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Stand der Technik
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Wälzkörper sind
in verschiedensten Bauformen von Wälzlagern, wie Rillenkugellager,
Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager, erfolgreich im Einsatz. Auch
bei Rollenstößeln von
Kraftstoffhochdruckpumpen werden zylindrische Wälzkörper erfolgreich eingesetzt.
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Aufgrund
der immer weiter steigenden Anforderungen an die Wälzlager
bzw. die Rollenstößel von Kraftstoffhochdruckpumpen
besteht der Bedarf nach besonders belastbaren Wälzkörpern. Üblicherweise werden Wälzkörper zum
Beispiel aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung 100 CR6
oder einem ähnlichen Werkstoff
hergestellt. Wenn an die Verschleißbeständigkeit und die Warmfestigkeit
der Wälzlager
besonders hohe Anforderungen gestellt werden, ist es bekannt, die
Wälzkörper aus
Schnellarbeitsstahl, beispielsweise dem Schnellarbeitsstahl HS6-5-2,
herzustellen.
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Diese
Schnellarbeitsstähle
weisen eine höhere
Verschleißbeständigkeit
und Warmfestigkeit als übliche
Wälzlagerwerkstoffe
auf. Allerdings enthalten sie die Legierungselemente Wolfram, Chrom,
Vanadium und/oder Kobalt. Diese Legierungselemente bilden während der
Abkühlphase
nach der Verschmelzung Primärkarbide.
Da diese Primärkarbide
hauptsächlich
im inneren Bereich der abkühlenden Schmelze
entstehen, sind die Karbide ungleichmäßig verteilt und es kommt zur
sogenannten Karbidzeiligkeit.
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Wenn
dieser Werkstoff durch Umformung zu Halbzeugen veredelt wird, werden
diese Primärkarbide
mechanisch zerkleinert. Die dabei entstehende Karbidgröße hängt sehr
stark vom Umformgrad bei der Herstellung der Halbzeuge ab und kann
nach dem Umformen nicht mehr nennenswert beeinflusst werden.
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Es
hat sich bei metallurgischen Untersuchungen von Schnellarbeitsstählen herausgestellt, dass
bei einer Dicke des Halbzeugs von 10 mm die größten Karbide eine Größe von bis
zum 30 μm Durchmesser
aufweisen. Diese vergleichsweise großen Strukturen innerhalb der
Halbzeuge setzen die Zugfestigkeit und auch die Wälzfestigkeit
des Werkstoffs herab.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wälzkörper bereitzustellen, deren
Zugfestigkeit und Wälzfestigkeit
gegenüber
den herkömmlichen
Wälzkörpern deutlich
verbessert sind. Außerdem
sollen diese Eigenschaften bei in Serie gefertigten Wälzkörpern nur
innerhalb sehr geringer Bandbreiten schwanken, so dass trotz einer
optimalen Ausnutzung des Werkstoffs die Ausfallquote, die sehr gering ist.
Dadurch kann die Konstruktion weiter optimiert und gleichzeitig
die Fehleranfälligkeit
reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Herstellen von Wälzkörpern, bei dem ein Ausgangswerkstoff,
wie er üblicherweise
für die
Herstellung von Wälzkörpern eingesetzt
wird, geschmolzen wird, dieser geschmolzene Ausgangswerkstoff verdüst wird,
so dass sich Kugeln und/oder Tropfen mit kleinem Durchmesser bilden
und anschließend
diese Kugeln und/oder Tropfen in einer Form unter Druck und Temperatur
zu einem Wälzkörperrohling
gepresst werden.
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Da
die verdüsten
Kugeln und/oder Tropfen einen sehr viel kleineren Durchmesser haben
als beispielsweise die Dicke eines Halbzeugs aus dem sonst Wälzkörper hergestellt
werden, sind die Kugeln/Tropfen der verdüsten Schmelze sehr homogen in
ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung. Dadurch wird die Entstehung
der Karbidzeiligkeit bei Schnellarbeitsstählen vermieden. Durch das erfindungsgemäße Sintern
der Kugeln und/oder Tropfen in einer Form wird somit ein pulvermetallurgisch
hergestellter Wälzkörperrohling
erzeugt, dessen Gefüge über den
gesamten Querschnitt sehr homogen ist und dass insbesondere keine "Sollbruchstellen", wie sie größere Karbidkörner und
die erwähnte
Karbidzeiligkeit darstellen, aufweist. Daher ist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Wälzkörperrohling
hinsichtlich Wälzfestigkeit
und Zugfestigkeit höher
belastbar als ein durch Schmelzen als ein aus einem Halbzeug hergestellter
Wälzkörperrohling.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn die ein Großteil der
verschmolzenen Kugeln und/oder Tropfen einen Durchmesser von weniger
als einem Millimeter (1 mm) aufweisen. Besonders bevorzugt sind
Durchmesser kleiner 0,5 mm.
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Des
weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kugeln und/oder
Tropfen mit einem Durchmesser größer als
0,5 mm ausgesiebt werden. Dadurch kann die Homogenität des erfindungsgemäßen Wälzkörperrohlings
weiter gesteigert werden und somit auch dessen Belastbarkeit.
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In
praktischen Versuchen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die
Wälzkörperrohlinge
heiß isostatisch
zu pressen. Durch anschließendes
Schmieden des Rohlings kann die Festigkeit weiter verbessert werden.
Außerdem
werden Poren im Werkstoff vermieden.
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Ein
besonders vorteilhafter Ausgangswerkstoff für die erfindungsgemäßen Wälzkörperrohlinge ist
Schnellarbeitsstahl, wobei insbesondere der Schnellarbeitsstahl
HS6-5-2, sehr gute Ergebnisse erbracht hat.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Wälzkörperrohlinge
nach dem Pressen mechanisch bearbeitet, insbesondere durch Schleifen
und/oder Superfinishen.
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Weitere
Vorteile und Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines Wälzkörperrohlings
und
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2 eine
Kraftstoffhochdruckpumpe, deren Rollenstößel mit einem erfindungsgemäßen Stößel ausgestattet
ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Block 101 wird der Ausgangswerkstoff geschmolzen.
Daraufhin wird in einem zweiten Funktionsblock dieser flüssige Ausgangswerkstoff
verdüst,
so dass Kugeln und/oder Tropfen einer definierten Größenverteilung
entstehen. Als besonders bevorzugt haben sich dabei Größen der Tropfen
und/oder Kugeln kleiner 1 mm erwiesen.
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Anschließend werden
die mittlerweile erstarrten Kugeln und/oder Tropfen in einer Form
heiß isostatisch
zu einem Wälzkörperrohling
gepresst. Dieser Vorgang findet in dem vierten Funktionsblock 107 statt.
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Wenn
die Größenverteilung
der Kugeln und/oder Tropfen nach dem Verdüsen 103 noch nicht optimal
ist, können
in einem optionalen Funktionsblock 105 zu große Tropfen
und/oder Kugeln ausgesiebt werden.
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Das
Pressen der Wälzkörperrohlinge
im Funktionsblock 107 erfolgt bei hoher Temperatur und hohen
Drücken.
Zur Vermeidung von Poren und zur Steigerung der Festigkeit, können die
Rohlinge danach geschmiedet werden.
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Anschließend werden
die in einem fünften Funktionsblock 109 die
Wälzkörperrohlinge
in konventioneller Weise, beispielsweise durch Schleifen und/oder
Superfinishen, fertig bearbeitet.
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Die 2 zeigt
schematisch eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung
bei Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen,
von Brennkraftmaschinen im Schnitt. Die in 1 dargestellte Radialkolbenpumpe
ist mit einer integrierten Bedarfsmengenregelung ausgestattet. Die
Fördermengenregelung
erfolgt saugseitig über
eine Zumesseinheit ZME.
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Die
in 2 beispielhaft gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst
eine in einem Pumpengehäuse 1 gelagerte
Antriebswelle 2 mit zwei um 180° versetzt angeordneten Nocken 36.
Gegen die Nocken 36 stützen
sich zwei Kolben 8 ab. Die Kolben 8 sind jeweils in
einer Elementbohrung 11 in radialer Richtung hin und her
bewegbar aufgenommen. Die Kolben 8 sind in einem Winkel
von etwa 90° zueinander
angeordnet und begrenzen an ihrem der Antriebswelle 2 abgewandten
Ende einen Förderraum
(nicht dargestellt).
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An
dem zu der Antriebswelle 2 hin gerichteten Ende der Kolben 8 stützen sich
die Kolben 8 gegen einen Boden 20 eines Stößels 23 ab.
Um die Kraftübertragung
zwischen Kolben 8 und Boden 20 des Stößels 23 zu
verbessern, ist am Kolben 8 ein Teller 14 vorgesehen.
Diese Teller 14 können
entweder einstückig
mit dem Kolben 8 oder abnehmbar daran befestigt sein. Gegen
den Teller 14 ist eine Feder 17 vorgespannt. Die
Federn 17 drücken
die Kolben 8 gegen die Böden 20 der Stößel 23.
Von den Böden 20 der
Stößel 23 erstreckt
sich ein zylinderförmiger Führungskörper 26 in
Richtung der nicht dargestellten Förderräume. Die Führungskörper 26 sind Teil der
Stößel 23 und
verhindern ein Kippen der Stößel 23 in
einer Führungsbohrung.
Die Stößel 23 sind
in dem Pumpengehäuse 1 verschiebbar.
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In
den Böden 20 der
Stößel 23 ist
eine halbrunde Vertiefung 27 vorhanden, die zur Lagerung
einer Rolle 28 dient. Die Vertiefung 27 und die
Rolle 28 bilden ein Gleitlager, während sich die Rolle 28 auf der
Nocke 36 der Antriebswelle 2 abwälzt. In
axialer Richtung wird die Rolle 28 in der Führungsbohrung 29 fixiert.
Dabei findet eine Relativbewegung zwischen den Stirnseiten der Rolle 28 und
der Führungsbohrung 29 statt,
die Verschleiß verursachen
kann. Um die Belastbarkeit der Rolle 28 zu erhöhen, wird die
Rolle 28 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf pulvermetallurgischem
Weg hergestellt.
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Die
in 2 dargestellte Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff,
der von einer Vorförderpumpe
aus einem Tank geliefert wird, mit Hochdruck zu beaufschlagen. Im
Förderhub
werden die Kolben 8 infolge der Exzenterbewegung der Nocken 36 der Antriebswelle 2 von
der Drehachse der Antriebswelle Nockenwelle 2 wegbewegt.
Im Saughub bewegen sich die Kolben 8 radial auf die Achse
der Nockenwelle 2 zu, um Kraftstoff in den nicht dargestellten Förderraum
zu saugen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
findet die Schmierung der Nockenwelle 2 und deren Lagerung (nicht
dargestellt) über
eine Schmierstoffversorgung 38 mit einer Drossel 39 statt,
die direkt mit Kraftstoff aus dem nicht dargestellten Kraftstofftank
der Brennkraftmaschine über
eine Versorgungsleitung 40 gespeist wird. Von der Versorgungsleitung 40 zweigt eine
Leitung 43 ab, welche die Zumesseinheit ZME der Radialkolbenpumpe
mit Kraftstoff versorgt.