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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kolben und Gleitstücke, die
in Hochdruck-Kolbenpumpen
vom Typ, in welchem das Gleitstück
zwischen dem Kolben und einem Antriebselement angeordnet ist, verwendet
werden. In herkömmlichen
Pumpen greifen der Kolben und das Gleitstück an einer kugelförmige Verbindung
ineinander ein. Pumpen dieser Art können verwendet werden, um das
Motoröl
in einer hydraulisch-elektrischen Kraftstoff Einspritzeinheit (HEUI – Hydraulic
Electric Unit Injector) im Dieselmotor-Kraftstoffsystem unter Druck
zu setzen. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung
der Verbindungen zwischen dem Kolben und dem Gleitstück.
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Eine
Gleitstück-Kolbenpumpe
ist in der US-Patentschrift
6,427,663 offenbart.
In Pumpen dieser Art ist ein Kolben in einer Kolbenbohrung eingesetzt;
er wird durch ein Antriebselement in der Bohrung hin und her bewegt.
Zwischen dem Kolben und dem Antriebselement ist ein Gleitstück angeordnet. Eine
Feder hält
den Kolben an dem Gleitstück
und das Gleitstück
an dem Antriebselement. Das Gleitstück weist eine Vertiefung auf,
die ein Ende des Kolbens aufnimmt. Das Zurückziehen des Kolbens während eines
Ansaugtakts zieht Flüssigkeit
in die Pumpkammer hinein. Der Vorwärtshub des Kolbens in einem
Pumptakt pumpt die Flüssigkeit
aus der Einheit heraus, im typischen Fall gegen ein federbeaufschlagtes
Rückschlagventil.
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In
der Regel sind in herkömmlichen
Pumpen die Kolben aus gehärtetem
Stahl und die Gleitstücke aus
weicherer Bronze hergestellt. Das kugelförmige Ende des Kolbens und
die kugelförmige
Vertiefung in der Bronze, die das Kolbenende aufnimmt, werden innerhalb
enger Toleranzgrenzen sorgfältig
hergestellt, um die richtige Anschmiegung von Kolben und Gleitstück zu gewährleisten.
Die Dicke des Ölfilms zwischen
den kugelförmigen
Flächen
wird bei der Bemessung der kugelförmigen Flächen berücksichtigt. Die Herstellung
von Kolben und Gleitstücken
mit genau zusammenpassenden kugelförmigen Flächen ist teuer und schwierig.
Eine Herstellung von Kolben und Gleitstücken mit nicht passenden Flächen führt zu erhöhtem Verschleiß.
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Dieselmotoren
mit HEUI-Kraftstoffeinspritzung sind bekannt. HEUI-Einspritzdüsen werden
mit Öl
betätigt,
welches die Dieselmotor-Ölpumpe
aus dem Sumpf des Dieselmotors ansaugt und einer Hochdruck-Pumpeneinheit,
die vom Dieselmotor angetrieben wird, zuführt. Im typischen Fall verwendet die
Hochdruckpumpeneinheit eine Taumelscheibenpumpe mit Axialkolben;
sie hat eine Fördermengenleistung,
die von der Dieselmotordrehzahl abhängt. Die Kolben weisen kugelförmige Enden
auf, die in kugelförmige
Gleitstücke
mit flachen Stirnseiten eingreifen. Die Gleitstücke und Kolben werden durch
die Drehung einer zylindrischen Trommel, die die Kolbenbohrungen
enthält
hin- und herbewegt. Die flachen Stirnseiten der Gleitstücke berühren eine
flache Taumelscheibe und gleiten auf ihr.
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In
herkömmlichen
Taumelscheibenpumpen sind die Kolben aus gehärtetem Stahl und die Gleitstücke aus
einem weicheren Material, typischerweise Bronze, hergestellt. Die
kugelförmige
Fläche
am Ende von jedem Kolben weist einen Radius der kugelförmigen Fläche auf,
der nur geringfügig
kleiner als der Radius der kugelförmigen Fläche im Gleitstück ist,
um einen Ölfilm
zwischen dem Kolben und dem Gleitstück aufrechterhalten zu können, während sich
das Gleitstück
winkelmäßig relativ
zum Kolben bei jedem Pumptakt bewegt. Reibung, Schmierung und Abnutzung
zwischen der kugelförmigen
Fläche des
Kolbens und der kugelförmigen
Fläche
des Gleitstücks
sind komplexe Phänomene,
die üblicherweise als
Kontakt zwischen den kugelförmigen
Flächen
des Kolbens und des Gleitstücks
beschrieben werden, obwohl diese Flächen durch einen Ölfilm getrennt sind.
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Die
Herstellung genau aufeinander abgestimmter, kugelförmiger Flächen in
herkömmlichen Taumelscheibenpumpen
wird typischerweise erzielt, indem die weichere kugelförmige Fläche des
Gleitstücks
deformiert wird, um sie der härteren
kugelförmigen
Fläche
des Kolbens anzupassen. Kolben und Gleitstücke, deren kugelförmige Flächen nicht
innerhalb der Dicke eines Ölfilms übereinstimmen,
haben einen hohen Lagerkontaktdruck und unterliegen starkem Verschleiß.
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Deshalb
besteht ein Bedarf nach verbesserten Verbindungen zwischen einem
Kolben und einem Gleitstück
sowie einem verbesserten Verfahren zur Herstellung der Kolben und
Gleitstücke
mit verbesserter Verbindung. Die verbesserte Verbindung des Kolbens
und des Gleitstücks,
und das verbesserte Verfahren, sind in einem HEUI-Dieselmotor besonders
nützlich,
sie sind jedoch auch in anderen Pumpentypen und Pumpenanwendungen
nützlich.
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Kurzfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine verbesserte Gleitstück-Kolben-Verbindung und ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung der Verbindung.
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Die
Hochdruckpumpe weist ein Antriebselement auf, welches die Kolben
in Bohrungen hin und her bewegt. Ein Gleitstück ist zwischen der Kurbelwelle
und den Kolben angeordnet. Eine Feder in der Kolbenbohrung hält ein kugelförmiges Ende
des Kolbens in einer Gleitstückvertiefung
und drückt
das Gleitstück
gegen das Antriebselement. Der Kolben kann aus gehärtetem Stahl
hergestellt sein, und das Gleitstück kann aus Bronze, einem Material
weicher als gehärteter
Stahl, hergestellt sein. Das Gleitstück des Kolbens ist kugelförmig und
erstreckt sich in eine besonders geformte, annähernd kugelförmige Vertiefung
im Gleitstück.
Diese annähernd
kugelförmige Vertiefung
weist einen Krümmungsradius
auf, der größer als
der Krümmungsradius
des Kolbenendes ist, und hat eine Öffnung auf der Oberseite des
Gleitstücks,
die größer als
der Kolbendurchmesser ist.
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Wenn
der Kolben zum ersten Mal in der Vertiefung im Gleitstück eingesetzt
wird, berührt
die kugelförmige
Fläche
des Kolbens die Fläche
im Gleitstück
an einer kreisförmigen
Angriffslinie. Während des
anfänglichen
Betriebs der Pumpe verformt der Druck, an der schmalen Kontaktlinie
vom Kolben auf das Gleitstück
ausgeübt
wird, die weichere Bronze, so daß die Kontaktfläche vergrößert wird
und ein breiteres, kreisförmiges
Band bildet. Das kreisförmige
Band hat eine ausreichende Breite, um den Kolben zu tragen und die
Pumpkammer ohne zusätzliche
Verformung zu verschließen.
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Die
kugelförmige
Fläche
am Ende des Kolbens und die annähernd
kugelförmige
Fläche
am Gleitstück
vermindern die Herstellungskosten für den Kolben und das Gleitstück. Beide
Flächen
können
mit Dimensionstoleranzen hergestellt werden, die größer sind
als die Toleranzen sind, die für
eine Anpassung der Radien der Kolben und Gleitstücke mit Aufmaß für einen Ölfilm sind.
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Beschreibung der Figuren
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1 ist
eine Seitenansicht einer Pumpeneinheit.
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2 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in 1.
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3 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 in 2.
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4 ist
ein Querschnitt durch den Kolben, das Gleitstück und den Exzenter einer der
Pumpen von 1 bis 3, welcher
die verbesserte Kolben-Gleitstück-Verbindung
zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsgform
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Die
Pumpeneinheit 10 ist auf einem Dieselmotor montiert, im
typischen Fall auf einem Dieselmotor, der als Antrieb eines Straßenfahrzeugs
verwendet wird. Sie liefert Motoröl unter hohem Druck an mehrere,
elektromagnetisch betätigte
Kraftstoff Einspritzdüsen.
Die Pumpeneinheit weist einen Metallkörper 12 auf, der eine
innere Kurbelhammer 14 definiert. Die Kurbelwelle 16 ist
im Gehäuse
gelagert und weist zwei axial beabstandete zylindrische Antriebsexzenter 18 und 20 in
der Kammer 14 auf. Die Kurbelwelle erstreckt sich aus dem
Körper 10 heraus und
trägt ein
vom Motor angetriebenes Getriebe 22.
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Die
Pumpeneinheit umfaßt
vier Hochdruck-Gleitstückkolbenpumpen 24 mit
Rückschlagventil,
die in zwei um neunzig Grad versetzten Bänken 26 und 28 angeordnet
sind. Jede Bank umfaßt zwei
Pumpen 24. Wie in 2 dargestellt
ist, erstreckt sich die Bank 28 links von der Kurbelwelle, und
die Bank 26 erstreckt sich oberhalb der Kurbelwelle, so
daß die
Pumpeneinheit eine V4-Konfiguration hat. Eine Pumpe 24 in
jeder Bank ist beim Exzenter 18 angeordnet und wird von
diesem angetrieben, und die andere Pumpe in jeder Bank ist beim
Exzenter 20 angeordnet und wird von diesem angetrieben. Die
vier Rückschlagventil-Pumpen
sind identisch.
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Der
Motor, auf welchem die Pumpeneinheit 10 montiert ist, weist
eine Niederdruck-Ölpumpe auf, die
Motoröl
in die Kurbelkammer 14 fördert. Wie hier beschrieben
wird, wird das Niederdruck-Öl
in die Kurbelkammer durch eine (nicht dargestellte) Eingangsöffnung und
durch die Exzenter in die Pumpen 24 gefördert, von den Pumpen 24 auf
hohen Druck gebracht, und aus der Pumpeneinheit durch eine (nicht dargestellte)
Ausgangsöffnung
hinaus und zu den Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen gefördert. Das
unter hohem Druck befindliche Öl
betätigt
die Einspritzdüsen
in Reaktion auf Signale vom elektronischen Steuermodul des Motors.
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Die
Pumpeneinheit
10 kann ein Eingangsdrosselventil, welches
in der das Niederdruck-Öl
zur Kurbelkammer
14 leitenden Eingangsleitung angeordnet
ist, und eine Steuerschaltung für
das Eingangsdrosselventil aufweisen, einschließlich eines in
2 dargestellten
Einspritzdruckregelventils
30. Das Eingangsdrosselventil
und die Steuerschaltung für
das Eingangsdrosselventil bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
Eine ähnliche
Pumpeneinheit mit einem Eingangsdrosselventil und einem Einspritzdruckregelventil
ist in der US-Patentschrift Nr.
6,427,663 offenbart.
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Jede
Rückschlagventil-Kolbenpumpe 24 hat eine
Kolbenbohrung 32, die in einer der Bänke ausgebildet ist und sich
im rechten Winkel zur Achse der Kurbelwelle erstreckt. Ein hohler
zylindrischer Kolben 34 ist jeweils im Gleitsitz in einer
Bohrung 32 an deren inneren Ende. Der Kolben weist ein
kugelförmiges
inneres Ende 36 nahe der Kurbelwelle auf. Das Ende 36 ist
in eine im wesentlichen kugelförmige
Vertiefung in einem Gleitstück 38 eingesetzt,
das zwischen dem Kolben und dem die Pumpe betätigenden Exzenter angeordnet
ist. Die Verbindung 303 zwischen dem Kolben und dem Gleitstück ist in 4 dargestellt.
Die innere konkave Fläche
des Gleitstücks
ist zylindrisch und entspricht der Oberfläche des benachbarten zylindrischen
Exzenters. Der zentrale Durchgang bzw. die Öffnung 40 im kugelförmigen Ende
des Kolbens und der Durchgang 42 im Gleitstück bringen
die Oberfläche
des Exzenters in Kommunikation mit der volumenvariablen Pumpkammer
im Kolben 34 und der Bohrung 32. Der volumenvariable
Teil der Pumpkammer befindet sich in der Bohrung 32.
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Eine
Rückschlagventileinheit 46 ist
im äußeren Ende
von jeder Kolbenbohrung 32 angeordnet. Jede Einheit 46 weist
eine Büchse 48 auf,
die im Ende der Bohrung 32 dicht eingepaßt ist.
Ein zylindrischer Sitz 50 ist im unteren Ende der Muffe
eingepaßt.
Ein Stopfen bzw. Verschluß 52 ist
in der Büchse eingepaßt, um das äußere Ende
der Bohrung 32 zu verschließen. Eine Ventilscheibe bzw.
ein Ventilelement 54 wird normalerweise von der im Stopfen 52 angeordneten
Ventilscheibenfeder 56 gegen das äußere Ende des Sitzes gedrückt. Eine
Kolbenfeder 58 ist in jedem Kolben 34 angeordnet
und erstreckt sich zwischen dem kugelförmigen inneren Ende des Kolbens 34 und
dem Sitz 50.
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Jeder
Exzenter 18, 20 ist mit einem unterschnittenen
Schlitz 60 versehen, der sich zwischen den benachbarten
Seiten des Exzenters befindet und sich über etwa 130° des Exzenterumfangs
erstreckt. Der Durchgang 62 erstreckt sich vom Grund des Schlitzes 60 zu
zwei Querdurchgängen 64,
die sich parallel zur Achse der Kurbelwelle und durch den Exzenter
erstrecken. Die zylindrischen Exzenter 18 und 20 sind
um 180° phasenversetzt
auf der Kurbelwelle orientiert, so daß die Durchgänge 64 für den Exzenter 18 diametral über die
Kurbelwellenachse vom Durchgang 64 für den Exzenter 20 angeordnet
sind. Siehe 2.
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Eine
Drehung der Kurbelwelle 16 in der Richtung des Pfeils 68 bewegt
die Schlitze 60 in den Oberflächen der Exzenter in und aus
den Eingriffstellungen mit den Gleitstück-Durchgängen bzw. Öffnungen 42, um einen
ungehinderten Durchfluß des
Motoröls
von der Kurbelkammer 14 in die Pumpkammern 44 zu
ermöglichen.
Die Drehung der Kurbelwelle bewegt auch die Kolben 34 in
den Bohrungen 32 auf und ab, um Öl an den Rückschlagventilen vorbei in
die Auslaßdurchgänge zur
Ausgangsöffnung
zu pumpen. Ein Auslaßdurchgang 66 ist
in der 3 dargestellt. Während der Drehung der Kurbelwelle drücken die
Kolbenfedern 58 die Kolben gegen die Gleitstücke, und
die Gleitstücke
gegen die Exzenter, während
die Gleitstücke
auf den kugelförmigen
Enden der Kolben oszillieren.
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Währen der
Rücklauf-
bzw. Saugbewegung des Kolbens zur Kurbelwelle ist der Einlaßdurchgang von
der Kurbelkammer 14 zur Pumpkammer 44 frei. Es
befinden sich keine Rückschlagventile
im Einlaßdurchgang.
Der unversperrte Einlaßdurchgang
läßt das verfügbare Motoröl während Rücklauftakte
ungehindert in die Pumpkammern strömen. Der Einlaßdurchgang
wird nach ausreichendem Rücklauf
des Kolbens 34 geöffnet,
um am Anfang des Rücklauftakts
dem eingeschlossenem Öl
die Möglichkeit
zum Austritt zu geben, und er wird am Ende des Rücklauftakts wieder geschlossen.
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3 zeigt
die Rückschlagventilpumpe 24 in der
Bank 26 am oberen Totpunkt. Hochdruck-Öl in der Kammer 44 ist
am Scheibenventil 54 vorbei gedrückt worden, und das Ventil
hat sich geschlossen. Die verschlossene Pumpkammer 44 bleibt
mit Hochdruck-Öl
gefüllt.
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Das
Scheibenventil für
die Pumpe wird während
des Rücklauftakts
durch die eine Feder 56 und Hochdruck-Öl in den Auslaßdurchgängen geschlossen
gehalten. Wenn sich ein Kolben in der Pumpe 24 am unteren
Ende seines Rücklauftakts
befindet, hat aus der Kurbelkammer verfügbares Öl die Pumpkammer teilweise
oder vollständig
gefüllt.
Der Einlaßdurchgang,
der mit der Kurbelkammer und der Pumpkammer kommuniziert, wird am
unteren Totpunkt geschlossen. Eine Weiterdrehung der Kurbelwelle
bewegt den Kolben durch einen Pumptakt und drückt Hochdruck-Öl aus der
Pumpkammer am Rückschlagventil
vorbei in einen Auslaßdurchgang
zur Ausgangsöffnung.
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4 zeigt
die im wesentlichen kugelförmige
Verbindung 303 zwischen dem Kolben und dem Gleitstück jeder
Pumpe 24; sie ist eine vergrößerte Querschnittsansicht durch
das innere Ende eines hohlen zylindrischen Kolbens 300, ähnlich Kolbens 34,
eines Gleitstücks 302, ähnlich Gleitstücks 38,
und eines Kurbelwellenexzenters 304, ähnlich beiden Exzentern 18, 20.
Die Feder 58, die das untere Ende des Kolbens 300 zum
Gleitstück 302 und
das Gleitstück
zum Exzenter 304 beaufschlagt, ist nicht dargestellt.
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Der
Kolben 300 ist vorzugsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt und
weist eine hohle zylindrische Wand 308 auf, die einen Gleitsitz
in der Kolbenbohrung der Pumpe 24 hat. Das Gleitstück ist vorzugsweise
aus weicherer Bronze hergestellt. Das kugelförmige Ende des Kolbens ist
in einer Vertiefung mit annähernd
kugelförmiger
Fläche 328 im
Gleitstück 302 eingesetzt,
um eine im wesentlichen kugelförmige
Verbindung 303 zwischen dem Kolben und dem Gleitstück zu definieren.
Eine teilzylindrische Fläche 312 auf
der dem Kolben abgewandten Seite des Gleitstücks greift, wie oben beschrieben,
in die zylindrischen Fläche 314 des
Exzenters 304 ein. Die zentralen Einlaßdurchgänge 316 und 318 erstrecken sich
durch das Kolbenende 310 und das Gleitstück 302.
Die Drehung des Exzenters am Gleitstück vorbei bringt den Einlaßdurchgang
bzw. Schlitz im Exzenter während
der Pumpbewegung des Kolbens 300 in und aus dem Eingriff
mit dem Durchgang 318. Wie oben beschrieben wurde, ist
der Einlaßdurchgang
zur Pumpkammer während
der Rücklauftakte unversperrt.
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Das
Kolbenende 310 weist eine konvex-kugelförmige Oberfläche 320 auf,
mit einem Mittelpunkt 322 auf eine Mittelachse 324 und
einem Radius, der etwa 0,45 Zoll betragen kann. Das Kolbenende 310 ist
in der konkaven, annähernd
kugelförmigen
Fläche 328 angeordnet,
die auf der vom Exzenter abgewandten Seite des Gleitstücks ausgebildet
ist. Diese Fläche
ist um die Mittelachse symmetrisch, wenn sich der Kolben am oberen
oder unteren Ende seines Pumptakts befindet und das Gleitstück sowie
der Kolben so orientiert sind, wie es in 4 dargestellt
ist.
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Die
Fläche 328 wird
erzeugt durch Rotation eines Kreisbogens, der in einer durch die
Achse 324 gehenden Ebene angeordnet ist, um eine Kreisbogenachse 330,
die parallel zur Achse 324 verläuft und in der Ebene eine kleine
Strecke zu der dem Kreisbogen abgewandten Seite der Achse 324 versetzt
angeordnet ist. Die zum Erzeugen der annähernd kugelförmigen Fläche 328 verwendeten
Achsen 330 liegen auf einem Zylinder 332 mit kleinem Durchmesser,
der die Achse 324 umgibt. Die Fläche 328 wird als rotierte
Positivoffsetfläche
bezeichnet. Der Radius der annähernd
kugelförmigen
Fläche 328,
also der Abstand des Punkts 334 auf dem Zylinder 332 und
der kreisbögen-erzeugenden
Fläche 328,
ist geringfügig
größer als
der Radius 326 der kugelförmigen Fläche 320 des Kolbens.
Der Krümmungsradius
der Fläche 328 ist
größer als
der Krümmungsradius
der Fläche 320.
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Wenn
der Kolben zum ersten Mal im Gleitstück eingesetzt wird, berührt die
kugelförmige
Fläche 320 die
annähernd
kugelförmige
Fläche 328 auf einer
Kontaktlinie 324, die sich um den Kolben und um das Gleitstück als ein
Kreis erstreckt. Der Rest der Fläche 320 ist
von der Fläche 328 beabstandet.
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Beim
Pumpen schwenkt das Gleitstück
relativ zum Kolben hin und her, wobei sich der Kontaktkreis an der
kugelförmigen
Fläche
bewegt. Der Pumpvorgang erzeugt eine erhebliche Kraft zwischen dem
Kolben und dem Gleitstück,
woraus eine Verformung des weicheren Bronze-Gleitstücks am Kontaktkreis
resultiert. Diese Verformung verkleinert den Krümmungsradius des Bereichs des
Gleitstücks, der
die Fläche 320 berührt, um
so den Radius 326 der Fläche 320 anzupassen
und ein partiell kugelförmiges
Kreisband 336 in der Fläche 328 zu
bilden, welches der kugelförmigen
Fläche 320 des
Kolbens entspricht.
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Bei
der Verformung erweitert sich die Breite des anfänglichen Kontaktkreises, so
daß sich
das Band ausbildet. Wie in 4 dargestellt
ist, kann sich das Band 336 über etwa 8 Grad auf jeder Seite
des anfänglichen
Kontaktkreises 324 zwischen dem Kolben und dem Gleitstück erstrecken
und eine Gesamtwinkelbreite von etwa 16 Grad haben. Für eine Pumpe
mit einem Kolbenende mit einem Kugelradius von etwa 0,45 Zoll aufweist,
kann sich das Band 336 über etwa
1/8 Zoll, oder weniger, von oben bis unten längs der Fläche 328 erstrecken.
Das Band 336 hat eine ausreichend große Fläche, um den Kolben 310 während des
Pumpvorgangs ohne nennenswerte zusätzliche Verformung zu tragen.
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In
der Pumpe 24 sind die Kreisbogenachsen 330 für die Fläche 328 um
einen kleinen Abstand von 0,002 bis 0,003 Zoll gegenüber der
Mittelachse 324 versetzt, und die rotierte Offsetfläche 328 ist
nahezu sphärisch.
Der Radius der Fläche 328 ist
nur geringfügig
größer als
der Radius 326 der Fläche 320.
Für einen
Kolben mit einer Fläche 320,
die einen Radius von etwa 0,45 Zoll hat, kann die Fläche 328 einen
rotierten Offsetradius von etwa 0,453 Zoll haben, wie oben beschrieben
wurde. In 4 wurden die Versetzung (der
Offset) der Achsen 330 von der Achse 324 und die
Divergenz der Fläche 328 von
der Fläche 320 zum
Zweck der Klarheit übertrieben
dargestellt.
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Die
Herstellung der Kolben 300 und der Gleitstücke 302 mit
den beschriebenen Flächen 320 und 328 ist
durch die annähernd
kugelförmige
Fläche 328 erleichtert,
da es nicht mehr erforderlich ist, fast identische kugelförmige Flächen für den ordnungsgemäßen Sitz
von Kolben und Gleitstück
herzustellen. Die Toleranzgrenzen für die Flächen 320 und 328 können etwas
gelockert werden.
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Wenn
beide Flächen 320 und 328 kugelförmig sind,
verteilt sich der Lagerdruck nur dann über die Gesamtfläche, wenn
die Kugeln genau aufeinander angepaßt sind. Wenn die Kolbenkugel
jedoch geringfügig
größer ist,
wird der Lagerdruck dort am größten, wo
der Zylinderdurchmesser des Kolbens den Gleitstückdurchmesser berührt. Wenn
die Kolbenkugel um mehr als die Ölfimdicke
kleiner ist, wird der Lagerdruck am Kolbenende am größten. Die
erforderlichen Toleranzgrenzen für
die kugelförmigen Kolben-
und Gleitstückflächen sind
folglich enger als für
den Fall einer kugelförmigen
und einer annähernd kugelförmigen Fläche.
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In
der Pumpe 24 dürfen
der Radius der kugelförmigen
Fläche 320,
und auch der Radius der annähernd
kugelförmigen
Vertiefungsfläche,
geringfügig
variieren. Das Ergebnis solcher Variationen ist eine Verschiebung
des anfänglichen
Kontaktpunktes 324 um geringfügige Strecken nach oben oder
nach unten längs
der Fläche 328.
Nach dem anfänglichen Kontakt
auf der Kreislinie, erzeugt wie oben beschrieben die Last des Kolbens
auf das Gleitstück
ein Verformungsband 336, das den Kolben im Gleitstück trägt. Das
Band sollte sich nicht bis zum Ende der Fläche 320 am oberen
Ende der Verbindung oder zum Ende der Fläche 328 am Durchgang 318 erstrecken.
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Das
Kolbenende ist kugelförmig
und liegt in einer annähernd
kugelförmigen,
konkaven Fläche
im Gleitstück.
Diese Gleitstückfläche weist
einen Krümmungsradius
auf, der größer als
der Krümmungsradius
des kugelförmigen
Kolbenendes ist, so daß der anfängliche
Kontakt zwischen dem Kolben und dem Gleitstück auf einer sich um die zwei
Flächen
erstreckenden Kreislinie stattfindet. Während des anfänglichen
Betriebs der Pumpe führen
Belastung und relative Bewegung zwischen dem Kolben und dem Gleitstück zu einer
Verformung des weicheren Gleitstückmaterials,
um ein teilkugelförmiges
Band im Gleitstück
zu bilden, welches eine ausreichend große Fläche erreicht, um dem Ölfilm das
Tragen der Kolbenlast zu ermöglichen.
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Die
Erfindung umfaßt
sich auch eine Pumpe mit einer Kolben-Gleitstück-Verbindung, wobei das Gleitstück aus einem
Material, wie Stahl, hergestellt ist, welches härter als das das Ende des Kolbens
bildende Material ist, welches zum Beispiel Bronze sein kann. In
dieser Pumpe ist die konkave Fläche
im Gleitstück
kugelförmig.
Die konvexe Fläche
am Ende des Kolbens ist annähernd
kugelförmig
mit einem Krümmungsradius,
der kleiner als der Krümmungsradius
der Gleitstückvertiefung
ist. Die Fläche
am Kolbenende wird erzeugt durch Rotation eines Kreisbogens, der
in einer die Mittelachse schneidenden Ebene liegt, um eine Kreisbogenachse,
die parallel zur Mittelachse verläuft und eine kleine Strecke
zur Seite der Mittelachse zum Kreisbogen hin versetzt ist. Die zum
Erzeugen der annähernd
kugelförmigen
Fläche verwendeten
Achsen liegen auf einem Zylinder mit kleinem Durchmesser, der die
Mittelachse umgibt. Diese annähernd
kugelförmige
Fläche
wird als rotierte Negativoffsetfläche bezeichnet.
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Die
anfängliche
Berührung
zwischen dem Kolben und dem Gleitstück dieser Pumpe liegt auf einem
Kreis, der sich um die Mittelachse erstreckt. Während des anfänglichen
Betriebs der Pumpe wird das relativ weichere Material am Kolbenende
verformt, so daß ein
teilkugelförmiges
Band gebildet wird, welches sich um das Kolbenende erstreckt und eine
zusammenhängende
Fläche
zum Stützen
eines die Kolbenlast tragenden Ölfilms
darstellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf Kolbenpumpen beschränkt, in welchen das Gleitstück mit einem
zylindrischen Exzenter in Eingriff steht, der sich relativ zum Gleitstück dreht,
um den Kolben durch die Pump- und Rücklauftakte zu bewegen. Die
Erfindung umfaßt
auch auf Pumpen vom Kolben- und Gleitstücktyp, in welchen die Gleitstücke mit
einem Antriebselement in Eingriff stehen, welches kein Exzenter
ist. Zum Beispiel umfaßt
die Erfindung auch Taumelscheibenpumpen, in welchen die Scheibe
die Gleitstücke
bewegt und die Gleitstücke
die Kolben durch die Pumptakte bewegen.
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Zusammenfassung
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Eine
verbesserte Verbindung (303) zwischen einem Kolben (34)
und einem Gleitstück
(38) in einer Hochdruckpumpe sowie ein Verfahren zum Herstellen
der Verbindung (303) sind offenbart. Die Verbindung (303)
umfaßt
eine kugelförmige
Fläche,
eine annähernd
kugelförmige
Fläche
und ein Band in der annähernd
kugelförmigen
Fläche,
das sich an die kugelförmige
Fläche
anschmiegt.