EP1633971B1 - Radial piston pump for generating high pressure for fuel in fuel injection systems of combustion engines - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a radial piston pump for fuel high pressure generation in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, with a mounted in a pump housing drive shaft with an eccentric shaft portion on which a roller is mounted, and preferably with a plurality of radial relative to the drive shaft arranged in a respective cylinder piston, at whose ends facing the roller respectively a Kolbenfußplatte 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 A1.
- the Kolbenfußplatte and the roller of the known radial piston pump are usually made of case-hardened steel or made of 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.
- DE 199 05 462 A1 discloses a radial piston pump with a piston made of zirconia, alumina-zirconia or alumina ceramic.
- the present invention has for its object to further develop a radial piston pump of the type mentioned in such a way that its reliability is increased.
- the area of the piston footplate contacting the peripheral surface of the roller has an insert made of a wear-resistant material, namely hard metal, a ceramic material, a cast carbide material or cermet, and / or at least part of the roller, in particular at least one part
- a wear-resistant material namely made of hard metal, a sintered tool steel or an alloyed nitriding steel
- the materials mentioned have a significantly higher modulus of elasticity compared with the steel materials used hitherto, which results in lower deformations under load and consequently also in a more uniform surface pressure without appreciable stress peaks.
- ceramic materials especially their lower weight plays a role, resulting in a low inertia of the roller and the Kolbenfußplatte.
- the piston is made of a ceramic material, preferably of a Si 3 N 4 - or a ZrO 2 ceramic and is produced by extrusion and has a porosity of less than 5%, wherein the surface is infiltrated with MoS 2 .
- the piston is isostatically extruded and sintered. This results in a very smooth surface with a low coefficient of friction, which also has a favorable effect on the wear behavior.
- the roller can be made entirely of the wear-resistant material or it consists as before of case-hardened steel or tempered steel and carries at least one insert of the wear-resistant material.
- inserts brings the advantage of a modular construction, ie that of a standardized roller and a standardized
- Kolbenfußplatte can each be provided with inserts of different material and thus a variety of mating variants can be generated.
- the roller is made of tempered steel and has tungsten carbide inserts such as G20, GC37 or GC20, and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, shell casting such as SoGSH or cermet.
- the castor consists of a precision casting such as GX-210WCr13 H and the piston foot disc has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, carbide such as G20 or cermet.
- the castor is made of a cast carbide material such as SoGGH shell casting and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20 or cermet.
- the roller is made of sintered tool steel such as ASP23 or an alloyed nitriding steel and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20, cermet or a cast carbide material such as SoGGH.
- the alloyed nitriding steel can contain C and / or Cr and / or V and / or Mo, is gas-nitrided and, in the area of contact with the piston footplate, free of bonding layers.
- the surface of the Kolbenfußplatte and / or the roller has a roughness R z between 0.15 microns and 2 microns.
- the ceramic material has a roughness R z between 0.15 microns and 0.5 microns
- the carbide a roughness R z between 0.3 microns and 1.0 microns
- the cast carbide a roughness R z between 0.5 microns and 2.0 ⁇ m.
- the roller has on its peripheral surface at least one transverse groove extending transversely to the direction of movement.
- the piston foot plate may also have at least two intersecting grooves on its surface facing the roller. Fuel can accumulate in these grooves acting as a stagnation gap, which promotes the formation of a hydrodynamic sliding film due to the sliding movement between the circumferential surface of the roller and the piston foot plate, whereby the wear on the sliding surfaces is further reduced.
- the radial piston pump 1 shown in FIG. 1 is preferably used for generating 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 mounted in a pump housing 2 and having an eccentric shaft section 6 on which a polygonal roller 8 rotatable relative to the shaft section 6 is received.
- the polygonal roller 8 has along its peripheral surface 10 with circumferential distance from one another arranged, planar flat portions 12.
- the piston foot plate 18 is preferably connected by means of a spherical bearing 20 with the drive shaft 4 facing the end of the piston 16 pivotally.
- the spherical bearing 20 is realized, for example, in that the piston end is formed as a partial ball 22, which engages in a complementarily formed spherical recess 24 in the Kolbenfußplatte 18.
- the Kolbenfußplatte 18 is biased together with the piston 16 by a spring 26 against the associated flat portion 12 of the roller 8.
- the operation of such a radial piston pump 1 is for example in DE 198 02 475 A1 described, therefore, should not be discussed further here.
- At least the peripheral surface 10 of the roller 8 contacting surface 28 of the Kolbenfußplatte 18 consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, a ceramic material, a cast carbide material or cermet.
- a wear-resistant material namely of hard metal, a ceramic material, a cast carbide material or cermet.
- the insert 30 may be positively and / or materially connected to the remaining Kolbenfußplatte 18, for example by gluing or by soldering.
- the insert 30 may, as shown in Figure 1, extend over the entire contact surface 28 of the Kolbenfußplatte 18 with the roller 8 or only over part of it.
- the entire Kolbenfußplatte 18 may be made of the wear-resistant material, so that no additional insert 30 is necessary.
- Hard metals may for example consist of G20, GC37 or GC20, while the cast carbide material may include a chilled cast material, in particular GGH or SoGGH.
- the piston 16 itself may be made of wear-resistant material, for example of a Si 3 N 4 - or a ZrO 2 ceramic.
- the piston 16 can be made by extrusion and have a porosity of less than 5%, the surface being infiltrated with MoS 2 .
- the piston 16 may also be isostatically pressed and sintered.
- At least part of the roller 8, in particular the flat sections 12, consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, of a precision casting material, made of a cast carbide material, a sintered tool steel or an alloyed nitriding steel.
- the flat portions 12 are each provided with an insert 32 made of the wear-resistant material, as shown in Fig.1.
- Such insert 32 is positively and / or cohesively received in each case in a complementary shaped recess 34 in the flat portion 12, for example by gluing or by soldering.
- the entire roller 8 may consist of the wear-resistant material.
- hard metals are used here, which have low adhesion coefficients.
- GX-210WCr13 H forms a suitable investment casting material.
- SoGGH grade material
- the sintered tool steel is ASP23.
- a nitriding steel alloyed specifically 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 during nitriding lead to a deep diffusion with hardnesses of HV 750 to 850 with simultaneously higher strength of the base material.
- the connecting layer forming in this process is removed by grinding for functional reasons.
- the surfaces of Kolbenfußplatte 18 and the roller 8 have on the sliding surfaces preferably a roughness R z between 0.15 microns and 2 microns, depending on the materials used.
- the lower limit for ceramics in particular a range from 0.15 ⁇ m to 0.5 ⁇ m, applies upper limit for metals such as SoGGH or ASP23.
- a roughness R z of between 0.3 ⁇ m and 1 ⁇ m is provided.
- a carbide zone is formed in each case in the region 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 during casting of the roller 8 or by remelting and then preferably forms the gradient material SoGGH.
- the result is consequently a roller 8, in which a carbide zone 33 is formed in the area of the flat sections 12, while the remaining zones and areas of the roller 8 consist of cast steel with unchanged properties.
- one or more transverse grooves 36 may be formed, as best seen with reference to Figure 6.
- the transverse groove 36 is arranged in the center of a depression 29 forming a groove outlet of the flat section 12.
- the depression 29 is formed by two planes arranged at an angle with respect to the flat section 12, in whose section line 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 portion 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.
- the piston foot plate 18 is held by a plate holder 38 on the associated piston 16.
- the Kolbenfußplatte 18 has on its the piston 16 facing surface on a circular recess 40 into which engages the spherical shaped end 42 of the piston 16 and the bottom of the recess 40 contacted.
- the plate holder 38 is countered on the piston 16 by means of a snap ring 46 engaging in a groove 44 of the piston 16.
- a complementarily shaped insert 30 is held from one of the wear-resistant materials described above, for example by material bond, in particular by soldering.
- the insert 30 is provided on its side facing the roller 8 surface 31 at the edge with an angular outlet 35, wherein the outlet angle ⁇ is about 15 degrees.
- the transition between this surface 31 and the outlet 35 is rounded with a radius R 2 of about 2 mm.
- R 1 of less than or equal to 1 mm
- the inserts 30 of the Kolbenfußplatte 18 preferably at least two intersecting grooves 50, as best Fig.3 shows. Due to the intersecting arrangement of the grooves 50, the likelihood is high that with respect to the piston foot plate 18 rotatable with respect to the plate holder 38, one of the grooves 50 is oriented transversely to the direction of motion to promote formation of a hydrodynamic lubricating film.
- the grooves 50 are preferably produced by press-fitting. Thereby results in a lower notch effect compared to cutting processes, since the material fibers are not severed.
- the grooves 50 are each arranged in the center of a groove forming a drain 39 of the surface 31.
- the depression is formed by two planes arranged at an angle with respect to the surface 31, in whose section line the respective groove 50 lies.
- the sink angle ⁇ of the depression 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 is made entirely of one of the above-mentioned wear-resistant materials and is inserted into the through-hole 52 of a ring bushing 54 made of steel.
- the connection between the annular bushing 54 and the Kolbenfußplatte 18 is preferably made by soldering.
- wear-resistant material to the mutually associated sliding surfaces 12, 28 of the roller 8 and piston foot plate 18.
Description
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 Umfangsfläche der Laufrolle kontaktiert, gemäß der Gattung von Anspruch 1.The invention relates to a radial piston pump for fuel high pressure generation in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, with a mounted in a pump housing drive shaft with an eccentric shaft portion on which a roller is mounted, and preferably with a plurality of radial relative to the drive shaft arranged in a respective cylinder piston, at whose ends facing the roller respectively a Kolbenfußplatte is arranged, which contacts the peripheral surface of the roller, according to the preamble of
Eine solche Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der DE 198 09 315 A1 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.Such a radial piston pump is known for example from DE 198 09 315 A1. The Kolbenfußplatte and the roller of the known radial piston pump are usually made of case-hardened steel or made of 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.
In der EP 1 310 577 A1 ist eine Radialkolbenpumpe beschrieben, bei welcher die Kolbenfußplatte aus einem legierten Werkzeugstahl besteht, welcher an der Oberfläche eine Nitrierschicht aufweist.In
Die DE 199 05 462 A1 offenbart eine Radialkolbenpumpe mit einem Kolben aus Zirkoniumdioxid-, Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid- oder Aluminiumoxid-Keramik.DE 199 05 462 A1 discloses a radial piston pump with a piston made of zirconia, alumina-zirconia or alumina ceramic.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.The present invention has for its object to further develop a radial piston pump of the type mentioned in such a way that its reliability is increased.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.According to the invention this object is achieved by the characterizing features of
Indem erstmalig die die Umfangsfläche der Laufrolle kontaktierende Fläche der Kolbenfußplatte einen Einsatz aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet aufweist, und/oder zumindest ein Teil der Laufrolle, insbesondere wenigstens ein Teil der Umfangsfläche der Laufrolle aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl besteht, wird die Verschleißneigung der Kolbenfußplatten-Laufrollen-Gleitpaarung 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 Rolle, was in einer geringen Massenträgheit der Laufrolle und der Kolbenfußplatte resultiert.For the first time, the area of the piston footplate contacting the peripheral surface of the roller has an insert made of a wear-resistant material, namely hard metal, a ceramic material, a cast carbide material or cermet, and / or at least part of the roller, in particular at least one part The circumferential surface of the roller of a wear-resistant material, namely made of hard metal, a sintered tool steel or an alloyed nitriding steel, the wear tendency of the Kolbenfußplatten-roller friction pairing is significantly reduced. The materials mentioned have a significantly higher modulus of elasticity compared with the steel materials used hitherto, which results in lower deformations under load and consequently also in a more uniform surface pressure without appreciable stress peaks. When using ceramic materials, especially their lower weight plays a role, resulting in a low inertia of the roller and the Kolbenfußplatte.
Bevorzugt besteht der Kolben aus einem keramischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Si3N4- oder einer ZrO2-Keramik und wird durch Strangpressen hergestellt und weist eine Porosität kleiner als 5% auf, wobei die Oberfläche mit MoS2 infiltriert ist. Insbesondere wird der Kolben isostatisch stranggepresst und gesintert. Hieraus ergibt sich eine sehr glatte Oberfläche mit niedrigem Reibkoeffizienten, was sich ebenfalls günstig auf das Verschleißverhalten auswirkt.Preferably, the piston is made of a ceramic material, preferably of a Si 3 N 4 - or a ZrO 2 ceramic and is produced by extrusion and has a porosity of less than 5%, wherein the surface is infiltrated with MoS 2 . In particular, the piston is isostatically extruded and sintered. This results in a very smooth surface with a low coefficient of friction, which also has a favorable effect on the wear behavior.
Dabei kann die Laufrolle vollständig aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein oder sie besteht wie bisher aus Einsatzstahl oder Vergütungsstahl und trägt wenigstens einen Einsatz aus dem verschleißfesten Material. Die Verwendung von Einsätzen bringt den Vorteil eines modularen Aufbaus, d.h. dass eine standardisierte Laufrolle und eine standardisierteIn this case, the roller can be made entirely of the wear-resistant material or it consists as before of case-hardened steel or tempered steel and carries at least one insert of the wear-resistant material. The use of inserts brings the advantage of a modular construction, ie that of a standardized roller and a standardized
Kolbenfußplatte jeweils mit Einsätzen aus verschiedenem Material versehen werden können und somit eine Vielzahl von Paarungsvarianten erzeugbar ist.Kolbenfußplatte can each be provided with inserts of different material and thus a variety of mating variants can be generated.
Aufgrund der Werkstoffeigenschaften der verwendeten verschleißfesten Materialien sind die folgenden Gleitpaarungen besonders zu bevorzugen:Due to the material properties of the wear-resistant materials used, the following sliding pairings are to be particularly preferred:
Die Laufrolle besteht aus einem Vergütungsstahl und weist Einsätze aus Hartmetall wie G20, GC37 oder GC20 auf und die Kolbenfußplatte weist einen Einsatz aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Schalenhartguss wie SoGSH oder aus Cermet auf.The roller is made of tempered steel and has tungsten carbide inserts such as G20, GC37 or GC20, and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, shell casting such as SoGSH or cermet.
Die Laufrolle besteht aus einem Feinguss wie GX-210WCr13 H und die Kolbenfußscheibe weist einen Einsatz aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet auf.The castor consists of a precision casting such as GX-210WCr13 H and the piston foot disc has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, carbide such as G20 or cermet.
Die Laufrolle besteht aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie Schalenhartguss SoGGH und die Kolbenfußplatte weist einen Einsatz aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet auf.The castor is made of a cast carbide material such as SoGGH shell casting and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20 or cermet.
Die Laufrolle besteht aus gesintertem Werkzeugstahl wie ASP23 oder aus einem legierten Nitrierstahl und die Kolbenfußplatte weist einen Einsatz aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20, aus Cermet oder aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie SoGGH auf. Der legierte Nitrierstahl kann C und/oder Cr und/oder V und/oder Mo enthalten, ist gasnitriert und im Kontaktbereich mit der Kolbenfußplatte verbindungsschichtfrei.The roller is made of sintered tool steel such as ASP23 or an alloyed nitriding steel and the piston footplate has a ceramic insert such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20, cermet or a cast carbide material such as SoGGH. The alloyed nitriding steel can contain C and / or Cr and / or V and / or Mo, is gas-nitrided and, in the area of contact with the piston footplate, free of bonding layers.
Eine weitere Maßnahme sieht vor, dass die Oberfläche der Kolbenfußplatte und/oder der Laufrolle eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 µm und 2 µm aufweist. Genauer hat der keramische Werkstoff eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 µm und 0,5 µm, das Hartmetall eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 µm und 1,0 µm und der gegossen karbidische Werkstoff eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,5 µm und 2,0 µm.Another measure provides that the surface of the Kolbenfußplatte and / or the roller has a roughness R z between 0.15 microns and 2 microns. Specifically, the ceramic material has a roughness R z between 0.15 microns and 0.5 microns, the carbide a roughness R z between 0.3 microns and 1.0 microns and the cast carbide a roughness R z between 0.5 microns and 2.0 μm.
Besonders bevorzugt weist die Laufrolle auf ihrer Umfangsfläche wenigstens eine sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckende Quernut auf. Zusätzlich kann auch die Kolbenfußplatte auf ihrer der Laufrolle zugewandten Fläche wenigstens zwei sich kreuzende Nuten aufweisen. In diesen jeweils als Stauspalt wirkenden Nuten kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitbewegung zwischen der Umfangsfläche der Laufrolle und der Kolbenfußplatte die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen weiter reduziert wird.Particularly preferably, the roller has on its peripheral surface at least one transverse groove extending transversely to the direction of movement. In addition, the piston foot plate may also have at least two intersecting grooves on its surface facing the roller. Fuel can accumulate in these grooves acting as a stagnation gap, which promotes the formation of a hydrodynamic sliding film due to the sliding movement between the circumferential surface of the roller and the piston foot plate, whereby the wear on the sliding surfaces is further reduced.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- Fig.1
- 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.
- Fig.1
- a cross-sectional view of a radial piston pump with a Kolbenfußplatte and a drive shaft according to a first embodiment of the invention;
- Fig.2
- an enlarged cross-sectional view of a piston and a Kolbenfußplatte according to another embodiment;
- 2a
- an enlarged section of Figure 2;
- 2b
- a further enlarged section of Figure 2;
- Figure 3
- a bottom view of the Kolbenfußplatte of Fig.2;
- Figure 4
- a cross-sectional view of a piston with Kolbenfußplatte and a drive shaft according to another embodiment;
- Figure 5
- a cross-sectional view of a drive shaft according to another embodiment;
- Figure 6
- a view along the line VI-VI of Figure 5;
- Figure 7
- a view taken along the line VII-VII of Figure 6.
Die in Fig.1 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 Umfangsfläche 10 mit Umfangsabstand zueinander angeordnete, ebene Flachabschnitte 12 auf.The
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 A1 beschrieben, deshalb soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.On the
Zumindest die die Umfangsfläche 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.1 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.At least the
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 Hartgussmaterial, insbesondere GGH oder SoGGH beinhalten kann.When using a ceramic material for the
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.Furthermore, the
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.Last but not least, at least part of the
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.1 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.Analogous to the
Bei Verwendung von Hartmetall für die Einsätze 32 bzw. für die Laufrolle 8 selbst kommt ein besonders verschleißfestes Hartmetall mit einer Vickers-Härte von mindestens HV 1100 und einer Risszähigkeit KIC >= 10 MPa/m3/2 mit Bindergehalten von 12 bis 20 % in Frage, besonders bevorzugt G20, GC37 oder GC20. Hier werden insbesondere Hartmetalle eingesetzt, die geringe Adhäsionskoeffizienten aufweisen. Einen geeigneten Feingusswerkstoff bildet beispielsweise GX-210WCr13 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.When using hard metal for the
In nachfolgenden Tabelle sind zu bevorzugende MaterialPaarungen 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.1 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.
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.In the region of the
Bei den in den Fig.2 bis Fig.4 gezeigten Ausführungsformen sind die gegenüber dem Beispiel von Fig.1 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 R1 von kleiner gleich 1 mm ist auch der Übergang zwischen dem Auslauf 35 und der Randfläche 37 des Einsatzes 30 verrundet.In the embodiments shown in FIGS. 2 to 4, the parts which are identical and function the same as those of the example of FIG. 1 are identified by the same reference numerals. In contrast to this, in the example according to FIG. 2, the
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 β 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.Analogous to the
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.In the embodiment of Fig. 4, the
Claims (14)
- A radial piston pump (1) for high-pressure fuel generation in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, having a drive shaft (4) which is mounted in a pump casing (2) and has an eccentric shaft section (6) on which a running roller (8) is mounted, and having preferably a plurality of pistons (16), which are arranged in a respective cylinder (14) radially with respect to the drive shaft (4) and each have a piston footplate (18), which makes contact with the circumferential surface (10, 12) of the running roller (8), at their ends facing the running roller (8), characterized in that that surface (28, 31) of the piston footplate (18) which is in contact with the circumferential surface (10, 12) of the running roller (8) has at least one insert (30) made from a wear-resistant material, namely of hard metal, a ceramic material, a cast carbide material or cermet, and/or in that at least part of the running roller (8), in particular at least part of the circumferential surface (10, 12) of the running roller (8), consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, a sintered tool steel or an alloyed nitriding steel.
- The radial piston pump as claimed in claim 1, characterized in that the piston (16) consists of a ceramic material.
- The radial piston pump as claimed in at least one of the preceding claims, characterized in that the running roller (8) consists of a heat-treated steel and has inserts (32) made from hard metal, such as G20, GC37 or GC20, and in that the piston footplate (18) has inserts (30) made from ceramic, such as Si3N4 ceramic, from chilled cast iron, such as SoGGH, or from cermet.
- The radial piston pump as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the running roller (8) consists of a precision-cast material, such as GX-210WCr13 H, and in that the piston footplate (18) has inserts (30) made from ceramic, such as Si3N4 ceramic, from hard metal, such as G20, or from cermet.
- The radial piston pump as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the running roller (8) consists of a cast carbide material, such as chilled cast iron SoGGH, and in that the piston footplate (18) has inserts (30) made from ceramic, such as Si3N4 ceramic, from hard metal, such as G20, or from cermet.
- The radial piston pump as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the running roller (8) consists of sintered tool steel, such as ASP23, or of an alloyed nitriding steel, and in that the piston footplate (18) has inserts (30) made from ceramic, such as Si3N4 ceramic, from hard metal, such as G20, from cermet or from a cast carbide material, such as SoGGH.
- The radial piston pump as claimed in claim 6, characterized in that the alloyed nitriding steel contains C and/or Cr and/or V and/or Mo, is gas-nitrided and does not have a compound layer in the region of contact with the piston footplate (18).
- The radial piston pump as claimed in at least one of the preceding claims, characterized in that the running roller (8), on its circumferential surface (10, 12), has at least one insert (32) made from the respective wear-resistant material.
- The radial piston pump as claimed in at least one of the preceding claims, characterized in that the running roller (8), on its circumferential surface (12), has at least one transverse groove (36) extending transversely to the direction of movement.
- The radial piston pump as claimed in at least one of the preceding claims, characterized in that the piston footplate (18) has at least two grooves (50) which cross one another on its surface (31) facing the running roller (8).
- The radial piston pump as claimed in at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the piston footplate (18) and/or of the running roller (8) has a surface roughness Rz of between 0.15 µm and 2 µm.
- The radial piston pump as claimed in claim 2, characterized in that the piston consists of an Si3N4 ceramic or a ZrO2 ceramic.
- The radial piston pump as claimed in claim 11, characterized in that the piston (16) is produced by extrusion and has a porosity of less than 5%, the surface being infiltrated with MoS2.
- The radial piston pump as claimed in claim 12, characterized in that the piston (16) is isostatically extruded and sintered.
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