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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffförderung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, umfassend eine in einem Pumpengehäuse drehbar gelagerte Antriebswelle mit einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt, auf welchem ein Stössel gleitend gelagert ist, welcher mit mindestens einem Kolbenfuß eines Kolbens zusammenwirkt, der bezüglich der Antriebswelle radial, zur Hin- und Herbewegung in Richtung einer Kolbenachse, in einem jeweiligen Zylinderraum angeordnet ist.
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Bei bekannten Radialkolbenpumpen dieser Art besitzt der Stössel einen ringförmig um den exzentrischen Wellenabschnitt herum geschlossenen Stösselquerschnitt. Eine derartige Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der
DE 198 14 505 A1 bekannt. Die bekannte Pumpe umfasst einen Stösselring, der auf einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt einer Antriebswelle gleitend gelagert ist und bei einer Drehung der Antriebswelle mit drei Kolbenfüßen von drei Kolben zusammenwirkt, um diese Kolben jeweils zur Hin- und Herbewegung in Richtung einer jeweiligen Kolbenachse (entgegen der Kraft einer Rückstellfeder) anzutreiben. Die drei Kolbenachsen verlaufen bezüglich der Antriebswelle radial, wobei einander benachbarte Kolbenachsen jeweils um 120° zueinander winkelversetzt sind. Bei einem in dieser Veröffentlichung beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist der Stösselquerschnitt im Wesentlichen kreisringförmig, jedoch mit drei Abflachungen am äußeren Umfang, an denen die Zusammenwirkung mit den Kolbenfüßen stattfindet. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Stösselquerschnitt kreisringförmig.
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Bei der bekannten Pumpe wird die Rotationsbewegung der Antriebswelle über den Stösselring in eine translatorische Bewegung der Pumpkolben umgeformt. Da der Stösselring einerseits die hydraulischen Kräfte der Pumpe aufnehmen muss und dadurch belastet wird und andererseits gewissen tribologischen Anforderungen genügen muss, muss das Design des Stösselrings entsprechend stabil bzw. massiv ausgeführt sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Radialkolbenpumpe als Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem vorgesehen ist und beispielsweise einen Kraftstoffdruck von mehr als 100 bar, insbesondere mehr als 1000 bar liefern soll. Derartige Drücke werden beispielsweise üblicherweise bei Speichereinspritzsystemen (z. B. ”Common Rail”) verlangt.
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Ein weiteres Problem bei Radialkolbenpumpen dieser Art ist die durch den exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt samt darauf gelagertem Stössel hervorgerufene Unwucht. Für Radialkolbenpumpen zur Hochdruck-Kraftstoffförderung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird es immer üblicher, die Pumpenantriebswelle im Wesentlichen ohne Untersetzung, insbesondere 1:1 mit der Motordrehzahl anzutreiben. Insbesondere in diesem Fall kann die Unwucht bei erhöhten Drehzahlen der Pumpenantriebswelle sehr große Massenträgheitskräfte verursachen. Diese Kräfte treten in erster Linie im Bereich des Exzenterabschnitts der Antriebswelle sowie des Stössels auf, bedeuten jedoch auch für andere Bauteile eine mehr oder weniger hohe Belastung. Außerdem hat die konstruktionsbedingte Unwucht mehr oder weniger große Auswirkungen auf die Laufruhe der Pumpe. Beispielsweise können Anbau- und Befestigungskomponenten einer erheblichen dynamischen Belastung unterliegen, die im Extremfall sogar zum Versagen solcher Bauteile führen kann. Eine unangenehme Begleiterscheinung stellt die durch Vibrationen bzw. Schwingungen erzeugte akustische Belastung dar. Schließlich kann die Unwucht auch noch den Verschleiß der in den Pumpen vorgesehenen Lagereinrichtungen (z. B. Gleitlager) erheblich vergrößern.
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Die Druckschrift
DE 198 29 547 C2 offenbart eine Radialkolbenpumpe umfassend drei auf einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt gleitend gelagerte Stössel, die jeweils mit einem Kolbenfuß eines zugeordneten Kolbens zusammenwirken.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 019 626 A1 offenbart einen Dreh/Linearbewegungsumwandlungsmechanismus, der mit einer Sicherungseinrichtung ausgestattet ist. Der Mechanismus weist einen an einer Drehmomenteingangswelle gekoppelten Exzenternocken, einen mit dem Exzenternocken an seiner Innenwand in Kontakt gebrachten Nockenring und einen Tauchkolben auf, der der Drehung des Nockenrings folgend linear beweglich anzuordnen ist. Die Sicherungseinrichtung ist in dem Nockenring in Form von lokalen Minima vorgesehen, die auf das Aufbringen eines übermäßigen Drehmoment auf den Nockenring mit dem Brechen des Nockenrings in der Funktion von Sollbruchstellen reagieren, wodurch die Übertragung des Drehmoments von der Drehmomenteingangswelle zu dem Tauchkolben unterbrochen wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Radialkolbenpumpe der eingangs genannten Art die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte zu reduzieren, um damit beispielsweise die Leistungseigenschaften und/oder die Lebensdauer der Pumpe zu erhöhen.
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Gemäß der Erfindung wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, dass der Stössel einen nur teilweise um den exzentrischen Wellenabschnitt verlaufenden Stösselquerschnitt besitzt.
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Ab einem bestimmten Winkelversatz bezüglich der Kolbenachse ist die Querschnittsdicke nicht nur reduziert sondern der Stössel endet dort. Die Radialkolbenpumpe weist also keinen Stösselring auf, sondern einen oder mehrere Stössel entsprechend der Anzahl an Kolben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der Stösselquerschnitt über etwa 1/5 bis 1/3 des Umfangs des exzentrischen Wellenabschnitts. In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass der Stösselquerschnitt über etwa 1/4 dieses Umfangs verläuft.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Stössels für eine Radialkolbenpumpe gemäß der Erfindung umfasst die Schritte:
- – Fertigung eines Stösselrings, und
- – Auftrennung des Stösselrings durch Brechen an wenigstens zwei Stellen zur Bereitstellung von wenigstens zwei Stösseln als Fragmente des Stösselrings.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist hierbei die Ausbildung von Sollbruchstellen am Stösselring vorgesehen, an welchen die Auftrennung des Stösselrings durch Brechen desselben erfolgt.
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Bevorzugt wird der Stössel als ein Fragment eines zuvor hergestellten, mit einer Mittelbohrung versehenen Rings ausgebildet.
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Für eine 2-Kolben-Pumpe gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden zwei Stössel benötigt. Zu deren Herstellung bietet es sich an, einen mit einer Mittelbohrung vorgefertigten Stösselring in vier gleichgroße Fragmente aufzutrennen, insbesondere an Sollbruchstellen zu brechen. Die daraus resultierenden vier Fragmente des Stösselrings können sodann zur Ausstattung von zwei Pumpen verwendet werden.
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Für eine 3-Kolben-Pumpe werden drei Stössel benötigt. Zur Herstellung dieser Stössel kann beispielsweise wieder vorgesehen sein, einen vorgefertigten Stösselring in vier Fragmente aufzutrennen. In diesem Fall werden dementsprechend drei Stösselringe zur Herstellung von vier Pumpen benötigt. Alternativ kann ein Stösselring z. B. in drei oder sechs Fragmente aufgetrennt werden, um dementsprechend eine bzw. zwei Pumpen mit diesen Fragmenten auszustatten.
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Die Fertigung des Stössels im Rahmen der Herstellung einer Radialkolbenpumpe kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass der Stössel nicht mehr wie bisher üblich durch aufwendige Nachbearbeitung eines Rohmaterials (z. B. Rundstab oder Vierkantstab) sondern als Schmiedeteil gefertigt wird. Bei einer solchen Ausführung als Schmiedeteil kann vorteilhaft die Formgestaltung des Stössels im Wesentlichen bereits durch den Schmiederohling definiert sein. In der Regel ist dann nur mehr eine Nachbearbeitung der ”Funktionsflächen” erforderlich. Wenn das Schmiedeteil als in der Pumpe zu verwendender Stösselring vorgesehen ist, so werden Funktionsflächen vom Innenumfang des Stösselrings (Mittelbohrung) sowie einer oder mehrerer Gleitflächen am Außenumfang (zur Zusammenwirkung mit einem oder mehreren Kolbenfüßen) gebildet. Falls ein geschmiedeter Stösselring in mehrere Fragmente aufgetrennt wird, so kann eine Nachbearbeitung der entsprechenden Funktionsflächen vor und/oder nach der Auftrennung erfolgen. Hierbei ist es zweckmäßig, vor der Auftrennung zumindest die Mittelbohrung zu bearbeiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stössel einen ebenen Außenflächenbereich für die Zusammenwirkung mit einer ebenen Kolbenfußfläche besitzt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stössel aus Hartmetall oder Keramik gebildet ist. Damit einhergehend geben sich auch völlig neue Perspektiven bezüglich der Reibpaarung zwischen dem Stössel und dem betreffenden Kolbenfuß bzw. Gleitschuh.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, insbesondere für ausgangsseitig bereitzustellende Kraftstoffdrücke von mehr als 100 bar, insbesondere mehr als 1000 bar. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle der Pumpe mit der Motordrehzahl (Kurbelwellendrehung) angetrieben wird.
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Die Erfindung betrifft vorrangig die Gestaltung des Exzentertriebs. Insofern spielt die Gestaltung der übrigen Pumpenkomponenten (z. B. Pumpkolben, Zylinderräume, Pumpengehäuse, Einlass- und Auslassventile etc.) im Rahmen der Erfindung eine untergeordnete Rolle. Vorteilhaft kann diesbezüglich auf an sich bekannte Konstruktionen zurückgegriffen werden. Der oder die Kolben können z. B. in einfacher Weise mit einem zylindrischen Kolbenkorpus ausgebildet sein. Der Kolbenfuß kann einstückig mit dem Kolbenkorpus ausgebildet sein oder auch als separates Bauteil vorgefertigt und am Kolbenkorpus befestigt sein. In an sich bekannter Weise kann der Kolbenfuß im Vergleich zum Kolbenkorpus in den Querabmessungen (z. B. Durchmesser) vergrößert sein (”Pilzkolben”).
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Der Stössel besitzt bevorzugt eine im Wesentlichen einheitliche Dicke oder zumindest einen bezüglich einer Mittelebene symmetrischen Dickenverlauf.
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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 Schnittansicht einer Radialkolbenpumpe nach herkömmlicher Bauart,
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2 eine Seitenansicht eines Stösselrings der Pumpe von 1,
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3 eine Schnittansicht einer Radialkolbenpumpe zur Erläuterung der Erfindung,
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4 eine Seitenansicht eines Stösselrings, der zur Fertigung von vier einzelnen Stösseln durch Auftrennen des Stösselrings vorgesehen ist.
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1 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau einer Radialkolbenpumpe 10 zur Hochdruck-Kraftstoffförderung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine.
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Die Pumpe 10 umfasst eine in einem Pumpengehäuse 12 drehbar gelagerte Antriebswelle, von welcher in der Figur ein exzentrisch ausgebildeter Wellenabschnitt 14 zu erkennen ist, der nachfolgend auch als ”Exzenterabschnitt” bezeichnet wird.
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Auf dem zylindrisch ausgebildeten Exzenterabschnitt 14 ist ein Stösselring 16 gleitend gelagert. Der aus der Figur ersichtliche Stösselquerschnitt verläuft ringförmig um den Exzenterabschnitt 14 herum und besitzt die Form eines an zwei einander entgegengesetzten Stellen abgeflachten Kreisrings (vgl. auch 2).
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In 2 sind die in Richtung der Kolbenachsen betrachteten Querschnittsdicken des Stösselrings 16 mit d1 und d2 bezeichnet (d1 = d2). Aufgrund der Abflachungen in den Funktionsbereichen 16-1 und 16-2 ergibt sich orthogonal dazu betrachtet in den Zwischenbereichen 16-3 und 16-4 jeweils eine größere Querschnittsdicke d3 bzw. d4 (d3 = d4). Die ebenen Flächen am Außenumfang des Stösselrings in den Funktionsbereichen 16-1 und 16-2 dienen als Gleitflächen für die Kolbenfüße bzw. für an den inneren Kolbenenden aufgesetzte Gleitschuhe. Die Steifigkeit bzw. Stabilität des Stösselrings 16 wird maßgeblich durch die Querschnittsdicken d1 und d2 bestimmt. Die demgegenüber größeren Dicken d3 bzw. d4 in den Zwischenbereichen 16-3 und 16-4 sind für die Stabilität von untergeordneter Bedeutung.
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Der Stösselring 16 lässt sich gedanklich in vier Bereiche 16-1, 16-2, 16-3 und 16-4 zerlegen, von denen die Bereiche 16-1 und 16-2 am Außenumfang ebene Funktionsflächen ausbilden, mit denen der Stösselring 16 im Betrieb der Pumpe 10 mit Kolbenfüßen 18-1 und 18-2 zusammenwirkt, um damit verbundene zylindrische Pumpkolben 20-1 bzw. 20-2 anzutreiben. Die beiden Kolben 20-1 und 20-2 sind bezüglich der Antriebswelle radial, zu einander um 180° versetzt, in Richtung einer jeweiligen Kolbenachse, in einem jeweiligen Zylinderraum 22-1 bzw. 22-2 angeordnet.
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Eine im Betrieb erfolgende Taumelbewegung des Exzenterabschnitts 14 wird somit über den Stösselring 16 in eine entsprechende Hin- und Herbewegung der beiden Kolben 20-1 und 20-2 in Richtung der jeweiligen Kolbenachsen umgesetzt. Die Rückstellung der Kolben, also deren Bewegung in Richtung auf das Zentrum des Pumpengehäuses 12, erfolgt in an sich bekannterweise durch Rückstellfedern 24-1 bzw. 24-2.
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Um erstens eine ausreichende Steifigkeit des Stösselrings 16 und zweitens eine ausreichende Größe der in den Bereichen 16-1 und 16-2 befindlichen Gleitflächen des Stösselrings 16 gewährleisten zu können, wurde der Stösselring 16 aus einem Rundmaterial (Abschnitt eines Rundprofils) mit relativ großem Außendurchmesser hergestellt.
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Nachteilig sind bei der dargestellten Konstruktion die im Pumpenbetrieb auftretenden Massenträgheitskräfte, die sich aufgrund der Unwucht ergeben.
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Nachfolgend werden mit Bezug auf die 3 und 4 Ausführungsbeispiele einer Radialkolbenpumpe bzw. der darin verwendbaren Stössel beschrieben, bei welchen die im Betrieb auftretenden Massenträgheitskräfte vorteilhaft verringert sind. Bei dieser Beschreibung von weiteren Ausführungen 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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3 zeigt eine Radialkolbenpumpe 10a, die wie die oben beschriebene Pumpe 10 als eine 2-Kolben-Pumpe ausgebildet ist und einen Stösselring 16a zum Antrieb von zwei Kolben 20a-1 und 20a-2 aufweist.
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In der dargestellten Ausführungsform einer 2-Kolben-Pumpe ist der Stösselring 16a aus einem im Querschnitt quadratischem Vierkantmaterial hergestellt, welches an den vier Ecken noch nachträglich abgeflacht wurde. Mit dieser Formgestaltung des Stösselrings 16a werden großflächige Funktionsflächen zur Zusammenwirkung mit Kolbenfüßen 18a-1 und 18a-2 bei gleichzeitig reduzierter Stösselmasse geschaffen.
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Eine weitere Reduzierung der Masse lässt sich dadurch erzielen, dass der Stösselring nicht wie bisher üblich aus Stahl hergestellt wird sondern aus einem weniger dichten Material.
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Als besonders vorteilhaft hat sich in dieser Hinsicht beispielsweise die Verwendung einer Keramik oder eines Hartmetalls herausgestellt. Diese Werkstoffe haben, neben dem Vorteil einer geringeren Dichte, auch noch den Vorteil eines höheren E-Moduls. Die damit verbundene Steifigkeitserhöhung kann wiederum dazu genutzt werden, den Stösselring auch in dem oder den Funktionsbereichen (vgl. z. B. 16a-1 und 16a-2 in 3) dünner zu gestalten, was wiederum Gewichtsersparnis bedeutet.
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Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stössel einen nur teilweise um den Exzenterabschnitt verlaufenden Stösselquerschnitt besitzt. Bei einer 2-Kolben-Pumpe sind dementsprechend zwei separate Stössel, bei einer 3-Kolben-Pumpe drei separate Stössel usw. vorzusehen. Diese Ausführungsform lässt sich gedanklich als eine Weiterbildung der oben erläuterten Massereduzierung betrachten, bei welcher die Stösselquerschnittsdicke in einer bezüglich der Kolbenachse winkelversetzten radialen Richtung auf Null reduziert ist.
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Ein für diese Ausführungsform besonders vorteilhaftes Fertigungsverfahren veranschaulicht 4.
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4 zeigt einen vorgefertigten Stösselring 16d, aus welchem durch eine Auftrennung (hier: Brechen entlang von Sollbruchstellen 30, 32, 34, 36) vier einzelne Stössel 16d', 16d'', 16d''' und 16d'''' als Fragmente des ursprünglichen Stösselrings 16d bereitgestellt werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Sollbruchstellen 30 bis 34 durch in 4 ersichtliche Einkerbungen am Außenumfang des Stösselrings 16d definiert.
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Vor dem Auftrennen des Stösselrings 16d erfolgt bevorzugt bereits eine Bearbeitung (z. B. Schleifen) der späteren Funktionsflächen.
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Dieses Herstellungsverfahren, bei welchem mehrere Stössel durch Auftrennen eines vorgefertigten Stösselrings gebildet werden, ist insbesondere bei Verwendung von Werkstoffen interessant, die besonders teuer und/oder teuer zu bearbeiten sind (z. B. Keramik oder Hartmetall).
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Das beschriebene Verfahren kommt mit einem minimalen Material- und Bearbeitungsaufwand aus.
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Beispielsweise kann als Ausgangsteil aus Keramik oder Hartmetall ein Stösselring mit mehreren Gleitflächen am Außenumfang geschliffen werden. Die Anzahl der Gleitflächen, die auf einem Stösselring untergebracht werden können, richtet sich hierbei unter anderem nach dem benötigten Durchmesser des Gleitlagers und dem benötigten Hub bzw. Gleitweg.
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Durch die gezielte Einbringung von Sollbruchstellen ist es vorteilhaft möglich, die gesamte Innenbearbeitung, d. h. das Schleifen des Innenumfangs des Stösselrings, wie auch die Endbearbeitung der äußeren Gleitflächen an dem geschlossenen Ring durchzuführen. Sodann kann der einteilige Ring durch geeignete Vorrichtungen in mehrere ”Stösselschuhe” aufgebrochen werden. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel können so aus dem geschlossenen und somit einfach zu bearbeitenden Stösselring 16d vier einzelne Stössel für zwei 2-Kolben-Pumpen gefertigt werden.
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Wenngleich die obigen Ausführungsbeispiele sich auf eine 2-Kolben-Pumpe beziehen, so lässt sich das erläuterte Prinzip der Massenreduzierung in für die Stabilität eher unkritischen Bereichen ohne weiters auf andere Pumpenbauarten (z. B. 3-Kolben-Pumpen) übertragen.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können insbesondere folgende Verbesserungen erzielt werden:
- – Reduzierung der Bauteilbelastung, insbesondere der Lager, durch Reduzierung der bewegten Masse.
- – Verbesserung der Laufruhe durch Reduzierung der Unwucht.
- – Optimierung der Gleitbedingungen zwischen Kolbenfuß und Stössel durch Verbesserung der Steifigkeit des Kolbenfußes und/oder des Stössels und günstigere Reibpaarung (z. B. durch Einsatz von Keramik, Hartmetall etc.).
- – Senkung der Fertigungskosten durch eine Fertigung mehrerer einzelner Stössel durch Auftrennen eines vorgefertigten Stösselrings (insbesondere bei schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wie Keramik und Hartmetall).
- – Reduzierung des Gesamtgewichtes der Pumpe.
- – Vereinfachung der Pumpenmontage durch einen massenreduzierten und somit auch bauraumreduzierten Stösselring. Beispielsweise kann eine relativ kleine Montageöffnung in einem Pumpengehäuse vorgesehen sein, was sich wiederum günstig auf die Steifigkeit des Pumpengehäuses auswirkt.
