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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei
Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, umfassend
- – eine
in einem Pumpengehäuse
gelagerte Antriebswelle mit wenigstens einem Exzenter, und
- – wenigstens
einen bezüglich
der Antriebswelle radial in einem jeweiligen Zylinderraum angeordneten
Kolben,
wobei der Kolben durch Drehen der Antriebswelle
im jeweiligen Zylinderraum in radialer Richtung dadurch hin- und
herbewegbar ist, dass ein am antriebswellenseitigen Kolbenende vorgesehener
Kolbenfuß in radialer
Richtung vom Exzenter belastet und entlastet wird.
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Derartige
Radialkolbenpumpen sind in vielfältigen
Ausführungen
bekannt. Lediglich beispielhaft seien hierzu die Veröffentlichungen
DE 35 05 176 C1 und
DE 198 14 506 A1 genannt.
Des Weiteren wird betreffend den prinzipiellen Aufbau einer Radialkolbenpumpe
noch auf die
DE 100
39 210 A1 verwiesen.
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Problematisch
im Hinblick auf die Haltbarkeit bzw. Lebensdauer derartiger bekannter
Pumpen ist der Umstand, dass die Kraft, die an der antriebswellenfernen
Seite ("Oberseite") des Kolbens bei
der Kompression des Kraftstoffes entsteht, mehr oder weniger ungleichmäßig auf
den Kolbenfuß und
dessen antriebswellenseitige (direkt oder indirekt mit dem Exzenter
zusammenwirkende) Kolbenfußfläche verteilt
wird.
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Die
ungleichmäßige Kraftverteilung
führt oftmals
zu einer hohen Belastung des Kolbenfußes und der damit verbundenen
Gefahr eines Materialversagens (Bruch) in diesem Bereich. Diesem
Problem widmet sich die oben erwähnte
Veröffentlichung
DE 198 14 506 A1 und
schlägt
vor, einen als plattenförmigen
Gleitschuh ausgebildeten Kolbenfuß mit einer Formgebung vorzusehen,
welche die im Betrieb auftretenden Spannungen an dieser Stelle verringert.
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Des
Weiteren führt
die ungleichmäßige Kraftverteilung
oftmals zu einer entsprechend ungleichmäßigen Verteilung einer Flächenpressung
zwischen dem Kolbenfuß und
dem Exzenter (z. B. Exzenterring auf einem exzentrischen Antriebswellenabschnitt) und
vor allem zu lokal sehr hohen Flächenpressungen.
Die oben erwähnte
Veröffentlichung
DE 35 05 176 C1 beschäftigt sich
beispielsweise mit dem Problem des Verschleißes einer direkt mit einem
Exzenter zusammenwirkenden Kolbenfußfläche und schlägt eine
Anordnung vor, bei welcher ein als Kolbenschuh ausgebildeter Kolbenfuß im Betrieb
der Pumpe eine erzwungene Drehbewegung um eine Kolbenlängsachse
ausführt,
um den Verschleiß zu vergleichmäßigen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Radialkolbenpumpe
der eingangs genannten Art die Belastung des Kolbenfußes und
die damit verbundene Gefahr eines Materialversagens sowie den durch
die Zusammenwirkung des Kolbenfußes mit dem Exzenter bedingten
Verschleiß zu
verringern.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
eine besondere Gestaltung des antriebswellenseitigen Kolbenendes
bzw. des Kolbenfußes
gelöst,
bei welcher die im Bereich des Kolbenendes bzw. des Kolbenfußes zur
Verfügung
stehende Querschnittsfläche
für eine
vergleichmäßigte Kraftübertragung
besser ausgenutzt wird.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, im Kraftflussverlauf von
der Kolbenoberseite zum Exzenter eine die Kraft vergleichmäßigende
Formgestaltung "relativ
weit oben", etwa
im Bereich des unteren Kolbenendes oder am Kolbenfuß zu bewerkstelligen,
so dass bereits die Belastung des Kolbenfußes selbst und erst recht die
an der Kontaktfläche zwischen
Kolbenfuß und Exzenter
(oder Gleitschuh) wirkende Kraft gleichmäßiger verteilt ist als bei
den bekannten Lösungen.
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Mit
der Erfindung können
somit lokal sehr hohe Flächenpressungen,
die in der Vergangenheit immer wieder zu sehr hohem Verschleiß, Pumpenausfällen und
temporären
lokalen Verschweißungen der
Reibpartner geführt
haben, vermieden werden.
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Gemäß eines
ersten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass der Kolben und der
Kolbenfuß als separate
Bauteile ausgebildet sind und ein mittlerer Bereich einer kolbenfußseitigen
Endfläche
des Kolbens eine Vertiefung aufweist.
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Die
Vertiefung bewirkt vorteilhaft eine reduzierte Krafteinleitung in
den mittleren Bereich des Kolbenfußes, so dass insbesondere die
Gefahr eines Materialversagens im Bereich des Kolbenfußes auch ohne
spezielle Formgestaltung bzw. Dimensionierung des Kolbenfußes verringert
ist.
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Der
Kolben und der Kolbenfuß sind
hierbei bevorzugt fest miteinander verbunden, wofür auf an sich
bekannte Lösungen
zur Bewerkstelligung dieser festen Verbindung zurückgegriffen
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Anteil der vertieften Kolbenendfläche an der
gesamten Kolbenendfläche
im Bereich von 5% bis 95%, bevorzugt 10% bis 90%, liegt.
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Die
maximale Vertiefungstiefe ist bevorzugt kleiner als die maximale
Quererstreckung der Kolbenendfläche,
weiter bevorzugt kleiner als 50% der maximalen Quererstreckung der
Kolbenendfläche.
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Gemäß eines
zweiten Erfindungsaspekts ist vorgesehen, dass der Kolben und der
Kolbenfuß einstückig ausgebildet
sind und ein mittlerer Bereich einer antriebswellenseitigen Endfläche des Kolbenfußes eine
Vertiefung aufweist.
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Die
Vertiefung der Kolbenfußendfläche bewirkt
vorteilhaft wieder eine reduzierte Krafteinleitung in den mittleren
Bereich des Kolbenfußes,
welcher direkt oder indirekt mit dem Exzenter zusammenwirkt.
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Zur
einstückigen
Fertigung des Kolbens und des Kolbenfußes kann z. B. ausgehend von
einem wenigstens näherungsweise
zylindrischen Rohling eine Stauchung in Richtung der späteren Kolbenlängsachse
vorgenommen werden, um einen Kolbenfuß mit im Vergleich zum restlichen
Kolben verbreitertem Querschnitt auszubilden. Eine Nachbearbeitung
des so entstehenden Bauteils kann z. B. durch Fräsen erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Anteil der vertieften Kolbenfußendfläche an der
gesamten Kolbenfußendfläche im Bereich
von 5% bis 95%, bevorzugt 10% bis 90%, liegt.
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Die
maximale Vertiefungstiefe ist bevorzugt kleiner als die maximale
Quererstreckung der Kolbenfußendfläche, weiter
bevorzugt kleiner als 50% der maximalen Quererstreckung der Kolbenfußendfläche.
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Sowohl
beim ersten als auch beim zweiten Erfindungsaspekt kann die konkrete
Form, Dimensionierung und Anordnung der jeweiligen Vertiefung(en)
hinsichtlich der gewünschten
Belastungsreduzierung optimiert werden (z. B. durch Einsatz einer Finite-Elemente-Methode
oder dergleichen).
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Gemäß eines
dritten Erfindungsaspekts, der mit einem der beiden oben erläuterten
Erfindungsaspekte kombiniert ist, ist vorgesehen, dass im Inneren des
antriebswellenseitigen Kolbenendes und/oder des Kolbenfußes eine
Kavität
vorgesehen ist.
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Die
Kavität
bewirkt vorteilhaft eine "Kraftumleitung" (um die Kavität herum),
mittels welcher die Kraftverteilung im Bereich des Kolbenendes bzw. Kolbenfußes vergleichmäßigt wird.
Die Kavität
ist hierbei bevorzugt in einem mittleren Bereich des Kolbenendes
bzw. des Kolbenfußes
(über die
Querschnittsfläche
der betreffenden Komponente betrachtet) angeordnet.
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Bei
diesem Erfindungsaspekt können
der Kolben und der Kolbenfuß entweder
als separate Bauteile ausgebildet sein oder einstückig ausgebildet sein.
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Der
Volumenanteil der Kavität
am Gesamtvolumen der betreffenden Komponente, wie auch die genaue
Anordnung und Form der Kavität
können
hinsichtlich der gewünschten
Belastungsreduzierung optimiert werden (z. B. durch Einsatz einer
Finite-Elemente-Methode oder dergleichen).
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Für die Ausbildung
der Kavität
kommen prinzipiell vielfältige
fertigungstechnische Möglichkeiten in
Betracht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
z. B. vorgesehen, dass die Kavität
durch die Bohrung eines Loches und einen nachträglichen Verschluss des Loches
ausgebildet ist. Eine im Querschnitt kreisrunde Bohrung kann z.
B. durch Einschieben, insbesondere Einpressen, eines geeignet dimensionierten
Zylinderstopfens verschlossen werden. In einer Weiterbildung ist
vorgesehen, dass nach dem Verschluss des Bohrloches durch ein separates
Bauteil wie den erwähnten
Zylinderstopfen die das Bohrloch aufweisende Fläche der betreffenden Komponente
noch nachbearbeitet wird, beispielsweise Plan (oder zu einer gewünschten
Kontur) geschliffen wird.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung bei einer Radialkolbenpumpe
mit mehreren Pumpkolben, die z. B. in einer gemeinsamen Ebene angeordnet
sein können.
In einer Ausführungsform
ist beispielsweise vorgesehen, dass die Pumpe eine Exzenterwelle
zum Antreiben mehrerer in einem gemeinsamen Pumpengehäuse aufgenommener
Fördereinheiten
umfasst, die jeweils einen der zur Hin- und Herbewegung in Richtung
einer jeweiligen Pumpkolbenachse in einem jeweils zugeordneten Pumpzylinder
geführten
Pumpkolben aufweisen.
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Eine
derartige Radialkolbenpumpe kann beispielsweise zur Kraftstoffversorgung
bei einem Speichereinspritzsystem (z. B. Common-Rail-Dieseleinspritzsystem)
für die
Brennkraftmaschnine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gleitet ein zylindrischer Abschnitt des Kolbens am antriebswellenfernen
Kolbenende in einer zylindrischen Zylinderbuchse (welche den Zylinderraum
bzw. Pumpenarbeitsraum bildet).
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Der
Kolbenfuß des
bei einer erfindugsgemäßen Radialkolbenpumpe
vorgesehenen Kolbens besitzt im Vergleich zum Kolben bevorzugt einen
nennenswert verbreiterten Querschnitt. Bevorzugt ist eine antriebswellenseitige
Kolbenfußendfläche flächenmäßig im Vergleich
zur Kolbenquerschnittsfläche
betrachtet um wenigstens 100% verbreitert.
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Der
Kolbenfuß besitzt
bevorzugt eine wenigstens annähernd
konische Form (exzenterseitig verbreitert).
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Die
Antriebswelle der Radialkolbenpumpe kann beispielsweise exzentrisch
ausgebildet und/oder mit wenigstens einer nockenartigen Erhebung
ausgebildet sein. Ein Exzenterabschnitt der Antriebswelle kann direkt
oder indirekt auf den Kolbenfuß einwirken,
um die Hin- und Herbewegung des Kolbens zu bewirken. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein von einem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle
durchsetzter Exzenterring direkt oder indirekt (z. B. über einen
Gleitschuh) mit dem Kolbenfuß zusammenwirkt
(diesen Im Pumpenbetrieb abwechselnd be- und entlastet). Derartige Exzentertriebanordnungen
sind an sich bekannt und bedürfen
daher an dieser Stelle keiner näheren
Erläuterung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine
Seitenansicht eines unteren Endbereiches eines Kolbens für eine Radialkolbenpumpe
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 eine
entsprechende Ansicht eines Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine
entsprechende Ansicht eines Kolbens gemäß einer dritten Ausführungsform,
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4 eine
Seitenansicht eines Kolbens samt zugehörigem, separat ausgebildeten
Kolbenfuß,
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5 eine
der 4 entsprechende Ansicht mit einem modifiziert
ausgebildeten Kolbenfuß,
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6 eine
Seitenansicht einer einstückig ausgebildeten
Kombination aus Kolben und Kolbenfuß gemäß einer ersten Ausführungsform,
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7 eine
entsprechende Ansicht mit einem Kolbenfuß gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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8 eine
entsprechende Ansicht mit einem Kolbenfuß gemäß einer dritten Ausführungsform,
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9 eine
entsprechende Ansicht mit einem Kolbenfuß gemäß einer vierten Ausführungsform,
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10 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer Fertigungsmethode eines
Kolbenfußes mit
Kavität,
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11 eine
entsprechende Ansicht gemäß einer
modifizierten Ausführungsform,
und
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12 eine
Teilschnittansicht einer Fördereinheit
einer Radialkolbenpumpe.
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12 veranschaulicht
den Aufbau einer Fördereinheit
1 einer
Hochdruck-Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei
einem Speichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Dieser Aufbau ist in weiten Teilen an sich aus der eingangs bereits
erwähnten
Veröffentlichung
DE 100 39 210 A1 bekannt.
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Die
dargestellte Fördereinheit 1 ist
eine von mehreren Fördereinheiten
der Pumpe, die durch eine gemeinsam genutzte (nicht dargestellte)
Antriebswelle betrieben werden. Die Fördereinheit 1 dient
dazu, Kraftstoff (z. B. Diesel) für das Speichereinspritzsystem
aus einer Zufuhrleitung 2 (Saugraum) über ein erstes Rückschlagventil 3 in
einen Zylinderraum (Pumpenarbeitsraum) 4 und sodann über ein
zweites Rückschlagventil 5 mit
hohem Druck (z. B. über 1.500
bar) in eine Abfuhrleitung 6 (Druckraum) zu fördern.
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Die
beschriebenen Komponenten sind in einer Gehäusestruktur untergebracht,
von welcher in 12 Gehäuseteile 7 und 8 zu
erkennen sind.
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Die
Pumpe umfasst ferner einen Pumpkolben 10, der zur Hin-
und Herbewegung in Richtung einer Pumpkolbenachse A in einem Pumpzylinder 12 geführt ist,
um während
eines Saughubs (in 12 nach unten) Kraftstoff aus
der Zufuhrleitung 2 über das
Rückschlagventil 3 in
den Pumpenarbeitsraum 4 zu fördern und während eines Pumphubs (in 12 nach
oben) den im Pumpenarbeitsraum befindlichen Kraftstoff zu komprimieren
bzw. über
das Rückschlagventil 5 unter
hohem Druck an den Druckraum 6 abzugeben.
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Der
Pumpzylinder 12 ist bei der dargestellten Ausführungsform
ein einstückig
vom Gehäuseteil 8 abstehender
und in eine zylindrische Aussparung des Gehäuseteils 7 hineinragender
Abschnitt.
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Ferner
umfasst die Pumpe einen hülsenförmigen Stützkörper 14,
der an einer Außenumfangsfläche des
Pumpzylinders 12 in Richtung der Pumpkolbenachse A geführt ist
und mittels einer Verbindungsanordnung 16 in Mitnahmeverbindung
mit dem Kolben 10 steht.
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Wenn
die Antriebswelle sich dreht, so vollführt ein von einem Exzenterabschnitt
der Antriebswelle durchsetzter Exzenterring 18 eine Taumelbewegung,
deren Komponente parallel zur Kolbenachse A über einen Gleitschuh bzw. Kolbenfuß 20 auf den
Kolben 10 übertragen
wird. Bei einer in 12 abwärts gerichteten Bewegung des
Exzenterrings 18 erfolgt die abwärts gerichtete Rückstellung
des Kolbens 10 (Saughub) durch eine Rückstellfeder 22 (Spiraldruckfeder),
deren oberes Ende sich an einer Schulter des Pumpzylinders 12 abstützt und
deren unteres Ende sich an einer Schulter des Stützkörpers 14 abstützt. Der
Stützkörper 14 wirkt
wiederum derart mit dem Kolbenfuß 20 zusammen, dass
die auf den Stützkörper 14 wirkende
Federkraft sich auf den Kolbenfuß 20 und somit über die
Verbindungsanordnung 16 auf den Kolben 10 überträgt und diesen
nach unten führt.
Bei dem beschriebenen Saughub wird also der Kolbenfuß 20 in
radialer Richtung vom Exzenterring 18 der Antriebswelle
entlastet. Bei der umgekehrten Kolbenbewegung (Pumphub) wird der
Kolbenfuß 20 vom
Exzenterring nach oben hin belastet und entgegen der Federkraft
gedrängt.
Auf Grund des hohen Kraftstoffdrucks wirkt hierbei eine sehr hohe
Kraft auf den Kolben 10, die über den Kolbenfuß 20 auf
den Exzentertrieb (hier: Exzenterring 18) übertragen
wird.
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Es
besteht grundsätzlich
das Problem, dass die Kolbenkraft bei bekannten Pumpen dieser Bauart mehr
oder weniger ungleichmäßig auf
die Fläche
des verwendeten Gleitschuhs übertragen
wird, woraus sich die eingangs bereits beschriebenen Nachteile ergeben.
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Bei
den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen von Kolben
bzw. Kolben-Kolbenfuß-Kombinationen
wird die Kraftübertragung
im Bereich des unteren Kolbenendes bzw. im Bereich des Kolbenfußes verbessert
bzw. optimiert. Bei dieser Beschreibung werden für gleichwirkende Komponenten
die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben
zur Unterscheidung der Ausführungsform.
Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw.
den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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1 zeigt
den unteren (antriebswellenseitigen) Bereich eines Kolbens 10a,
der im eingebauten Zustand mit einer unteren Endfläche 30a auf
einer planen oberen Endfläche
eines separat ausgebildeten, nicht dargestellten Kolbenfußes anliegt
(vgl. z. B. in 12 die Anlage des Kolbens 10 am
Kolbenfuß 20).
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Eine
Besonderheit des Kolbens 10a besteht darin, dass ein zentraler
Bereich der kolbenfußseitigen
Endfläche 30a des
Kolbens 10a eine Vertiefung 32a aufweist.
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Die
Vertiefung 32a bewirkt vorteilhaft eine im mittleren Bereich
des (nicht dargestellten) Kolbenfußes reduzierte Krafteinleitung
und somit eine gleichmäßigere Druckverteilung
im Kolbenfuß,
so dass einerseits die Gefahr eines Materialversagens im Bereich
des Kolbenfußes
verringert ist und andererseits der durch die Zusammenwirkung des
Kolbenfußes mit
dem betreffenden Exzenter hervorgerufene Verschleiß verringert
wird.
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Die
Formgebung bzw. Dimensionierung der Vertiefung 32a in der
Kolbenendfläche 30a kann
hinsichtlich der konkreten Konstruktionsumgebung angepasst bzw.
optimiert werden. Beispielhafte Modifikationen des in 1 dargestellten
Kolbens 10a sind in den 2 und 3 veranschaulicht.
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Die 2 und 3 zeigen
jeweils einen Kolben 10b bzw. 10c mit einer hinsichtlich
der Formgebung und Dimensionierung modifizierten Vertiefung 32b bzw. 32c in
der Kolbenendfläche.
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4 veranschaulicht
nochmals zeichnerisch die Anlage einer unteren Kolbenendfläche 30d eines
Kolbens 10d an einer oberen Endfläche 34d eines beispielsweise
plattenförmig
ausgebildeten Kolbenfußes 20d.
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Aus 4 ist
ferner das ganz allgemein (auch bei allen nachfolgend noch beschriebenen Ausführungsformen)
bevorzugte Merkmal zu erkennen, wonach der Kolbenfuß im Vergleich
zum Kolben einen stark verbreiterten Querschnitt besitzt. Der plattenförmige Kolbenfuß 20d in 4 besitzt
beispielsweise einen Durchmesser, der mehr als drei Mal so groß ist wie
der Durchmesser des als Zylinder ausgebildeten Kolben 10d.
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Wenn
der Kolben 10d an seiner unteren Kolbenendfläche 30d eine
Vertiefung, z. B. wie in den Beispielen gemäß der 1 bis 3 gezeigt,
aufweist, so wird die vom Kraftstoff auf den Kolben 10d ausgeübte Druckkraft
im Kolbenfuß 20d besser
verteilt (nicht in der Mitte konzentriert).
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5 zeigt
eine Modifikation der in 4 dargestellten Kolben-Kolbenfuß-Kombination.
Die Modifikation besteht zum einen darin, dass der in 5 dargestellte
Kolbenfuß 20e an
seiner Oberseite einen zylindrischen Aufnahmeraum aufweist, in welchem
das untere Ende eines Kolbens 10e beispielsweise verpresst
sein kann. Der Kolben 10e kann beispielsweise wieder die
Gestaltung gemäß eines
der Beispiele nach den 1 bis 3 aufweisen.
Die Modifikation besteht zum anderen darin, dass auch die obere
Endfläche 34e des
Kolbenfußes 20e in
einem zentralen Bereich mit einer Vertiefung 36e versehen
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind aneinander angrenzende Querschnitte einerseits einer (nicht
dargestellten) Vertiefung in der Kolbenendfläche 30e und andererseits
der dargestellten Vertiefung 36e in der Kolbenfußfläche 34e fluchtend
zueinander angeordnet.
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Ganz
allgemein ist es bevorzugt, wenn der Kolben wie z. B. in 5 dargestellt,
in eine zentrale Sacklochbohrung an der Oberseite eines im montierten
Zustand unmittelbar am Exzenter anliegenden Gleitschuhs gesteckt
und dort kraft- und/oder formschlüssig mit diesem verbunden wird.
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Als
Verbindung zwischen Kolben und Gleitschuh eignen sich alle bekannten
und gängigen
Verfahren, wie z. B. Verschraubung mittels Gewinde, Schweißen, Löten (insbesondere
Hartlöten),
Kleben, Pressen, Druckring etc. Bei diesen Verbindungsverfahren
ist es auch möglich,
den Kolben auf eine kleine Schulter in der Ausnehmung des Gleitschuhs
wirken zu lassen, so dass die Krafteinleitung nicht nur durch Kraftschluss
erfolgen muss.
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Bei
den bislang mit Bezug auf die 1 bis 5 beschriebenen
Beispielen ist der Kolbenfuß separat
vom Kolben gefertigt und bei der Montage mit dem unteren Kolbenende
verbunden.
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Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 6 bis 11 Ausführungsvarianten
beschrieben, bei denen der Kolben und der Kolbenfuß einstückig ausgebildet
sind.
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Die 6 bis 8 veranschaulichen
Kolben 10f, 10g und 10h mit jeweils einstückig ausgebildetem
Kolbenfuß 20f, 20g bzw. 20h (jeweils
konusförmig).
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Eine
Besonderheit der Kolben 10f, 10g und 10h besteht
darin, dass ein mittlerer Bereich der jeweils unteren (antriebswellenseitigen)
Endfläche 38f, 38g bzw. 38h des
betreffenden Kolbenfußes
eine Vertiefung 40f, 40g bzw. 40h aufweist.
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Im
Betrieb der betreffenden Pumpe bewirkt diese Vertiefung wieder einen
günstigeren
Kraftfluss im Übergangsbereich
zwischen dem Kolbenfuß und dem
Exzenter (z. B. einem Exzenterring), sei es durch die direkte Anlage
des Kolbenfußes
am Exzenter oder durch die Anlage des Kolbenfußes an einem Gleitschuh, der
wiederum am Exzenter anliegt (zwischengefügter Gleitschuh).
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9 zeigt
einen Kolben 10i mit einem einstückig daran ausgebildeten Kolbenfuß 20i.
Die Besonderheit der Kolben-Kolbenfuß-Kombination 10i, 20i besteht
darin, dass im Inneren des Kolbenfußes 20i, im Kolbenfußquerschnitt
betrachtet in einem mittleren Bereich, eine Kavität 50i vorgesehen
ist, welche vorteilhaft für
eine Vergleichmäßigung der Flächenpressungen
zwischen dem dargestellten Kolbenfuß 20i und einem Exzenter
dient.
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Anstelle
eines direkten Anlagekontakts zwischen dem Kolbenfuß 20i und
dem betreffenden Exzenter könnte
jedoch auch ein mittelbarer Kontakt vorgesehen sein, z. B. unter
Zwischenfügung
eines direkt am Exzenter anliegenden Gleitschuhs, an dessen Oberseite
der in 9 ersichtliche Kolbenfuß 20i angebunden (befestigt)
ist.
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Bei
der Lösung
gemäß 9 wird
verhindert, dass die vom Kraftstoff auf den Kolben 10i ausgeübte Kraft
an der Kontaktstelle zwischen dem Kolben 10i und einem
Exzenter bzw. einem am Exzenter aufliegenden Gleitschuh "direkt" durchgeleitet wird. Damit
wird vorteilhaft vermieden, dass es zu lokal überhöhten Flächenpressungen unterhalb des
dargestellten Kolbenfußes 20i kommt.
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Dadurch,
dass sich der Kolben 10i im unteren Bereich (Kolbenfuß 20i)
konisch erweitert und der mittlere Bereich dieses Erweiterungsabschnitts
durch Vorsehen der Kavität 50i ausgespart
ist, werden im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
besonders vorteilhaft Druckspitzen außerhalb der Mitte in der Kontaktfläche von
vornherein vermieden.
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Wenn
unterhalb des Kolbenfußes 20i ein mehr
oder weniger dicker Gleitschuh als Verbindungsglied zum Exzenter
hin angeordnet wird, so ergibt sich eine weitere egalisierende Wirkung,
so dass sich etwaige Kraftungleichmäßigkeiten an der unteren Kolbenfußendfläche 38i nicht
bis in die Kontaktzone zwischen einem solchen Gleitschuh und dem Exzenter
der Antriebswelle fortpflanzen können (Dasselbe
gilt auch für
die Ausführungsformen
gemäß der 1 bis 8).
In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, wenn ein unter dem Kolbenfuß verwendeter
Gleitschuh eine Dicke (in Richtung der Kolbenachse) besitzt, die
wenigstens der in dieser Richtung vorhandenen Länge des Überganges von dem relativ kleinen
Kolbendurchmesser zu dem relativ großen Kolbenfußdurchmesser
entspricht.
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Wenngleich
es bei der in 9 dargestellten Ausführungsform
nicht vorgesehen ist, könnte
eine besondere Formgebung der unteren Kolbenfußendfläche 38i vorgesehen
sein, wie diese bereits mit Bezug auf die 6 bis 8 erläutert wurde
(mit einer Vertiefung im mittleren Bereich).
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Für die Ausbildung
einer Kavität
im Kolbenfuß (oder
in einem unteren Bereich des Kolbens) ergeben sich für den Fachmann
verschiedene Möglichkeiten.
Eine geeignete und im Rahmen der Erfindung bevorzugte Methode zur
Ausbildung einer solchen Kavität,
z. B. der in 9 dargestellten Kavität 50i, wird
nachfolgend mit Bezug auf die 10 und 11 erläutert.
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10 zeigt
einen Kolben 10j mit einstückig daran ausgebildetem Kolbenfuß 20j.
Eine Kavität 50j wurde
im Inneren des Kolbenfußes 20j dadurch
ausgebildet, dass zunächst
von der Kolbenendfläche 38j her
in Richtung der Kolbenachse A ein Loch in den Kolbenfuß 20j gebohrt
wurde und dieses Loch sodann durch einen Verschlussstopfen 52j verschlossen
wurde, der im dargestellten fertigen Zustand in das Bohrloch eingepresst
ist und so dimensioniert ist, dass am Bohrungsgrund die dargestellte
Kavität 50j verbleibt.
Der Stopfen 52j verschließt also die Gleitfläche 38j wieder,
wobei der Hohlraum 50j hinter dem Stopfen verbleibt. An
dieser Stelle wird der Kraftfluss vorteilhaft "unterbrochen bzw. umgeleitet".
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Für die Kraftumleitung
bzw. Kraftverteilung wesentlich ist, dass im Bereich der Kavität 50j kein (stabiles)
Kolbenfußmaterial
(z. B. Stahl) vorhanden ist. Wenngleich es denkbar ist, im Bereich
der Kavität 50j irgendein
(nicht druckfestes) Material einzubringen, so ist die Kavität 50j im
einfachsten und somit bevorzugten Fall einfach "leer".
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Der
einteilige "Pilzkolben" 10j, 20j (wie
auch die Ausführungen
gemäß der 6 bis 9)
kann z. B. durch Anstauchen eines Kopfes gefertigt sein.
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11 veranschaulicht
eine Modifikation der Ausführungsform
von 10. Die Modifikation besteht darin, dass bei einem
Kolbenfuß 20k zunächst, ähnlich wie
bei der Ausführung
gemäß 10,
ein erstes Loch mit einer bestimmten Bohrungstiefe und einem bestimmten
Bohrungsdurchmesser gebohrt wurde, und sodann koaxial ein zweites
Loch mit größerem Bohrungsdurchmesser,
jedoch kleinerer Bohrtiefe gebohrt wurde. Die Höhe und der Durchmesser eines
Verschlussstopfens 52k wurden an das zweite Bohrloch angepasst.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht eine weitere Besonderheit darin, dass der Bohrungsgrund
des zweiten Bohrloches zu einer planen Absatzfläche gefräst wurde, so dass sich eine
besonders stabile Abstützung
des Verschlussstopfens 52k an einer Übergangsschulter der beiden
Bohrungen ergibt.
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Bei
jeder der in den 10 und 11 dargestellten
Ausführungen
ist zweckmäßig, wenn
nach dem Verschluss des oder der Bohrlöcher die untere Kolbenfußendfläche noch
nachbearbeitet wird, z. B. um diese plan vorzusehen.
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Alternativ
zu einer planen Kolbenfußendfläche 38j bzw. 38k kommt
es auch in Betracht, die Kolbenfußendfläche mit einer Vertiefung zu
versehen, wie dies z. B. bereits anhand der 6 bis 8 erläutert wurde.
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Zu
den Ausführungen
der 9 bis 11, bei denen eine Kavität im Inneren
des betreffenden Kolbenfußes
vorgesehen ist, ist ferner anzumerken, dass alternativ oder zusätzlich eine
Kavität
im mittleren Bereich (der Querschnittsfläche) auch im Inneren des Kolbens
vorgesehen werden könnte.
Dies gilt sowohl für
eine separate Ausbildung des Kolbens und des zugehörigen Kolbenfußes als
auch für
deren einstöckige
Ausbildung. In 12 ist z. B. eine derartige Kavität 50 (im
Inneren des Kolbens 10) eingezeichnet.
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Bei
allen oben beschriebenen Ausführungsformen
von Kolben und Kolben-Kolbenfuß-Kombinationen
kann eine Installationsumgebung vorgesehen sein, wie sie beispielhaft
in 12 dargestellt ist. Abweichend von dem Aufbau
nach 12 ist im Rahmen der Erfindung insbesondere auch
eine Ausführung
interessant, bei welcher der Kolbenfuß sich in Richtung zum Exzenter
hin konusförmig
in seinem Durchmesser verbreitert (wie z. B. in den 5 bis 11 dargestellt).
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Mit
der Erfindung gelingt es, die bislang konstruktionsbedingt vorhandenen
Spitzen der Flächenpressung
direkt unter dem Kolben und/oder direkt unter dem Kolbenfuß so abzubauen,
dass die eingangs genannten Ausfall- bzw. Verschleißeffekte
vermieden werden können.
Dies gilt insbesondere mit Blick auf die ständig wachsenden Kraftstoffdrücke (z.
B. größer als
1500 bar), die dem Einspritzsystem und damit der hierfür verwendeten
Fluidpumpe abverlangt werden.
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Durch
die bei der Erfindung optimierbare Kraftübertragung ausgehend von einem
kleinen (Hochdruck-Kolben-)Durchmesser auf einen großen (Kolbenfuß- bzw.
Gleitschuh-)Durchmesser ist es insbesondere möglich, die absolute Höhe der maximalen
Flächenpressung
um weit über
50% zu reduzieren und lokale Spitzen in der Flächenpressung zu vermeiden.