräfte aufgrund besonders steifer
Schraubenfedern zwischen den Nocken und den Rollenstößeln
auf, die zu einer axialen Beaufschlagung der Nockenwellen führen
können.
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Besonders
bevorzugt ist die Kolbenpumpe als Hochdruck-Kraftstoffpumpe für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Die Nockenwelle der Kolbenpumpe wird dabei zweckmäßigerweise
direkt von der Brennkraftmaschine, beispielsweise mittels eines
Riemen-, Ketten- oder Zahnradtriebs über die Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine, angetrieben.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Dazu zeigt die
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1:
eine vorteilhafte Kolbenpumpe in einer schematischen Darstellung.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Kolbenpumpe 1,
die als Hochdruckpumpe 2 einer hier nicht weiter dargestellten
Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Kolbenpumpe 1 weist
eine Nockenwelle 3 auf, die einen Nocken 4 besitzt.
Bevorzugt ist der Nocken 4 einstückig mit der Nockenwelle 3 ausgebildet,
kann aber auch als separates Bauteil ausgebildet sein. Beidseitig
von dem Nocken 4 ist die Nockenwelle 3 mittels
zwei Lagern 5, 6 in einem hier nicht näher
dargestellten Gehäuse der Kolbenpumpe 1 drehbar
gelagert. Je nach Anwendungsfall können die Lager 5, 6 als
Gleitlager und/oder als Wälzkörperlager ausgebildet
sein. Wenigstens eines der beiden Lager 5, 6,
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Lager 5,
wirkt außerdem als Axiallager für die Nockenwelle 3.
Vorliegend stützt sich dabei die Nockenwelle 3 mittels
einer Stirnfläche des Nockens 4 an dem Lager 5 axial
ab.
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Weiterhin
weist die Kolbenpumpe 1 zwei Kolben 7, 8 auf,
die jeweils in einem hier nicht näher dargestellten (Pumpen)-Zylinder
axial verlagerbar sind. Die Kol ben 7, 8 sind hier
nur bereichsweise dargestellt. Weiterhin ist jeweils ein Rollenstößel 9, 10 zwischen
jeweils einem der Kolben 7, 8 und dem Nocken 4 zwischengeschaltet.
Jeder der Rollenstößel 9, 10 weist
einen Stößelkörper 11 sowie
eine daran drehbar gelagerte Laufrolle 12 auf. Mittels
den Laufrollen 12 steht der jeweilige Rollenstößel 9, 10 in
Anlagekontakt mit dem Nocken 4. Jedem der Kolben 7, 8 beziehungsweise
Rollenstößel 9, 10 ist eine
Schraubenfeder 13, 14 zugeordnet, gegen deren
(Feder-)kraft der jeweilige Kolben 7, 8 mittels
der Nockenwelle 3 beziehungsweise des Nockens 4 in
dem jeweiligen Zylinder verlagerbar ist. Durch die zylinder- beziehungsweise
walzenförmigen Laufrollen 12 wird dabei eine Reibung
zwischen dem Nocken 4 und den Kolben 7, 8 gering
gehalten. Die beiden Schraubenfedern 13 und 14 unterscheiden
sich dahingehend voneinander, dass sie entgegengesetzte Wicklungsrichtungen
aufweisen. Die Schraubenfeder 13 ist beispielsweise links-gewickelt,
während die Schraubenfeder 14 rechts-gewickelt
ist.
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Die
Schraubenfedern 13, 14, die zwischen dem Gehäuse
und den Rollenstößeln 9 beziehungsweise 10 eingespannt
sind, werden im Betrieb periodisch beansprucht. In einem Pump-Takt
werden die Schraubenfedern 13, 14 jeweils gestaucht.
Hierdurch erfährt die jeweilige Schraubenfeder 13, 14 eine
Torsion. Aufgrund der hohen Kräfte, die in dem Pumptakt
zwischen dem Nocken 4 und dem Rollenstößel 9 beziehungsweise 10 wirken,
laufen die Laufrollen in einer im Wesentlichen idealen Bahn auf
dem Nocken 4 ab. In diesem Zustand bildet der jeweilige Rollenstößel
mit dem Nocken 4 ein selbstzentrierendes System.
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In
einem jeweiligen Saug-Takt jedoch, in dem die jeweilige Schraubenfeder 13, 14 zumindest
etwas entspannt wird, überträgt jeweils die sich
entspannende Schraubenfeder 13, 14 ihre dann entgegengesetzte
Torsionsbewegung auf den Rollenstößel 9 beziehungsweise 10.
Da im Saugtakt geringere Kräfte zwischen dem Nocken 4 und
dem jeweiligen Rollenstößel 9, 10 wirken,
kann dadurch die Drehachse der Laufrollen 12 verschwenkt
beziehungsweise verkippt werden, sodass sie aus ihrer idealen, parallel
zur Drehachse der Nockenwelle 3 ausgerichteten Lage in
eine schräge Ausrichtung in Bezug auf die Nockenwelle 3 und
den Nocken 4 geraten. Durch die Schrägstellung
entsteht zwischen den Laufrollen 12 und der Nockenwelle 3 beziehungsweise
dem Nocken 4 dann eine – im Bezug auf die Nockenwelle 3 – axiale Kraftkomponente,
welche die Nockenwelle 3 axial beaufschlagt. Dadurch wird
zum einen die Nockenwelle 3 axial gegen eines der Lager 5, 6 geschoben und
läuft an diesem an, wodurch Reibung entsteht. Zum anderen
wird auch die entsprechende Laufrolle 12 in ihrem Lager
am Stößelkörper 11 axial mit
einer Stirnfläche gegen Stößelkörper 11 geschoben,
sodass auch dort Reibung entsteht.
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Die
Richtung, in welche sich der Rollenstößel 9 beziehungsweise 10 verdreht,
wird dabei durch die Wicklungsrichtung der jeweiligen Schraubenfeder 13, 14 bestimmt.
Die Richtung, in welche die Nockenwelle 3 axial verlagert
wird, ergibt sich entsprechend.
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Dadurch,
dass die Schraubenfedern 13 und 14 gegensinnig
gewickelt sind, werden die Rollenstößel 9 und 10 gegensinnig
(zumindest im Saug-Takt) verdreht, sodass entgegengesetzte axiale
Kraftkomponenten erzeugt werden. Im Betrieb wirken diese vorliegend
nacheinander auf die Nockenwelle 3, sodass letztere in
eine Pendelbewegung ohne beziehungsweise mit nur geringem Anlauf
an den Axiallagern (Lager 5 beziehungsweise Stößelkörper 11)
gebracht wird. Dadurch wird der Verschleiß am Stößelkörper
sowie an der Nockenwelle minimiert. Zweckmäßigerweise
weisen die beiden Schraubenfedern 13 und 14 die
gleiche Federkennlinie auf, sodass die jeweils erzeugten (axialen)
Kraftkomponenten beziehungsweise Verlagerwege kompensiert werden
können. Die Schraubenfeder 13 bewirkt somit beispielsweise
eine Verlagerung der Nockenwelle 3 in Richtung des Pfeils 15,
während die Schraubenfeder 14 eine Verlagerung
der Nockenwelle 3 in Richtung des Pfeils 16 bewirkt.
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Insgesamt
wird somit eine Kolbenpumpe 1 geboten, die einen besonders
geringen Verschleiß und somit eine lange Lebensdauer aufweist.
Darüber hinaus ist sie geeignet für Hochdruckanwendungen, da
hier die axial auf die Nockenwelle 3 wirkenden Kräfte
kompensiert werden können. Besonders bevorzugt ist die
Kolbenpumpe 1 als Hochdruck-Kraftstoffpumpe einer Brennkraftmaschine
ausgebildet, und wird zweckmäßigerweise direkt
von dieser, beispielsweise über einen Zahn-, Riemen- oder
Kettentrieb angetrieben. Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist es auch denkbar für jeden der Kolben 7, 8 beziehungsweise
Rollenstößel 9, 10 einen gesonderten
Nocken vorzusehen. Dabei können die beiden Nocken in der
gleichen Phase oder in unterschiedlichen Phasen liegen. Ebenso sind
mehrere Paare von Kolben mit jeweils entgegengesetzt gewickelten
Schraubenfedern denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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