EP1563185A1 - Oberfläche von polygon oder kolbenfuss einer pumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Oberflächen von Polygon (2) und/oder Kolbenfussscheibe (3) einer Hochdruck-Einspritzpumpe für einen Dieselmotor, wobei mindestens eine der Oberflächen zumindest im Kontaktbereich zwischen Polygon (2) und Kolbenfussscheibe (3) Ausnehmungen aufweist, wobei die dem Polygon (2) gegenüberliegende Seite der Kolbenfussscheibe (3) zumindest im lastfreien Zustand konkav ausgebildet ist und die Ausnehmungen eine Tiefe im Bereich von 5 bis 50 pm und eine Breite von 30 bis 100 pm und eine Länge von mindestens 100 pm, oder einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 100 pm aufweisen, wobei die Ränder der Ausnehmungen abgerundet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Oberflächen, wobei die Ausnehmungen zunächst mittels chemischen Ätzens, durch Strahlen mit Strahlmitteln oder mittels Laserabtrageverfahrens in die Oberfläche eingebracht werden und hierauf mittels Gleitschleifens die Oberfläche geglättet und die Ränder der Ausnehmungen abgerundet werden.

Description

OBERFLÄCHE VON POLYGON ODER KOLBENFUSS EINER PUMPE

Die Erfindung betrifft Oberflächen von Polygon (2) und/oder Kolbenfußscheibe (3) einer Einspritzpumpe, insbesondere Hochdruckeinspritzpumpe, für einen Dieselmotor, wobei mindestens eine der Oberflächen zumindest im Kontaktbereich zwischen Polygon (2) und Kolbenfußscheibe (3) Ausnehmungen aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es ist bekannt, in Motoren oder Pumpen, in denen verschiedene Körper gegeneinander gleitend angeordnet sind, die Gleitflächen möglichst reibungsfrei oder mit minimaler Reibung auszustatten. Um dies zu erreichen werden die Oberflächen der Körper sehr glatt also ohne Ausnehmungen oder Erhöhungen ausgebildet bzw. in einem Herstellprozess dahingehend bearbeitet, dass keine Ausnehmungen oder Erhebungen vorhanden sind, die eine unerwünschte Reibung erzeugen, beispielsweise bei Einspritzpumpen für Dieselfahrzeuge, die ein rotierendes Polygon aufweisen, welches mit Kolbenfußscheiben gleitend in Kontakt tritt und mit diesen zusammenwirkt. Diese Gleitflächen werden zur Verringerung der Reibung sehr glatt ausgebildet, so dass keine Ausnehmungen oder Erhebungen vorhanden sind, die sich störend auf die Reibung auswirken können. Der vorhandene Dieselkraftstoff wirkt bei diesen Kontaktflächen als Gleitstoff.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mindestens eine Oberfläche, von Polygon (2) und/oder Kolbenfußscheibe (3) einer Hochdruck- Einspritzpumpe mit Vorrichtungen zur Verringerung der Reibung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche anzugeben, die bei der Anwendung in Verbindung mit einem Gleitmittel besonders niedrige Reibwerte aufweisen. Diese Aufgabe wird gelöst durch Oberflächen mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .

Im folgenden werden Polygon (2) und Kolbenfußscheibe (3) zusammenfassend auch als Körper bezeichnet, da sich die Be- Schreibung der Oberflächen häufig sowohl auf das Polygon (2) als auch auf die Kolbenfußscheibe beziehen kann.

Die erfindungsgemäße Oberfläche eines Körpers, auf dem ein anderer Körper in bevorzugten Gleitrichtung gegeneinander gleitend anordenbar ist, zeigt Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels, das beispielsweise bei einer Kraftstoffpumpe oder Einspritzpumpe vorzugsweise durch den Kraftstoff gebildet ist. Die Ausnehmungen sind dabei so ausgebildet, dass ihre ausgeprägte Hauptorientierung nicht in Gleitrichtung, sondern insbesondere ganz oder im wesentlichen quer zur

Gleitrichtung verläuft bzw. ohne ausgeprägte Hauptrichtung beliebig angeordnet sind. Je stärker die Hauptorientierung unterschiedlich zur Gleitrichtung verläuft, desto besser erweist sich die Reduktion der Reibung. Die Ausnehmungen auf der Oberfläche müssen nicht alle die gewünschte Orientierung aufweisen, es genügt, wenn ein beachtlicher Teil der Ausnehmung die gewünschte Orientierung aufweist. Je ausgeprägter die Hauptorientierung und die ausgeprägte Querorientierung zur Gleitrichtung ist, desto besser ist die Reduktion der Reibung. Ist die Hauptorientierung der Ausnehmungen nicht o- der nur schwach ausgeprägt, so führt es zu einer geringen a- ber beachtlichen Verbesserung der Reibwerte. Die Erfindung geht also ab von dem Weg, die Oberflächen immer glatter auszubilden und macht diese zielgerichtet rauher.

Um eine besonders wirkungsvolle Reduktion der Reibung zu erreichen, wird die Tiefe der Ausnehmungen nicht gering, son- dern von beachtlicher Größe gewählt und damit über 5 μm, insbesondere unter 50 μm gewählt. Durch diese beachtliche Tiefe ist sichergestellt, dass ein ausreichendes Reservoir an Gleitmitteln vorhanden ist, welches die Reibung zwischen Körpern, von denen zumindest einer eine derartige erfindungsgemäße Oberfläche aufweist, deutlich absenkt. Wird die Tiefe zu gering gewählt, insbesondere im Bereich von 1 oder unter 1 μm oder von wenigen μm, so ist eine Absenkung der Reibung gegeben, jedoch nicht in diesem erfindungsgemäßen Maß.

Eine deutliche Steigerung der Abnahme der Reibung ist bei einer weiteren Erhöhung der Tiefe nicht mehr gegeben. Insbesondere gilt dies, wenn die Tiefe deutlich über 50 μm und in derselben Größenordnung der größten lateralen Ausdehnung der Ausnehmungen, also insbesondere in der Länge der Ausnehmungen, liegt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Ausnehmungen mit einer Tiefe von etwa 20 bis 30 μm auszubilden und hierbei insbesondere die laterale Ausdehnung der Ausnehmung im Bereich von 100 μm vorzusehen. Dabei hat sich insbesondere bewährt, die Ausnehmung im wesentlichen kreisförmig und mit einem Durchmesser von 30 bis 100 μm auszubilden bzw. mit einer Breite von 30 bis 100 μm und einer Länge von wenigstens 100 μm auszubilden. Gerade durch diese beiden Ausbildungen hat sich eine sehr wirkungsvolle Ausbildung der Ausnehmungen im Hinblick auf die Reduzierung der Reibung von Körpern mit derartigen Oberflächen mit den beschriebenen Ausnehmungen ergeben. Gerade durch diese Abmessungen der Ausnehmungen wurde ein sehr guter Kompromiss zwischen Kosten für die Herstellung der Ausnehmungen und damit für die Herstel- lung der Oberfläche mit den Ausnehmungen und der Reduzierung der Reibung erzielt. Durch diese Form der Ausnehmungen ist es erfindungsgemäß ermöglicht, einerseits genügend Gleitmittel zur Verfügung zu stellen und andererseits nur geringe Mengen an möglicher Gleitfläche für eine vorteilhafte großflächige Verteilung der Kräfte zwischen den Körpern zur Reduktion der Reibung und der daraus resultierenden möglichen Beschädigung der Körper zur Verfügung stellen zu müssen. Durch diese Ausbildung der Ausnehmungen wird es möglich, dass Reservoirs für Gleitstoffe auf der Oberfläche geschaffen werden, aus denen die Gleitstoffe in den Spalt zwischen den Kör- pern gefördert werden, so dass stets eine ausreichende Gleit- stoffversorgung der Reibflächen bzw. Kontaktfläche zwischen den Körpern gegeben ist.

Es hat sich besonders bewährt, die Ausnehmungen napf-, wan- nen-, riefen- oder grabenförmig auszubilden und diese vorzugsweise quer zur bevorzugten Gleitrichtung oder zur erwarteten Gleitrichtung auszurichten. Zur Schaffung der napf-, wannen-, riefen- und grabenförmigen Ausnehmungen haben sich besonders Verfahren des Flächenschleifens - insbesondere quer zur erwarteten Gleitrichtung -, Strahlen - insbesondere mit Sand oder Korund -, chemisches Ätzen - insbesondere unter Verwendung von Masken - und/oder Laserabtrageverfahren bewährt. Dabei hat sich das Flächenschleifen als sehr einfaches, kostengünstiges und sehr wirksames Verfahren herausge- stellt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Erhebungen, die zwischen den Ausnehmungen angeordnet und durch diese gebildet sind, so ausgebildet, dass sie zu einem beachtlichen Anteil eben oder ohne wesentlich darüber hinausragende Erhöhungen ausgebildet sind. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass in einem Herstellungsschritt, der auf die Ausbildung der Ausnehmungen folgt die Oberfläche durch Gleitschleifen ganz oder teilweise angeglichen und damit in merklichen Teilen eben ausgebildet wird. Durch diese ebene Flächenteile der Erhebungen ist es möglich, die Kontaktfläche, auf der die Körper gegeneinander gleitend gelagert sind, zu vergrößern und dadurch die Flächenbelastung und damit die Reibungseffekte und damit die Gefahr von Korrosion und Zer- Störung zu reduzieren. Hierdurch wird die Haltbarkeit der 0- berfläche, des Körpers mit der Oberfläche bzw. das gegenein- ander gleitende gleitend gelagerte Körperpaar merklich erhöht .

Es hat sich besonders bewährt, die Übergangsbereiche, in de- nen die Ausnehmungen an die Erhebungen anstoßen, nicht abrupt, insbesondere in einer Kante hart aneinander stoßen zu lassen, sondern die Übergangsbereiche abgerundet auszubilden. Hierdurch gelingt es, den Transport des Gleitmittels aus den Ausnehmungen zu in die Kontaktbereiche zwischen den beiden Körpern zu verbessern und dadurch ein Aufschwimmen, insbesondere in Verbindung mit einer Schaffung eines größeren Ab- stands zwischen den Körpern und damit ein Verstärken des Gleitfilms zu erreichen. Dies führt zu einer verbesserten Gleitwirkung insbesondere zu einer reduzierten Reibung zwi- sehen den gegeneinander gleitenden Körpern.

Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Ausnehmungen in Richtung der bevorzugten Gleitrichtung keilförmig verjüngend auszubilden, was insbesondere in Verbindung mit den abgerundeten Übergangsbereichen die vorgenannte Wirkung noch verstärkt oder sie ermöglicht. Diese Ausbildung des Übergangsbereichs bzw. der verjüngenden Ausbildung der Ausnehmungen ermöglicht ein besonders vorteilhaftes mikrohydrodynamisches Verhalten des Gleitmittels im Hinblick auf die gegen- einander gleitenden Körper.

Daneben hat es sich besonders bewährt, die Oberfläche wenigstens teilweise zu beschichten. Dabei sind die Beschichtungen vorzugsweise so gewählt, dass sie einerseits eine reibvermin- dernde bzw. eine korrosionsvermindernde Wirkung besitzen. Besonders bewährt haben sich Beschichtungen mit Wolfram-Carbid oder Wolfram-Carbid-Kohlenstoffbeschichtungen oder reine Kohlenstoffbeschichtungen. Hierbei hat sich besonders eine Beschichtung der Fa. Balzers mit der Bezeichnung Balinit be- währt. Zusätzlich oder ergänzend hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Oberfläche durch Carbonitrierung oder Nitrierung zu härten, was die Beständigkeit der Oberfläche gegen mechanische Belastung insbesondere durch Reibung verbessert.

Der Körper, dessen Oberfläche mit den erfindungsgemäßen Aus- nehmungen versehen ist, wird bevorzugt aus hochlegierten Stählen, die von sich aus sehr korrosionsbeständig, formbeständig und von befriedigendem Reibwert sind geschaffen. Diese hochlegierten Stähle lassen sich durch die bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Oberflächenstruktur insbesonde- re durch Flächenschleifen, Strahlen insbesondere mit Korund oder Sand, chemischen Ätzen, Laserabtrageverfahren, Carbo- nitrieren und/oder Nitrieren gut bearbeiten, so dass die vorteilhaften Wirkungen im besonderen Maße zum Tragen kommen. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von 25MoCr4E- Stahl herausgestellt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Körper in dem Bereich, in dem er mit dem zweiten Körper in Kontakt steht oder stehen soll, zumindest teilweise konkav ausgebil- det. Durch diese konkave Ausbildung entsteht eine Mulde, in der beachtliche Mengen des Gleitmittels eingeschlossen werden können und als makroskopisches Reservoir für das Gleitmittel wirken können. Es hat sich besonders bewährt, dass der konkav ausgebildete Bereich der Oberfläche mit einem Bereich zur De- ckung kommt, in dem die wesentliche Druckbelastung des einen Körpers auf den anderen Körper erwartet wird. Hierdurch gelingt es, einen gleichmäßigen makroskopischen Gleitfilm zwischen den Körpern zu erzeugen, der die Reibung zwischen den beiden Körpern merklich absenkt. Tritt zu der konkaven Aus- bildung zusätzlich die Verwendung von erfindungsgemäßen Ausnehmungen im Bereich der Oberfläche hinzu, so verbessert sich diese Wirkung der Absenkung der Reibung im besonderen Maße.

Vorzugsweise wird der Randbereich des Bereiches, der mit dem zweiten Körper in Kontakt steht, konvex ausgebildet. Durch diese konvexe Ausbildung entsteht ein keilförmig verjüngender

Spalt zwischen den beiden Körpern, der die Ausbildung eines Gleitfilmes durch das Gleitmittel und damit eine Verbesserung der Reibwerte bewirkt. Es hat sich besonders bewährt, den konvex ausgebildeten Randbereich in seiner Krümmung so auszubilden, dass er einer exponentiellen, logarithmischen oder ganzrationalen Funktion höherer Ordnung genügt. Durch diese Ausbildung gelingt es, einen fertigungstechnisch einfach herzustellenden Körper bzw. eine Oberfläche zu schaffen, die sich durch geringe Reibwerte auszeichnet. Besonders bewährt hat es sich, diese Ausbildung der Randbereiche in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Ausnehmungen in Kontaktbereich der beiden Körper vorzusehen. Hierdurch ist ein besonders wirksames Reduzieren der Reibung durch die besonders vorteilhafte Wirkung der Gleitmittel gegeben.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Körper, der mit einem zweiten Körper ein Körperpaar bildet, wobei die beiden Körper miteinander gleitend flächig oder linienförmig in Kontakt stehen oder dafür vorgesehen sind. Dabei ist die Oberfläche, die zum Kontakt vorgesehen ist, mit erfindungsgemäßen Ausnehmungen versehen und/oder mit einer konkaven Ausbildung im Zentralbereich versehen bzw. im Randbereich mit einer konvexen Ausbildung des Randes ausgebildet. Durch diese verschiedenen alternativen Ausbildungen des Kontaktbereiches für sich oder in Kombination miteinander ist ein sehr vorteilhaf- ter Körper bzw. ein Körperpaar geschaffen, das sich durch besonders niedrige Reibwerte und geringe Korrosion und damit Altersbeständigkeit beim Betrieb mit Gleitmitteln auszeichnet .

Als besonders vorteilhafte Ausführungsform des Körpers bzw. der Körperpaare haben sich ohne Beschränkung auf diese Beispiele folgende Anordnungen besonders bewährt. Beispielsweise Ventil mit Ventilsitz, Kolben mit Zylinderlauffläche, Kolbenring mit Zylinderlauffläche, Polygon mit Kolbenscheibe oder Nocken mit Ventilschaft. Darüber hinaus sind viele weitere Körperpaare denkbar, die geprägt sind durch ein gegenseitiges oberflächliches Gleiten bei Vorhandensein eines Gleitmittels beispielsweise in Motoren oder Pumpen oder Getrieben oder Zahnrädern. Diese Anordnungen erweisen sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung der beschriebenen Oberflächen als sehr reibungsarm und sehr beständig.

Gemäß der Erfindung werden zur Herstellung der erfindungsgemäßen Oberfläche die Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels durch spezifische Oberflächenbehandlungen des Körpers geschaffen. Insbesondere erfolgt dies durch Flächenschleifen quer zur erwarteten Gleitrichtung oder im wesentlichen schräg zu der erwarteten Gleitrichtung, durch flächiges Strahlen der Oberfläche beispielsweise mit Sand oder Korund oder anderen harten Gegenständen vorgegebener Form, durch chemisches Ätzen mit oder ohne Verwendung von Masken und/oder durch alleiniges oder ergänzendes Verwenden von Laserverfahren zum Abtragen von Material. Diese Verfahren ermöglichen ein Ausbilden der Ausnehmungen auf bzw. in der Oberfläche des Körpers. Diese Ausnehmungen sind zur Aufnahme des Gleitmittels vorgesehen und ermöglichen insbesondere bei der Ausbildung der Ausneh- mung mit einer Hauptausdehnungsrichtung, die schräg oder quer oder im wesentlichen quer zur bevorzugten Gleitrichtung orientiert sind, ein besonders wirksames Gleiten und damit ein sehr wirksames Absenken der Reibung.

Bei der Verwendung von Ätzverfahren zur Herstellung der Ausnehmung haben sich nasschemische mit oder ohne Strom sowie trockene Ätzverfahren, zum Beispiel mit Plasma, bewährt. Bei den nasschemischen Ätzverfahren haben sich insbesondere solche bewährt, die unter Verwendung von Masken, die die Form der Ausnehmungen vorgeben, als besonders wirksam und kostengünstig herausgestellt. Diese zeichnen sich durch besonders gleichmäßige und berechenbare Realisierung der Ausnehmungen sowohl in der Anordnung wie auch in den Abmessungen, insbesondere in der Beabstandung der Ausnehmungen, aus. Dies führt zu sehr hochwertigen, reibungsarmen Oberflächen. Um die Ätzmaske herzustellen, hat es sich besonders bewährt, Laserverfahren oder Luftstrahlverfahren unter Verwendung von abrasi- ven Medien zu verwenden, bei denen an der gewünschten Stelle der herzustellenden Maske zielgerichtet Material abgetragen wird. Darüber hinaus hat sich als sehr einfache und wirkungsvolle Methode gezeigt, die Löcher der Ätzmaske mittels einer Stachelwalze oder einem Stempel mit entsprechenden Erhebungen zu erzeugen. Dies führt zu einer sehr kostengünstigen Herstellung der Ätzmasken und ermöglicht ein wiederholtes Herstellen identischer oder weitgehend identischer Ätzmasken, welche im Rahmen des Fertigungsprozesses der Ausnehmungen sich abnutzen, beschädigt oder zerstört werden. Mit den Ätzmasken wird dann entsprechend den bekannten Photolithographieprozessen oder Photolithographieätzprozessen entsprechend den Herstellungsverfahren von gedruckten Schaltungen die 0- berflächen der erfindungsgemäßen Körper dahingehend behan- delt, dass sie nach Abschluss des Ätzprozesses Ausnehmungen in der gewünschten Menge, den gewünschten Abmessungen und den gewünschten wechselseitigen Beabstandungen aufweisen.

Es hat sich besonders bewährt, nach der Ausbildung der Aus- nehmungen in einem weiteren Schritt die Oberfläche insbesondere die durch die Ausnehmung gebildeten Erhebungen mittels Gleitschleifens zu nivellieren, dadurch die Kontaktfläche bzw. Auflagefläche der beiden Körper zu vergrößern und dadurch die Druckbelastung und die lokale Belastung zu verrin- gern und somit die Korrosionsbelastung zu vermindern. Dies führt zu einer merklich erhöhten Lebenszeit der beiden Körper.

Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Oberfläche teilweise oder ganz einer Härtung und/oder einer Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung zu unterziehen. Hierdurch ist eine weitere Verbesserung der Beständigkeit der Körper bzw. der Oberfläche der Körper geschaffen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Ausbildungen der Erfindungen sind nur beispielhaft und dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsform der Erfindung beschränkt.

Fig. 1 zeigt eine Einspritzpumpe für einen Dieselmotor,

Fig. 2 zeigt zwei Körper die gegeneinander gleitend gelagert sind,

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausbildung von erfindungsgemäßen Ausnehmungen, und

Fig. 4 zeigt zwei beispielhafte Ausbildungen der Oberfläche in einer Draufsicht.

In Fig. 1 ist eine Hochdruck-Einspritzpumpe für einen Dieselmotor dargestellt, bei der in der Mitte ein Polygon 2 im Kreis bewegt wird. Das Polygon 2 zeigt drei ebene Flächen, auf denen gleitend jeweils eine Kolbenfußscheibe 3 angeordnet ist. Das Polygon 2 und die Kolbenfußscheiben 3, die auch als Kolbenscheibe bezeichnet werden, stehen gleitend miteinander in Kontakt. Durch das Bewegen des Polygons 2 wird eine bevorzugte Gleitrichtung zwischen dem Polygon 2 und den Kolbenfußscheiben 3 definiert. Im Bereich des Polygons 2 und der Kolbenfußscheiben 3 ist als Gleitmittel Dieselkraftstoff vorge- sehen, der seitlich aber auch im Bereich des Spaltes zwischen dem Polygon 2 und den Kolbenfußscheiben 3 vorhanden ist.

In Fig. 2 ist eine ausschnittsweise Darstellung der Kolbenfußscheibe 3 und des Polygons 2 dargestellt. Die Darstellung zeigt, dass die Kolbenfußscheibe 3 großflächig auf dem Polygon 2 respektive auf einer ebenen Fläche des Polygons 2 aufliegt. Im Zentralbereich der Kontaktfläche zwischen der Kolbenfußscheibe 3 und der ebenen Fläche des Polygons 2 ist die Kolbenfußscheibe 3 konkav ausgebildet. Hierdurch entsteht ein vergrößerter Zwischenraum 4 zwischen den beiden Körpern, wodurch der Spalt zwischen ihnen merklich zunimmt. In diesem Zwischenraum kann ein Reservoir des Gleitmittels zur verbesserten Schmierung und zur ReibwertSenkung gebildet werden. Die Anordnung der konkaven Ausbildung der Kolbenfußscheibe 3 ist so gewählt, dass sie im Bereich der größten Druckbelastung angeordnet ist. Dieser Bereich wird dadurch festgelegt, dass auf dem konkaven Bereich abgewandten Seite der Kolbenfußscheibe 3 der Kolbenschaft der Hochdruckpumpe 1 angeordnet ist und hierdurch eine starke Belastung der Kolbenfußscheibe 3 insbesondere in Richtung des Polygons 2 entsteht. Durch die konkave Ausbildung ist diese Wirkung abgeschwächt. Eine ausreichende Schmierung und Reibwertsenkung und damit eine vergrößerte Haltbarkeit ist erreicht. Daneben zeigt die Kolben- fußscheibe 3 im Randbereich des Kontaktbereiches zu dem Polygon 2 abgerundete Kanten 5, d. h. eine konvexe Ausbildung. Hierdurch ist ein verjüngender Spalt geschaffen, durch den ein sicheres Ausbilden des Gleitfilms zwischen dem Polygon 2 und der Kolbenfußscheibe 3 erreicht ist. Dieser Gleitfilm wird zusätzlich durch das Vorhandensein der in Fig. 3 dargestellten Ausnehmungen weiterhin verbessert.

Zu den besonderen Ausbildungen der Gestaltung der Kolbenfußscheibe 3 tritt zusätzlich die Ausbildung der Ausnehmungen in der Oberfläche der Kolbenfußscheibe 3 bzw. des Polygons 2 hinzu.

In Fig. 3 ist die Kolbenfußscheibe 3 dargestellt, die auf einem Polygon 2 entsprechend Fig. 1 und 2 gleitend gelagert ist. Die Kolbenfußscheibe 3 zeigt mehrere Ausnehmungen 6a,b,c,d,e und f. Die Ausnehmungen βa bis f zeigen unterschiedliche Tiefen bzw. Breiten. Sie zeigen in der gewählten Schnittdarstellung nicht erkennbar verschiedene Längsausdehnungen. Die Längsausdehnung ist quer zur bevorzugten Gleit- richtung, die als Pfeil 12 angedeutet ist, orientiert. Durch die ausgeprägte Längsausdehnung ist die Möglichkeit geschaffen, ein erhebliches Reservoir an Gleitmitteln in den Ausnehmungen 6a bis f auszubilden und für die Bildung eines Gleitfilms in den Kontaktflächen, die durch die Zwischenbereiche zwischen den Ausnehmungen βa bis f gebildet werden, zur Verfügung zu stellen. Die Ausnehmungen 6a bis f zeigen eine Tiefe von wenigstens 5 μm und typisch weniger als 50 μm sowie eine Breite von mehreren 10 μm bis mehreren 100 μm. Die Längsausdehnungen sind mehrere 100 μm groß.

Durch die Ausnehmungen 6a bis f sind Erhöhungen gebildet, die an ihrer Oberfläche weitgehend plan ausgebildet sind und eine wesentliche Gleitfläche bilden. Durch die Größe der Gleitfläche gelingt es, eine große Punktbelastung bzw. Flächenbelas- tung der Körper beim gegenseitigen Gleiten zu verhindern und dadurch eine Beschädigung auszuschließen oder einzuschränken. Dies wird zudem verstärkt durch die Ausbildung der Randbereiche, die durch das Aneinanderstoßen der Ausnehmung βa bis f und der Erhebungen gebildet ist. Diese Übergangsbereiche sind abgerundet ausgebildet und schaffen durch das Abrunden eine keilförmige Verjüngung des Reservoirs bzw. des Gleitfilms in Richtung der bevorzugten Gleitrichtung. Durch diese Ausbildung wird der Erhalt bzw. die Ausbildung des Gleitfilms, der wesentlichen Einfluss auf die Reibwerte zwischen den beiden Körpern hat, genommen. Insbesondere gelingt es durch diese Ausbildung, die Hydrodynamik des Gleitmittels dahingehend zu optimieren, dass der Reibwert auch bei hohen Drücken respektive Flächenbelastungen gering gehalten werden kann. Darüber hinaus gelingt es durch die keilförmige Ausbildung auch den Gleitfilm, der durch den Abstand respektive des Aufschwimmen der beiden Körper gegeneinander definiert ist, zu vergrößern und dadurch die Gleitwirkung zu verbessern, was sich wiederum positiv auf den Reibwert auswirkt.

Die Ausnehmungen βa bis f werden vorzugsweise durch ein Flächenschleifen quer zur bevorzugten Gleitrichtung geschaffen. Anschließend werden die Erhebungen mittels Gleitschliffes, z.B. Ceramo-Finish der Fa. Rösler, nivelliert und in die gewünschte Form gebracht.

In Fig. 4a ist die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Körpers in einer Draufsicht dargestellt. Diese Ausnehmungen zeigen eine zylinderförmige Gestalt. Ihr Durchmesser liegt zwischen 30 und 100 μm. Ihre Tiefe liegt im Bereich von 20 μm. Die Ausnehmungen sind gleichmäßig über die Oberfläche verteilt, wobei sie in Reihen so angeordnet sind, dass die aufeinander- folgenden Reihen seitlich zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch entsteht eine sehr dichte Anordnung von Ausnehmungen auf der Oberfläche. Der Abstand zwischen den Reihen beträgt hier 200 μm. Der Abstand zwischen den benachbarten Ausnehmungen zweier benachbarter Reihen beträgt etwa 280 μm. Durch diese Anordnung ist eine sehr gleichmäßige Verteilung der Ausnehmung auf der Oberfläche erreicht, was die Möglichkeit schafft, bei unterschiedlichsten Gleitrichtungen eine sehr geringe vergleichbare Reibung zu erreichen. Eine Vorzugsgleitrichtung ist somit nicht gegeben. Dies wird dadurch ermöglicht, dass es in verschiedene Richtungen sehr wirksame Reservoirs zur Verfügungstellung von Gleitmitteln bei dem Aufeinandergleiten der verschiedenen Oberflächen der Körper gibt .

Nach der besonderen Ausbildung der Oberfläche, wie sie in der Fig. 4b dargestellt ist, zeigen die Ausnehmungen im wesentlichen eine rechteckige Grundform. Sie zeigen eine Länge von mehreren 100 μm, insbesondere von 1.000 μm, während sie eine Breite von einigen 10 μm, insbesondere von 60 μm aufweisen. Die Tiefe der Ausnehmungen beträgt etwa 30 μm. Die Ausnehmungen mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt sind in Reihen angeordnet, wobei die Ausnehmungen in einer Reihe mit einem Abstand von mehreren 100 μm, typisch 500 μm, zueinander angeordnet sind. Dabei sind die rechteckigen Ausnehmungen so orientiert, dass ihre Längsausrichtung gleich der Ausrichtung der Reihe gewählt ist. Der Abstand der Reihen ist im Bereich von 100 bis 3.000 μm, insbesondere von 500 μm, gewählt. Durch das in Fig. 4b dargestellte seitliche Versetzen der benachbarten Reihen gegeneinander ist gewährleistet, dass die Aus- nehmungen der einen Reihe auf eine Lücke zwischen den Ausnehmungen der anderen Reihe trifft. Gleitet ein Körper mit einer Oberfläche gemäß Fig. 4b über einen anderen Körper, so zeigt er einen erheblich reduzierten Reibbeiwert, sobald die Gleitrichtung im wesentlichen quer zur Hauptausrichtung der rechteckigen Ausnehmungen und damit im wesentlichen quer zur Richtung der Reihen orientiert ist. Je stärker sich die Gleit- richtung und die Hauptorientierung angleichen, um so weniger ausgeprägt ist die Verbesserung des Reibbeiwertes. Durch die gewählte Tiefe der Ausnehmungen in Verbindung mit den lateralen Ausdehnungen der Ausnehmungen hat sich ein sehr wirkungsvolles Absenken des Reibbeiwertes in der Größenordnung von etwa 20% gegenüber einer gleichmäßig glatten Oberfläche ohne ausgeprägte Erhebungen oder Ausnehmungen ergeben.

Die in Fig. 4a und 4b dargestellten Ausnehmungen sind mittels chemischen Ätzens hergestellt, wobei beim chemischen Ätzen eine Ätzmaske verwendet wird, die sehr kostengünstig und wirksam mittels einer sogenannten Stachelwalze perforiert wurde .

Claims

Patentansprüche

1. Oberflächen von Polygon (2) und/oder Kolbenfußscheibe (3) einer Hochdruck-Einspritzpumpe für einen Dieselmotor, die übereinander gleiten, wobei mindestens eine der Oberflächen zumindest im Kontaktbereich zwischen Polygon (2) und Kolbenfußscheibe (3) Ausnehmungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Polygon (2) gegenüberliegende Seite der Kolben- fußscheibe (3) zumindest im lastfreien Zustand konkav ausgebildet ist und die Ausnehmungen eine Tiefe im Bereich von 5 bis 50 μm und eine Breite von 30 bis 100 μm und eine Länge von mindestens 100 μm, oder einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 100 μm aufweisen, wobei die Ränder der Ausnehmungen abgerundet sind.

2. Oberflächen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ausnehmungen napf-, wannen-, riefen- oder grabenför- mig ausgebildet sind.

3. Oberflächen nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ausnehmungen in Richtung der bevorzugten Gleitrich- tung keilförmig ausgebildet sind.

4. Oberflächen nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zumindest teilweise mit einer Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung versehen sind.

5. Oberflächen nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Oberfläche der Kolbenfußscheibe (3) im Kontaktbereich zwischen Polygon (2) und Kolbenfußscheibe (3) konvex ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer mit Ausnehmungen versehenen Oberfläche für Polygon (2) und/oder Kolbenfußscheibe (3) einer Hochdruck-Einspritzpumpe für einen Dieselmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen zunächst mittels chemischen Ätzens, durch Strahlen mit Strahlmitteln oder mittels Laserabtrageverfahrens in die Oberfläche eingebracht werden und hierauf mittels Gleitschleifens die Oberfläche geglättet und die Rän- der der Ausnehmungen abgerundet werden.

7. Verfahren nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens teilweise eine Härtung und/oder eine Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung der Oberfläche vorgesehen ist.