DE102011000533A1

DE102011000533A1 - Verstellbare Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE102011000533A1
Application number: DE102011000533A
Authority: DE
Inventors: Ralf Zischka; Richard Vogt
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Pump Technology Solutions Ps De GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Eine verstellbare Verdrängerpumpe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ist mit einem Gehäuse (1) versehen, das einen Rotorensatz lagert, welcher zumindest aus einem Rotor (3), aus Rotorenelementen (4) und aus einem Kurvenring (5) mit einer Kurvenlaufbahn (11) für die Rotorenelemente (4) gebildet ist. Wenigstens ein Arbeitsraum (7) ist vorgesehen, welcher durch die Rotorenelemente (4) in Arbeitszellen (8) unterteilt ist, wobei das Volumen der Arbeitszellen (8) durch Veränderung der Exzentrität zwischen Rotor (3) und Kurvenring (5) einstellbar ist. Der Kurvenring (5) ist aus Sinterstahl gebildet und die gesinterte Kurvenlaufbahn (11) des Kurvenrings (5) weist eine ballige Form auf, wobei die Kurvenlaufbahn (11) ohne weitere Nachbearbeitung eingesetzt ist. Die Rotorenelemente (4) liegen jeweils im Wesentlichen mit einer Punktberührung (13) an der gesinterten Kurvenlaufbahn (11) an.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Verdrängerpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine Pumpe dieser Art ist z. B. aus der DE 101 18 103 A1 bekannt.
Bei Flügelzellenpumpen als Verdrängerpumpen für Lenkungen von Kraftfahrzeugen werden Läufersätze, bestehend aus Kurvenring, Rotor und Rotorenelemente in Form von Flügeln eingesetzt. Auf beiden Seiten des Läufersatzes sind Steuerplatten mit Zu- und Ablaufquerschnitten angeordnet. Die Steuerplatten bilden auch die axiale Begrenzung für die Förderzellen der Pumpe und für die Führung der Flügel.
Das Volumen der Förderzellen wird durch die in Schlitzen des Rotors geführten Flügel definiert. Die Flügel sind auf der Unterseite bzw. der Innenseite mit Betriebsdruck beaufschlagt. Die radiale Begrenzung nach außen erfolgt durch Anlage der Flügel an einer Kurvenlaufbahn am Innenumfang eines Kurvenringes. Die Lage der Flügel orientiert sich somit an der Laufbahn des Kurvenringes. In axialer Richtung erfolgt die Flügelführung durch die auf beiden Seiten angeordneten Steuerplatten. Zwischen den feststehenden Steuerplatten und den sich bewegenden Bauteilen, wie Flügel und Rotor, sind axiale Laufspiele vorzusehen. Im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad der Pumpe sollen die Laufspiele möglichst klein gehalten werden.
Die Bauteile der Verdrängerpumpe, wie z. B. der Kurvenring, sind im Allgemeinen aus Stahl und Sinterstahl hergestellt.
Ein Problem bei Verdrängerpumpen dieser Art besteht in der Gefahr von Schräglagen der Lauffläche am Kurvenring; d. h. die Lauffläche verläuft nicht exakt rechtwinklig zu den beiden Seitenflächen bzw. Stirnseiten des Kurvenringes. Eine Schräglage der Lauffläche führt entsprechend zu einer Schrägstellung der Flügel. Die Bewegungsmöglichkeit der Flügel wird damit durch einen axialen Kontakt mit den Steuerplatten behindert und es kann zu stirnseitigem Verschleiß an den Steuerplatten und/oder den Flügeln kommen.
Zur Beseitigung dieses Problems ist es bekannt, entsprechend kleine Laufspiele vorzusehen. Kleine Laufspiele erfordern jedoch hoch präzise und damit kostspielige Bauteile. Um dies zu erreichen ist es bekannt, die Laufflächen bei Kurvenringen aus Stahl und Sinterstahl nach dessen Herstellung, mit einem Präzisionsschliff zu versehen, um so weit wie möglich eine Rechtwinkligkeit der Lauffläche zu den beiden Stirnseiten zu erreichen. Bei Sinterstahl erfolgt zumeist auch eine Kalibrierung.
Zur Reduzierung von Verschleiß ist es aus der DE 10 2007 007 293 A1 bereits bekannt, an der den Rotorenelementen zugewandten Innenfläche des Kurvenringes, an der die Kurvenlaufbahn gebildet wird, ein Einsatzelement einzusetzen, dessen zu den Rotorenelementen gerichtete Lauffläche die Kurvenlaufbahn für die Rotorenelemente bildet. Das Einsatzelement ist dabei derart ausgebildet, dass die Gleitreibung zwischen den Rotorenelementen und der an dem Einsatzelement vorgesehenen Lauffläche für die Rotorenelemente reduziert wird. Nachteilig dabei ist jedoch, dass auch für diese Lösung präzise und kostspielige Bauteile notwendig sind.
Aus der DE 10 2008 002 763 A1 ist eine Flügelzellenpumpe bekannt, bei der eine Überhitzungsgefahr und ein Verschleiß des Kurvenringes dadurch reduziert werden soll, dass die Flügelköpfe eine Kontur aufweisen, durch welche die durch. Kurvenringinnenkontur und Flügelkopfkontur gebildete Laufkante im hinteren Drittel des Flügelkopfes ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme soll ein hydrodynamischer Schmierfilm und damit ein zuverlässiges Ölpolster über den gesamten Umfang in der Kontaktzone, d. h. zwischen der jeweiligen Laufkante des Flügelkopfes und der Innenkontur des Kurvenringes geschaffen werden. Auf diese Weise kann der Flügel aufschwimmen. Als vorteilhaft wird bei dieser vorbekannten Lösung auch vorgeschlagen, dass die plane Kontaktfläche jedes Flügelkopfes von der Laufkante zur Vorderkante geneigt wird, wobei die Neigung zwischen zwei Grad und acht Grad sein soll. Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist ebenfalls der relativ hohe Aufwand für die Fertigung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine kostengünstige, gleichzeitig jedoch verschleißreduzierte Verdrängerpumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr die Herstellung des Kurvenringes aus Sinterstahl mit einer bereits fertig gesinterten Kurvenlaufbahn in Ballen- bzw. Konvexform, und zwar ohne zusätzliche Schleif- und/oder Kalibrierungsprozesse. Möglich wird diese einfache und damit kostengünstige Lösung ohne weitere Nachbearbeitung deshalb, weil die Erfinder erkannt haben, dass bei einer Ausbildung der Kurvenlaufbahn in einer balligen bzw. konvexen Form die Rotorenelemente jeweils im Wesentlichen nur mit einer Punktberührung im Bereich des Scheitelpunktes der Balligkeit an der gesinterten Kurvenlaufbahn zur Anlage kommen. In Abhängigkeit von der Lage des Scheitelpunktes der Balligkeit ”wandern” die Punktberührungen der Flügel jeweils von außen nach innen in Richtung zur Mitte. Dies bedeutet Abweichungen von der Rechtwinkligkeit der Kurvenlaufbahn gegenüber den Stirnseiten des Kurvenringes führen nicht mehr zu einem Verschleiß an den Steuerplatten, da sich die Rotorenelemente wenigstens weitgehend mit ihren Seitenkanten parallel zu den Stirnseiten des Kurvenringes ausrichten bzw. deren Schrägstellung deutlich geringer ist. Dies bedeutet, durch die Erfindung wird sichergestellt, dass es auch bei kleinen axialen Laufspielen zwischen den Steuerplatten und dem Kurvenring nicht zu einer Behinderung der Flügel als Rotorenelemente mit einem entsprechenden Verschleiß an den Steuerplatten oder den Flügeln kommt. Durch die punktförmige Anlage der Rotorenelemente sind maximale Ausgleichsmöglichkeiten bei Geometrieabweichungen gegeben. Der Einlaufprozess im Kurvenring kann damit stetig entsprechend den geometrischen Gegebenheiten ohne Zwangslage der Rotorenelemente erfolgen. Darüber hinaus treten geringere Kräfte auf.
Die Ermöglichung von kleinen Laufspielen ergibt einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad nach dem Einlaufprozess, der auch entsprechend betriebssicher und ohne Verschleiß an den Steuerplatten ablaufen kann. Weiterhin ermöglicht die Herstellung des Kurvenringes mit der gesinterten Kurvenlaufbahn größere Toleranzen ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades für die Verdrängerpumpe.
In Ausgestaltung der Erfindung haben die Erfinder erkannt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Dichte des Sinterstahles zwischen 6,5–7,5, vorzugsweise 6,8–7,2 g/cm³ beträgt.
In vorteilhafter Weise liegt die Zugfestigkeit des Sinterstahles zwischen 550–650 N/mm², vorzugsweise zwischen 580–620 N/mm².
Vorteilhafte Ergebnisse werden auch erzielt, wenn die Härteprüfung nach Brinell > 120 HB, vorzugsweise > 160 HB beträgt.
Falls erforderlich können die beiden Stirnseiten des Kurvenringes noch planparallel geschliffen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe;
2 eine stirnseitige Ansicht auf einen Rotorensatz mit Flügeln und Kurvenring;
3 einen Längsschnitt (ausschnittsweise) im Bereich des Kurvenringes mit der Kurvenlaufbahn;
4 einen Längsschnitt im Bereich des Kurvenringes mit der Kurvenlaufbahn in balliger Ausführung und
5 einen Längsschnitt im Bereich des Kurvenringes mit einem idealen Balligkeitsverlauf.
Verdrängerpumpen in Form von Flügelzellenpumpen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt, weshalb nachfolgend lediglich die für die Erfindung wesentlichen Merkmale näher beschrieben werden. Eine ausführliche Beschreibung einer derartigen Flügelzellenpumpe und deren Betriebsweise ist z. B. aus der DE 199 42 466 A1 bekannt, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Die in den 1 und 2 dargestellte Flügelzellenpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, indem ein Rotorensatz 2 mit einem Rotor 3 angeordnet ist, der in Schlitzen geführte, radial bewegliche Flügel 4 als Rotorenelemente aufweist. In dem Gehäuse 1 ist weiterhin ein Kurvenring 5 eingesetzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Kurvenring 5 und der Innenwand des Gehäuses 1 ein Außenring 6 zur Aufnahme des Kurvenringes 5 eingesetzt. Der Außenring 6 stellt die Freigängigkeit des Kurvenrings 5 sicher und überträgt Querkräfte aus dem Kurvenring 5 in das Gehäuse Selbstverständlich kann der Außenring 6 jedoch auch entfallen.
Der Kurvenring 5 weist auf seiner inneren Umfangswand eine Hubkontur für die Flügel 4 auf. Der Kurvenring 5 bildet in bekannter Weise mit den Flügeln 4 einen Arbeitsraum 7 mit Förder- bzw. Arbeitszellen 8 aus. Die Förderzellen 8 werden im Betrieb der Flügelzellenpumpe durch seitliche Steuerplatten 9a und 9b begrenzt, die eine nicht dargestellte Pumpensaugöffnung und eine Pumpendrucköffnung aufweisen. Die Steuerplatten 9a und 9b können auch als separate Teile entfallen und einstückig mit einer Gehäusewand des Gehäuses 1 oder einer Wand eines Gehäusedeckels 10 ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe weist in bekannter Weise eine nicht näher bezeichnete erste und zweite Kammer auf, welche zur Verschiebung des Kurvenringes 5 druckbeaufschlagt werden. Durch geeignete Dichtungselemente sind die Kammern voneinander getrennt.
Die 3, 4 und 5 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch einen Kurvenring 5 mit Rotorenelemente in Form von Flügel 4 ohne die beiden seitlichen Steuerplatten 9a und 9b.
Die 3 zeigt eine Ausgestaltung des Kurvenringes 5 nach dem Stand der Technik. Der Kurvenring 5 weist an seinem Innenumfang eine Kurvenlaufbahn 11 auf, die im Idealfalle rechtwinklig zu den beiden Stirnseiten des Kurvenringes verläuft, wie dies durch die gestrichelte Linie in der 3 angedeutet ist. Diese ideale Lage der Kurvenlaufbahn 11 wird jedoch in der Praxis bei einem Kurvenring 5 aus Sinterstahl kaum erreicht. Vielmehr liegt die Kurvenlaufbahn 11 mehr oder weniger schräg zu den beiden Stirnseiten des Kurvenringes 5, wie dies aus der 3 ersichtlich ist. Die Flügel 4 werden in bekannter Weise an die Kurvenlaufbahn 11 angedrückt, wobei aufgrund der Schräglage der Kurvenlaufbahn der Erstkontakt der Flügel 4 auf der Seite der Kurvenlaufbahn 11 erfolgt, die einen kleineren Radius aufgrund der Schrägstellung aufweist. Nach dem Erstkontakt legen sich jedoch die Flügel 4 in einer Linienberührung an die Kurvenlaufbahn 11 an und nehmen damit eine gleiche Schräglage wie die Kurvenlaufbahn ein. Wenn dabei eine Schrägstellung A (siehe Pfeile) größer ist als die daraus resultierende Auslenkung B (siehe Pfeile) durch das Abkippen bzw. durch die Schrägstellung der Flügel 4 größer ist als die Abweichung A von der Rechtwinkligkeit und dem eingestellten Axialspiel der Flügel 4 zwischen den seitlichen Steuerplatten 9a und 9b, so steht die oder stehen die Kanten der Flügel seitlich über die Stirnseiten des Kurvenringes 5 über und führen entsprechend zu einem Verschleiß.
4 zeigt die erfindungsgemäße Lösung. Wie ersichtlich liegt auch hier keine Rechtwinkligkeit der Lauffläche 11 zu den beiden Stirnseiten des Kurvenringes 5 vor (siehe gestrichelte Linie), sondern ebenfalls eine Schrägstellung. Im Unterschied zum Stand der Technik wird jedoch die Kurvenlaufbahn 11 beim Sinterprozess in einer balligen bzw. konvexen Form ausgebildet. Auch bei diesem Sinterprozess liegen zumeist unterschiedliche Durchmesser der Kurvenlaufbahn 11 an den beiden Stirnseiten des Kurvenringes 5 vor. Wird nun über die Breite des Kurvenringes 5 zwischen den beiden Stirnseiten eine ballige bzw. eine konvexe Form gewählt, so ergibt sich ein Scheitelpunkt 13. Wie ersichtlich liegt der Scheitelpunkt 13 im Bereich zwischen den beiden Stirnseiten des Kurvenringes 5. Je schwächer die Schräge ist, desto mehr ”wandert” der Scheitelpunkt der Balligkeit in Richtung der axialen Mitte des Kurvenringes 5.
Aufgrund der Balligkeit der Kurvenlaufbahn 11 erfolgt ein Erstkontakt in Form einer Punktberührung der Flügel 4 jeweils im Scheitelpunkt der Balligkeit. Liegt der Scheitelpunkt außerhalb der axialen Mitte – wie aus der 4 ersichtlich –, so ”wandert” die Punktberührung 13 leicht in Richtung axialer Mitte des Kurvenringes 5 durch das auftretende Moment aufgrund der außermittigen Anlage der Flügel an der Kurvenlaufbahn. Damit stellen sich zwar die Flügel 4 wiederum schräg, aber diese Schrägstellung ist deutlich geringer als es beim Stand der Technik der Fall ist.
Entsprechend der Höhe der Schrägstellung ergibt sich somit zu der Punktberührung 13 im Scheitelpunkt ein Abstand C zu dem Verlauf der Schräge (siehe Pfeile). Die Balligkeit mit der Größe C kann kleiner oder gleich der Schrägstellung A sein. In jedem Falle richten sich die Flügel mit ihren Seitenkanten wenigstens weitgehend parallel zu den Stirnseiten des Kurvenringes 5 aus, wodurch ein entsprechend kleines Axialspiel eingestellt werden kann.
Bei einer Schrägstellung der Kurvenlaufbahn 11 liegt die Punktberührung 13 entsprechend der Größe der Schrägstellung – wie bereits vorstehend erwähnt – noch etwas außerhalb von der axialen Mitte des Kurvenringes 5. Bei einer Idealform der Kurvenlaufbahn 11 mit einem Scheitelpunkt der Balligkeit in der axialen Mitte des Kurvenringes 5 würde die Punktberührung 13 ebenfalls in der axialen Mitte des Kurvenringes 5 erfolgen, wie dies aus 5 ersichtlich ist. Die Flügel würden in diesem Fall mit ihren Seitenkanten exakt parallel zu den Stirnseiten des Kurvenringes 5 liegen.
Der gesinterte Kurvenring 5 kann eine Dichte von 6,8–7,2 g/cm³, eine Zugfestigkeit von 600 N/mm² und eine Härte größer 160 Brinell besitzen.
Bezugszeichenliste

1: Pumpgehäuse
2: Rotorensatz
3: Rotor
4: Rotorenelement/Flügel
5: Kurvenring
6: Außenring
7: Arbeitsraum
8: Förder- bzw. Arbeitszellen
9a, 9b: seitliche Steuerplatten
10: Gehäusedeckel
11: Kurvenlaufbahn
12: Flügelkopf
13: Punktberührung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10118103 A1 [0001]
DE 102007007293 A1 [0007]
DE 102008002763 A1 [0008]
DE 19942466 A1 [0024]

Claims

Verstellbare Verdrängerpumpe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse (1), das einen Rotorensatz lagert, welcher zumindest aus einem Rotor (3), aus Rotorenelementen (4) und aus einem Kurvenring (5) mit einer Kurvenlaufbahn (11) für die Rotorenelemente (4) gebildet ist, und wenigstens ein Arbeitsraum (7), welcher durch die Rotorenelemente (4) in Arbeitszellen (8) unterteilt ist, wobei das Volumen der Arbeitszellen (8) durch Veränderung der Exzentrität zwischen Rotor (3) und Kurvenring (5) einstellbar ist, wobei der Kurvenring (5) aus Sinterstahl gebildet ist und die gesinterte Kurvenlaufbahn (11) des Kurvenrings (5) eine ballige Form aufweist, wobei der Kurvenring (5) ohne weitere Nachbearbeitung eingesetzt ist, und wobei die Rotorenelemente (4) jeweils im Wesentlichen mit einer Punktberührung (13) an der gesinterten Kurvenlaufbahn (11) anliegen.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorenelemente (4) jeweils im Bereich des Scheitelpunktes der Balligkeit an der Kurvenlaufbahn (11) anliegen.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Sinterstahles zwischen 6,5–7,5 g/cm³ liegt.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Sinterstahles zwischen 6,8–7,2 g/cm³ liegt.
Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit des Sinterstahles zwischen 550–650 N/mm² beträgt.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit des Sinterstahles zwischen 580–620 N/mm² beträgt.
Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Härteprüfung nach Brinell größer 120 HB ist.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Härteprüfung nach Brinell größer 160 HB ist.