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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit mindestens einer Reibpaarung, die zwei Reibflächen umfasst, die an Reibpartnern vorgesehen sind und im Betrieb der Vakuumpumpe relativ zueinander bewegt werden.
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Aus der internationalen Veröffentlichung
WO 01/48381 A2 ist eine Vakuumpumpe mit einem antreibbaren Rotor bekannt, über den mindestens ein Flügel in einem Gehäuse in Rotation versetzbar ist. Der Rotor und/oder der Flügel bestehen/besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Rotor wird durch spanlose Formung, vorzugsweise durch Fliespressen, hergestellt. Zumindest ein Teil des Gehäuses der Vakuumpumpe ist ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Rotor und/oder der Flügel sind eloxiert. Beim Eloxieren wird eine oxidische Schutzschicht auf dem Aluminium beziehungsweise der Aluminiumlegierung ausgebildet. Die oxidische Schutzschicht dient zum Schutz gegen Abrieb.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 herzustellen, die kostengünstig herstellbar ist und/oder eine lange Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe ist bei einer Vakuumpumpe mit mindestens einer Reibpaarung, die zwei Reibflächen umfasst, die an Reibpartnern vorgesehen sind und im Betrieb der Vakuumpumpe relativ zueinander bewegt werden, dadurch gelöst, dass beide Reibpartner aus einem unbeschichteten Aluminiummaterial gebildet sind. Das Aufbringen einer Beschichtung, zum Beispiel durch Eloxieren, ist relativ aufwendig und teuer. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Reibpaarung von zwei Reibpartnern aus einem unbeschichteten Aluminiummaterial in einer Vakuumpumpe besonders vorteilhaft ist. Zum einen kann ein unerwünschter Verschleiß im Betrieb der Vakuumpumpe durch das unbeschichtete Aluminiummaterial gering gehalten werden. Darüber hinaus können mit den beiden Reibpartnern aus dem unbeschichteten Aluminiummaterial relativ kleine Spalte zwischen den Reibflächen dargestellt werden. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Spalte zwischen den Reibflächen durch die Verwendung des unbeschichteten Aluminiummaterials im Hinblick auf ihre betriebsbedingt notwendige Spaltgröße relativ konstant gehalten werden können. Das heißt, die Größe der Spalte zwischen den Reibflächen ändert sich auch in Abhängigkeit von unterschiedlichen Einsatztemperaturen viel weniger als bei herkömmlichen Reibpaarungen. Ausschlaggebend für die Qualität der Reibpaarung ist die feinste Verteilung von Siliziumpartikeln in dem unbeschichteten Aluminiummaterial.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial einen Siliziumanteil von mehr als fünfzehn Prozent aufweist und Hartstoffpartikel enthält. Das Aluminiummaterial liegt vorzugsweise in einer Legierung vor, die neben Silizium noch andere Elemente wie Eisen und/oder Nickel, enthalten kann. Die Hartstoffpartikel sind vorzugsweise aus Siliziumcarbid gebildet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel kleiner als zehn Mikrometer sind. Die Hartstoffpartikel haben vorzugsweise eine Größe von circa fünf Mikrometern.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel in einer Aluminiummatrix feinst verteilt sind. Durch die feinste Verteilung werden die Verschleißeigenschaften auch ohne Beschichtung erheblich verbessert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Reibpartner durch Sprühkompaktieren aufgebaut und umgeformt sind. Beim Sprühkompaktieren wird ein Aluminiumwerkstoff mit den Hartstoffpartikeln angereichert. Beim Umformen, insbesondere Fließumformen, wird ein sprühkompaktiertes Zwischenprodukt in eine gewünschte Gestalt gebracht. Das sprühkompaktierte Zwischenprodukt wird vorteilhaft vor dem Umformen spanend bearbeitet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Reibpartner als Gussteile ausgeführt sind. Dabei werden durch einen besonders schnellen Abkühlvorgang nach dem Gießen vergleichbare Materialeigenschaften wie beim Sprühkompaktieren und anschließendem Umformen erreicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen von beiden Reibpartnern spanend und/oder durch Rollieren bearbeitet sind. Durch die spanende Bearbeitung können besonders hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden. Beim Rollieren werden Siliziumpartikel in die Matrix aus Aluminiummaterial gedrückt, wodurch die Oberflächenqualität verbessert wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reibpartner als Rotor ausgeführt ist. Der Rotor ist vorzugsweise mit mindestens einem Flügelschlitz ausgestattet, der zur Aufnahme beziehungsweise Führung eines Flügels dient.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reibpartner als Gehäusekörperteil ausgeführt ist. Bei dem Gehäusekörperteil handelt es sich zum Beispiel um einen Gehäusetopf, einen Hubring oder einen Gehäusedeckel der Vakuumpumpe.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Reibpartner durch Warmfließpressen umgeformt und danach spanend bearbeitet sind. Diese Vorgehensweise hat sich bei der Verwendung der Reibpaarung in einer Vakuumpumpe als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial eine Zugfestigkeit von mehr als 500 Newton pro Quadratmillimeter aufweist. Das Aluminiummaterial weist vorteilhaft eine Zugfestigkeit von bis zu 750 Newton pro Quadratmillimeter auf.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial eine Bruchdehnung aufweist, die kleiner als 20 Prozent ist. Dadurch kann die Lebensdauer der Vakuumpumpe erhöht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial ein Gewicht von weniger als fünf Gramm pro Kubikzentimeter aufweist. Das Aluminiummaterial hat vorzugsweise ein Gewicht von circa zwei bis drei Gramm pro Kubikzentimeter.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial einen Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen vierzehn und dreiundzwanzig mal zehn hoch minus sechs pro Kelvin aufweist. Diese Werte haben sich im Betrieb der Vakuumpumpe als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Reibpartner im Wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dadurch können die Spalte zwischen den Reibflächen relativ konstant gehalten werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Reibpartner aus dem gleichen Aluminiummaterial gebildet sind. Das hat sich sowohl im Hinblick auf den Verschleiß als auch im Hinblick auf die Temperaturausdehnung im Betrieb der Vakuumpumpe als vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe als Flügelzellenpumpe, insbesondere als Monoflügelzellenpumpe, ausgeführt ist. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe dient vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug zum Beispiel dazu, ein Vakuum für ein Nebenaggregat, wie einen Bremskraftverstärker, zu erzeugen. Die Vakuumpumpe kann alternativ oder zusätzlich in dem Kraftfahrzeug für andere Zwecke verwendet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel plättchenförmig, sternförmig oder polyhedral ausgebildet sind. Bei der sternförmigen oder sternenförmigen Ausbildung der Hartstoffpartikel sind diese vorteilhaft fünfachsig ausgeführt, ausgehend von einem Nukleus. Bei der polyhedralen Ausbildung sind die Hartstoffpartikel vorzugsweise hexagonal oder oktogonal ausgebildet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen mehr als fünfzig Hartstoffpartikel pro Quadratmillimeter aufweisen. Diese Anzahl von Hartstoffpartikeln pro Flächeneinheit hat sich im Betrieb der Vakuumpumpe als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen etwa hundert Hartstoffpartikel pro Quadratmillimeter aufweisen. Die Hartstoffpartikel sind vorzugsweise gleichmäßig über die Reibfläche verteilt angeordnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Reibpartner eine Gefügestruktur aufweist, die durch Sprühkompaktieren erzeugt worden ist. Dadurch kann der Verschleiß im Betrieb der Vakuumpumpe gering gehalten werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Die einzige beiliegende Figur zeigt eine perspektivische und teilweise stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.
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In 1 ist eine Vakuumpumpe 1 perspektivisch und teilweise stark vereinfacht dargestellt. Die Vakuumpumpe 1 umfasst ein Gehäuse, das in 1 nur durch drei Schraffuren 5, 6, 7 angedeutet ist. Die Schraffuren 5, 6, 7 stellen Reibpartner dar, die von unterschiedlichen Gehäusekörperteilen gebildet werden können. Die Reibpartner 5, 6, 7 können aber auch an ein und demselben Gehäusekörperteil ausgebildet sein.
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Die Vakuumpumpe 1 ist als Flügelzellenpumpe ausgeführt und dient beispielsweise dazu, in einem Unterdruckraum eines Bremskraftverstärkers ein Vakuum zu erzeugen. In dem Gehäuse der Vakuumpumpe 1 ist zu diesem Zweck ein Rotor 10 um eine Drehachse 12 drehbar angeordnet.
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Die Drehachse 12 des Rotors 10 fällt vorzugsweise mit einer Längsachse des Rotors 10 zusammen. Der Rotor 10 wird zum Beispiel durch eine Antriebswelle angetrieben und führt einen nur durch eine Schraffur 8 angedeuteten Flügel, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der Flügel 8 stellt einen weiteren Reibpartner dar.
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Wenn sich der Rotor 10 um seine Drehachse 12 dreht, dann kommt es in einem Saugraum der Vakuumpumpe zu einer Volumenvergrößerung, die ein Ansaugen eines Arbeitsmediums in den Saugraum bewirkt. Gleichzeitig kommt es in einem Druckraum der Vakuumpumpe zu einer Volumenabnahme, die ein Fördern des Arbeitsmediums aus dem Druckraum bewirkt.
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Der Rotor 10 umfasst einen Rotorgrundkörper 13 mit einem Lagerabschnitt 14. Der Lagerabschnitt 14 dient dazu, den Rotor 10 drehbar in dem Gehäuse der Vakuumpumpe 1 zu lagern. Ein Flügelaufnahmeabschnitt 15 ist einstückig mit dem Lagerabschnitt 14 verbunden. Der Flügelaufnahmeabschnitt 15 hat, ebenso wie der Lagerabschnitt 14, im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, der einen größeren Außendurchmesser als der Lagerabschnitt 14 aufweist.
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Der Flügelaufnahmeabschnitt 15 umfasst einen Flügelaufnahmeschlitz 18, der einseitig geöffnet ist und zur Aufnahme beziehungsweise Führung des Flügels 8 der Flügelzellenpumpe dient. An dem freien Ende des Lagerabschnitts 14 ist an dem Rotor 10 ein Kopplungselement 20 ausgebildet. Das Kopplungselement 20 dient dazu, den Rotor 10 antriebsmäßig mit einer Antriebswelle zu verbinden.
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Der gehäuseseitige Reibpartner 5 weist eine Reibfläche 21 auf, relativ zu der sich eine rotorseitige Reibfläche 22 bewegt, die in dem Lagerabschnitt 14 an dem Rotor 10 ausgebildet ist. Die gehäuseseitige Reibfläche 21 und die rotorseitige Reibfläche 22 stellen eine erste Reibpaarung 41 dar.
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Der gehäuseseitige Reibpartner 6 weist eine Reibfläche 31 auf, relativ zu der sich eine rotorseitige Reibfläche 32 bewegt, die an einer Schulter des Rotors 10 ausgebildet ist. Die beiden Reibflächen 31 und 32 stellen eine zweite Reibpaarung 42 dar.
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Der gehäuseseitige Reibpartner 7 weist eine Reibfläche 51 auf, relativ zu der sich eine rotorseitige Reibfläche 52 bewegt, die an dem dem Kopplungselement 20 abgewandten Ende des Rotors 10 ausgebildet ist. Die beiden Reibflächen 51 und 52 stellen eine dritte Reibpaarung 43 dar.
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Der Flügel 8 weist eine Reibfläche 61 auf, relativ zu der sich eine rotorseitige Reibfläche 62 bewegt, die in dem Flügelaufnahmeschlitz 18 an dem Rotor 10 ausgebildet ist. Die beiden Reibflächen 61 und 62 stellen eine vierte Reibpaarung dar.
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Die gehäuseseitigen Reibpartner 5, 6, 7 und die rotorseitigen Reibpartner 22, 32, 52 der Reibpaarungen 41, 42, 43 sind alle aus dem gleichen unbeschichteten Aluminiummaterial gebildet. Der flügelseitige Reibpartner 61 und der rotorseitige Reibpartner 62 sind vorteilhaft aus dem gleichen unbeschichteten Aluminiummaterial gebildet. Das Aluminiummaterial umfasst einen Siliziumanteil von mehr als fünfzehn Prozent und Hartstoffpartikel in Form von Siliziumcarbid. Die Hartstoffpartikel in dem Aluminiummaterial haben jeweils eine Größe von fünf Mikrometer. Durch Sprühkompaktieren sind die Hartstoffpartikel in einer Aluminiummatrix feinst verteilt.
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Die Reibpartner 5, 6, 7 und 22, 32, 52 werden zunächst durch Sprühkompaktieren auf einen Rohling aufgebaut. Die aufgebauten Zwischenprodukte werden, gegebenenfalls nach einer spanenden Bearbeitung, durch Warmfliespressen umgeformt. Danach werden die Umformteile noch einmal spanend und/oder durch Rollieren bearbeitet, um die Reibflächen 21, 22; 31, 32; 51, 52; 61, 62 darzustellen.
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Durch die Bearbeitung des Aluminiummaterials können Zugfestigkeiten von mehr als 500 Newton pro Quadratmillimeter, insbesondere bis zu 750 Newton pro Quadratmillimeter, erreicht werden. Das Aluminiummaterial der Reibpartner 5, 6, 7; 22, 32, 52 hat nach der Bearbeitung eine Bruchdehnung, die kleiner als zwanzig Prozent ist, und ein Gewicht von zwei bis drei Gramm pro Kubikzentimeter.
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Darüber hinaus haben sämtliche Reibpartner 5, 6, 7; 22, 32, 52 den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen vierzehn und dreiundzwanzig mal zehn hoch minus sechs pro Kelvin liegt.
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Die Hartstoffpartikel sind, je nach Anwendung, plättchenförmig, sternförmig oder polyhedral ausgebildet. In den Reibflächen 21, 22; 31, 32; 51, 52; 61, 62 sind etwa hundert Hartstoffpartikel der vorab genannten Größe pro Quadratmillimeter angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumpumpe
- 5
- Reibpartner
- 6
- Reibpartner
- 7
- Reibpartner
- 8
- Reibpartner
- 10
- Rotor
- 12
- Drehachse
- 13
- Rotorgrundkörper
- 14
- Lagerabschnitt
- 15
- Flügelaufnahmeabschnitt
- 18
- Flügelaufnahmeschlitz
- 20
- Kopplungselement
- 21
- Reibfläche
- 22
- Reibfläche
- 31
- Reibfläche
- 32
- Reibfläche
- 41
- Reibpaarung
- 42
- Reibpaarung
- 43
- Reibpaarung
- 44
- Reibpaarung
- 51
- Reibfläche
- 52
- Reibfläche
- 61
- Reibfläche
- 62
- Reibfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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