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Die vorliegende Erfindung betrifft eine trockenlaufende, ölfreie Vakuumpumpe mit einer reibungsoptimierten Lagerung.
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Trockenlaufende Vakuumpumpen dienen zum Evakuieren gasförmiger Medien, wie beispielsweise zur Erzeugung eines Vakuums in einem Bremskraftverstärker. Im Automotive-Bereich liegen weitere Anwendungen von trockenlaufenden Vakuumpumpen beispielsweise ebenso in der pneumatischen Verstellung von Abgasrückführungsventilen, von Abgasklappen, von Leitschaufeln an Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, und von einem Bypass zur Ladedruckregelung mit einem Wastegate, sowie in der Betätigung einer Zentralverriegelung, oder zum Öffnen und Schließen von Scheinwerferklappen. Im Anlagenbau können trockenlaufende Vakuumpumpen im Allgemeinen zur Unterdruckversorgung von elektropneumatischen Ventilen oder pneumatischen Stellgliedern dienen.
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Im Stand der Technik sind hierzu vorwiegend umlaufende Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Flügelzellenpumpen bzw. Drehschieberpumpen bekannt und werden weit verbreitet eingesetzt. Einige Pumpen benötigen die Bereitstellung eines Schmierfilms zwischen den rotierenden und feststehenden Pumpenbauteilen, um eine ausreichend gasdichte Abdichtung sowie einen geringen Reibungsverschleiß an Kontaktflächen zu gewährleisten. Das Erfordernis eines Schmierfilms in einer Vakuumpumpe wirft Problemstellungen hinsichtlich der temperaturabhängigen Viskosität des Schmiermittels und der Verunreinigung durch Absorption von Partikeln aus der abgeführten Luft auf. Diese Nachteile kommen unter schwankenden Umgebungsbedingungen einer mobilen Anwendung und insbesondere verstärkt bei einer Installation in einem Motorraum eines Fahrzeugs zum Tragen. Zudem müssen derartige Pumpen stets an eine Schmiermittelzufuhr angebunden bzw. in ein schmiermittelführendes System integriert werden.
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Um das zuvor genannte Problem zu vermeiden, sind im Stand der Technik trockenlaufende Vakuumpumpen bekannt. Für die Lagerungen von beweglichen Pumpenteilen in solchen trockenlaufenden Vakuumpumpen ist eine Schmierung für die Lebensdauer der Pumpe vorgesehen. Eine Schmierung für die Lebensdauer wird in Form einer abgedichteten Schmierstofffüllung eines viskosen Schmierstoffs oder eines Festschmierstoffs, wie insbesondere Graphit, das in den entsprechenden Lagern eingebracht wird, während der Herstellung der Pumpe einmalig bereitgestellt. Wenn sich die Pumpe durch Reibung des Pumpenmechanismus erwärmt, können sich viskose Schmierstoffe verflüssigen, sodass diese leichter aus einem Lager austreten und verloren gehen.
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Die
DE 10 2015 010 846 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Orbiter-Vakuumpumpe, deren Aufbau der Pumpenbaugruppe dem Aufbau der Pumpenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ähnlich ist. Die beweglichen Teile der Pumpenbaugruppe sind mit Gleitflächen bzw. Gleitlagerungen ausgestattet. Allerdings besteht ein Bedarf an einer Optimierung von Lagerungen einer derartigen trockenlaufenden Orbiter-Vakuumpumpe.
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Die
WO 2010/009603 A1 zeigt eine Orbiter-Exzenterpumpe, bei der eine Nabe in der Mitte des Exzenterkolbens mittels eines Wälzlagers gelagert ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Reibungsverluste im Betrieb der trockenlaufenden Orbiter-Vakuumpumpe sowie einen Temperaturanstieg im Bereich einer Schmierstofffüllung zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße, trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Orbiter-Exzenterkolben aus einem spritzgussfähigen Werkstoff besteht, in dem Orbiter-Exzenterkolben eine Hülse eingegossen ist, und ein Außenring des Wälzlagers in die eingegossene Hülse eingepasst ist.
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Somit sieht die Erfindung erstmals eine trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe vor, bei der der Orbiter-Exzenterkolben aus einem spritzgussfähigen Werkstoff besteht; in dem Orbiter-Exzenterkolben eine Hülse eingegossen ist; und ein Außenring des Wälzlagers in die eingegossene Hülse eingepasst ist. Dieser anwendungsoptimierte Aufbau zur Aufnahme des Wälzlagers in dem Orbiter-Exzenterkolben bringt zwei Vorteile mit sich.
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Zum einen kann durch einen spritzgussfähigen Werkstoff, wie insbesondere einem Kunststoff, ein Werkstoff mit einer geringeren Masse im Vergleich zu einem Metall gewählt werden, wodurch eine beschleunigte Masse der Kolbentrommel als bewegtes Pumpenteil verringert werden kann.
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Zum anderen kann eine exaktere Passung und Fluchtung des Wälzlagers in der Kolbentrommel bereitgestellt werden. Die Hülse kann als ein spanabhebend gefertigtes Drehteil mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden. Als Übergangsbereich und Kontaktfläche zwischen Wälzlager und Kolbentrommel kann die Hülse vorzugsweise aus demselben Material wie das Wälzlager oder mit einer ähnlichen Materialhärte bereitgestellt sein. Insbesondere wenn der spritzgussfähige Werkstoff eine geringere Härte als das Material des Außenrings des Wälzlagers aufweist, kann durch die Hülse verhindert werden, dass sich im Laufe des Betriebs das härtere Material des Wälzlagers in das weichere Material des Orbiter-Exzenterkolbens hinein arbeitet und ein ursprüngliches Passungsmaß erweitert, was zu Vibrationen und weiteren dynamischen Folgeschäden führen würde.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wälzlager ein Nadellager mit nadelförmigen Wälzköpern sein. Das Nadellager bringt zwei Vorteile für eine geeignete Lagerung des Orbiter-Exzenterkolbens mit sich.
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Zum einen nehmen die nadelförmigen Wälzkörper eine geringe radiale Höhe in Anspruch, sodass das Nadellager, insbesondere im Vergleich zu z.B. einem Kugellager, eine geringe radiale Abmessung aufweist. In Bezug auf die Pumpengeometrie ist es sinnvoll, den Führungsschlitz, in dem der Sperrschieber ein- und aus gleitet, möglichst symmetrisch, d.h. zentral durch die Kolbentrommel des Orbiter-Exzenterkolbens verlaufen zu lassen. In dem Mittelpunkt der Kolbentrommel muss jedoch eine Lagerstelle für den Kurbelzapfen angeordnet und zusätzlich ein Bauraum für eine Lagerung freigehalten werden. Durch den geringen radialen Bauraum, der für das Nadellager erforderlich ist, kann der Führungsschlitz relativ nahe zum Mittelpunkt der Kolbentrommel verlaufen, insbesondere im Vergleich zu einem entsprechend erforderlichen radialen Bauraum eines Kugellagers.
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Zum anderen können die nadelförmigen Wälzkörper Kippmomente in Bezug zur Rotationsachse besser aufnehmen, als dies z.B. bei kugelförmigen Wälzkörpern der Fall ist. Somit kann während einer Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens eine fluchtende Führung der Kolbentrommel zwischen den Stirnseiten der Pumpenkammer verbessert und eine entsprechende Reibung verringert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wälzlager zu beiden axialen Seiten eine Dichtung aufweisen. Hierdurch kann eine Schmierstofffüllung für die Wälzkörper zurückgehalten werden, sodass der Schmierstoff nicht durch einen Unterdruck in der Pumpenkammer aus dem Wälzlager entweicht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Außenring des Wälzlagers topfförmig ausgebildet sein, wobei ein Bodenabschnitt des topfförmigen Außenrings eine axiale Seite des Wälzlagers zu einem freien Ende des Kurbelzapfens abschließt; und auf der gegenüberliegenden, geöffneten Seite des topfförmigen Außenrings kann eine Dichtung angeordnet sein, welche die andere axiale Seite des Wälzlagers zu einer Umfangsfläche des Kurbelzapfens abdichtet. Durch diese anwendungsoptimierte Ausgestaltung kann eine axiale Seite des Wälzlagers hermetisch abgeschlossen werden. Dadurch kann noch besser verhindert werden, dass eine Schmierstofffüllung in dem Wälzlager verbleibt und nicht durch einen Unterdruck in der Pumpenkammer aus dem Wälzlager entweicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen der Orbiter-Vakuumpumpe mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch die Pumpenkammer einer Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Orbiter-Exzenterkolben einer Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in dem ein Wälzlager eingepasst ist;
- 3 einen axialen Querschnitt entlang einer Pumpenwelle durch die Orbiter-Vakuumpumpe aus 1;
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3 in Bezug auf ein Wälzlager; und
- 5 ein Wälzlager an einer Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Wie die 1 bis 3 zeigen, wird die Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einem Pumpengehäuse 1 gebildet, das eine Pumpenkammer 2 mit einer zylindrischen Kammerwand umfasst. In dem Pumpengehäuse 1 ist eine Welle 10 mittels eines Wellenlagers 11 drehbar gelagert angeordnet. Auf der Welle 10 ist eine Exzenterscheibe 12 mit einem exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen 8 fixiert. Der Kurbelzapfen 8 greift in den Mittelpunkt eines als Kolbentrommel ausgebildeten zylindrischen Orbiter-Exzenterkolbens 3 ein.
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Die Exzenterscheibe 12 führt über den Kurbelzapfen 8 eine Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolben 3 durch die Pumpenkammer 2 aus, wobei ein umlaufender Gleitkontakt des Orbiter-Exzenterkolbens 3 zu der zylindrischen Kammerwand aufrechterhalten wird. In dem Orbiter-Exzenterkolben 3 ist ein Führungsschlitz 4 angeordnet, der einen Sperrschieber 5 gleitfähig aufnimmt. Der Sperrschieber 5 ist an einem freien Ende in der Kammerwand schwenkbar gelagert und erstreckt sich durch die Pumpenkammer 2 zu dem Orbiter-Exzenterkolben 3. Hierzu ist ein Schwenklager 14 zwischen einer Einlassöffnung 6 und einer Auslassöffnung 7 in der Kammerwand angeordnet. In Abhängigkeit einer Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 auf der Umlaufbewegung in der Pumpenkammer 2, gleitet ein Abschnitt des Sperrschiebers 5, der dem schwenkbar gelagerten Ende gegenüberliegt, in den Führungsschlitz 4 ein und aus. Dabei wird die Pumpenkammer 2 beiderseits des Sperrschiebers 5 in zwei Volumina aufgeteilt, von denen eines mit der Einlassöffnung 6 und eines mit der Auslassöffnung 7 kommuniziert.
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Die Volumina beiderseits des Sperrschiebers 5 verändern sich mit dem umlaufenden Gleitkontakt zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und der zylindrischen Kammerwand in gleichen Anteilen gegensätzlich zueinander, sodass ein zyklischer Verdrängungsvorgang innerhalb einer Umdrehung der Welle 10 bzw. einer Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 vollzogen wird. Bei der Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 steigt ein für den Verdrängungsvorgang erforderliches Drehmoment während der Zunahme des mit dem Einlass 6 kommunizierenden Volumens an und fällt bei Erreichen eines maximalen Volumens abrupt ab. Die Darstellung in 1 zeigt eine Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 etwa auf halber Strecke vor einem oberen Totpunkt, in dem das mit dem Einlass 6 kommunizierende Volumen der Pumpenkammer 2 ein nahezu maximales Volumen erreicht, und dessen Inhalt danach aus dem Auslass 7 ausgeschoben wird. Die Welle 10 wird durch einen Elektromotor 13 angetrieben.
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Der Orbiter-Exzenterkolben 3, der in 2 dargestellt ist, ist als Formteil mittels Spritzguss aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. In dem Mittelpunkt der Kolbentrommel des Orbiter-Exzenterkolbens 3 ist ein nachstehend näher beschriebenes Wälzlager 9 angeordnet, in welches der Kurbelzapfen 8 der Exzenterscheibe 12 eingreift.
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In 4 wird ein alternativer, ergänzender Aspekt des Wälzlagers 9 in einem vergrößerten Ausschnitt aus 3 dargestellt. Das Wälzlager 9 weist einen Außenring 93, einen Lagerkäfig 91, nadelförmige Wälzkörper 90 und eine Dichtung 92 in Form einer nach innen gerichteten radialen Dichtlippe auf. Der Außenring 93 wird einschließlich des Lagerkäfigs 91 und den Wälzkörpern 90 in eine entsprechende Bohrung im Mittelpunkt der Kolbentrommel des Orbiter-Exzenterkolbens 3 mittels einer Presspassung eingebracht. Der Lagerkäfig 91 führt die nadelförmigen Wälzkörper 90 auf einer axialen Laufbahn zwischen dem Außenring 93 und dem Umfang des Kurbelzapfens 8, und er hält die nadelförmigen Wälzkörper 90 innerhalb der Laufbahn auf gleichmäßig über den Umfang verteilten Abständen zueinander. Die Wälzkörper 90 und der Lagerkäfig 91 sind innerhalb des Außenrings 93 von einer Schmierstofffüllung umgeben. Ein Aufnahmevolumen zur Aufnahme der Schmierstofffüllung in dem Wälzlager 9 wird von der Dichtung 92 abgegrenzt, wobei die radiale Dichtlippe ein Austreten des Schmierstoffs entlang des Umfangs des Kurbelzapfens 8 unterdrückt.
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Im Besonderen, und d.h. im Unterschied zu einem herkömmlichen Wälzlager bzw. Nadellager, weist das abgebildete Wälzlager 9 einerseits keinen Innenring auf und andererseits ist der Außenring 93 topfförmigen ausgebildet. Der Bodenabschnitt des topfförmigen Außenrings 93 schließt das Wälzlager 9 zu einer axialen Seite ab und stellt eine Anlauffläche für ein freies Ende des Kurbelzapfens 8 bereit. Da der topfförmige Außenring 93 mittels des Bodenabschnitts eine hermetisch geschlossene Seite aufweist und lediglich eine Dichtung 92 auf der gegenüberliegenden Seite benötigt, verschafft die Konstruktion des Wälzlagers 9 den anwendungsspezifischen Vorteil einer besseren Abdichtung der Schmierstofffüllung, insbesondere gegen einen Austritt des Schmierstoffs aus dem Wälzlager 9, während in der umgebenden Pumpenkammer 2 ein Unterdruck erzeugt wird. Somit wird im Betrieb als Vakuumpumpe eine längere Lebensdauer des Wälzlagers 9 und somit der Orbiter-Vakuumpumpe im Allgemeinen erzielt.
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Eine weitere, alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Orbiter-Vakuumpumpe, die in 5 dargestellt ist, unterscheidet sich in Bezug auf einen Übergangsbereich zwischen der Kolbentrommel des Orbiter-Exzenterkolbens 3 und dem Wälzlager 9. Auch in dieser Ausführungsform ist der Außenring 93 des Wälzlagers 9 mittels einer Presspassung eingebracht und fixiert. Allerdings wird die zylindrische Passungsfläche, die den Außenring 93 umgibt, nicht durch eine Bohrung in dem Material des Orbiter-Exzenterkolbens 3, sondern durch eine Hülse 39 aus Stahl gebildet. Die Hülse 39 wird bei einem Gießprozess zur Fertigung des Formkörpers der Kolbentrommel mit dem Werkstoff des Orbiter-Exzenterkolbens 3 umspritzt bzw. darin eingegossen. Da der kunststoffbasierte Werkstoff in der Regel eine geringere Härte als der aus Stahl ausgeführte Außenring 93 des Wälzlagers 9 aufweist, verschafft diese Ausführungsform der Erfindung den Vorteil zu verhindern, dass sich der härtere Außenring 93 im Laufe des Betriebs in den weicheren Werkstoff des Orbiter-Exzenterkolbens 3 hineinarbeitet. Somit kann das Auftreten von einem ungewünschten Spiel zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und dem Wälzlager 9 sowie von Vibrationen und dynamischen Folgeschäden unterbunden werden. Ebenso kann ein Werkstoff mit geringer Dichte für den Orbiter-Exzenterkolben 3 gewählt werden, der ein Bauteil mit beschleunigter Masse in der Pumpenbaugruppe darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpengehäuse
- 2
- Pumpenkammer
- 3
- Orbiter-Exzenterkolben
- 4
- Führungsschlitz
- 5
- Sperrschieber
- 6
- Einlass
- 7
- Auslass
- 8
- Kurbelzapfen
- 9
- Wälzlager
- 10
- Welle
- 11
- Wellenlager
- 12
- Exzenterscheibe
- 13
- Elektromotor
- 14
- Schwenklager
- 39
- Hülse
- 90
- Wälzkörper
- 91
- Lagerkäfig
- 92
- Dichtung
- 93
- Außenring
