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WO2004111450A1 - Radialkolbenpumpe zur kraftstoffhochdruckerzeugung bei kraftstoffeinspritzsystemen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Radialkolbenpumpe zur kraftstoffhochdruckerzeugung bei kraftstoffeinspritzsystemen von brennkraftmaschinen Download PDF

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Publication number
WO2004111450A1
WO2004111450A1 PCT/EP2004/006338 EP2004006338W WO2004111450A1 WO 2004111450 A1 WO2004111450 A1 WO 2004111450A1 EP 2004006338 W EP2004006338 W EP 2004006338W WO 2004111450 A1 WO2004111450 A1 WO 2004111450A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
roller
piston pump
piston
radial piston
pump according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/006338
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Breuer
Claudia Kohler
Franz Rückert
Karl-Heinz Thiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to JP2006515910A priority Critical patent/JP2006527330A/ja
Priority to EP04739827A priority patent/EP1633978A1/de
Priority to US10/560,461 priority patent/US20060216157A1/en
Publication of WO2004111450A1 publication Critical patent/WO2004111450A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
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    • F05C2203/083—Nitrides
    • F05C2203/0843—Nitrides of silicon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/10—Hardness

Definitions

  • Radial piston pump for generating high pressure fuel in fuel injection systems of internal combustion engines
  • the invention relates to a radial piston pump for generating high fuel pressure in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, with a drive shaft mounted in a pump housing with an eccentric shaft section on which a roller is mounted, and preferably with a plurality of radial ones with respect to the drive shaft Pistons arranged in a respective cylinder, at the ends of which are facing the roller, a piston footplate is arranged, which contacts the peripheral surface of the roller, according to the preamble of claim 1.
  • Such a radial piston pump is known for example from DE 198 09 315 Al.
  • the piston base plate and the roller of the known radial piston pump are usually made of case hardening steel or tempered steel. Over time, however, these components may experience sliding wear due to adhesion, abrasion or surface disruption. This undesirable wear can lead to a failure of the radial piston pump and thus also to a failure of the internal combustion engine.
  • the present invention is based on the object of further developing a radial piston pump of the type mentioned in such a way that its reliability is increased.
  • this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • a wear-resistant material namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet
  • the materials mentioned have a significantly higher modulus of elasticity than the steel materials previously used, which results in less deformation under load and consequently also in a more uniform surface pressure without any significant stress peaks.
  • ceramic materials their lower weight plays an advantageous role, since the piston base plate is accelerated and decelerated at a high frequency together with the piston, and consequently the mass inertia is significantly reduced.
  • the piston footplate can be made entirely of the wear-resistant material or, as previously, consists of case hardening steel or tempering steel and carries at least one insert made of the wear-resistant material on its surface facing the roller.
  • inserts has the advantage of a modular structure, i.e. that a standardized piston footplate can be provided with inserts made of different materials and thus a multitude of variants can be created.
  • this preferably contains silicon nitride Si 3 N 4 and has a roughness depth R z between 0.15 ⁇ m and 0.5 ⁇ m.
  • Hard metals can consist of G20, GC37 or GC20, for example, and have a roughness depth R z between 0.3 ⁇ m and 1.0 ⁇ m, while the cast carbide material has a
  • Shell hard casting material in particular formed by GGH or SoGGH, which has a roughness depth R z between 0.5 ⁇ m and 2.0 ⁇ m.
  • the piston base plate particularly preferably has at least two intersecting grooves on its surface facing the roller. This eliminates the area of overlap between the piston foot disc and roller without lubricant supply. Fuel can accumulate in the grooves acting as accumulation gaps, which, due to the sliding speed between the roller and the piston foot plate, promotes the formation of a hydrodynamic sliding film, which further reduces wear on the sliding surfaces.
  • Fig.l is a cross-sectional view of a radial piston pump with a piston foot plate and a drive shaft according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a piston and a piston base plate according to a further embodiment
  • FIG. 2a shows an enlarged detail from FIG. 2;
  • FIG. 2b shows a further enlarged detail from FIG. 2;
  • FIG. 3 shows a bottom view of the piston footplate of FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a drive shaft according to a further embodiment
  • Figure 6 is a view along the line VI-VI of Figure 5; 7 is a view along the line VII-VII of Fig.6.
  • the radial piston pump 1 shown in Fig.l is preferably used to generate the system pressure for the high pressure accumulator (rail) of a common rail injection system of a self-igniting internal combustion engine. It comprises a drive shaft 4 which is mounted in a pump housing 2 and has an eccentric shaft section 6, on which a polygonal roller 8 which is rotatable relative to the shaft section 6 is received.
  • the polygonal roller 8 has flat flat sections 12 arranged along its circumferential surface 10 with circumferential spacing from one another.
  • a piston 16 which is guided radially in a cylinder 14 to the drive shaft 4 with its piston foot plate 18, is supported on the flat sections 12 of the roller 8.
  • the piston base plate 18 is preferably pivotally connected to the end of the piston 16 facing the drive shaft 4 by means of a spherical bearing 20.
  • the spherical bearing 20 is realized, for example, in that the piston end is designed as a partial ball 22 which engages in a complementarily designed spherical recess 24 in the piston foot plate 18.
  • the piston base plate 18 is biased together with the piston 16 by a spring 26 against the associated flat portion 12 of the roller 8.
  • At least the surface 28 of the piston foot plate 18 contacting the circumferential surface 10 of the roller 8 consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet.
  • a wear-resistant material namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet.
  • the insert 30 can be connected to the remaining piston foot plate 18 in a form-fitting and / or integral manner, for example by gluing or by soldering.
  • the insert 30 can, as shown in Fig.l, extend over the entire contact surface 28 of the piston foot plate 18 with the roller 8 or only over a part of it.
  • the entire piston foot plate 18 can also be made of the wear-resistant material, so that no additional insert 30 is necessary.
  • Hard metals can consist of G20, GC37 or GC20, for example, while the cast carbide material can contain a hard shell material, in particular GGH or SoGGH.
  • the piston 16 itself can be made of wear-resistant material, for example of an Si 3 N 4 or a ZrO 2 ceramic.
  • the piston 16 can be produced by extrusion and have a porosity less than 5%, the surface being infiltrated with MoS 2 .
  • the piston 16 can also be isostatically pressed and sintered.
  • roller 8 in particular the flat sections 12, made of a wear-resistant material, namely of hard metal, of an investment casting material, of a cast carbide material, of a sintered tool steel or of an alloyed nitriding steel.
  • a wear-resistant material namely of hard metal, of an investment casting material, of a cast carbide material, of a sintered tool steel or of an alloyed nitriding steel.
  • the flat sections 12 are each provided with an insert 32 made of the wear-resistant material, as shown in FIG.
  • an insert 32 is in each case in a complementarily shaped recess 34 in the flat section 12 positively and / or cohesively added, for example by gluing or by soldering.
  • the entire roller 8 can consist of the wear-resistant material.
  • G20, GC37 or GC20 When using hard metal for the inserts 32 or for the roller 8 itself, for example G20, GC37 or GC20 can be used.
  • a suitable investment casting material is, for example, GX-210WCrl3 H, for the cast carbide material locally remelted, carbide SoGGH (gradient material) can be used.
  • ASP23 is suitable for sintered tool steel.
  • a nitriding steel specially alloyed by nitriding or gas nitriding with Cr and / or Mo and / or V and / or C is used for a variant with gradient material.
  • the basic elements and the process parameters for nitriding lead to a deep diffusion with hardnesses of HV 750 to 850 and at the same time higher strength of the base material.
  • the connection layer that forms is removed for functional reasons by grinding.
  • the surfaces of the piston foot plate 18 and the roller 8 preferably have a roughness depth R z between 0.15 ⁇ m and 2 ⁇ m on the sliding surfaces, depending on the materials used.
  • the lower limit applies to ceramics, in particular a range from 0.15 ⁇ m to 0.5 ⁇ m, the upper limit applies to metals such as SoGGH or ASP23.
  • a roughness depth R z between 0.3 ⁇ m and 1 ⁇ m is provided for hard metal.
  • a carbide zone is formed in the area of the flat sections 12 of the roller 8, which is made of a cast steel material and is shown separately in FIG.
  • This carbidic zone is generated either by a targeted solidification rate when casting the roller 8 or by remelting and then preferably forms the gradient material SoGGH.
  • the result is a roller 8, in which a carbide zone 33 is formed in the region of the flat sections 12, while the remaining zones and regions of the roller 8 consist of cast steel with unchanged properties.
  • transverse grooves 36 can be formed in each case in the area of the flat sections 12 of the roller 8, as can best be seen from FIG.
  • the transverse groove 36 is arranged in the center of a depression 29 of the flat section 12 forming a groove outlet.
  • the depression 29 is formed by two planes arranged at an angle with respect to the flat section 12, in the section line of which the transverse groove 36 lies.
  • the sink angle ⁇ of the sink 29 is, for example, less than 15 degrees.
  • the transition from the depression 29 and the flat section 12 is rounded with a radius R 4 of preferably less than or equal to 1 mm.
  • the radius R 4 is generated, for example, by vibratory grinding.
  • Fuel can collect in this transverse groove 36 or depression 29, which acts as a storage gap. which, due to the sliding speed between the flat sections 12 of the roller 8 and the piston foot plate 18, promotes the formation of a hydrodynamic sliding film, as a result of which the wear on the sliding surfaces is reduced.
  • the piston base plate 18 is held by a plate holder 38 on the associated piston 16 in the example according to FIG.
  • the piston foot plate 18 has a circular recess 40 on its surface facing the piston 16, into which the crowned end 42 of the piston 16 engages and contacts the bottom of the recess 40.
  • the plate holder 38 is countered on the piston 16 by means of a snap ring 46 which engages in a groove 44 of the piston 16.
  • a complementarily shaped insert 30 made of one of the wear-resistant materials described above is held in a circular recess 48 in the piston foot plate 18, for example by material closure, in particular by soldering.
  • the insert 30 is provided on the edge 31 on its surface 31 facing the roller 8 with an angular outlet 35, the outlet angle ⁇ being approximately 15 degrees.
  • the transition between this surface 31 and the outlet 35 is rounded with a radius R 2 of approximately 2 mm.
  • the transition between the outlet 35 and the edge surface 37 of the insert 30 is also rounded by means of a radius Ri of less than or equal to 1 mm.
  • the inserts 30 of the piston foot plate 18 preferably have at least two intersecting grooves 50, as best shown in FIG. Due to the intersecting arrangement of the grooves 50, there is a high probability that one of the grooves 50 is oriented transversely to the direction of movement with regard to the piston foot plate 18, which is rotatable with respect to the plate holder 38, in order to promote the formation of a hydrodynamic lubricating film.
  • the Grooves 50 are preferably created by pressing. This results in a lower notch effect compared to cutting processes, since the material fibers are not cut.
  • the grooves 50 are each arranged in the center of a depression 39 of the surface 31 forming a groove outlet.
  • the depression is formed by two planes arranged at an angle with respect to the surface 31, in the intersecting line of which the respective groove 50 lies.
  • the sink angle ⁇ of the sink 39 is, for example, 5 degrees.
  • the transition from the depression 39 and the surface 31 is rounded with a radius R 3 of preferably less than or equal to 1 mm.
  • the piston foot plate 18 consists entirely of one of the abrasion-resistant materials mentioned above and is inserted into the through hole 52 of an annular sleeve 54 which is made of steel.
  • the connection between the ring sleeve 54 and the piston foot plate 18 is preferably made by soldering.
  • other possibilities are also conceivable for attaching wear-resistant material to the mutually associated sliding surfaces 12, 28 of the roller 8 and piston foot plate 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6), auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16), an deren der Laufrolle (8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktiert. Die Erfindung sieht vor, dass zumindest die die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28) der Kolbenfußplatte (18) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht.

Description

Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung geht aus von einer Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail- Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle mit einem exzentrischen Wellenabschnitt, auf welchem eine Laufrolle gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einem jeweiligen Zylinder angeordneten Kolben, an deren der Laufrolle zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte angeordnet ist, welche die Umfangsflache der Laufrolle kontaktiert, gemäß der Gattung von Anspruch 1.
Eine solche Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der DE 198 09 315 Al bekannt. Die Kolbenfußplatte und die Laufrolle der bekannten Radialkolbenpumpe bestehen in der Regel aus Einsatzstahl oder auch aus Vergütungsstahl. Mit der Zeit .kann es jedoch an diesen Bauteilen zu Gleitverschleiß aufgrund von Adhäsion, Abrasion oder Oberflächenzerrüttung kommen. Dieser unerwünschte Verschleiß kann zu einem Ausfall der Radialkolbenpumpe und damit auch zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst . Indem erstmalig zumindest zumindest die die Umfangsflache der Laufrolle kontaktierende Fläche der Kolbenfußplatte aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht, wird die Verschleißneigung der Kolbenfußplatten-Laufrollen-Paarung entscheidend reduziert. Die genannten Werkstoffe weisen gegenüber den bisher verwendeten Stahlwerkstoffen einen signifikant höheren E-Modul auf, was in geringeren Verformungen bei Belastung und folglich auch in einer gleichmäßigeren Flächenpressung ohne nennenswerte Spannungsspitzen resultiert. Beim Einsatz von keramischen Werkstoffen spielt vor allem deren geringeres Gewicht eine vorteilhafte Rolle, da die Kolbenfußplatte zusammen mit dem Kolben in hoher Frequenz beschleunigt und verzögert wird und folglich die Massenträgheit wesentlich herabgesetzt wird.
Dabei kann die Kolbenfußplatte vollständig aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein oder sie besteht wie bisher aus Einsatzstahl oder Vergütungsstahl und trägt auf ihrer zur Laufrolle weisenden Fläche wenigstens einen Einsatz aus dem verschleißfesten Material. Die Verwendung von Einsätzen bringt den Vorteil eines modularen Aufbaus, d.h. dass eine standardisierte Kolbenfußplatte mit Einsätzen aus verschiedenem Material versehen werden kann und somit eine Vielzahl von Varianten erzeugbar ist.
Bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs enthält dieser vorzugsweise Siliziumnitrit Si3N4 und weist eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 0,5 μm auf. Hartmetalle können beispielsweise aus G20, GC37 oder GC20 bestehen und eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 μm und 1,0 μm aufweisen, während der gegossen karbidische Werkstoff durch ein
Schalenhartgussmaterial, insbesondere durch GGH oder SoGGH gebildet wird, welches eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,5 μm und 2,0 μm aufweist . Besonders bevorzugt weist die Kolbenfußplatte auf ihrer der Laufrolle zugewandten Fläche wenigstens zwei sich kreuzende Nuten auf . Dadurch wird der Überdeckungsbereich von Kolbenfußscheibe und Laufrolle ohne SchmierstoffZuführung eliminiert. In den als Stauspalten wirkenden Nuten kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitgeschwindigkeit zwischen der Laufrolle und der Kolbenfußplatte die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen weiter reduziert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig.l eine Querschnittsdarstellung einer Radialkolbenpumpe mit einer Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig.2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Kolbens und einer Kolbenfußplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.2a einen vergrößerten Ausschnitt von Fig.2;
Fig.2b einen weiteren vergrößerten Ausschnitt von Fig.2;
Fig.3 eine Ansicht von unten auf die Kolbenfußplatte von Fig .2 ;
Fig.4 eine Querschnittsdarstellung eines Kolbens mit
Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.5 eine Querschnittsdarstellung einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.6 eine Ansicht entlang der Linie VI-VI von Fig.5; Fig.7 eine Ansicht entlang der Linie VII-VII von Fig.6.
Die in Fig.l gezeigte Radialkolbenpumpe 1 dient bevorzugt zur Erzeugung des Systemdrucks für den Hochdruckspeicher (Rail) eines Common-Rail-Einspritzsystems einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Sie umfasst eine in einem Pumpengehäuse 2 gelagerte Antriebswelle 4 mit einem exzentrischen Wellenabschnitt 6, auf welchem eine polygonförmige , gegenüber dem Wellenabschnitt 6 drehbare Laufrolle 8 aufgenommen ist. Die polygonförmige Laufrolle 8 weist entlang ihrer Umfangsflache 10 mit Umfangsabstand zueinander angeordnete, ebene Flachabschnitte 12 auf.
An den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 stützt sich jeweils ein in einem Zylinder 14 zur Antriebswelle 4 radial geführter Kolben 16 mit seiner Kolbenfußplatte 18 ab. Die Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise mittels eines sphärischen Lagers 20 mit dem zur Antriebswelle 4 weisenden Ende des Kolbens 16 schwenkbar verbunden. Das sphärische Lager 20 ist beispielsweise dadurch realisiert, dass das Kolbenende als Teilkugel 22 ausgebildet ist, welche in eine komplementär ausgebildete sphärische Ausnehmung 24 in der Kolbenfußplatte 18 eingreift. Darüber hinaus wird die Kolbenfußplatte 18 zusammen mit dem Kolben 16 durch eine Feder 26 gegen den zugeordneten Flachabschnitt 12 der Laufrolle 8 vorgespannt. Die Funktionsweise einer solchen Radialkolbenpumpe 1 ist beispielsweise in der DE 198 02 475 Al beschrieben, deshalb soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden .
Zumindest die die Umfangsflache 10 der Laufrolle 8 kontaktierende Fläche 28 der Kolbenfußplatte 18 besteht aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet . Dies ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Kolbenfußplatte 18 auf ihrer zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 28 wenigstens einen beispielsweise scheibenförmigen Einsatz 30 aus dem verschleißfesten Material aufweist. Der Einsatz 30 kann mit der restlichen Kolbenfußplatte 18 form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Der Einsatz 30 kann sich, wie in Fig.l gezeigt ist, über die gesamte Kontaktfläche 28 der Kolbenfußplatte 18 mit der Laufrolle 8 oder auch nur über einen Teil von ihr erstrecken. Alternativ kann auch die gesamte Kolbenfußplatte 18 aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein, so dass kein zusätzlicher Einsatz 30 nötig ist.
Bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs für die Kolbenfußplatte 18 enthält dieser vorzugsweise Siliziumnitrit Si3N4. Hartmetalle können beispielsweise aus G20, GC37 oder GC20 bestehen, während der gegossen karbidische Werkstoff ein Schalenhartgussmaterial, insbesondere GGH oder SoGGH beinhalten kann.
Ferner kann der Kolben 16 selbst aus verschleißfestem Material gefertigt sein, beispielsweise aus einer Si3N4- oder einer ZrO2- Keramik. Der Kolben 16 kann durch Strangpressen hergestellt sein und eine Porosität kleiner als 5% aufweisen, wobei die Oberfläche mit MoS2 infiltriert ist. Alternativ kann der Kolben 16 auch isostatisch gepresst und gesintert sein.
Nicht zuletzt besteht auch zumindest ein Teil der Laufrolle 8, insbesondere die Flachabschnitte 12 aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl .
Analog wie bei der Kolbenfußplatte 18 ist dies vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Flachabschnitte 12 mit je einem Einsatz 32 aus dem verschleißfesten Material versehen sind, wie Fig.l zeigt. Ein solcher Einsatz 32 ist jeweils in einer komplementär geformten Ausnehmung 34 in dem Flachabschnitt 12 form- und/oder stoffschlüssig aufgenommen, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Alternativ kann die gesamte Laufrolle 8 aus dem verschleißfesten Material bestehen.
Bei Verwendung von Hartmetall für die Einsätze 32 bzw. für die Laufrolle 8 selbst kommt beispielsweise G20, GC37 oder GC20 in Frage. Einen geeigneten Feingusswerkstoff bildet beispielsweise GX-210WCrl3 H, für den gegossen karbidischen Werkstoff kommt lokal umgeschmolzenes, karbidisches SoGGH (Gradientenwerkstoff) in Frage. Bei dem gesinterten Werkzeugstahl eignet sich ASP23. Ein speziell durch Nitrieren oder Gasnitrieren mit Cr und/oder Mo und/oder V und/oder C legierter Nitrierstahl wird für eine Variante mit Gradientenwerkstoff eingesetzt. Die Basiselemente und die Prozessparameter beim Nitrieren führen zu einer tiefen Diffusion mit Härten von HV 750 bis 850 bei gleichzeitiger höherer Festigkeit des Basiswerkstoffs. Die sich dabei ausbildende Verbindungsschicht wird aus Funktionsgründen durch Schleifen entfernt.
Die Oberflächen der Kolbenfußplatte 18 und der Laufrolle 8 weisen auf den Gleitflächen vorzugsweise eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 2 μm auf, abhängig von den verwendeten Materialien. Dabei gilt die untere Grenze für Keramik, insbesondere ein Bereich von 0,15 μm bis 0,5 μm, die obere Grenze für Metalle wie SoGGH oder ASP23. Für Hartmetall ist eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 μm und 1 μm vorgesehen.
In nachfolgenden Tabelle sind zu bevorzugende Material - Paarungen der Kolbenfußplatte 18 einerseits und der Laufrolle 8 andererseits aufgeführt. Falls sowohl in der Laufrolle 8 als auch in der Kolbenfußplatte 18 Einsätze verwendet werden, sind beliebige Kombinationen von Materialpaarungen bei jeweils unveränderten Trägerkörpern möglich. Insbesondere können bei den Paarungen in der Tabelle, in welchen die Laufrolle 8 vorzugsweise insgesamt aus dem verschleißfesten Material besteht („Vollmaterial") alternativ auch Einsätze 32 aus dem entsprechenden Material im Bereich der Flachabschnitte 12 verwendet werden, wie es bereits in Fig.l gezeigt ist. Die Laufrolle 8 als Trägerkörper für die Einsätze 32 kann dann aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise aus 50Cr4, aus 42CrV4 oder aus 16MnCr5.
Eine besondere Rolle kommt dem Ausführungsbeispiel in der 3. Zeile in der Tabelle zu. In diesem Fall wird im Bereich der Flachabschnitte 12 der aus einem Stahlgusswerkstoff bestehenden und in Fig.5 separat dargestellten Laufrolle 8 jeweils eine karbidische Zone ausgebildet . Diese karbidische Zone wird entweder durch eine gezielte Erstarrungsgeschwindigkeit beim Gießen der Laufrolle 8 oder durch Umschmelzen erzeugt und bildet dann vorzugsweise den Gradientenwerkstoff SoGGH aus. Ergebnis ist folglich eine Laufrolle 8, bei welcher im Bereich der Flachabschnitte 12 eine karbidische Zone 33 ausgebildet ist, während die restlichen Zonen und Bereiche der Laufrolle 8 aus Stahlguss mit unveränderten Eigenschaften bestehen.
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Tabelle: Bevorzugte Materialpaarungen
Im Bereich der Flachabschnitte 12 der Laufrolle 8 können jeweils eine oder mehrere Quernuten 36 ausgebildet sein, wie am besten anhand von Fig.6 zu sehen ist. Wie aus Fig.7 hervorgeht, ist die Quernut 36 im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 29 des Flachabschnitts 12 angeordnet. Die Senke 29 wird durch zwei in Bezug zum Flachabschnitt 12 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die Quernut 36 liegt. Der Senkenwinkel γ der Senke 29 ist beispielsweise kleiner als 15 Grad. Der Übergang von der Senke 29 und dem Flachabschnitt 12 ist mit einem Radius R4 von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet. Der Radius R4 wird beispielsweise durch Gleitschleifen erzeugt. In dieser als Stauspalt wirkenden Quernut 36 bzw. Senke 29 kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitgeschwindigkeit zwischen den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 und der Kolbenfußplatte 18 die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen reduziert wird.
Bei den in den Fig.2 bis Fig.4 gezeigten Ausführungsformen sind die gegenüber dem Beispiel von Fig.l gleichbleibenden und gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet . Im Unterschied zu diesem wird beim Beispiel gemäß Fig.2 die Kolbenfußplatte 18 von einem Plattenhalter 38 an dem zugehörigen Kolben 16 gehalten. Die Kolbenfußplatte 18 weist an ihrer dem Kolben 16 zugewandten Fläche eine kreisförmige Ausnehmung 40 auf, in welche das ballig geformte Ende 42 des Kolbens 16 eingreift und den Boden der Ausnehmung 40 kontaktiert. Der Plattenhalter 38 wird am Kolben 16 mittels eines in eine Nut 44 des Kolbens 16 eingreifenden Sprengrings 46 gekontert. In einer kreisförmigen Ausnehmung 48 in der Kolbenfußplatte 18 ist ein komplementär geformter Einsatz 30 aus einem der oben beschriebenen verschleißfesten Materialien gehalten, beispielsweise durch StoffSchluss, insbesondere durch Löten. Wie aus Fig.2a hervorgeht, ist der Einsatz 30 auf seiner zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 31 randseitig mit einem winkeligen Auslauf 35 versehen, wobei der Auslaufwinkel α ca. 15 Grad beträgt. Weiterhin ist der Übergang zwischen dieser Fläche 31 und dem Auslauf 35 mit einem Radius R2 von ca. 2 mm verrundet . Mittels eines Radius Ri von kleiner gleich 1 mm ist auch der Übergang zwischen dem Auslauf 35 und der Randfläche 37 des Einsatzes 30 verrundet.
Analog zu den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 weisen die Einsätze 30 der Kolbenfußplatte 18 vorzugsweise wenigstens zwei sich kreuzende Nuten 50 auf, wie am besten Fig.3 zeigt. Aufgrund der sich kreuzenden Anordnung der Nuten 50 ist die Wahrscheinlichkeit hoch dafür, dass im Hinblick auf die in Bezug zum Plattenhalter 38 drehbare Kolbenfußplatte 18 eine der Nuten 50 quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, um die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zu fördern. Die Nuten 50 werden vorzugsweise durch Einpressen erzeugt. Dadurch ergibt sich eine geringere Kerbwirkung verglichen mit spanabhebenden Verfahren, da die Werkstofffasern nicht durchtrennt werden. Wie aus Fig.2b hervorgeht, sind die Nuten 50 jeweils im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 39 der Fläche 31 angeordnet. Die Senke wird durch zwei in Bezug zur Fläche 31 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die jeweilige Nut 50 liegt. Der Senkenwinkel ß der Senke 39 beträgt beispielsweise 5 Grad. Der Übergang von der Senke 39 und der Fläche 31 ist mit einem Radius R3 von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet .
Beim Ausführungsbeispiel von Fig.4 besteht die Kolbenfußplatte 18 vollständig aus einem der oben erwähnten, verschleißfesten Materialien und ist in das Durchgangsloch 52 einer Ringbüchse 54 eingesetzt, welche aus Stahl besteht. Die Verbindung zwischen der Ringbüchse 54 und der Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise durch Löten hergestellt. Selbstverständlich sind darüber hinaus weitere Möglichkeiten denkbar, um verschleißfestes Material an den einander zugeordneten Gleitflächen 12, 28 der Laufrolle 8 und Kolbenfußplatte 18 anzubringen.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Radialkolbenpumpe (1) zur KraftStoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6) , auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16) , an deren der Laufrolle (8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsflache (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die die Umfangsflache (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28, 31) der Kolbenfußplatte (18) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht .
2. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens einen Einsatz (30) aus dem verschleißfesten Material trägt .
3. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Siliziumnitrit (Si3N4) beinhaltet und eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 0,5 μm aufweist.
4. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall G20, GC37 oder GC20 beinhaltet und eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 μm und 1,0 μm aufweist.
5. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gegossen karbidische Werkstoff ein Schalenhartgussmaterial , insbesondere GGH oder SoGGH beinhaltet und eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,5 μm und 2,0 μm aufweist.
6. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens zwei sich kreuzende Nuten (50) aufweist.
7. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Nut (50) jeweils im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke (39) der Fläche (31) angeordnet ist.
8. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kolbenfußplatte (18) und/oder der Laufrolle
(8) eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 2 μm aufweist.
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