DE102011082577A1

DE102011082577A1 - Zahnradpumpe und Verfahren zum Herstellen einer Zahnradpumpe

Info

Publication number: DE102011082577A1
Application number: DE201110082577
Authority: DE
Inventors: Josef Frank; Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-14
Also published as: WO2013037535A1; EP2756194A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe zum Fördern eines fluidförmigen Mediums, insbesondere zum Fördern von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem, welche eine Pumpeneinheit und eine Antriebseinheit aufweist, welche gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Antriebseinheit einen Motor mit einer Vielzahl von Wicklungen umfasst, welche mit Strom beaufschlagbar sind, um ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, und wobei die Pumpeneinheit ein drehbar gelagertes außenverzahntes Zahnrad und einen innenverzahnten Zahnring aufweist, welche exzentrisch zueinander gelagert sind, zusammen eine Verzahnung bilden und zur Erzeugung einer Förderwirkung in kämmendem Eingriff stehen, wobei der als Rotor wirkende innenverzahnte Zahnring mit einer Vielzahl von Magneten versehen ist, wobei jeder von der Vielzahl von Magneten in dem innenverzahnten Zahnring eingebettet ist und vollständig von dem Material des innenverzahnten Zahnrings umgeben ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Zahnradpumpe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Stand der Technik
Als elektrische Förderpumpen zum Fördern von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem, wie beispielsweise in einem Common Rail System, werden unter anderem Innenzahnradpumpen, Außenzahnradpumpen und Flügelzellenpumpen mit sogenannter integrierter Bauform eingesetzt, bei welcher die Förder- und Antriebseinheiten eine nicht trennbare Einheit bilden, welche gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind.
In DE 10 2006 007 554 A1 ist eine elektrische Zahnradpumpe beschrieben, welche in einen Elektromotor integriert ist. Die Zahnradpumpe umfasst ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad. Zwischen den beiden Zahnrädern bildet sich ein Förderraum aus. Das zweite Zahnrad lagert in seiner Mitte auf einem Dorn. Das erste Zahnrad ist ein Außenzahnrad und bildet den Rotor, das zweite Zahnrad ist ein Innenzahnrad, welches im außermittigen Zentrum des ersten Zahnrads mitgeschleppt wird. Das erste Zahnrad umfasst eingeklebte Permanentmagnete, die über den Umfang verteilt angeordnet sind. Äußere Magnetfelderzeuger erzeugen ein umlaufendes, sich rotatorisch änderndes Feld, welches das direkte motorische Folgen des Rotors hervorruft.
Die im Stand der Technik bekannten elektrischen Zahnradpumpen mit integrierter Bauform weisen in der Regel starke Magnete, die beispielsweise aus NdFeB (Neodymeisenbor) hergestellt sind, auf, welche jedoch bei Kontakt mit Kraftstoff stark oxidieren und dabei ihre magnetischen Eigenschaften verändern, wodurch die Funktion der elektrischen Zahnradpumpe nicht mehr gegeben ist.
Um dies zu vermeiden, ist es daher erforderlich, diese NdFeB-Magnete vor einem Kontakt mit Kraftstoff zu schützen. Aus dem Stand der Technik sind dazu Varianten bekannt, die ein Beschichten der Magnete mit Nickel oder Ni-Cu-Ni umfassen. Jedoch ist ein dauerhafter Schutz der Magnete vor einem Kontakt mit Kraftstoff hierdurch auch nicht möglich.
Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Variante sieht vor, Magnete nicht aus NdFeB herzustellen sondern aus Eisen-Ferrit, das dem Kontakt mit Kraftstoff standhält. Jedoch sind solche Magnete lediglich schwach magnetisch, so dass sie für den Einsatz in einer elektrischen Zahnradpumpe nicht geeignet sind.
Daher ist es wünschenswert, eine Zahnradpumpe und ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnradpumpe bereitzustellen, bei welcher starke Magnete effektiv vor einem Kontakt mit Kraftstoff geschützt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Zahnradpumpe zum Fördern eines fluidförmigen Mediums, insbesondere zum Fördern von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem, bereitgestellt, welche eine Pumpeneinheit und eine Antriebseinheit aufweist, welche gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Antriebseinheit einen Motor mit einer Vielzahl von Wicklungen umfasst, welche mit Strom beaufschlagbar sind, um ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, und wobei die Pumpeneinheit ein drehbar gelagertes außenverzahntes Zahnrad und einen innenverzahnten Zahnring aufweist, welche exzentrisch zueinander gelagert sind, zusammen eine Verzahnung bilden und zur Erzeugung einer Förderwirkung in kämmendem Eingriff stehen, wobei der als Rotor wirkende innenverzahnte Zahnring mit einer Vielzahl von Magneten versehen ist, wobei jeder von der Vielzahl von Magneten in dem innenverzahnten Zahnring eingebettet ist und vollständig von dem Material des innenverzahnten Zahnrings umgeben ist. Durch vollständiges Einbetten der Magnete in dem Material des innenverzahnten Zahnrings sind die Magnete vor der Einwirkung von Kraftstoff geschützt, da dieser nicht in das Innere des Zahnrings eindringen kann. Eine Oxidation der Magnete durch Kraftstoff wird dadurch verhindert und die Magnete behalten ihre magnetischen Eigenschaften über einen langen Zeitraum.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der innenverzahnte Zahnring mittels eines MIM-(Metal Injection Molding)-Verfahrens hergestellt. Dies ist eine kostengünstige und effektive Variante, um die Einbettung der Magnete in dem Zahnring zu realisieren.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material des innenverzahnten Zahnrings Stahl.
Vorzugsweise sind die Magnete aus NdFeB (Neodymeisenbor) hergestellt. Diese Magnete sind besonders stark und daher gut für die Verwendung in einer elektrischen Zahnradpumpe geeignet.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zahnradpumpe als Innenzahnradpumpe ausgebildet.
Gemäß der Erfindung wird darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnradpumpe bereitgestellt, welches einen Schritt zum Herstellen eines als Rotor wirkenden innenverzahnten Zahnrings mittels eines MIM-(Metal Injection Molding)-Verfahrens umfasst, welches die Schritte aufweist des Positionierens einer Vielzahl von Magneten in einem MIM-Werkzeug mittels einer Vielzahl von Rückzugskernen, welche während des MIM-Verfahrens aus einer durch das MIM-Werkzeug gebildeten Kavität zurückgezogen werden; und Durchführens des MIM-Verfahrens zum Bilden des innenverzahnten Zahnrings. Durch Anwenden eines MIM-Verfahrens zum Bilden des innenverzahnten Zahnrings können die Magnete während dessen Herstellung auf einfache Weise in dem Zahnring eingebettet und somit geschützt werden. Durch Verwenden der sogenannten Rückzugskerne ist es möglich, die Magnete vollständig durch das Material, aus welchem der Zahnring hergestellt wird, zu umschließen.
Vorzugsweise wird der mittels des MIM-Verfahrens gebildete innenverzahnte Zahnring, in welchen eine Vielzahl von Magneten vollständig eingebettet sind, mittels eines spanenden Bearbeitungsschrittes nachbearbeitet. Der innenverzahnte Zahnring sollte vorzugsweise nach der Bearbeitung keine offenporige Porosität aufweisen, um so einen besonders effektiven Schutz für die darin eingebetteten Magnete vor korrosiven Einwirkungen vorzusehen.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Vielzahl von in den innenverzahnten Zahnring eingebetteten Magnete nach Beendigung des MIM-Verfahrens, insbesondere nach dem spanenden Bearbeitungsschritt, nachträglich magnetisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine elektrische Zahnradpumpe in auseinandergezogenen Einzelteilen gemäß einer Ausführungsform;
2 die Kernkomponenten der in 1 dargestellten Zahnradpumpe; und
3 einen halben Schnitt durch einen innenverzahnten Zahnring einer Zahnradpumpe gemäß einer Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine elektrische Zahnradpumpe 1 in auseinandergezogenen Einzelteilen gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die hier dargestellte elektrische Zahnradpumpe 1 ist von der sogenannten „integrierten Bauform“, bei welcher die Antriebseinheit 2, welche hier den Stator 3 mit den Wicklungen 4 (siehe 2) und mit einem Stecker 16 umfasst, und die Pumpeneinheit 5, welche hier den als Rotor wirkenden innenverzahnten Zahnring 6 und das außenverzahnte Zahnrad 7 (Ritzel) umfasst, als nicht trennbare Einheit ausgebildet sind, so dass sie gemeinsam in einem Gehäuse 8 angeordnet werden können. Das Gehäuse 8 ist mittels eines Deckels 9, in welchem auch ein saugseitiger Zulaufkanal 10 und ein druckseitiger Ablaufkanal, welche jeweilig als Zu- und Ablaufniere ausgebildet sind, sowie ein Axiallager 12, auf welchem das außenverzahnte Zahnrad 7 gelagert wird, vorgesehen sind, verschlossen. Darüber ist der Deckel 9 mit einer Vielzahl von Rippen 13 ausgebildet. Weiterhin ist in der Figur erkennbar, dass eine Vielzahl von Magneten 14, sechs Stück in der Ausführungsform, an dem als Rotor wirkenden innenverzahnten Zahnring 6 vorgesehen sind, welche hier mittels Kleben in dafür am Rotor vorgesehenen Ausnehmungen in diesem fixiert sind.
2 zeigt die Kernkomponenten der in 1 dargestellten Zahnradpumpe 1 ohne das sie umgebende Gehäuse 8. Wie hier erkennbar ist, bilden der innenverzahnte Zahnring 6 und das außenverzahnte Zahnrad 7 zusammen eine Verzahnung 18, in welcher eine Vielzahl von Förderräumen 15 gebildet wird. Das außenverzahnte Zahnrad 3 ist exzentrisch zum innenverzahnten Zahnring 2 drehbar auf dem in 1 dargestellten Axiallager 12 angeordnet. Wird das außenverzahnte Zahnrad 3 in eine Drehbewegung versetzt, so kämmt die Außenverzahnung des außenverzahnten Zahnrads 3 in der Innenverzahnung des innenverzahnten Zahnrings 2 und erzeugt einen Fördervolumenstrom des Fluids, in welchem die Verzahnung 18 läuft. Für den Antrieb der elektrischen Zahnradpumpe 1 werden die Wicklungen 4 so mit Strom beaufschlagt, dass ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt wird. Wie auch hier gut erkennbar ist, sind die Magnete 14, welche in den Rotor mittels Kleben integriert sind, an einer Oberfläche 17 des innenverzahnten Zahnrings 6 exponiert, so dass Kraftstoff, welcher durch die Zahnradpumpe 1 fließt, die Magnete 14 oxidieren und deren Magnetwirkung verschlechtern kann.
3 zeigt einen halben Schnitt durch einen als Rotor wirkenden innenverzahnten Zahnring 6 einer Zahnradpumpe 1, welcher mit einem außenverzahnten Zahnrad 7 die Verzahnung 18 bildet, gemäß einer Ausführungsform. Wie hier erkennbar ist, sind die Magnete 14 vollständig in das Material des innenverzahnten Zahnrings 6 eingebettet, welcher aus Stahl mittels eines MIM-(Metal Injection Molding)-Verfahrens hergestellt worden ist. Da der innenverzahnte Zahnring 6 die Magnete 14 vollständig umgibt, ist es für den Kraftstoff, der durch die Zahnradpumpe 1 hindurch gepumpt wird, nicht möglich, die Magnete 14 zu kontaktieren und durch den Kontakt zu oxidieren. Es können starke Magnete, beispielsweise aus NdFeb, verwendet werden, die nicht zusätzlich beschichtet werden müssen. Der innenverzahnte Zahnring 6 bietet einen dauerhaften und effektiven Schutz für die vollständig darin eingebetteten Magnete Zum Herstellen eines derartigen innenverzahnten Zahnrings 6 werden die Magnete 14 vor dem MIM-Prozess in eine entsprechende Form eingelegt. Positioniert werden die Magnete 14 dabei durch sogenannte „Rückzugskerne“, welche während des MIM-Prozesses wieder aus der durch die Form gebildete Kavität zurückgezogen werden, um ein vollständiges Umschließen der Magnete 14 durch das Material des zu bildenden innenverzahnten Zahnrings 6 bzw. Rotors zu ermöglichen. Da der MIM-Prozess durch bereits magnetisierte Magnete 14 möglicherweise negativ beeinflusst werden könnte und sich aufgrund der hohen Prozesstemperaturen die Magnete 14 ohnehin entmagnetisieren würden, werden die Magnete 14 in einem nachfolgenden Prozess, welcher einer spanenden Nachbearbeitung des zu bildenden innenverzahnten Zahnrings 6 folgt, magnetisiert.
Der so hergestellte innenverzahnte Zahnring 6 bietet einen effektiven und dauerhaften Schutz für die Magnete 14, so dass die Zahnradpumpe 1 gemäß der Erfindung über einen langen Zeitraum optimal arbeitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006007554 A1 [0003]

Claims

Zahnradpumpe (1) zum Fördern eines fluidförmigen Mediums, insbesondere zum Fördern von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem, welche eine Pumpeneinheit (5) und eine Antriebseinheit (2) aufweist, welche gemeinsam in einem Gehäuse (8) angeordnet sind, wobei die Antriebseinheit (2) einen Motor mit einer Vielzahl von Wicklungen (4) umfasst, welche mit Strom beaufschlagbar sind, um ein umlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, und wobei die Pumpeneinheit (5) ein drehbar gelagertes außenverzahntes Zahnrad (7) und einen innenverzahnten Zahnring (6) aufweist, welche exzentrisch zueinander gelagert sind, zusammen eine Verzahnung (18) bilden und zur Erzeugung einer Förderwirkung in kämmendem Eingriff stehen, wobei der als Rotor wirkende innenverzahnte Zahnring (6) mit einer Vielzahl von Magneten (14) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder von der Vielzahl von Magneten (14) in dem innenverzahnten Zahnring (6) eingebettet ist und vollständig von dem Material des innenverzahnten Zahnrings (6) umgeben ist.
Zahnradpumpe (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innenverzahnte Zahnring (6) mittels eines MIM-(Metal Injection Molding)-Verfahrens hergestellt ist.
Zahnradpumpe (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des innenverzahnten Zahnrings (6) Stahl ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (14) aus NdFeB hergestellt sind.
Zahnradpumpe (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (1) als Innenzahnradpumpe ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Zahnradpumpe (1), insbesondere gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen eines als Rotor wirkenden innenverzahnten Zahnrings (6) ein MIM-(Metal Injection Molding)-Verfahren angewendet wird, welches die folgenden Schritte aufweist – Positionieren einer Vielzahl von Magneten (14) in einem MIM-Werkzeug mittels einer Vielzahl von Rückzugskernen, welche während des MIM-Verfahrens aus einer durch das MIM-Werkzeug gebildeten Kavität zurückgezogen werden; – Durchführen des MIM-Verfahrens zum Bilden des innenverzahnten Zahnrings (6).
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des MIM-Verfahrens gebildete innenverzahnte Zahnring (6), in welchen eine Vielzahl von Magneten (14) vollständig eingebettet sind, mittels eines spanenden Bearbeitungsschrittes nachbearbeitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von in den innenverzahnten Zahnring (6) eingebetteten Magnete (14) nach Beendigung des MIM-Verfahrens, insbesondere nach dem spanenden Bearbeitungsschritt, nachträglich magnetisiert werden.