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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Statorabschnitt, der einen
Kontaktbereich umfasst und mit einem Rotor, der relativ zu dem Statorabschnitt
bewegbar angeordnet und/oder ausgebildet ist, so dass beim Fördern eines
Pumpfluids der Rotor eine Kontaktfläche des Kontaktbereichs berührt, wobei
der Statorabschnitt zumindest im Kontaktbereich aus einem Grundwerkstoff
ausgebildet ist, der einen Matrixwerkstoff und darin eingebettete
Partikel umfasst, wobei die Partikel eine höhere Härte als der Matrixwerkstoff
aufweisen, sowie ein Verfahren zur Fertigung des Statorabschnitts
in der Pumpe.
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Pumpen – in einer
allgemeinen Bauweise – weisen
einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor gegenüber dem
Stator in demselben drehbar gelagert ist, so dass durch die Relativbewegung
ein Pumpfluid gefördert
wird. Dabei bewegt sich der Rotor über Laufflächen des Stators, wobei bekannt
ist, dass diese Laufflächen
des Stators verschleißanfällig sind.
Insbesondere kann ein Verschleiß durch
Reibung von Rotoren aus Stahl, beziehungsweise aus einem harten
Werkstoff, an Laufflächen
des Stators aus einer Aluminiumlegierung auftreten. Durch diesen
Verschleiß wird
die Funktion der Pumpe mit der Zeit deutlich beeinträchtigt.
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Ein üblicher
Lösungsansatz
für dieses
Problem ist eine Beschichtung der Lauffläche des Stators mit einer oxidischen
Verbindung, um dem Verschleiß vorzubeugen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe mit erhöhter Standzeit,
insbesondere besserer Verschleißbeständigkeit,
sowie ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte und/oder bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung
sowie den beigefügten
Figuren.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe
ist ausgebildet zum Fördern
von Pumpfluiden, insbesondere ölhaltigen Pumpfluiden,
wie zum Beispiel Benzin oder Diesel. Die Pumpe umfasst einen Statorabschnitt
und einen Rotor, der relativ zu dem Statorabschnitt drehbar gelagert
ist, so dass im Betrieb der Pumpe das Pumpfluid gefördert wird.
Der Statorabschnitt weist einen Kontaktbereich mit einer insbesondere
ebenen Kontaktfläche
auf, wobei die Kontaktfläche
von dem Rotor zeitweilig, regelmäßig oder
dauernd berührt
wird. Insbesondere ist die Kontaktfläche als Lauffläche oder
Laufbahn ausgebildet, auf der der Rotor läuft, oder als Anlauffläche, an
die der Rotor vorzugsweise nur zeitweilig anläuft oder anstößt.
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Der
Statorabschnitt ist zumindest in dem Kontaktbereich aus einem Grundwerkstoff
ausgebildet, der einen Matrixwerkstoff und darin eingebettete Partikel
umfasst. Bei dem Grundwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um
einen Leichtmetallwerkstoff. Die in dem Matrixwerkstoff eingebetteten
Partikel weisen eine höhere
Härte als
der Matrixwerkstoff auf. Der Kontaktbereich ist als oberflächenbenachbarte
Grenzschicht insbesondere mit einer Dicke ausgebildet, die dem einfachen,
zweifachen oder dreifachen mittleren Durchmesser der Partikel entspricht.
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Gemäß der Erfindung
ist an der Kontaktfläche
ein Großteil
der Partikel des Kontaktbereichs freiliegend und den Matrixwerkstoff überragend
angeordnet. Der Matrixwerkstoff bildet somit ein erstes Niveau,
aus dem die Partikel herausragen oder auskragen.
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Der
Erfindung liegt die Überlegung
zugrunde, dass die Standzeit der Pumpen nach dem Stand der Technik
mit einer oxidischen Beschichtung als Verschleißschutz reduziert ist, da das
Verfahren zum Auftrag der oxidischen Verbindung im Hinblick auf
die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke und -dichte nicht ausreichend
ist. Durch die aufgrund der unzureichenden Reproduzierbarkeit auftretenden
Unregelmäßigkeiten
in der Schicht-Charakteristik ist die Haltbarkeit der Schicht auf
den Statoren eingeschränkt.
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Demgegenüber wurde
erkannt, dass ein Verschleißschutz
erreichbar ist, indem die in dem Grundwerkstoff des Stators beziehungsweise
des Statorabschnitts vorhandenen Partikel freigelegt werden und
zum Verschleißschutz
beitragen. Nicht zuletzt bietet diese Lösung auch Vorteile hinsichtlich
des Umweltschutzes, da die Freilegung der Partikel u.a. auch mechanisch
erfolgen kann und eine chemische Behandlung der Statoren entfällt.
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Bei
einer bevorzugten Umsetzung der Erfindung bildet der freigelegte
Großteil
der Partikel ein Laufgerüst
für den
Rotor, wobei die zwischen den Partikeln liegenden, zurückversetzen
Bereiche des Matrixwerkstoffes als Schmiertaschen zur Aufnahme des
Pumpfluids ausgebildet sind. In diesem zwischen den harten Partikeln
liegenden Vertiefungen wird die zu fördernde Flüssigkeit festgehalten, so dass
im Betrieb der Pumpe die Art der Reibung von trockener zu hydrodynamischer
Reibung wechselt. Durch diesen Wechsel wird der Verschleiß des Stators,
insbesondere der Kontaktfläche
des Kontaktbereichs, verringert oder sogar vermieden.
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Die
Flächendichte
der Partikel auf der Kontaktfläche
ist in Abhängigkeit
der mittleren Größe der Partikel
vorzugsweise im Bereich oder größer als
die nachstehend angegebenen Werte:
| Partikelgröße in μm | Flächendichte
in Partikel/mm2 |
| 2 | 8,8·107 |
| 5 | 5,6·106 |
| 20 | 8,5·104 |
| 70 | 2,0·103 |
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Bei
abgewandelten Ausführungsformen
der Erfindung kann die Flächendichte
um den Faktor 10 geringer ausgebildet sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind die Partikel in dem Matrixwerkstoff im Kontaktbereich
so angeordnet, dass diese im Durchschnitt eine Freilegungstiefe
in einem Bereich von 0,2 μm
bis 0,5 μm
und/oder 0,5 μm
bis 1,0 μm
aufweisen. Die Freilegungstiefe ist dabei vorzugsweise als der Abstand
zwischen dem ersten Niveau, also der freien Oberfläche des
Matrixwerkstoffes, und der Plateauoberfläche der eingebetteten Partikel
definiert.
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Als
besonders geeignet haben sich Partikel mit einer Partikelgröße von 0,4 μm bis zu
30 μm, vorzugsweise
von 2 μm
bis zu 5 μm
erwiesen, insbesondere bei der Verwendung von Al Si17 Fe5 Cu3,5
Mg1 als Grundwerkstoff. Diese Partikelgröße erlaubt eine ausreichende
Einbettung in den Matrixwerkstoff, so dass die Partikel im Betrieb
der Pumpe nicht aus dem Matrixwerkstoff herausgerissen werden, und
zugleich eine ausreichend gleichmäßige Verteilung, so dass der
Rotor verschleißfrei
oder weitgehend verschleißfrei
gelagert ist. Insbesondere bei dem Grundwerkstoff Al Si14 Cu4 sind
im Rahmen der Erfindung auch Partikelgrößen von durchschnittlich 20 μm bis 70 μm einsetzbar.
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Um
den Großteil
der Partikel im Kontaktbereich freizulegen wird neben den eigentlichen
formgebenden Verfahrensschritten bevorzugt ein weiterer abtragender
Verfahrensschritt vorgesehen, während
dem die Partikel beziehungsweise der Großteil der Partikel freigelegt
wird. Honen, Läppen,
Superfinischen und/oder Ätzen,
insbesondere mit vorzugsweise schwacher Natronlauge, sind dabei
geeignete Verfahren, um die Partikel er findungsgemäß freizulegen.
Jedoch sind auch andere Verfahren denkbar, wie z.B. Laserabtrag.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Statorabschnitt aus einem Leichtbauwerkstoff, insbesondere
aus einer Aluminiumlegierung. Die Partikel sind bevorzugt aus Silizium
ausgebildet und/oder umfassen Silizium und sind insbesondere als
Siliziumkristalle realisiert, die in einer Aluminiummatrix eingebettet
sind. Aber auch andere harte Partikel sind im Rahmen der Erfindung
einsetzbar, wie zum Beispiel Siliziumcarbideinlagerungen.
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Bei
einer bevorzugten Ausbildung umfasst der Grundwerkstoff – neben
Aluminium und Silizium – zusätzlich einen,
mehrere oder alle der folgenden Metalle: Kupfer, Eisen, Magnesium,
Zirkon.
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Mögliche Grundwerkstoffe
sind somit:
Al Si17 Fe5 Cu3,5 Mg1, insbesondere mit 16 bis
18 Massenprozent primären
Silizium,
Al Si14 Cu4, insbesondere mit ca. 6 Massenprozent
primären
Silizium
oder Al Si9 Cu3.
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Bevorzugte
Herstellungsverfahren für
den Kontaktbereich und/oder den gesamten Stator sind die dem Fachmann
bekannte Druckgussverfahren, Sprühkompaktierverfahren
und/oder das Pulverpressverfahren.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Kontaktfläche eben
oder plan ausgebildet und ist insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen
senkrecht zu einer Antriebswelle des Rotors ausgerichtet. Die Kontaktfläche ist
vorzugsweise als Anlauf- oder Anschlagfläche für den Rotor in axialer Richtung
ausgebildet. Bei dieser Weiterbildung wird ein besonders empfindlicher
Bereich der Pumpe durch die Kontaktfläche verschleißgeschützt, da
aufgrund eines axialen Spiels des Rotors die senkrecht zur axialen
Erstreckung der Drehachse ausgerichteten Kontaktflächen besonderen
Beanspruchungen ausgesetzt sind. Insbesondere sind die ebenen Kontaktflächen beidseitig
zu dem Rotor angeordnet.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet für
die Pumpe liegt in einer Ausbildung als Flügelzellenpumpe oder Gerotorpumpe,
wobei diese Pumpen jeweils für
den Einsatz in einem Common-Rail-Einspritzsystem
ausgelegt sind. Bei derartigen Pumpen ist die Verschleißsicherheit
und damit die Standzeit sehr wichtig, da über Common-Rail-Einspritzsysteme
angetriebene Fahrzeuge eine Lebensdauer von mehr als einem Jahrzehnt
bei einer Kilometerleistung von mehreren hunderttausend Kilometern
aufweisen sollen.
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In
dem oder einem Common-Rail-System wird die erfindungsgemäße Pumpe
als Hochdruckpumpe zur Erzeugung von Drücken oberhalb von 1500 bar,
vorzugsweise oberhalb von 2000 bar verwendet oder als Vorförderpumpe,
die den Kraftstoff zur Hochdruckpumpe fördert und die einen Druck von
bis zu 30 bar bei einem Mittelwert von 5 bis 8 bar, oder mit einem
Spitzenwert von bis zu 50 bar bei einem Mittelwert von 10 bar erzeugt.
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Insbesondere
bei der Ausbildung als Pumpe in einem oder dem Common-Rail-System
ist bzw. sind die Kontaktflächen
als Anlauffläche
oder als Laufbahn des Rotors in axialer Richtung realisiert.
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Bei
einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung ist der Kontaktbereich
in einem Deckel oder Flansch, der vorzugsweise den Rotor topfförmig umschließt, und/oder
in einer Steuerscheibe der Pumpe angeordnet, wobei die Steuerscheibe
und der Deckel bzw. Flansch bevorzugt Ein- und Auslässe für die Zubeziehungsweise Abführung des
Pumpfluids aufweist. Vorzugsweise sind der Deckel bzw. Flansch mit
dem Kontaktbereich und/oder die Steuerscheibe mit dem Kontaktbereich
jeweils einstückig
ausgebildet.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung
des Statorabschnitts für
die Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche durch
ein abtragendes Verfahren endbearbeitet wird und wobei die Partikel
in dem Kontaktbereich durch das abtragende Verfahren freigelegt werden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung und/oder der beigefügten Figuren.
Dabei zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Pumpe als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 bis 7 verschiedene
Stadien beim Bearbeiten des Kontaktbereichs in der Pumpe in 1, jeweils
in einer schematischen Schnittdarstellung.
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1 zeigt
in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine Flügelzellenpumpe 1,
welche zum Einsatz als Vorförderpumpe
oder alternativ als Hochdruckpumpe in einem Common-Rail-Einspritzsystem
ausgebildet ist. Die Flügelzellenpumpe 1 umfasst
einen Deckel 2, welcher einen Rotor 3 topfartig
umgreift. Der Rotor 3 ist relativ zu dem Deckel 2 über eine
Drehwelle 4 drehbar gelagert und umfasst eine Mehrzahl
von radial nach außen
gerichteten Flügeln 5,
die in radialer Richtung verschiebbar in dem Rotor 3 angeordnet
sind und sich gegen die inneren Seitenwände des Deckels 2 abstützen. Die
prinzipielle Funktionsweise der Flügelzellenpumpe 1 ist
dem Fachmann bekannt und wird hier nicht weiter erläutert.
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An
der Unterseite ist der Deckel 2 durch eine Steuerscheibe 6 abgeschlossen,
so dass ein Pumpeninnenraum gebildet wird, in dem der Rotor 3 samt
Flügeln 5 aufgenommen
ist. Die Steuerscheibe 6 weist Zu- und Abflussöffnungen
(nicht gezeigt) für
das Pumpfluid auf, die bei einer praxiserprobten Ausführungsform
im Querschnitt nierenförmig
ausgebildet sind.
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Der
Deckel 2 und die Steuerscheibe 6 bilden einen
Stator 7 für
den mit der Drehachse 4 drehbar gelagerten Rotor 3.
Der Stator 7 weist Laufflächen auf, an denen der Rotor 3 im
Betrieb entlang läuft.
Zum einen befinden sich Laufflächen
an den inneren Seitenwänden
des Deckels 2, an denen sich die Flügel 5 abstützen. Zum
zweiten weist der Stator 7 als Kontaktflächen 8 ausgebildete
Laufflächen
auf, die senkrecht zur Drehachse 4 ausgerichtet sind.
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Die
Kontaktflächen 8 sind
ebene Kontaktflächen
und erstrecken sich in einem Bereich, in dem der Rotor 3 beziehungsweise
die Flügel 5 an
dem Deckel 2 beziehungsweise an die Steuerscheibe 6 in
axialer Richtung anlaufen. Die Kontaktflächen 8 sind als die
freien Oberflächen
von Kontaktbereichen 9 ausgebildet, die jeweils als dünne Schicht
definiert sind.
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Der
Deckel 2 ist einstückig
aus einer Aluminiumlegierung als Grundwerkstoff ausgebildet, welcher
bei einer ersten möglichen
Ausführungsalternative
einen übereutektischen
Siliziumanteil bei einer zweiten Ausführungsalternative einen untereutektischen
Siliziumanteil aufweist, das heißt, dass die Aluminiumlegierung
einen Siliziumanteil von mehr als 12 Mass.% beziehungsweise weniger
als 12 Mass.% aufweist. Der einstückige Deckel 2 umfasst
den deckelseitigen Kontaktbereich 9.
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Der
Deckel 2 ist aus Kostengründen in einem Druckgussverfahren
gefertigt und besteht beispielsweise aus der Legierung Al Si14 Cu4
oder Al Si19 Cu3.
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Die
Steuerscheibe 6 ist dagegen bei einer ersten Ausführungsalternative
aus einem sprühkompaktierten
Rohling gefertigt und besteht aus einer Aluminiumlegierung, die
einen Siliziumanteil von circa 17 Mass.% aufweist. Ein mögliches
Material ist: Al Si17 Fe5 Cu3,5 Mg1,1 Zr0,6. Alternativ kann die
Steuerscheibe 6 aus einem pulvergepressten Block gefertigt
sein. Im Allgemeinen sind Aluminiumsiliziumlegierungen mit Siliziumgehalten
von 8 bis 17 Massenprozent für
den Deckel 2 beziehungsweise die Steuerscheibe 6 geeignet.
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Werkstofftechnisch
betrachtet wird bei der Herstellung des Deckels 2 beziehungsweise
der Streuscheibe 6 Silizium in Kristallform ausgeschieden,
wie es schematisch in der 2 gezeigt
ist, so dass der Grundwerkstoff des Deckels 2 und der Streuscheibe 6 als
eine Aluminiummatrix 10 mit eingebetteten Siliziumpartikeln 11 vorliegt.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Kontaktbereich 9 im
Bereich der Kontaktfläche 8,
die in der 2 jedoch nicht endbearbeitet
dargestellt ist. Die in der Aluminiummatrix 10 eingebetteten Siliziumkristalle 11 sind
nach den formgebenden Verfahrensschritten an der Oberfläche durch
das Material der Aluminiummatrix 8 verdeckt.
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Um
verbesserte tribologische Eigenschaften bei der Kontaktfläche 8 des
Deckels 2 beziehungsweise der Steuerscheibe 6 zu
erreichen, werden die Siliziumkristalle 11 bei einer Verfahrensalternative
mechanisch freigelegt.
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Die 3 zeigt
einen ähnlichen
Oberflächenbereich
wie in der 2, wobei jedoch bereits ein
erster Honvorgang zur Freilegung der Siliziumkristalle 11 durchgeführt wurde.
Nach diesem ersten Honvorgang sind die durch den formgebenden Verfahrensschritt
beschädigten
Siliziumpartikel entfernt und die unzerstörten Siliziumpartikel 11 zwar
bereits freigelegt, jedoch gegenüber
der Aluminiummatrix 10 noch zurückgesetzt.
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Die 4 zeigt
den Kontaktbereich 9 nach einem weiteren Honbearbeitungsschritt,
wobei die Siliziumkristalle 11 freige legt sind und an der
freien Seite in gleicher Höhe
mit der freien Oberfläche
der Aluminiummatrix 10 stehen.
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Wie
in der 5 dargestellt sind die Siliziumkristalle 11 nach
einem weiteren Honbearbeitungsschritt freigelegt und ragen über die
Aluminiummatrix 8 hinaus, so dass die Aluminiummatrix Vertiefungen
zwischen den Siliziumpartikeln 9 bildet.
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Die 6 zeigt
ein ausgewähltes
Siliziumkristall 11 der 5 in schematischer
Vergrößerung,
wobei zu erkennen ist, dass der Siliziumkristall 11 zum
Teil noch in der Aluminiummatrix 10 eingebettet ist, damit
er bei Beanspruchung nicht aus der Aluminiummatrix 10 herausgerissen
wird. Der Abstand zwischen der Oberseite des Siliziumkristalls 11 und
dem Niveau der Aluminiummatrix 10 wird Freilegungstiefe
F genannt und beträgt
im Durchschnitt ca. 0,2 μm
bis 0,5 μm,
im Grenzfall bis zu 1,0 μm.
Die durchschnittliche Größe der Siliziumkristalle 11,
also insbesondere der maximale Durchmesser, beträgt zwischen 0,2 μm und 30 μm, am geeignetsten
hat sich ein Bereich zwischen 0,2 μm und 5 μm erwiesen. Alternativ zu der
Honbearbeitung kann auch eine Läppbearbeitung
durchgeführt
werden.
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7 zeigt
einen Siliziumkristall 11, wie er bei einem Ätzverfahren
z.B. mit schwacher Natronlauge freigelegt wird. Im Gegensatz zu
dem Siliziumkristall 11 in 6 weist
der Siliziumkristall 11 in 7 scharfe Kanten
auf, da diese nicht durch mechanische Bearbeitung abgerundet sind.
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Durch
die speziell vorbereiteten Kontaktflächen 8 in der Flügelzellenpumpe 1 ist
ein Verschleißschutz gegeben,
da sich das Pumpfluid, in diesem Fall Benzin oder Diesel, zwischen
den Siliziumpartikeln 11 in den durch die Aluminiummatrix 10 gebildeten
Vertiefungen ablegt, welche dann als Schmiertaschen wirken. Im Betrieb
ist die Reibung zwischen Rotor 3 beziehungsweise Flügel 5 und
Kontaktflächen 8 demzufolge
nicht als trockene Reibung, sondern als hydrodynamische Reibung
zu charakterisieren, die zu einem geringen beziehungsweise zu vernachlässigendem
Verschleiß im
Bereich der Kontaktflächen 8 führt. Dies
gilt selbst dann, wenn – wie
in der 1 – der
Rotor 3 aus Stahl oder einem ähnlich hartem Grundwerkstoff
ausgebildet ist.
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Alternativ
zu der Ausbildung als Flügelzellenpumpe 1 können die
gleichen Kontaktflächen
in entsprechender Position auch bei Gerotorpumpen eingesetzt werden,
um den Verschleiß bei
dem Anlaufen der Innen- und Außenrotoren
der Gerotorpumpe an dem Deckel beziehungsweise der Steuerscheibe
zu verringern.