Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe mit einem Hubring, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik,
eine Radialkolbenpumpe mit einem Hubring auszubilden, der bei geringer Spaltweite
zwischen der Gehäusebohrung und dem Hubringaußendurchmesser eine geringe Druckpulsationen
und Fluidströmung bewirkt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe zeichnet sich dadurch aus,
dass die Außenumfangsfläche des Hubrings, außerhalb der Abflachungen, einen sich
über die Breite des Hubrings hinweg von der Mitte des Hubrings zu jeder seiner Außenseite
hin verjüngenden Umfang aufweist. Durch die sich verjüngenden Außenbereiche entsteht
zwischen der Gehäusebohrung und dem Hubring ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
Der zusätzliche Strömungsquerschnitt sorgt dafür, dass auch bei einem minimalen
Abstand zwischen dem Hubringaußendurchmesser und der Gehäusebohrung stets ein insgesamt
ausreichender Zwischenraum vorhanden ist. Durch den vergrößerten Strömungsquerschnitt
kann die minimale Spaltweite gegenüber einer Pumpe nach dem Stand der Technik verringert
werden, ohne dass die Druckpulsationen und die Fluidströmung im Spalt zunehmen.
Bei gleichbleibendem Durchmesser der Gehäusebohrung lässt sich ein Hubring mit maximalem
Außendurchmesser verwenden. Aufgrund des vergrößerten Außendurchmessers vergrößern
sich auch die Abflachung am Hubring flächenmäßig. Dies führt zu einem geringeren
Verschleiß und einer erhöhten Lebensdauer der Gleitfläche und damit des Hubrings.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verjüngung
des Umfanges des Hubringes bogenförmig verläuft. Der bogenförmige Verlauf der Verjüngung
lässt sich einfach, beispielsweise durch Drehen, ausbilden. Der bogenförmige Verlauf
ist besonders strömungsgünstig. Hierdurch werden Turbulenzen im Spalt zwischen dem
Hubring und der Gehäusebohrung gering gehalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Verjüngung tonnenförmig ausgebildet. Auch die tonnenförmige Ausbildung lässt sich
einfach, beispielsweise durch Drehen, ausbilden. Die tonnenförmige Verjüngung zeichnet
sich ebenfalls durch ihre strömungsgünstige Form aus.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Verjüngung polygonal verläuft. Durch den polygonalen Verlauf lässt sich die
Verjüngung besonders einfach ausbilden.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird die Verjüngung kreisförmig ausgebildet.
Zum Ausbilden des Hubrings kann in diesem Fall eine handelsübliche Kugel verwendet
werden. Es müssen dann lediglich die Seitenflächen sowie die Abflachungen ausgebildet
werden und die Lagerbohrung eingebracht werden.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe zeichnet sich somit durch einen
Hubring aus, welcher einen sich, gegenüber Radialkolbenpumpen nach dem Stand der
Technik, über die Breite des Hubrings hinweg, von der Mitte des Hubrings zu jeder
seiner Außenseite hin, verjüngenden Umfang aufweist. Durch die Verjüngung ergibt
sich zwischen der Gehäusebohrung und dem Hubring ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
Hierdurch kann der Hubring, bei gleichbleibendem Durchmesser der Gehäusebohrung,
größer ausgebildet werden ohne, dass es zu einer Zunahme der Druckpulsationen kommt.
Aufgrund des vergrößerten Außendurchmessers des Hubrings ergibt sich ein vergrößertes
Hubvolumen der Pumpenkolben.
Durch die Verwendung eines größeren Hubringes entstehen zusätzlich
größere Abflachungen am Hubring. Die größeren Abflachungen ermöglichen eine größere
Gleitfläche für den Gleitschuh. In Folge der größeren Gleitfläche nimmt die Lebensdauer
der Gleitflächen zu.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe eignet sich insbesondere für
den Einsatz bei modernen Common Rail Einspritzsystemen. Moderne Common Rail Einspritzsysteme
erzeugen Drücke bis zu 2000 bar. Hierdurch treten extreme Belastungen zwischen den
Gleitschuh und dem Hubring auf. Durch die vergrößerte Gleitfläche kann der Hubring
diesen Belastungen noch besser standhalten.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im
Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt schematisch:
1 eine 3D-Darstellung einer Radialkolbenpumpe
in stark vereinfachter Darstellung,
2 eine Detailansicht eines Hubrings wie
er in einer Radialkolbenpumpe nach 1 verwendet wird;
3a und 3b
einen Hubring mit einer bogenförmig verlaufenden Verjüngung;
4a und 4b
einen Hubring mit einer kreisförmig verlaufenden Verjüngung;
5a und 5b
einen Hubring mit einer polygonal verlaufender Verjüngung, und
6a und 6b
einen Hubring mit einer tonnenförmig verlaufenden Verjüngung.
Funktionsgleiche Elemente sind nachfolgend figurübergreifend mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine 3-D-Ansicht einer Radialkolbenpumpe
in stark vereinfachter Darstellung. Die Radialkolbenpumpe besteht im Wesentlichen
aus einem Pumpengehäuse 1, einer Antriebswelle 2 sowie mehreren
radial angeordneten Pumpeneinheiten 14. Die Pumpeneinheiten 14
sind dabei in einem Winkelabstand von je 120° zueinander angeordnet. Jede der
Pumpeneinheiten 14 weist eine Zylinderbohrung auf, in der bewegbar ein
Pumpenkolben 13 angeordnet ist. Der Pumpenkolben 13 weist an seinem
zur Pumpenwelle 2 gerichteten Ende einen Gleitschuh 11 auf, der
sich mit einer Gleitfläche 12 gegen einen Hubring 4 abstützt.
Der Hubring 4 weist hierzu eine der Anzahl der Pumpenkolben 13
entsprechende Zahl von Abflachungen 8, 9, 10 auf. Der
Hubring 4 ist auf einem exzentrischen Wellenabschnitt 3 der Antriebswelle
2 gleitend gelagert. Durch die Pumpenkolben 13 wird er an einem
Mitdrehen gehindert und führt während der Umdrehung der Antriebswelle
2 eine Taumelbewegung innerhalb der Gehäusebohrung 15 des Pumpengehäuses
1 aus. Aufgrund der Taumelbewegung des Hubrings 4 verändert sich
die örtliche Spaltweite s zwischen der Gehäusebohrung 15 und der Außenumfangsfläche
5 des Hubrings 4 während der Pumpenwellenumdrehung ständig. Der
Ort in dem die Spaltweite s minimal ist, wandert während einer Umdrehung der Pumpenwelle
entlang einer gedachten Hüllkurve, welche durch die Taumelbewegung des Hubrings
4 vorgegeben ist. Aufgrund der Spaltraumveränderung kommt es in dem Zwischenraum
zwischen dem Hubring 4 und der Gehäusebohrung 15 zu einer Fluidströmung.
Hierdurch entstehen Druckpulsationen innerhalb des Pumpengehäuses 1. Um
die Druckpulsation sowie die Fluidströmung möglichst gering zu halten, ist es notwendig,
einen hinreichend großen Strömungsquerschnitt zwischen der Außenumfangsfläche
5 des Hubrings 4 und der Gehäusebohrung 15 vorzusehen.
Durch eine Verjüngung des Hubringaußendurchmessers im Außenbereich entsteht gegenüber
dem aus dem Stand der Technik verwendeten Hubringen, die einen gleichbleibendem
Außendurchmesser aufweisen, ein vergrößerter Strömungsquerschnitt.
2 zeigt eine Detailansicht des Hubrings
4 im Pumpengehäuse 1. Der Hubring 4 befindet sich dabei
in einer Lage, in der die Außenumfangsfläche 5 einen minimalen
Abstand s zur Gehäusebohrung 15 aufweist. Die Außenumfangsfläche
5 des Hubrings 4 weist dabei einen sich über die Breite des Hubrings
4 hinweg, von der Mitte des Hubrings 4 zu jeder seiner Außenseiten
6, 7 hin verjüngenden Umfang auf. Hierdurch ergibt sich zwischen
der Gehäusebohrung 15 und dem Hubrings 4 ein vergrößerter Strömungsquerschnitt
16. Dieser vergrößerte Strömungsquerschnitt wird in 2
durch die gestrichelten Linien verdeutlicht. Aufgrund dieses, gegenüber dem Stand
der Technik vergrößerten Strömungsquerschnitts kann der minimale Abstand s zwischen
der Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 und der Gehäusebohrung
15 des Pumpengehäuses 1 verringert werden. Bei gleichbleibendem
Durchmesser der Gehäusebohrung 15 kann ein Hubring 4 mit einem
größeren maximalen Außenumfang verwendet werden. Durch den größeren Außenumfang
des Hubring 4 entstehen größere Abflachungen 8, 9,
10 am Hubrings 4, wodurch sich eine erhöhte Lebensdauer des Hubrings
4 ergibt.
Um einen in Bezug auf den Stand der Technik vergrößerten Strömungsquerschnitt
zu erzielen, ist prinzipiell jede Ausgestaltung des Hubrings 4 denkbar,
bei der sich die Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 über die
Breite des Hubrings 4 hinweg von der Mitte des Hubrings 4 zu jeder
seiner Außenseiten 6, 7 hin verjüngt. In den 3
bis 6 sind jedoch besonders bevorzugte Ausgestaltungen
der Verjüngung beschrieben. Dabei zeigen die Teilfiguren „a" jeweils eine
3D-Ansicht des Hubrings 4 und die Teilfiguren „b" jeweils einen
Radialschnitt durch den Hubring 4.
Die 3a und 3b
zeigen ein Hubring 4, bei dem die Außenumfangsfläche 5 eine bogenförmige
Verjüngung aufweist. Die bogenförmige Verjüngung erstreckt sich dabei ausgehend
von der Mitte des Hubrings 4 symmetrisch zu jeder Außenseite
6, 7.
Die Verjüngung lässt sich dabei einfach, beispielsweise durch Drehen,
herstellen.
Der bogenförmige Verlauf hat den Vorteil, dass sich auf Grund des
abgerundeten Profils eine besonders strömungsgünstige Oberfläche ergibt. Hierdurch
werden Turbulenzen im Strömungsquerschnitt zwischen dem Hubring 4 und der
Gehäusebohrung 15 weitgehend vermieden. Der Strömungsquerschnitt kann dabei
durch die Krümmung der bogenförmigen Verjüngung beeinflusst werden. Je stärker die
Krümmung/Verjüngung ist, desto größer wir der Strömungsquerschnitt zwischen dem
Hubring 4 und der Gehäusebohrung 15. Eine stärkere Krümmung/Verjüngung
hat jedoch auch den Effekt, dass bei gleichbleibender Tiefe der Abflachung
8, 9, 10 die Breite der Abflachung 8,
9, 10 abnimmt. Die Krümmung ist daher so zu wählen, dass bei gleichbleibender
Tiefe der Abflachung 8, 9, 10, die Breite der Abflachung
8, 9, 10 zumindest im Kontaktbereich zwischen Gleitschuh
13 und Hubring 4, mindestens so breit ist, dass der Gleitschuh
vollflächig an der Abflachung 8, 9, 10 des Hubrings
4 anliegt. Dies gilt auch für alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele,
ohne dass darauf noch einmal explizit eingegangen wird.
Die 4a und 4b
zeigen einen Hubring 4, bei dem die Außenumfangsfläche 5 eine
kreisförmige Verjüngung aufweist. Der besondere Vorteil an der kreisförmigen Verjüngung
liegt darin, das der Hubring 4 dabei besonders einfach aus einer handelsüblichen
Kugel gefertigt werden kann. Hierzu müssen nur die Außenflächen 6,
7, die Abflachungen 8, 9, 10 sowie die Bohrung
17 in die Kugel eingebracht werden. Die Verjüngung der Außenumfangsfläche
ergibt sich durch den Radius der gewählten Kugel. Durch die Verwendung von handelsüblichen
Kugeln kann der Fertigungsaufwand für den Hubring 4 deutlich verringert
werden.
Die 5a und 5b
zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Hubring 4, wie er in
einer Radialkolbenpumpe 1 nach 1 verwendet
werden kann. Die Verjüngung der Außenumfangsfläche 5 verläuft dabei polygonal.
Die polygonale Ausgestaltung der Außenumfangsfläche 5 bietet den Vorteil,
dass der Umfang sich bereichsweise unterschiedlich stark verjüngen kann. So kann
beispielsweise die Verjüngung in der Mitte zunächst nur sehr gering ausgebildet
sein und zu den äußeren Rändern des Hubrings 4 stärker zunehmen. Hierdurch
kann der Strömungsquerschnitt zwischen der Gehäusebohrung 15 und dem Hubrings
4 sehr flexibel an die Anforderungen angepasst werden.
Die 6a und 6b
zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Hubrings 4, wobei die Verjüngung
tonnenförmig verläuft. Der tonnenförmige Verlauf lässt sich ebenfalls besonders
einfach ausbilden, da hierzu nur die äußeren Bereiche mit einem Radius versehen
werden müssen. Die tonnenförmige Verjüngung bietet im wesentlichen die selben Vorteile
wie die bogenförmige Verjüngung, so das an dieser Stelle auf die Beschreibung zu
3 hingewiesen wird.
Die Erfindung zeichnet sich somit allgemein dadurch aus, dass die
Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 einen sich über die Breite
des Hubrings 4 hinweg, von der Mitte des Hubrings 4 zu jeder seiner
Außenseiten hin, verjüngenden Umfang aufweist. Zwischen der Gehäusebohrung
15 des Pumpengehäuses 1 und dem Hubring 4 entsteht dadurch
ein erweiterter Strömungsquerschnitt. Durch diesen zusätzlichen Strömungsraum kann
der Spalt zwischen der Außenumfangsfläche 5 des Hubrings 4 und
der Gehäusebohrung 15 des Pumpengehäuses 1 kleiner als bislang
üblich ausgebildet werden, ohne dass die Druckpulsationen im Pumpengehäuse
zunehmen. Somit ist es möglich bei gleichbleibendem Bauraum einen Hubring mit größerem
Außendurchmesser zu verwenden.
Durch die Verwendung eines Hubrings 4 mit größerem Außenumfang
nimmt die effektive Gleitfläche zwischen der Abflachung 8, 9,
10 des Hubrings 4 und dem Gleitschuh 11 zu, wodurch sich
eine erhöhte Lebensdauer der Gleitflächen ergibt.
Der Fertigungsaufwand für den Hubring 4 ist für alle Ausführungsbeispiele
nur unwesentlich größer als bei den bislang verwendeten Hubringen. Der Hubring
4 mit verjüngender Außenumfangsfläche lässt sich auch in ältere Radialkolbenpumpen
nachträglich einbauen.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe eignet sich insbesondere für
den Einsatz in modernen Common-Rail-Einspritzsystemen mit den dort herrschenden
hohen Drücken und den dadurch vorliegenden hohen Belastungen für die Gleitflächen
zwischen Gleitschuh und Hubring.
