DE3312868A1

DE3312868A1 - Hydropumpe fuer niedrigviskose foerdermedien

Info

Publication number: DE3312868A1
Application number: DE19833312868
Authority: DE
Inventors: Ivan Jaroslav Dipl.-Ing. Gran Canaria Cyphelly; Ernst 6277 Camberg Hassler; Bodo Dipl.-Ing. Dr. 6200 Wiesbaden Stich
Original assignee: Glyco Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Moog GAT GmbH
Priority date: 1983-04-09
Filing date: 1983-04-09
Publication date: 1984-10-18
Also published as: IT1173534B; GB2138074A; FR2544024A1; CH665883A5; JPS59200087A; US4549862A; IT8420319A0; GB8407812D0; DE3312868C2; JPH0428915B2; GB2138074B; FR2544024B1

Description

Hydropumpe für niedrigviskose Fördermedien

Die Erfindung betrifft eine Hydropumpe mit mindestens einem in einem Gehäuse umlaufenden Verdrängerelement und weiteren Komponenten für den Verdrängungsprozeß, bei welcher in den Bereichen gegeneinander bewegter Teile ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut ist, wo'bei die Verdrängerelemente in radialen und axialen Führungsteilen geführt und über eine Antriebswelle antreibbar sind, die über einen Wellendichtring abgedichtet aus dem Gehäuse herausgeführt ist.

In der ölhydraulik sind als Verdrängerpumpen verschiedene Arten von Hydropumpen bekannt. Unter diesen gibt es beispielsweise die Flügelzellenpumpe und die Zahnradpumpe. Unter dem eingangs erwähnten Verdrängerelement versteht man bei Zahnradpumpen die Ritzel und bei der Flügelzellenpumpe die Kombination von Rotor und Flügel. Im Falle der Flügelzellenpumpe ist für den Verdrängungsprozeß als weitere Komponente der Hubring erforderlich, gegebenenfalls auch das exzentrisch ausgearbeitete Gehäuse, welches die Funktion des Hubringes übernehmen kann.

Bisher verwendet man die bekannten Hydropumpen in der ölhydraulik. Vorwiegend handelt es sich hier um Mineralöle mit 20 bis 60 cSt bei 50⁰C. Sofern man eine ausreichende Viskosität der Hydraulikflüssigkeit zur Verfügung hat, gibt es bei den bekannten Hydropumpen keine Probleme, auch nicht hinsichtlich der Schmierfähigkeit.
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Bei Schweißmaschinen, Ofenschließmaschinen, Bearbeitungsmaschinen für brennbare Stoffe usw. hat man aber auch schon versucht, nicht brennbare Hydraulikflüssigkeiten einzusetzen, weil bei diesen Maschinen ein an der Hydraulik auftretender Defekt sogleich zur Entzündung der ganzen Anlage führen könnte. Solche nicht brennbaren Hydraulikflüssigkeiten unterscheiden sich wesentlich von den allgemein üblichen mineralischen Hydraulikölen. Besonders kritisch wird z.B. die

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—Δ Ι Schmierfähigkeit bei Öl-in-Wasser-Emulsionen, die aufgrund ihres geringen ölgehaltes von 2 bis 5% sehr dünnflüssig sind und sowohl hinsichtlich Schmierwirkung als auch Druckfestigkeit und Korrosionsschutz mehr dem Wasser ähneln. Man hat bereits nach Betriebsmedien auf Wasserbasis (95 % Wasser) im Bergbau, Pressenbau usw. gesucht und hierfür Anlagen entworfen. Im Falle niedrigviskoser Fördermedien hat man aber für die einzelnen Systemkomponenten, wie z.B. Pumpen und Ventile, Speζialkonstruktionen entwickeln müssen, die mit den Nachteilen besonderer Kosten und geringer Standzeit verbunden sind.

Nach wie vor besteht Bedarf nach Hydrauliksystemen für Emulsionen als Fördermedien, weil diese gegebenenfalls den Vorteil mit sich bringen würden, daß ein und dasselbe Medium zum Schmieren und Kühlen verwendet werden kann. Bisher ist beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau bekannt, daß man zum Kühlen Bohröl oder andere Emulsionen einsetzt, zum Schmieren hingegen Mineralöl höherer Viskosität. Hier ergibt sich die Gefahr des Vermischens und damit der Verseuchung des einen oder anderen Mediums.

Außer dem Bedarf nach einer schwerentflammbaren Hydraulikflüssigkeit, die sowohl zum Schmieren als auch zum Kühlen verwendet werden kann, so daß man nur mit einer einzigen Flüssigkeit arbeitet, wird eine weitere Bedingung der guten Wärmeabfuhr bzw. Wärmeleitfähigkeit gestellt. Bekanntlich ist die Wärmeleitfähigkeit von Mineralölen geringer als die von Emulsionen.

Wenngleich also der Wunsch nach der Verarbeitung niedrigviskoser Fördermedien anstelle von Mineralölen besteht, gibt es doch bislang keine Hydropumpen, die in wirtschaftlicher Weise hergestellt und betrieben werden können und eine lange Standzeit haben. Beim Einsatz von Zahnrad- und auch Flügelzellenpumpen stellt man bei der Verarbeitung bzw. dem Fördern niedrigviskoser Hydraulikflüssigkeiten fest, daß die Schmierfilmdicke so gering wird, daß die ■ gegenein-

ander bewegten Teile in den Mischreibungsbereich kommen und somit einem starken Verschleiß unterworfen sind.

Dieses Problem ist besonders ausgeprägt bei der Zahnradpumpe, der sogenannten Brillenpumpe, bei welcher die Ritzel in einer Brille gelagert sind. Diese wird vom Pumpendruck beaufschlagt und preßt sich an der Stirnseite der Ritzel an, so daß eine druckabhängige D.ichtwirkung entsteht. Beim Einsatz niedrigviskoser Fördermedien müßte zur Vermeidung von

XO Leckagen und zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades der Dichtungsspalt verkleinert werden, wodurch aber die Gefahr, die bewegten Teile in das Mischreibungsgebiet zu bringen, erhöht wird. Es ist deshalb bis jetzt noch nicht gelungen, eine wirtschaftliche Hydropumpe für Emulsionen zu schaffen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Hydropumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch für niedrigviskose Fördermedien mit befriedigendem Wirkungsgrad bei hoher Lebensdauer in mittleren und höheren Druckbereichen einsetzbar ist. Unter mittleren Druckbereiphen versteht man 40 bis 80 bar. Höhere Druckbereiche bearbeitet man derzeit bei Mineralölen mit Kolbenpumpen, wobei man 200 oder gar bis 300 bar erreicht.

um für den mittleren Druckbereich eine in dem vorstehend beschriebenen Sinne zufriedensteifend arbeitende Hydropumpe zu schaffen, hat man erfindungsgemäß vorgesehen, daß mindestens die Oberfläche des Verdrängerelementes mit Lagerzapfen und Dichtringlauffläche und die für den Verdrängungsprozeß notwendigen weiteren Komponenten plasmanitriert sind und daß die axialen Führungsteile mit Keramik beschichtet sind. Die Herstellung einer solchen Hydropumpe ist wirtschaftlich vertretbar, arbeitet in dem geforderten Druckbereich, hat eine lange Standzeit und einen guten Wirkungsgrad, der hier im Bereich von 70 % und mehr angenommen werden kann. Die neue Hydropumpe erlaubt das Fördern von niedrigviskosen Fördermedien, vorzugsweise Emulsionen auf Wasserbasis, die •eine gute Wärmeleitfähigkeit haben und deren Schmierfähig-

keit durch die erfindungsgemäße Materialpaarung an den verschleißgefährdeten Stellen ausreicht. Die gegeneinander laufenden Oberflächen der Pumpenteile sind plasmanitriert und/oder mit Keramik beschichtet. Zur Herstellung einer preiswerten Außenzahnradpumpe genügt es, wenn man die Ritzel, einschließlich Lagerzapfen und Dichtringlauffläche, durch Plasmanitrieren härtet. Die axialen Führungsteile, d.h. im Falle der Außenzahnradpump'e die Brille, im Falle der Innenzahnradpumpe Gehäuseelemente und im Falle der Flügelzellenpumpe das Gehäuse, sollten vorzugsweise mit Keramik beschichtet sein.

Zwar ist es an sich schon bekannt, Zahnräder zu härten oder allgemein eine Werkstückoberfläche zu härten. Um eine mit Stickstoff angereicherte Oberfläche durch Nitrieren der Werkstücke zu erhalten, ist bereits das Glimm-Nitrieren (Ionitrieren) bekannt, bei welchem mit Hilfe einer Glimmentladung Ammoniak aufgespalten und sein Stickstoff an die Stahloberfläche herangeführt wird.

Es hat sich aber gezeigt, daß auf diese Weise gehärtete Zahnflanken der Ritzel in Zahnradpumpen eine Standzeit von nur 200 Stunden hatten, wenn die Hydropumpe mit einem Betriebsmedium auf Wasserbasis betrieben wurde. Wird erfindungsgemäß hingegen die Oberfläche des Verdrängerelementes und der für den Verdrängungsprozeß notwendigen weiteren Komponenten plasmanitriert, dann erreicht man eine Verdoppelung des Härtungsgrades gegenüber den bisher bekannten Härten von Zahnflanken beispielsweise. In überraschender Weise hat sich ergeben, daß plasmanitrierte Oberflächen im Falle der beschriebenen Hydropumpen eine Standzeit von 3000 Stunden ohne feststellbaren Abrieb ergaben.

Da Spalte oder Spiele zwischen den gegeneinander bewegten Teilen für den volumetrischen und mechanischen Wirkungsgrad verantwortlich sind, kann durch die erfindungsgemäße Materialauswahl ein erheblich verbesserter Wirkungsgrad bzw. können geringere Verluste auchbeimEinsatz für niedrig-

viskose Fördermedien erreicht werden.

Die axialen Führungsteile sind im Falle der Außenzahnräder die Lagerbrillen. Diese kann man aus Aluminium, Bronze, Grauguß, Ferroguß usw. herstellen, d.h. Materialien mit Notlaufeigenschaften für eine begrenzte Zeit. Dennoch handelt es sich hier um weiche Materialien, die sich im normalen Betrieb abreiben. Die Aufgabe löst man hinsichtlich der Lagerbrillen im Falle der Außenzahnradpumpe oder der axialen Führungsteile allgemein im Falle der Hydropumpen durch eine Keramikbeschichtung. Vorzugsweise kann man Aluminiumoxid und Titandioxid als Keramikschicht auf das Metall, vorzugsweise den Stahl aufbringen.

Die radialen Führungsteile selbst brauchen dann nicht mit einer besonderen Oberflächenbehandlung versehen werden, wenn die Lagerzapfen des Verdrängerelementes, im Falle der Außenzahnradpumpe die Lagerzapfen der Ritzel, plasmanitriert sind. Auch die Dichtringlauffläche zur Antriebswelle hin ist vorzugsweise in dieser Art behandelt, d.h. durch Plasmanitrieren gehärtet.

Besonders günstig ist es aber, wenn erfindungsgemäß ferner

der Antriebswelle diese Dichtringlaufflache/ mxt Keramik ummantelt ist. Ohne besondere Härtung des Bereiches unter dem Wellendichtring hat man festgestellt, daß Kunststoff Riefen in die Welle einschneidet, im Langzeitbetrieb sogar eine gehärtete Welle beschädigt, wenn es sich bei dem Wellendichtring um einen z.B. mit PTFE-beschichtetejs».Rtng :-.handdlt, wie an sich bekannt. Deshalb ist im Bereich der Lippendichtung bzw. auf der Laufoberfläche unter dem Wellendichtring eine Ummante.lung mit Keramik vorgesehen. Hierdurch sind Beschädigungen auch im Langzeitbetrieb ausgeschaltet.

Es kann auch sehr vorteilhaft sein, wenn man die Lagerzapfen mit Keramik ummantelt. Auch diese Maßnahme dient dem Ver-

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schleißwiderstand und erhöht die Standzeit der

erfindung'sgemäßen Hydropumpe.

Bei vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in den radialen Führungsteilen mindestens eine Lagerbuchse aus einem Schichtwerkstoff, vorzugsweise auf Stahlkunststoff basis, eingesetzt» Im Falle der Außenzahnradpumpe ist die Lagerbuchse also in der -Brille wie eine Art Futter eingesetzt, wodurch die Einbettungsfähigkeit z.B. für verschleppte Feststoffpartikel erhöht wird, die abrasive Teile darstellen.

Die Dicke der Nitrierschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1/100 mm bis 3/100 mm. Die besonders Verschleißresistente Keramikschicht ist vorzugsweise 1/10 mm bis 3/10 mm dick.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be-Schreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung, mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 die Schnittdarstellung 'durch eine Außenzahnradpumpe, Figur 2 eine andere Schnittansicht derselben Pumpe entlang der Schnittlinie II-II in Figur 1 und

Figur 3 eine vergrößerte Teilansicht aus dem linken Teil der Figur 2.

Die in den Zeichnungen dargestellte Hydropumpe weist ein Gehäuse 1 mit Dichtungsdeckel 2 und Abschlußdeckel 3 auf. Unter den Deckeln 2 und 3 befinden sich Lagerbrillen 4 als radiale und axiale Führungsteile. In diesen sind als umlaufende Verdrängerelemente zwei Ritzel, nämlich das Antriebsritzel 5 und das getriebene Ritzel 6 über die Lagerzapfen 7 gelagert angeordnet. Der eine Lagerzapfen 7 des Antriebsritzels 5 ist zum Austritt aus dem Dichtungsdeckel 2 verlängert und mündet in die Antriebswelle 8, deren Nutenstein 9 als Mitnehmer in den Figuren 2 und 3 dargestellt

ist. Der verlängerte Lagerzapfen 7 des Antriebsritzels 5, welcher durch den Dichtdeckel 2 hindurchreicht, weist im Bereich des Deckels 2 die in Figur 3 besonders dargestellte Dichtringlauffläche 10 auf, die sich im Bereich des Wellendichtringes 11 befindet. Dieser Wellen- oder Nutendichtring stellt einen mit PTFE oder ähnlichem Polymer beschichteten Ring dar.

In Figur 1 sieht man deutlich, daß im Falle der Außenzahnradpumpe die beiden gegeneinander bewegten Teile die als

IQ Verdrängerelemente wirkenden Ritzel 5, 6 sind, die im Betrieb einem besonderen Verschleiß ausgesetzt sind. Um diesen . auch dann in wirtschaftlich erträglichen Grenzen zu halten, wenn die Hydropumpe für niedrigviskose Fördermedien eingesetzt wird, ist die Oberfläche sowohl des Antriebsritzels

£5 5 mit Lagerzapfen 7 und bis zur Antriebswelle 8 hin als auch des getriebenen Ritzels 6 plasmanitriert. In Figur 3 ist diese Nitrierschicht 16 schematisch durch eine' Kreuzschraffur dargestellt. Man kann sich leicht vorstellen, daß die gesamte Oberfläche der Verdrängerelemente 5 und 6 vollständig plasmanitriert ist, wie auch in Figur 3 schematisch dargestellt ist.

Um die seitlichen Anlaufflächen 12 der Lagerbrillen 4, der radialen und axialen Führungsteile, besonders verschleißresistent zu machen, sind sie mit einer Keramikschicht 13 belegt, die in Figur 3 mit der dichten Schrägschraffur (im Gegensatz zur Kreuzschraffur) dargestellt ist.

Auch die Dichtringlauffläche 10 im Bereich des Wellendichtringes 11 ist bei dieser Ausführungsform mit Keramik ummantelt, weshalb die Dichtringlauffläche 10 in Figur 3 eine ähnliche Schrägschraffur aufweist.

Nicht dargestellt ist in den Figuren die weitere, vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher Lagerbuchsen aus einem Schichtwerkstoff in die öffnungen der Lagerbrillen 4 eingesetzt sind, wobei der Schichtstoff auf einer Stahlkunststoff Basis besteht. Es hat sich bei der dargestellten Ausführungs-

form nämlich gezeigt, daß ohne feststellbaren Abrieb 3000 Betriebsstunden ohne diese Lagerbuchsen gefahren werden konnten. Das war besonders überraschend, wenn man in Figur 1 den allgemein mit 14 bezeichneten Bereich der eigentlichen Kraftübertragung betrachtet, zumal die Schmierfilmdicke bei niedrigviskosen Fördermedien hier wie auch bei anderen Bereichen mit Relativbewegung sehr gering ist. Durch den hohen Härtungsgrad infolge der Plasmanitrierung konnte der Verschleiß allgemein auf überraschend geringen Werten gehalten werden.

Die Pfeile 15 in Figur 1 zeigen bei der durch die gebogenen Pfeile an den Ritzeln 5 und 6 vorgesehenen Drehrichtung die Förderrichtung des niedrigviskosen Mediums. 15

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Claims

Patentansprüche

Hydropumpe mit mindestens einem in einem Gehäuse (1) umlaufenden Verdrängerelement (5, 6) und mit weiteren Komponenten für den Verdrängungsprozeß, bei welcher in den Bereichen gegeneinander bewegter Teile ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut ist, wobei die Verdrängerelemente (5, 6) in radialen und axialen Führungsteilen (4) geführt und über eine Antriebswelle (8) ahtreibbar sind, die über einen WeI-lendichtring (11) abgedichtet aus dem Gehäuse (1) herausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens .die Oberfläche des Verdrängerelementes (5, 6) mit Lagerzapfen (7) und Dichtrihglauffläche (10) und die für den Verdrängungsprozeß notwendigen weiteren Komponenten plasmanitriert sind und daß die axialen Führungsteile (4) mit Keramik beschichtet sind.

12. Hydropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringlauffläche (10) der Antriebswelle (8) mit Keramik ummantelt ist.

5 3. Hydropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerzapfen (7) mit Keramik ummantelt sind.

4. Hydropumpe nach Anspruch Y, dadurch gekennzeichnet, daß

in den radialen Führungsteilen (4) mindestens eine Lager-10 buchse aus einem Schichtwerkstoff, vorzugsweise auf Stahlkunststoff-Basis, eingesetzt ist.