НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE PUMP

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к насосу высокого давления, прежде всего радиально-поршневому или рядному поршневому насосу. Изобретение относится прежде всего к топливным насосам для систем впрыскивания топлива в двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели).
Из DE 102005046670 А1 известен насос высокого давления для устройства впрыскивания топлива в ДВС. Такой известный насос высокого давления имеет составной корпус, в котором расположена по меньшей мере одна плунжерная пара. Плунжерная пара имеет приводимый приводным валом в возвратно-поступательное движение плунжер, установленный в цилиндрическом отверстии в одной из корпусных деталей насоса с возможностью направленного перемещения в этом отверстии и ограничивающий в нем надплунжерное пространство. Приводной вал имеет при этом кулачок, которым плунжер приводится в движение в радиальном относительно оси вращения приводного вала направлении. Между плунжером и кулачком приводного вала расположен толкатель, которым плунжер через опорный ролик опирается на кулачок приводного вала. В толкатель вставлен опорный элемент, в котором опорный ролик установлен с возможностью вращения, перекатываясь при этом по кулачку приводного вала. Ось вращения опорного ролика при этом приблизительно параллельна оси вращения приводного вала.
Недостаток такого известного из DE 102005046670 А1 насоса высокого давления состоит в том, что в процессе его работы кулачок и опорный ролик подвергаются воздействию пульсирующей нагрузки, которая является причиной усталости материала.
Краткое изложение сущности изобретения
Преимущество предлагаемого в изобретении насоса высокого давления с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения, состоит в обеспечении надежной работы, прежде всего в повышении долговечности кулачка и/или опорного ролика. При этом кулачок и опорный ролик выполнены с улучшенными свойствами особенно с учетом пульсирующей нагрузки, возникающей при работе насоса.
Различные предпочтительные варианты выполнения насоса высокого давления, заявленного в п.1 формулы изобретения, приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из таких предпочтительных вариантов радиус опорного ролика меньше радиуса кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, а модуль упругости материала, из которого выполнен опорный ролик по меньшей мере в зоне его поверхности, меньше модуля упругости материала, из которого выполнен кулачок по меньшей мере в зоне его рабочей поверхности. Благодаря этому при различной геометрии опорного ролика и кулачка критическую пульсирующую нагрузку, которой опорный ролик и кулачок подвергаются при работе насоса, можно рассчитывать одинаково критической. В результате возможна оптимизация предела текучести опорного ролика и предела текучести кулачка. В верхней мертвой точке контактное напряжение сжатия на поверхности опорного ролика и контактное напряжение сжатия на рабочей поверхности кулачка одинаковы по величине. При этом каждое из таких контактных напряжений сжатия должно быть меньше предела текучести опорного ролика, соответственно кулачка. Преимущество, связанное с выполнением опорного ролика согласованным с кулачком, состоит в возможности оптимизировать характеристики усталости обеих этих деталей - опорного ролика и кулачка.
В еще одном предпочтительном варианте радиус опорного ролика меньше радиуса кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, и опорный ролик имеет по меньшей мере одно отверстие, которое по меньшей мере частично проходит вдоль оси вращения опорного ролика. В этом отношении предпочтительно далее выполнять отверстие относительно оси вращения опорного ролика по меньшей мере в основном в виде осевого или по меньшей мере в основном в виде концентричного отверстия и/или выполнять отверстие в виде сквозного отверстия, которое проходит от одной стороны опорного ролика до другой его стороны. Благодаря этому при разной геометрии опорного ролика и кулачка в верхней мертвой точке удается снизить жесткость опорного ролика в зоне его поверхности.
В еще одном предпочтительном варианте радиус опорного ролика меньше радиуса кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, и опорный ролик обладает у своей поверхности по меньшей мере одним повышенным сжимающим внутренним напряжением. Особенно предпочтителен в этом отношении вариант, в котором поверхность опорного ролика подвергнута цементации и/или дробеструйной обработке, и/или накатному полированию роликами, и/или азотированию, и/или нитроцементации. Благодаря этому при разной геометрии опорного ролика и кулачка в верхней мертвой точке удается повысить контактную прочность опорного ролика путем создания сжимающего внутреннего напряжения у его поверхности. В результате возможно оптимальное согласование опорного ролика с кулачком.
В еще одном предпочтительном варианте радиус опорного ролика больше радиуса кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, а модуль упругости материала, из которого выполнен опорный ролик по меньшей мере в зоне его поверхности, больше модуля упругости материала, из которого выполнен кулачок по меньшей мере в зоне его рабочей поверхности. Благодаря этому возможно оптимальное согласование между собой опорного ролика и кулачка. При этом кулачок может также обладать у его рабочей поверхности по меньшей мере одним повышенным сжимающим внутренним напряжением.
В еще одном предпочтительном варианте модуль упругости и/или контактная прочность и/или коэффициент поперечной деформации материала, из которого выполнен опорный ролик по меньшей мере в зоне его поверхности, и модуль упругости и/или контактная прочность и/или коэффициент поперечной деформации материала, из которого выполнен кулачок по меньшей мере в зоне его рабочей поверхности, заданы по меньшей мере приблизительно одинаковыми по величине, а радиус опорного ролика и радиус кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, также заданы по меньшей мере приблизительно равными по величине. Так, например, опорный ролик и кулачок могут быть выполнены из одной и той же стали или из стали сравнимых марок, которые касательно их модуля упругости, контактной прочности и коэффициента поперечной деформации имеют одинаковые или сравнимые показатели. В этом случае радиус кривизны кулачка в зоне верхней мертвой точки насосного узла по меньшей мере приблизительно соответствует радиусу опорного ролика, что обеспечивает оптимальное согласование обеих этих деталей между собой. В этом отношении предпочтительно далее, чтобы радиус опорного ролика и радиус кривизны кулачка в том месте его рабочей поверхности, к которому прилегает опорный ролик в верхней мертвой точке насосного узла, различались между собой менее чем на 5%.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе топливного насоса высокого давления согласно первому варианту осуществления изобретения; и
на фиг.2 - вид фрагмента, изображенного на фиг.1 насоса высокого давления в разрезе плоскостью II-II.
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показан топливный насос 1 высокого давления согласно первому варианту осуществления изобретения. Такой насос 1 высокого давления может быть прежде всего выполнен в виде радиально-поршневого или рядного поршневого насоса, используемого в системах впрыскивания топлива в ДВС с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели). Подобный насос 1 высокого давления наиболее пригоден для применения в системах впрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления (в системах "common rail"), в которой аккумулируется дизельное топливо под высоким давлением. Однако предлагаемый в изобретении насос 1 высокого давления пригоден и для применения в иных системах.
Насос 1 высокого давления имеет составной корпус 2. В данном варианте корпус 2 состоит из корпусных деталей 3, 4, 5, среди которых корпусная деталь 3 представляет собой основную часть, корпусная деталь 4 представляет собой головку цилиндра, а корпусная деталь 5 представляет собой закрепленный на основной части 3 фланец.
Насос 1 высокого давления имеет далее приводной вал 6, который установлен на опорах 7, 8 в корпусных деталях 3, 5. Между опорами 7, 8 приводной вал 6 имеет кулачок 9. В данном варианте кулачок 9 выполнен в виде двухпрофильного кулачка. Кулачок 9 может быть также выполнен в виде однопрофильного либо иного многопрофильного кулачка.
Корпусная деталь 3 насоса 1 высокого давления имеет направляющее отверстие 12, в котором расположен насосный узел 13. Кулачок 9 функционально связан или взаимодействует с этим насосным узлом 13. В зависимости от конструктивного исполнения насоса 1 высокого давления он может также иметь несколько насосных узлов, соответствующих по своей конструкции насосному узлу 13. Подобные насосные узлы могут взаимодействовать с кулачком 9 или иным кулачком, соответствующим кулачку 9. В соответствии с этим в зависимости от конструктивного исполнения насоса высокого давления возможна его реализация в виде радиально-поршневого или рядного поршневого насоса.
Выполненная в виде головки цилиндра корпусная деталь 4 имеет выступ 14, который проходит в направляющее отверстие 12. Выступ 14 имеет цилиндрическое отверстие 15, в которое вставлен плунжер 16 с возможностью направленного перемещения в нем вдоль оси 17 направляющего отверстия 12, что обозначено двунаправленной стрелкой 18. Плунжер 16 ограничивает надплунжерное пространство 19 в цилиндрическом отверстии 15. В это надплунжерное пространство 19 через предусмотренный в корпусной детали 4 впускной клапан 20 может поступать топливо из топливного канала 21. На корпусной детали 4 предусмотрен далее выпускной клапан 22, через который находящееся под высоким давлением топливо может из надплунжерного пространства 19 поступать в топливный канал 23. Топливный канал 23 может быть соединен, например, с общей топливной магистралью высокого давления для подачи в нее топлива под высоким давлением.
Насосный узел 13 имеет опорный ролик 25, установленный в опорном башмаке 26. Опорный башмак 26 вставлен при этом в выполненный в основном в виде полого цилиндра толкающий (рабочий) элемент 27 толкателя. Толкающий элемент 27 соединен далее с дисковидным поводковым элементом 28, который охватывает плунжер 16 выше его буртика 29. Благодаря этому плунжер 16 через свой буртик 29 удерживается в контакте с опорным башмаком 29. Помимо этого предусмотрена пружина 30 плунжера, которая воздействует на толкающий элемент 27 и/или поводковый элемент 28 и тем самым с определенным своим усилием поджимает толкающий элемент 27 вместе с плунжером 16 в сторону опорного ролика 25. Благодаря этому плунжер 16 с его буртиком 29, опорный башмак 26, опорный ролик 25 и рабочая поверхность 10 кулачка 9 последовательно прилегают друг к другу, при этом подобное взаимное прилегание указанных элементов друг к другу обеспечивается и при высокой частоте вращения вала насоса 1 высокого давления.
В результате при работе насоса 1 высокого давления обеспечивается обозначенное на чертеже двунаправленной стрелкой 18 возвратно-поступательное движение плунжера 16, который тем самым нагнетает находящееся под высоким давлением топливо в общую топливную магистраль высокого давления. При совершении плунжером 16 хода нагнетания топлива в общую топливную магистраль высокого давления по топливному каналу 23 на опорный ролик 25 через опорный башмак 26 действует сравнительно высокая сила F (фиг.2). Опорный ролик 25 опирается при этом на рабочую поверхность 10 кулачка.
При работе насоса 1 высокого давления его приводной вал 6 вращается вокруг своей оси 31. Помимо этого опорный ролик 25 перекатывается по рабочей поверхности 10 кулачка 9. Ось 32 вращения опорного ролика 25 при этом по меньшей мере приблизительно ориентирована параллельно оси 31 приводного вала 6. Опорный ролик 25 имеет поверхность 35. Опорный ролик 25 при работе насоса высокого давления перекатывается своей поверхностью 35 по рабочей поверхности 10 кулачка 9.
Ниже выполненный по описанному выше варианту насос 1 высокого давления более подробно рассмотрен также со ссылкой на фиг. 2.
На фиг. 2 в разрезе плоскостью II-II показан фрагмент изображенного на фиг. 1 насоса 1 высокого давления. При этом на фиг. 2 проиллюстрирован момент, в который насосный узел 13 находится в верхней мертвой точке. Опорный ролик 25 при этом своей поверхностью 35 прилегает к рабочей поверхности 10 кулачка 9 в ее месте 36. В этом положении, соответственно около этого положения опорный ролик 25, а также кулачок 9 подвергаются наибольшей нагрузке. Плунжер 16 насосного узла 13 при этом достигает конца своего хода нагнетания, и поэтому в надплунжерном пространстве 19 преобладает максимальное давление, которое может создаваться насосом 1 высокого давления. В результате и на опорный ролик действует соответственно высокая сила F.
Опорный ролик 25 и кулачок 9 могут быть выполнены из закаленной высокопрочной инструментальной стали. При этом геометрическая форма и материал опорного ролика 25, а также геометрическая форма и материал кулачка 9 подобраны с таким расчетом, что контактная прочность опорного ролика 25 (нагрузочная способность при качении) и контактная прочность кулачка 9 на его рабочей поверхности 10 по меньшей мере приблизительно равны по величине. В рассматриваемом варианте существенна в особенности контактная прочность кулачка 9 в месте 36 его рабочей поверхности 10, поскольку в этом месте кулачок 9 подвергается максимальной контактной нагрузке при качении. У кулачка 9, выполненного в виде двухпрофильного кулачка 9, соответственно высокой контактной нагрузке при качении его рабочая поверхность 10 подвергается также в еще одном ее месте 37. Место 37 расположено при этом относительно оси 31 приводного вала 6 диаметрально напротив места 36 рабочей поверхности 10 кулачка.
Опорный ролик 35 выполнен по меньшей мере приблизительно цилиндрическим. Опорный ролик 25 имеет измеряемый до его поверхности 35 радиус 38. Помимо этого кулачок 9 имеет измеряемый до его рабочей поверхности 10 и изменяющийся по его окружности радиус кривизны. Поскольку наибольшей контактной нагрузке при качении кулачок 9 подвергается в зоне мест 36, 37 его рабочей поверхности, важное значение имеет радиус 39 кривизны в месте 36, в котором опорный ролик 25 прилегает к рабочей поверхности 10 кулачка в верхней мертвой точке насосного узла 13. В месте 37 кулачок имеет соответствующий радиус 40 кривизны, равный радиусу 39 кривизны. В зависимости от конструктивного исполнения насоса 1 высокого давления радиус 38 опорного ролика 25 может быть равен радиусу 39 кривизны кулачка 9, быть меньше или же больше него.
В показанном на фиг. 1 положении кулачка 9 в верхней мертвой точке насосного узла 13 контактное напряжение сжатия на рабочей поверхности 10 кулачка 9, а также на поверхности 35 опорного ролика 25 одинаковы по величине у обеих деталей 9, 25. Для обеспечения надежной работы это контактное напряжение сжатия должно быть меньше предела текучести обеих указанных деталей - опорного ролика 25 и кулачка 9. Поскольку при работе насоса нагрузка прикладывается с высокой динамичностью, важное значение с точки зрения надежности в работе имеет усталость опорного ролика 25 и/или усталость кулачка 9. Пульсирующая нагрузка, которой подвергаются опорный ролик 25 и кулачок 9, максимальна под поверхностью 35 опорного ролика, соответственно под рабочей поверхностью 10 кулачка. Помимо этого пульсирующая нагрузка зависит от величины нагрузки на опорный ролик 25, соответственно кулачок 9, от геометрии каждого из них, прежде всего радиуса 38 опорного ролика 25 и радиусов 39, 40 кривизны кулачка в местах 36, 37, а также от модуля упругости каждого из них. Для обеспечения надежной работы насоса 1 высокого давления на протяжении всего срока его службы пульсирующая нагрузка не должна превышать допустимую контактную прочность используемого для изготовления деталей 25, 9 материала, соответственно используемых для их изготовления материалов. Пульсирующая нагрузка сказывается при этом в тем большей степени, чем меньше радиус 38 опорного ролика 25, соответственно радиус 39 кривизны кулачка 9. В соответствии с этим большей нагрузке подвергается та из деталей 25, 9, которая имеет меньший радиус 38, соответственно радиус 39 кривизны.
Учитывая сказанное выше, критическую пульсирующую нагрузку (асимметричное напряжение) для обеих деталей 9, 25 предпочтительно рассчитывать одинаково критической с точки зрения допустимой контактной нагрузки при качении. Ниже рассмотрены примеры выполнения возможных расчетов в этом отношении.
При задании радиуса 38 опорного ролика 25, меньшим радиуса 39 кривизны кулачка 9, предпочтительно, чтобы модуль упругости материала, из которого выполнен опорный ролик 25 по меньшей мере в зоне его поверхности 35, был меньше модуля упругости материала, из которого выполнен кулачок 9 по меньшей мере в зоне его рабочей поверхности 10. В этом случае опорный ролик может также иметь по меньшей мере одно отверстие 41. Наличие такого отверстия 41 позволяет снизить жесткость опорного ролика 25 прежде всего в зоне его поверхности 35. Отверстие 41 в предпочтительном варианте выполнено в виде осевого или коаксиального отверстия 41. В данном варианте отверстие 41 выполнено в виде осевого отверстия, проходящего вдоль оси 32 вращения опорного ролика 25. Помимо этого в данном варианте отверстие 41 выполнено в виде сквозного отверстия 41. Отверстие 41 проходит при этом от одной стороны 42 опорного ролика 25 до другой его стороны 43, обращенной от его стороны 42.
В том случае, когда радиус 38 опорного ролика 25 меньше радиуса 39 кривизны кулачка 9 в месте 36 его рабочей поверхности 10, предпочтительно также, чтобы опорный ролик 25 обладал у своей поверхности 35 повышенными сжимающими внутренними напряжениями. Опорный ролик 25 при этом может быть подвергнут обработке в зоне его поверхности 35. Поверхность 35 опорного ролика можно, в частности, подвергать цементации, дробеструйной обработке, накатному полированию роликами, азотированию или же нитроцементации. Подобная обработка позволяет благодаря созданию сжимающих внутренних напряжений у поверхности 35 опорного ролика 25 повысить его контактную прочность, прежде всего контактную прочность его поверхности 35.
В том случае, когда радиус 38 опорного ролика 25 больше радиуса 39 кривизны кулачка 9, предпочтительно, чтобы модуль упругости материала, из которого выполнен опорный ролик 25, был больше модуля упругости материала, из которого выполнен кулачок 9 по меньшей мере в зоне его рабочей поверхности 10. Благодаря этому возможно выравнивание нагрузки для достижения одинаковых или по меньшей мере сравнимых условий нагружения опорного ролика 25 и кулачка 9. Помимо этого кулачок 9 и прежде всего его поверхность можно подвергать обработке. Такая обработка может соответствовать указанной выше обработке поверхности 35 опорного ролика 25.
В том случае, когда радиус 38 опорного ролика 25 и радиус 39 кривизны кулачка 9 в месте 36 его рабочей поверхности 10 по меньшей мере приблизительно равны по величине, предпочтительно, чтобы материал опорного ролика 25 и материал кулачка 9 имели по меньшей мере приблизительно одинаковый модуль упругости, по меньшей мере приблизительно одинаковую контактную прочность и/или по меньшей мере приблизительно одинаковый коэффициент поперечной деформации. Благодаря этому опорный ролик 25 и кулачок 9 можно выполнять в зоне мест 36, 37 со сравнимой геометрией, а также использовать для их изготовления сравнимые или одинаковые материалы. Тем самым удается добиться одинаковых или по меньшей мере сравнимых условий нагружения обеих деталей.
Радиус 38 опорного ролика 25 и радиус 39 кривизны кулачка 9 предпочтительно должны различаться между собой менее чем на 5%.
Изобретение не ограничено описанными выше вариантами его осуществления.