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Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Eine Zahnradpumpe der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 101 34 622 A1 bekannt. Bei dieser Außenzahnradpumpe kämmen zwei in einem Gehäuse nebeneinander angeordnete Zahnräder miteinander. Durch den Bereich, in dem die beiden Zahnräder miteinander kämmen, wird ein Druckbereich von einem Saugbereich der Zahnradpumpe dadurch getrennt, dass dort im Verlaufe der Bewegung der Zahnräder ein Zahn des einen Zahnrads in einen Zahnzwischenraum des anderen Zahnrads eindringt, wodurch wird der Kraftstoff aus dem Zahnzwischenraum herausgepresst wird.
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Neben Außenzahnradpumpen sind auch Innenzahnradpumpen bekannt. So zeigt die
DE 10 2006 056 844 A1 eine Innenzahnradpumpe mit einem Saugkanal und zwei Druckkanälen. In einem Gehäuse der Innenzahnradpumpe ist ein miteinander kämmendes Zahnradpaar angeordnet. Das Zahnradpaar umfasst ein exzentrisch zu einem im Gehäuse drehbar gelagerten Zahnring angeordnetes Ritzel, welches auf einer Antriebswelle angeordnet ist.
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Die Funktionsweise einer Zahnradpumpe wird nachfolgend als bekannt vorausgesetzt und es werden im Wesentlichen nur die für die Erfindung wichtigen Aspekte näher erläutert.
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Die Drehmomentübertragung von einer Antriebswelle auf die Zahnradpumpe erfolgt derzeit über einen Passstift oder formschlüssig über einen Zweiflach. Dabei müssen eine axiale Beweglichkeit und eine verschleißfreie Drehmomentübertragung gewährleistet sein.
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Die bekannten Antriebselemente weisen jedoch Nachteile auf. So ist bei einem Passstift der Verschleiß durch Drehschwingungen der Excenterwelle (Hochdruckpumpe) relativ hoch. Die nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen führen zu einem Spiel beim Verdrehen, wobei sich das Spiel unter Last progressiv vergrößert. Diese Variante ist also nur anwendbar, wenn der Pumpendruck sehr niedrig gehalten werden kann.
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Die Verwendung des Zweiflachs verursacht hohe Kosten. Ein Verschleißrisiko ist auch hier z. B. wegen möglicher Kerbwirkungen reaktiv hoch und die Kinematik ist nicht immer optimal. Darunter leiden die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Zahnradpumpe.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Antriebselement ein Polygonprofil aufweist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass das Antriebszahnrad (Primärzahnrad) der Zahnradpumpe durch eine Polygonverbindung angetrieben wird. Die Polygonverbindung stellt eine lösbare und in axialer Richtung verschiebbare Verbindung dar. Polygonverbindungen zeichnen sich durch eine sehr geringe Kerbwirkung, eine Selbstzentrierung, einer Robustheit gegenüber hohen Drehmomenten und allgemein guten dynamischen Eigenschaften aus. Die spezifische Flächenpressung zwischen dem Antriebselement und dem Zahnrad ist bei der Polygonverbindung verglichen mit einem Zweiflach oder einem Passstift sehr niedrig. Der Verschleiß kann dadurch erheblich gesenkt werden. Eine notwendige axiale Beweglichkeit ist dabei sichergestellt.
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Das polygonförmige Antriebselement kann zusammen mit dem Exzenter zum Beispiel durch Schleifen in der Antriebswelle ausgeformt werden. Das polygonförmige Antriebselement der Antriebswelle und die dazu komplementäre Aussparung in der Zahnradpumpe können als Spielpassung oder als Presspassung gefertigt werden. Besonders vorteilhaft ist es, dass die Aussparung als Polygonprofil im Zahnrad unter Berücksichtigung der unvermeidbaren fertigungsbedingten Toleranzen durch sintern hergestellt werden. Dabei kann berücksichtigt werden, dass das Polygonprofil in den Bereichen in denen die der Drehmomentübertragung erfolgt, sehr kleine Toleranzen (z. B. ISO-Toleranz H7 oder H8) aufweist, während andere, weniger kritische Bereiche des Polygonprofils mittlere bzw. grobe Toleranzen aufweisen. Die Fertigungskosten für diese Verbindung können durch die unterschiedlich anwendbaren Toleranzen gering gehalten werden, zumal auf eine gesonderte Kupplung zwischen Antriebswelle und Zahnradpumpe verzichtet werden kann.
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Vorteilhaft ist außerdem, dass das Polygonprofil von einem gleichseitigen Dreieck oder von einem Quadrat abgeleitet ist. Beide Profile sind genormt (z. B. nach DIN 32711). Dabei ist das gleichseitige Dreieck-Profil (auch P3G-Profil genannt) von einem sog. Gleichdick abgeleitet. Das quadratische Profil (auch P4G-Profil genannt) weist eine Querschnittsform auf, dessen Ecken von einem konzentrischen Kreiszylinder angeschnitten sind. Beide Profile sind stark dauerbelastbar und weisen eine besonders geringe Kerbwirkung auf.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Aussparung für das Antriebselement mindestens eine Nut aufweist. Die mindestens eine Nut hat dabei die Aufgabe, durch eine Freistellung im Polygonprofil einen Druckausgleich sicherzustellen. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die Nut nicht in dem Bereich des Profils ausgeführt ist, in dem die Drehmomentübertragung erfolgt. Gerade im Bereich der Nuten sind die Genauigkeitsanforderungen relativ gering, so dass sie mit mittleren bzw. groben Toleranzen gefertigt werden können. Bevorzugt sind symmetrisch ausgelegte Nuten. So können z. B. die Nuten symmetrisch zwischen den Polygonecken angeordnet sein.
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Ferner ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Zahnradpumpe als eine Innenzahnradpumpe oder als eine Außenzahnradpumpe ausgebildet ist. Die Erfindung kann außerdem auch in einer Flügelzellenpumpe oder in einer Rollenzellenpumpe wirken. Das bedeutet, dass die Erfindung im Wesentlichen in jeder Kraftstoffpumpe, die eine verschiebbare Verbindung zum Antrieb aufweist, eingesetzt werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das Umfeld der Erfindung;
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2 die Zahnradpumpe aus 1 in einer Ausgestaltung als Innenzahnradpumpe in einem Längsschnitt;
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3 eine Zahnradanordnung der Innenzahnradpumpe aus 2 mit einem erfindungsgemäßen Antrieb in einer ersten Ausführungsform;
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4 eine Zahnradanordnung einer Außenzahnradpumpe mit einem erfindungsgemäßen Antrieb in der ersten Ausführungsform; und
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5 eine Zahnradanordnung einer Innenzahnradpumpe aus 2 mit einem erfindungsgemäßen Antrieb in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt das Umfeld der Erfindung. 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10, das für ein sog. Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine 12 ausgelegt ist. Zum Betrieb der Brennkraftmaschine 12 wird Kraftstoff unter Hochdruck in einen Kraftstoffverteiler (Common Rail) 14 gefördert und dort gespeichert, wobei am Kraftstoffverteiler 14 Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 angeschlossen sind, die der Kraftstoff unter Hochdruck in Brennräume 18 der Brennkraftmaschine 12 einspritzen.
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Der Kraftstoff wird dabei aus einem Kraftstofftank 20 eines Kraftfahrzeugs gefördert. In Strömungsrichtung sind im Kraftstoffförderpfad ausgehend vom Kraftstofftank 20 eine Saugdrossel 24 und eine mechanisch betriebene Vorförderpumpe, die als Zahnradpumpe 26 ausgestaltet ist, angeordnet. Die Zahnradpumpe 26 kann dabei als eine Außen- oder als eine Innenzahnradpumpe ausgebildet sein. Der Kraftstoffpfad mündet zum Schmieren von Antriebsteilen in einem Antriebs- bzw. Kurbelraum 30 einer Hochdruckpumpe 32, die bevorzugt als eine mechanisch angetriebene Radialkolbenpumpe ausgebildet ist. Für den Betrieb weist die Hochdruckpumpe 32 einen Exzenter 33 auf, der durch eine Antriebswelle 34 in Rotation gebracht wird. Die Antriebswelle 34 treibt ebenfalls die Zahnradpumpe 26 an (vgl. Bezugszeichen 28). Der Verlauf des Kraftstoffs im normalen Betrieb des Kraftstoffsystems 10 ist in der Zeichnung durch Pfeile gekennzeichnet.
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In Strömungsrichtung wird der Kraftstoff durch den Antriebs- bzw. Kurbelraum 30 gefördert und schließlich einer Zumesseinrichtung 35 zugeführt, die als ein steuerbares, proportionales federbelastetes Schieberventil ausgebildet ist. Die Zumesseinrichtung 35 ist also fluidisch bzw. hydraulisch zwischen der Zahnradpumpe 26 und der Hochdruckpumpe 32 angeordnet und dient zur Dosierung des Kraftstoffs für die Hochdruckpumpe 32. Stromabwärts von der Zumesseinrichtung 35 ist der Kraftstofffluss zweigeteilt. Einerseits zweigt ein Nullförderlauf ab, in dem eine Nullförderdrossel 36 angeordnet ist. Andererseits zweigt ein Förderlauf ab, in dem über ein Saugventil 38 der Kraftstoff in einen Förderraum 40 der Hochdruckpumpe 32 gefördert wird. Anschließend wird der Kraftstoff unter Hochdruck über ein Rückschlagventil 42 in den Kraftstoffverteiler 14 eingebracht.
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2 zeigt eine als Innenzahnradpumpe ausgebildete Zahnradpumpe 26 in einem Längsschnitt. Sie ist in einem Lagerdeckel 44 der Hochdruckpumpe 32 integriert. Ein Gehäuse 46 der Innenzahnradpumpe 26 umfasst die Antriebswelle 28, an deren freien Ende ein Antriebselement 48 angeordnet ist. Weitere Informationen zur Ausgestaltung des Antriebselements 48 folgen weiter hinten. Das Antriebselement 48 treibt ein außenverzahntes Primärzahnrad 50 (Ritzel) an, das mit einem innenverzahnten Zahnrad 52 (Zahnring) zusammenwirkt, wobei Kraftstoff in Förderrichtung von einem Ansaugkanal 54 zu einem Auslasskanal 56 gefördert wird. Das Primärzahnrad 50 und das Zahnrad 52 sind dabei exzentrisch zueinander angeordnet, so dass die Mittelachse 55 des Primärzahnrads 50 zur Mittelachse 57 des Zahnrads 52 leicht versetzt ist.
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3 zeigt eine Zahnradanordnung der Innenzahnradpumpe 26 aus 2 mit einem erfindungsgemäßen Antrieb in einer ersten Ausführungsform. Die generelle Funktionsweise der Innenzahnradpumpe 26 wird nachfolgend als bekannt vorausgesetzt.
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Das Antriebselement 48 weist ein Polygonprofil auf, das in einer komplementär ausgebildeten Aussparung 58 des Primärzahnrads 50 als Spielpassung oder als Presspassung eingesetzt ist. Das Polygonprofil ist von einem gleichseitigen Dreieck abgeleitet und als P3G-Profil bekannt. Die Aussparung 58 weist an ihrem Umfang jeweils in einem mittleren Bereich der Dreieckseiten drei vom Antriebselement 48 weggewölbte Nuten 60 auf. Über den Umfang können auch weniger als drei Nuten 60 angeordnet sein. Die Nuten 60 dienen zum Druckausgleich zwischen den Stirnseiten der Zahnräder.
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Das als Polygonprofil ausgebildete Antriebselement 48 überträgt im Betrieb die Rotationsbewegung 62 der Antriebswelle 28 auf das Primärzahnrad 50. Dabei ist die Flächenpressung bei der Drehmomentübertragung nicht in allen Bereichen am Umfang des Antriebselements 48 gleichmäßig verteilt. Bereiche am Umfang mit hoher Flächenpressung 63 sind in 3 mit Kraftlinien 64 gekennzeichnet. Die Bereiche 63 des Antriebselements 48 und der Aussparung 58 sollten bevorzugt mit sehr feinen Toleranzen gefertigt sein. Bei der Wahl der Lage der Nuten 60 während einer Fertigung, ist im Übrigen darauf zu achten, dass die Nuten 60 nicht in dem Bereichen 63 mit einer hohen Flächenpressung liegen.
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4 zeigt eine Zahnradanordnung einer Außenzahnradpumpe 26 mit dem Antrieb der ersten Ausführungsform. Die Außenzahnradpumpe 26 weist ein Gehäuse 46 auf, in dem eine Pumpenkammer 66 ausgebildet ist. In der Pumpenkammer 66 ist das Primärzahnrad 50 angeordnet, das mit dem Zahnrad 52 kämmt. Das Primärzahnrad 50 ist auf dem Antriebselement 48 befestigt und über dieses drehbar gelagert, das Zahnrad 52 gleitet auf einem Lagerstummel 72. Das Antriebselement 48 weist wie in 3 ein Polygonprofil (P3G-Profil) auf, das in einer komplementär ausgebildeten Aussparung (nicht sichtbar) des Primärzahnrads 50 eingesetzt ist. In den den Zahnrädern 50 und 52 zugeordneten Umfangswänden der Pumpenkammer 66 ist jeweils eine Druckausgleichsnut 59 ausgebildet, durch die der radiale Abstand zwischen dem Außenumfang der Zahnräder 50 und 52 und den zugeordneten Umfangswänden vergrößert ist. Der Antrieb des Primärzahnrads 50 erfolgt gemäß der Beschreibung zu 3.
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5 zeigt eine Zahnradanordnung der Innenzahnradpumpe 26 aus 2 mit einem Antrieb in einer zweiten Ausführungsform. Der Unterschied liegt in der Ausgestaltung des Antriebselements 48. Das Antriebselement 48 weist ein Polygonprofil auf, das in einer komplementär ausgebildeten Aussparung 58 des Primärzahnrads 50 als Spiel- oder Presspassung eingesetzt ist. Das Polygonprofil ist von einem Quadrat abgeleitet und ist als P4G-Profil bekannt. Die Aussparung 58 weist an ihrem Umfang jeweils in einem mittleren Bereich der Quadratseiten und in den Eckpunkten vom Antriebselement 48 weggewölbte Nuten 60 auf. Die Bereiche mit hoher Flächenpressung 63 am Umfang des Antriebselements 48 und der Aussparung 58 sollten auch hier bevorzugt mit sehr kleinen Toleranzen gefertigt sein. Auch hier ist darauf zu achten, dass die der Nuten 60 nicht in den Bereichen 63 der hohen Flächenpressung liegen.
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Die beiden Ausführungsformen des Antriebs der Zahnradpumpen 26 zeichnen sich durch eine gute Dauerbelastbarkeit aus und weisen eine besonders geringe Kerbwirkung auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10134622 A1 [0002]
- DE 102006056844 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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