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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Pumpengehäuses für eine Hochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik werden Gehäuse und Gehäuseflanschelemente von z. B. Dieseleinspritzpumpen üblicherweise aus einem metallischen Grundmaterial mittels verschiedener Gussverfahren gefertigt. Diese Herstellungsverfahren erfordern teilweise zusätzliche Wärmebehandlungen oder Schmiedeprozesse, aufwändige Oberflächenbearbeitungen und Reinigungsprozesse.
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Eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung einer Brennkraftmaschine in einem Common-Rail-Einspritzsystem mit einem mehrteiligen metallischen Gehäuse ist beispielsweise in
DE 198 14 477 C2 beschrieben. In dem Pumpengehäuse ist eine Antriebswelle mit einem Nocken gelagert, die mehrere Pumpenkolben antreibt. Das Gehäuse weist zwei Gehäuseteile aus Metall auf, die miteinander hochdruckdicht verbunden sind. Die Oberfläche der Gehäuseteile ist geläppt, um eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit auszubilden.
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Nachteilig beim Einsatz der aus dem Stand der Technik bekannten Pumpengehäuse aus Metall ist jedoch das damit verbundene kostenintensive sowie zeit- und energieaufwändige Herstellungsverfahren. Auch sind die Materialkosten und vor allem die Bearbeitungskosten (Zerspanung) eines komplett aus Metall hergestellten Pumpengehäuses hoch. Darüber hinaus besteht bei der Verwendung eines Metallgehäuses für eine Pumpe die Gefahr, dass harte Partikel aufgrund von Bearbeitungsrückständen in das Hochdruckeinspritzsystem eingebracht werden, was zu Defekten und Ausfällen führen kann. Ein weiterer Punkt, der bei der insbesondere bei der Verwendung von Metallgehäusen aus Stahl oder Grauguss zu beachten ist, ist das relativ hohe Gewicht, was bei der Handhabung bzw. beim Einbau oder der Wartung der Hochdruckpumpe nachteilig ist. Weiterhin stellt auch das Thema Lunkerbildung und Porosität immer eine Herausforderung bei Metallgehäusen dar.
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Daher ist es notwendig, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, welche ein leichteres und dennoch stabiles Pumpengehäuse aufweist, das kostengünstig herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Pumpengehäuse, in welchem zumindest teilweise zumindest ein Pumpenelement und ein das zumindest eine Pumpenelement betätigendes Triebwerk angeordnet ist, wobei das Pumpengehäuse aus einem metallischen Grundskelett gebildet ist, welches mit zumindest einem Kunststoff, z. B. Thermo- oder Duroplast, ummantelt ist, um ein zusammenhängendes Pumpengehäuse zu bilden. Dadurch, dass lediglich ein metallisches Grundskelett für das Pumpengehäuse verwendet wird, das mit dem deutlich leichteren Kunststoff ummantelt ist, kann eine Gewichtsreduzierung des gesamten Pumpengehäuses erzielt werden, wobei dennoch während der Montage, beispielsweise beim Verschrauben oder bei Einpressprozessen von Lagern, Verschlusskugeln und -stopfen und während des Betriebs der Hochdruckpumpe, beispielsweise durch hydraulisch wirkende Kräfte, zuverlässig und dauerhaft aufgenommen werden. Das Pumpengehäuse weist eine gleichbleibende Steifigkeit bezüglich der Funktionskräfte im Hinblick auf die Lager, den Antrieb und die Hochdruckerzeugung auf. Die Kosten werden einerseits durch den geringeren Bedarf von teurem metallischem Grundmaterial und andererseits durch die kostengünstigere Herstellung eines derartigen Pumpengehäuses reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das metallische Grundskelett gespritzt, gegossen, geschweißt oder tiefgezogen.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das metallische Grundskelett Kontaktflächen zu Komponenten der Hochdruckpumpe, insbesondere Schnittstellen für Gehäuselager, und/oder eine Anlagefläche für eine mechanische Vorförderpumpe, und/oder eine axiale Anlauffläche für eine Antriebswelle des Triebwerks, und/oder eine Führungsbohrung zur Aufnahme eines Stößelkörpers und zumindest eines Teils des Pumpenelements, und/oder zumindest eine Durchgangsbohrung für einen Befestigungspunkt der Hochdruckpumpe an der Brennkraftmaschine, und/oder eine Schnittstelle für einen Anbauflansch. Alle Kontaktflächen zu anderen Einzelkomponenten sind bei Bedarf problemlos in das Grundskelett integrierbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das metallische Grundskelett weiterhin eine Schnittstelle für einen Zylinderkopf und/oder eine Schnittstelle für eine Zumesseinheit auf.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das metallische Grundskelett weiterhin eine Aufnahme für zumindest einen Niederdruckanschluss und/oder eine Abstützfläche auf. Bei der Ummantelung des Grundskeletts mit Kunststoff können derzeit übliche Niederdruck-Anschlussstutzen, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt sind, bereits während der Herstellung in den Kunststoff integriert werden. Ebenso lassen sich die bei Metalllösungen nachträglich zerspanend eingebrachten Niederdruckbohrungen und Schnittstellen zu anderen Pumpenkomponenten bereits im Spritzguß beim Kunststoff nacharbeitungsfrei realisieren.
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Vorzugsweise ist das metallische Grundskelett mit dem zumindest einen Kunststoff umspritzt oder umgossen. Durch Umspritzen oder Umgießen des Grundskeletts mit Kunststoff wird ein Pumpengehäuse von besserer Qualität im Hinblick auf die Maßhaltigkeit und die Porosität geschaffen. Auch ist bei dem mit Kunststoff umspritzten oder umgossenen Pumpengehäuse kein zusätzlicher Oberflächenschutz, beispielsweise ein Schutzlack, wie er z. B. bei einem komplett aus Metall hergestellten Pumpengehäuse erforderlich ist, notwendig, da entsprechend ausgewählte Kunststoffe eine ausreichende Robustheit gegenüber Wasser, Kunststoffen und Chemikalien aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das metallische Grundskelett zumindest einen Abschnitt eines Triebwerksraums, insbesondere einen antriebsseitigen Abschnitt oder die Rückseite des Triebwerksraums, in welchem das Triebwerk angeordnet ist, umfasst. Es ist darüber hinaus von Vorteil, wenn ein in das Pumpengehäuse einzupressender Anbauflansch an dem Abschnitt des Triebwerksraums angebracht wird, welcher in das metallische Grundskelett integriert wird. Dieser Abschnitt kann dann vorzugsweise ebenfalls mit einer Verdrehsicherung bzw. Führung ausgestattet sein. Wird ein antriebsseitiger Abschnitt des Triebwerksraums in das metallische Triebwerk integriert, ist hierbei von Vorteil, dass standardmäßig hergestellte Anbauflansche verwendet werden können. Auch wird hierbei eine Aufnahme der an dieser Schnittstelle auftretenden Querkräfte in das Pumpengehäuse ermöglicht.
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Alternativ kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform das metallische Grundskelett auch den gesamten Triebwerksraum umfassen.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Pumpengehäuses für eine Hochdruckpumpe bereitgestellt, welche in eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Fertigen, insbesondere Gießen, eines metallischen Grundskeletts des Pumpengehäuses aus einem metallischen Material, wobei das metallische Grundskelett zumindest einen Abschnitt eines Triebwerksraums und zumindest einen Abschnitt zur Aufnahme eines Zylinderkopfes aufweist; und Ummanteln, insbesondere Umspritzen oder Umgießen, des metallischen Grundskeletts mit zumindest einem Kunststoff, um ein geschlossenes Pumpengehäuse zu bilden und dort z. B. die Niederdruckkomponenten, Schnittstellen und Niederdruckverbindungen zu integrieren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Kosten bei der Herstellung eingespart werden, da hier eine Erhöhung der Werkzeugstandzeiten in der Gehäuserohteil- und Fertigteilherstellung durch Reduzierung der Anzahl der Werkzeugwechselintervalle und somit der Umrüstzeiten erzielt wird. Auch können die Bearbeitungszeiten aufgrund einer Reduzierung der zu bearbeitenden Oberflächen wegen der höheren Kunststoffoberflächenqualitäten reduziert werden und der energetische Aufwand – somit also die Energiekosten – gesenkt werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte: Bearbeiten, insbesondere Endbearbeiten, von Funktionsflächen des Pumpengehäuses; und Reinigen des Pumpengehäuses. Die Reinigungszeit kann ebenfalls vorteilhaft reduziert werden, da weniger Bearbeitungsrückstände (Partikelkontamination) produziert und nachträglich entfernt werden müssen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Schnitt durch eine Hochdruckpumpe gemäß dem Stand der Technik; und
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2 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform;
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3 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
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4A, 4B jeweilige Seitenansichten einer Schnittstelle der Hochdruckpumpe für einen Anbauschflansch gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Schnitt durch eine Hochdruckpumpe 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Hochdruckpumpe 1 weist ein mehrteiliges metallisches Pumpengehäuse 2 auf, in welchem eine durch die Brennkraftmaschine rotierend angetriebene Antriebswelle 3 angeordnet ist. Die Antriebswelle 3 ist beispielsweise über zwei in Richtung der Drehachse 4 der Antriebswelle 3 voneinander beabstandeten Lagerstellen drehbar gelagert. Die Lagerstellen können in verschiedenen Teilen des Pumpengehäuses 2 angeordnet sein, beispielsweise kann eine erste Lagerstelle in einem metallischen Grundkörper 5 des Pumpengehäuses 2 und eine zweite Lagerstelle in einem mit dem metallischen Grundkörper 5 verbundenen Anbauflansch 6 angeordnet sein.
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In einem zwischen den Lagerstellen liegenden Bereich weist die Antriebswelle 3 einen Nocken 7 oder einen exzentrisch zu ihrer Drehachse 4 ausgebildeten Abschnitt auf, wobei der Nocken 7 auch als Mehrfachnocken ausgebildet sein kann. Die Hochdruckpumpe 1 weist wenigstens ein oder mehrere im Gehäuse 2 angeordnete Pumpenelemente 8 mit jeweils einem Pumpenkolben 9 auf, der durch den Nocken 7 der Antriebswelle 3 in einer Hubbewegung in zumindest annähernd radialer Richtung zur Drehachse 4 der Antriebswelle 3 angetrieben wird. Im Bereich eines jeden Pumpenelements 8 ist ein mit dem metallischen Grundkörper 5 verbundenes metallisches Pumpengehäuseteil 10 vorgesehen, das als Zylinderkopf ausgebildet ist. Das metallische Pumpengehäuseteil 10 weist einen an einer Außenseite des metallischen Grundkörpers 5 anliegenden Flansch 11 und einen durch eine Öffnung im metallischen Grundkörper 5 zur Antriebswelle 3 hin durchragenden, zumindest annähernd zylinderförmigen Ansatz 12 mit gegenüber dem Flansch 11 kleinerem Durchmesser auf. Der Pumpenkolben 9 ist in einer im Ansatz 12 ausgebildeten Zylinderbohrung 13 im metallischen Pumpengehäuseteil 10 dicht verschiebbar geführt und begrenzt mit seiner der Antriebswelle 3 abgewandten Stirnseite in der Zylinderbohrung 13 einen Pumpenarbeitsraum 14. Die Zylinderbohrung 13 kann sich bis in den Flansch 11 hinein erstrecken, in dem dann der Pumpenarbeitsraum 14 angeordnet ist. Der Pumpenarbeitsraum 14 weist über einen im Pumpengehäuse 2 verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal 15 eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf, beispielsweise einer Förderpumpe, auf. An der Mündung des Kraftstoffzulaufkanals 15 in den Pumpenarbeitsraum 14 ist ein in den Pumpenarbeitsraum 14 öffnendes Einlassventil 16 angeordnet. Der Pumpenarbeitsraum 14 weist außerdem über einen im Pumpengehäuse 2 verlaufenden Kraftstoffablaufkanal 17 eine Verbindung mit einem Auslass auf, der beispielsweise mit einem Hochdruckspeicher 18 verbunden ist. Mit dem Hochdruckspeicher 18 sind ein oder mehrere an Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren 19 verbunden, durch die Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. An der Mündung des Kraftstoffablaufkanals 17 in den Pumpenarbeitsraum 14 ist ein aus dem Pumpenarbeitsraum 14 öffnendes Auslassventil 20 angeordnet.
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Beim Saughub des Pumpenkolbens 9, bei dem sich dieser radial nach innen bewegt, wird der Pumpenarbeitsraum 14 durch den Kraftstoffzulaufkanal 15 bei geöffnetem Einlassventil 16 mit Kraftstoff befüllt, wobei das Auslassventil 20 geschlossen ist. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 9, bei dem sich dieser radial nach außen bewegt, wird durch den Pumpenkolben 9 Kraftstoff unter Hochdruck durch den Kraftstoffablaufkanal 17 bei geöffnetem Auslassventil 20 zum Hochdruckspeicher 18 gefördert, wobei das Einlassventil 16 geschlossen ist.
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Zwischen dem Pumpenkolben 9 und dem Nocken 7 der Antriebswelle 3 ist ein Stößelkörper 21 angeordnet, über den sich der Pumpenkolben 9 zumindest mittelbar am Nocken 7 der Antriebswelle 3 abstützt. Der Stößelkörper 21 ist hohlzylinderförmig mit rundem Außenquerschnitt ausgebildet und ist in einer Bohrung 22 des metallischen Grundkörpers 5 des Pumpengehäuses 2 in Richtung der Längsachse 23 des Pumpenkolbens 20 verschiebbar geführt. Die Längsachse des Stößelkörpers 21 ist somit zumindest im Wesentlichen identisch mit der Längsachse 23 des Pumpenkolbens 9. Im Stößelkörper 21 ist in dessen der Antriebswelle 3 zugewandtem Endbereich ein Rollenschuh 24 eingesetzt, in dem eine Laufrolle 25 drehbar gelagert ist, die auf dem Nocken 7 der Antriebswelle 3 abrollt. Die Drehachse 26 der Laufrolle 25 ist zumindest annähernd parallel zur Drehachse 4 der Antriebswelle 3. Der Rollenschuh 24 weist auf seiner der Antriebswelle 3 zugewandten Seite eine Vertiefung 27 auf, in der die Laufrolle 25 drehbar gelagert ist. Der Rollenschuh 24 und der Stößelkörper 21 können auch einstückig ausgebildet sein.
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Am Stößelkörper 21 oder am Pumpenkolben 9 greift eine vorgespannte Feder 28, welche als Rückstellfeder ausgebildet ist, an, die sich am metallischen Pumpengehäuseteil 10 abstützt. Durch die Feder 28 werden der Pumpenkolben 9 und der Stößelkörper 21 zum Nocken 7 der Antriebswelle 3 hin beaufschlagt, so dass die Anlage der Laufrolle 25 am Nocken 7 auch beim zur Antriebswelle 3 hin gerichteten Saughub des Pumpenkolbens 9 und auch bei hoher Drehzahl der Antriebswelle 3 sichergestellt ist. Der Pumpenkolben 9 kann mit dem Stößelkörper 21 gekoppelt sein, zumindest in Richtung von dessen Längsachse 23. Alternativ kann der Pumpenkolben 9 auch nicht mit dem Stößelkörper 21 verbunden sein, wobei dann durch die Rückstellfeder 28 die Anlage des Pumpenkolbens 9 am Stößelkörper 21 sichergestellt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Rückstellfeder 28 beispielsweise über einen Federteller 29 an einem im Durchmesser vergrößerten Kolbenfuß des Pumpenkolbens 9 angreift, der dadurch in Anlage an einem am Stößelkörper 21 von dessen Mantel nach innen ragenden Flansch gehalten wird, der wiederum in Anlage am Rollenschuh 24 gehalten wird, so dass der gesamte Verbund aus Pumpenkolben 9, Stößelkörper 21 und Rollenschuh 24 mit Laufrolle 25 zum Nocken 7 der Antriebswelle 3 hin beaufschlagt ist.
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2 zeigt eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe 1 gemäß einer Ausführungsform, die als Radialkolbenpumpe ausgeführt ist. Die Hochdruckpumpe 1 weist ein mehrteiliges Pumpengehäuse 2 auf, welches aus einem metallischen Grundskelett 30 und einer das metallische Grundskelett 30 umgebenden Ummantelung 31 aus Kunststoff aufgebaut ist, so dass ein zusammenhängendes geschlossenes Pumpengehäuse 2 gebildet wird. Bei der hier gezeigten Ausführungsform umfasst das metallische Grundskelett 30 leidglich einen Abschnitt eines Triebwerksraums 32, nämlich den antriebsseitigen Abschnitt 33, in welchem sich ein Triebwerk 42 mit der Antriebswelle 3 und dem darauf angeordneten Nocken 7 befindet. Alternativ kann das metallische Grundskelett 30 auch lediglich die Rückseite des Triebwerksraums 32 umfassen. Der hier nicht dargestellte Anbauflansch wird dabei jeweils an der Seite des Pumpengehäuses 2 montiert, an welcher das metallische Grundskelett 30 und nicht lediglich Kunststoff vorhanden ist, d. h. bei der antriebsseitigen Variante auf der Antriebsseite und bei der rückseitigen Variante auf der Rückseite des Pumpengehäuses 2. Wie weiterhin in der Figur erkannt werden kann, ist eine Zumesseinheit 35 zum Zumessen von Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe 1 ebenfalls an dem Pumpengehäuse 2 angeordnet.
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3 zeigt eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hier ist im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform nicht nur der antriebsseitige Abschnitt 33 in dem metallischen Grundskelett 30 umfasst, sondern der gesamte Triebwerksraum 32 sowie ein Abschnitt, in welchem der Stößelkörper 21 und ein Schaft 36 eines Zylinderkopfs 37 angeordnet ist. Weiterhin kann das metallische Grundskelett 30 auch weitere metallische Funktionsflächen enthalten, wie beispielsweise die Schnittstellen für später einzupressende Gehäuselager, die Anlagefläche für eine mechanische Vorförderpumpe (nicht dargestellt), Durchgangsbohrungen der Befestigungspunkte der Hochdruckpumpe 1 an der Brennkraftmaschine und die Schnittstelle zur Zumesseinheit 35.
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4A und 4B zeigen jeweilige Seitenansichten einer Schnittstelle der Hochdruckpumpe 1 für einen Anbauschflansch (hier nicht dargestellt) gemäß einer Ausführungsform. Während in der in 4A dargestellten Ausführungsform lediglich an der Schnittstelle des Pumpengehäuses 2 zu dem Anbauflansch zwei äußere Befestigungsstellen 38 und vier innere Ringabschnitte 39 in das metallische Grundskelett 30 integriert sind, sind in der in 4B dargestellten Ausführungsform auch ein äußerer Ring 40, der die beiden Befestigungsstellen 38 verbindet, sowie weitere Befestigungspunkte 41 in das metallische Grundskelett 30 integriert.
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Die Herstellung eines Pumpengehäuses 2, wie es in den 2 bis 4A, 4B dargestellt ist, erfolgt wie folgt. Zuerst wird das metallische Grundskelett 30 hergestellt, das die erforderlichen Schnittstellen umfasst. Das metallische Grundskelett 30 kann durch Gussverfahren hergestellt werden. Dann wird das metallische Grundskelett 30 mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt oder umgossen. Zusätzlich kann es erforderlich sein, die Funktionsflächen des metallischen Grundskeletts 30 einer Endbearbeitung zu unterziehen. Am Ende des Herstellungsprozesses wird das gesamte Pumpengehäuse 2 gereinigt.
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Insgesamt betrachtet können mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1 effektiv das Gewicht und die Herstellungs-, Energie- sowie Materialkosten reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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