DE4409629A1 - Pumpenrotor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pumpenrotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Pumpenrotor. Insbeson­ dere betrifft die Erfindung einen Pumpenrotor mit geringen Wandstärken, welcher im Spritzgußverfahren aus Kunststoff hergestellt und zum Transport verschiedener Fluide (z. B. Öle, Fette, Kohlenwasserstoffe, Luft) geeignet ist.

Es sind Pumpenrotoren bekannt, welche aus Metall mit geringer Wandstärke her­ gestellt sind und beispielsweise aus zusammengesetzten dünnen Blechabschnitten bestehen oder gegossen sind. Für den Fachmann ist es naheliegend, bei derartigen Rotoren Kunststoff anstelle von Metall zu verwenden, weil dieser chemisch weni­ ger angegriffen wird und ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist, wodurch die bewegten Massen reduziert werden. Außerdem ist Kunststoff sowohl billiger im Einkauf als auch billiger verarbeitbar, wodurch sich die Gesamtkosten für die Her­ stellung reduzieren. Auf der anderen Seite weisen die aus Kunststoff hergestellten Bauteile zum einen eine geringere mechanische Widerstandsfähigkeit auf, wodurch sie dicker ausgestaltet werden müssen, was wiederum im Gegensatz zu dem oben genannten Ziel steht, zum anderen ist ihre Herstellungsgenauigkeit schlechter als die der aus dünnem Metall hergestellten Bauteile und sie weisen eine schlechtere thermische Stabilität als diese auf.

Es ist darüberhinaus schwierig, eine zufriedenstellend ausgewuchtete und stabile zu­ sammengesetzte Anordnung bei einer Serienfertigung zu erhalten, wenn man von Metallbauteilen oder gegossenen Bauteilen ausgeht, und es ist im allgemeinen not­ wendig, die so zusammengesetzten Bauteile insgesamt auszuwuchten.

Die Technologie des einstückigen Spritzgusses von Kunststoffen mit schmelzbarem Kern ermöglicht die Erzeugung von Blattformen, welche für diese Art von Rotoren geeignet sind (ausgehöhlte Formen, Linksformen und hinterschnittene Formen), ist jedoch nicht genau genug, um dünne und relativ konstante Wandstärken zu ermögli­ chen. Auch hier stellt sich bei Rotoren, die sich mit hoher Drehzahl (beispielsweise über 1000 Upm) drehen sollen das Problem der Auswuchtung. Die Druckschrift FR 2 604 116, welche sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Radschaufel für eine Kühlmittelpumpe in einem Automobil bezieht, zeigt diese Technologie.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Pumpenrotor so auszubilden, daß er bei hoher Präzision mit geringen Wandstärken gefertigt werden kann und und keine Auswucht­ probleme aufweist sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Gelöst wird diese erste Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den zugehörigen Unteransprüchen entnehmbar. Die zweite Aufgabe wird mit den Merkmalen der Verfahrensansprüche gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Pumpenrotor;

Fig. 1b einen Querschnitt durch einen zusammengesetzten erfindungsgemäßen Pumpenrotor;

Fig. 2a einen Querschnitt durch einen Träger mit seinen Schaufeln;

Fig. 2b einen Querschnitt durch eine Abdeckung, korrespondierend zu dem in Fig. 2a dargestellten Träger;

Fig. 3a einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Trägers;

Fig. 3b einen Querschnitt durch eine Abdeckung, korrespondierend zu dem in Fig. 3a dargestellten Träger;

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Trägers und einer Abdeckung vor ihrer Zusammenfügung mit Ultraschall;

Fig. 4b eine Darstellung eines Energieleiters im Hinblick auf die Ultraschallver­ schweißung;

Fig. 4c eine perspektivische Darstellung einer mit einem Energieleiter gemäß Fig. 4b ausgestatteten Schaufel;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Ul­ traschallverbindungsvorrichtung;

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung des Formwerkzeugs für einen Träger mit seinem Auswuchtgewicht.

Aus den Fig. 1a und 1b ist ersichtlich, daß ein erfindungsgemäßer Pumpenro­ tor aus zwei zusammengesetzten Stücken besteht, nämlich aus einem Träger 1 und einer Abdeckung 2. Diese sind genauer und im Querschnitt sowie in zwei verschie­ denen Ausführungsformen in den Fig. 2a und 2b bzw. 3a und 3b in der Weise dargestellt, wie sie aus der Spritzform kommen.

Aus Fig. 2a ist ersichtlich, daß der Träger 1 einen Flansch 10 aufweist, auf welchem eine Reihe von Schaufeln 11 einstückig mit diesem Flansch angeordnet ist. Diese Schaufeln können je nach Bedarf beispielsweise gekrümmt oder helikal geformt sein, um den Wirkungsgrad des Rotors entsprechend der zu transportierenden Flüssigkeit zu verbessern. In verschiedenen Fällen und insbesondere, weil die Entfernung aus der Form problematisch ist, kann der Flansch 10 an seinem Umfang und in seiner Ebene einen schmalen, ringförmigen Vorsprung 12 aufweisen, der über die Schaufeln 11 hervorsteht. Hierdurch kann in dem Formwerkzeug eine ringförmige Ausstoßvor­ richtung verwendet werden, welche in Fig. 7 die Bezugszahl 110 trägt und später beschrieben wird und welche die Herausnahme des Formteils aus der Form erleich­ tert, ohne daß das Formteil gedreht werden muß. Auf diese Weise wird eine axiale Verschiebung aufgrund der Form der Schaufeln 11 in eine Drehung umgewandelt.

Der Träger 1 weist in seiner Mitte eine herkömmliche Nabe 13 auf, welche vorzugs­ weise mit einem Antriebssystem versehen ist. Dies kann ein mit einem Gewinde versehener Bereich, eine Keilverbindung oder ein Polygon und unmittelbar bei der Formung hergestellt sein. Alternativ hierzu kann es auch ein metallisches oder ande­ res Einsatzstück sein, welches in an sich bekannter Weise aufgesetzt oder gehaltert ist.

In Fig. 2b ist die Abdeckung 2 dargestellt, welche als Ergänzung zu dem oben be­ schriebenen Bauteil fungiert. Dabei handelt es sich um einen einfachen, kreisförmi­ gen, dünnen Flansch 20, welcher hutförmig und bezüglich einer vertikalen Achse symmetrisch ist und sich der Krümmung der Oberkanten 14 der Schaufeln 11 des Trägers 1 genau anpaßt. Der Außendurchmesser 21 der Abdeckung 2 ist im wesent­ lichen identisch mit dem Durchmesser des Flansches 10 des Trägers 1 wie er durch die Außenkanten 15 der Schaufeln 11 gebildet wird. Der Innendurchmesser 22 der Abdeckung 2 ist im wesentlichen mit dem durch die Innenkanten 16 der Schaufeln 11 definierten Durchmesser identisch.

Wie aus den Fig. 2a und 2b sowie aus den Fig. 3a und 3b, welche eine alterna­ tive Ausführungsform dieser beiden erfindungsgemäßen Pumpenrotorteile darstellen, hervorgeht, werden diese beiden Bauteile immer durch herkömmliches Spritzgießen hergestellt. Hierbei werden Präzisionsformen sowie ein Kunststoffmaterial mit hoher mechanischer Widerstandsfähigkeit und niedriger Viskosität verwendet, um es auch in dünne Bereiche in der Größenordnung eines Millimeters oder darunter einsprit­ zen zu können. Das verwendete Material muß seine mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behalten und, wenn möglich, eine chemische Wider­ standsfähigkeit aufweisen, welche der von der Pumpe zu transportierenden Flüssig­ keit (beispielsweise Öl, Fett aus mechanischen Systemen, Kohlenwasserstoffe) an­ gepaßt ist. Man verwendet vorzugsweise eines der folgenden Materialien, was jedoch keine Begrenzung der möglichen Materialien darstellen soll:

• - Polyamide (6.6 oder 6.10 oder 6.4 oder 11.12),
• - Polyarylamide,
• - Polyätherätherketone oder Polyätherketone,
• - Polyphenylen-Schwefel-Verbindungen,
• - Polypropylene,
• - Polyphtalamide.

In jedem Fall verwendet man vorzugsweise ein Material, welches zwischen 10% und 60% Glasfasern oder Keylarfasern oder Karbonfasern oder andere Fasern enthält. Diese Materialmischungen sind in der Spritzgußtechnik von Kunststoffmaterialien wohlbekannt.

Mit einem Material dieses Typs ist es möglich, Stücke zu spritzen, welche nur sehr geringe Wandstärken im Bereich eines Millimeters oder darunter aufweisen. Man weiß, daß sich während des Formvorgangs derartiger faserverstärkter Materialien im Kontaktbereich mit der Oberfläche des Formwerkzeugs während der Abkühlung des Materials und während dessen Aushärtung eine Schicht bildet, welche im wesent­ lichen aus dem Harzmaterial besteht und welche bestimmte mechanische und phy­ sikalische Eigenschaften aufweist. Dieses Phänomen, welches dem Fachmann unter dem Namen Hauteffekt bekannt ist, tritt an den Oberflächen des Formwerkzeugs auf, welche - um es zu beherrschen - auf eine je nach Art des verwendeten Materials opti­ male Temperatur eingestellt werden müssen, um die Ausbildung der Struktur dieser Oberflächenschicht sicherzustellen. Aufgrund der geringen Dicken der hergestellten Bauteile profitiert man in besonderem Maße von diesen spezifischen inhärenten Ei­ genschaften der Oberflächenschichten, welche sich auf den beiden Oberflächen der Bauteile ausbilden. Hierdurch werden mechanische und physikalische Eigenschaf­ ten dieser Oberflächen erzeugt, welche für die vorliegenden Anwendungsfälle von besonderem Interesse sind.

Das Spritzgießen der beiden betrachteten Bauteile, nämlich des Trägers 1 und der Abdeckung 2, findet auf herkömmliche Weise über einen mit den beiden kreisförmi­ gen Bauteilen koaxialen Kanal 3 statt, welcher das entsprechende Formwerkzeug über einen radialen und symmetrischen Ausgang mit eingespritztem Material ver­ sorgt. Dieser Einspritzvorgang kann, wie es in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist, über mehrere Einspritzpunkte erfolgen, beispielsweise über die Einspritzpumpe 17, welche in ausreichender Anzahl gleichmäßig an dem Umfang 13 des Trägers 1 oder an der Innenkrone der Abdeckung 2 verteilt sind, wodurch die durchflossenen Bahnen des eingespritzten Materials genügend kurz sind und sich die Materialla­ mellen zusammenschließen, wodurch eine Verschweißung mit noch heißem Material sichergestellt wird und hierdurch gute mechanische Eigenschaften erzielt werden. In diesem Fall sind Lüftungslöcher am Ende jeder Schweißlinie vorzusehen, um eine Überhitzung an diesen Orten zu vermeiden und um die Luft und die Gase abzusau­ gen, welche in dem Formwerkzeug enthalten sind.

Der Spritzgußvorgang kann jedoch auch erfolgen, wie es in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist, nämlich quer zu einer Fließlamelle des Materials, welche durch ei­ nen eingeengten Ausflußbereich (18 oder 28) gebildet wird, der um einen mittleren Ring des Bauteils (19 oder 29) angeordnet ist und selbst über einen oder mehrere Einspritzpunkte in herkömmlicher Weise versorgt wird. Wie oben beschrieben sind Lüftungslöcher an geeigneten Stellen vorzusehen, um das Entweichen von Luft und von Gasen in dem Formwerkzeug zu ermöglichen und lokale Überhitzungen zu ver­ hindern.

Die beiden Bauteile, also der Träger 1 und die Abdeckung 2, welche auf diese Weise hergestellt wurden, werden anschließend mithilfe der Ultraschallschweißtechnik mit­ einander verbunden, was in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt ist.

Durch die Wahl eines der oben genannten Materialien oder eines analogen Materials, aufgrund der geringen Wandstärken, insbesondere bei der Abdeckung 2 und der geringen geometrischen Deformationen aufgrund der Symmetrie der verwendeten Spritzgußvorrichtung sowie aufgrund der durch den oben beschriebenen Hauteffekt erhaltenen Oberflächenqualität der Bauteile, wird ein Zusammensetzen der beiden Bauteile über eine Ultraschallverschweißung mit dreieckigem Energieleiter auf der ebenen oder kontinuierlichen Oberfläche ermöglicht, wie es in den Fig. 4a, 4b und 4c dargestellt ist.

Man bringt ein Band mit dreieckigem Querschnitt auf die Oberkante 14 jeder Schau­ fel 11, welches die Abdeckung 2 kontaktieren soll, was in der Ultraschallschweißtech­ nik wohlbekannt ist. Dieses einfache Vorgehen ist aufgrund der verwendeten dünnen Wandstärken und der so für die Abdeckung erhaltenen Paßgenauigkeit möglich und vermeidet die früher häufig verwendeten Verfahren mit einer geschlossenen Form, welche schwieriger in der Ausführung sind. Die Zentrierung der Abdeckung 2 auf dem Träger 1 erfolgt während des Zusammensetzens mit herkömmlichen Methoden, das heißt mit einer Positionierung der Aufnahme für jedes Teil innerhalb des Ul­ traschallgebers 30 und des Ambosses 31, wie es schematisch in Fig. 5 dargestellt ist oder über eine relative Positionierung der beiden Stücke mit Positionierstäben, welche auf den beiden Werkstücken angebracht sind, beispielsweise die in Fig. 1 schematisch dargestellten Zentrierstifte 4.

Der auf diese Weise durch Zusammenfügen der beiden Stücke hergestellte Rotor 1 muß, wenn er bei hohen Drehzahlen betrieben werden soll, zur Vermeidung von Vibrationen ausgewuchtet werden, was an sich bereits bekannt ist. Zur optimalen Auswuchtung jedes Serienteils wird an jedem der beiden Bauteile in der Form ein einstellbares Auswuchtgewicht 5 angebracht, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wel­ che die Spritzgußform des Trägers 1 mit seinen Schaufeln zeigt. Es sei angemerkt, daß das anhand dieses Bauteils beschriebene Prinzip der Formung gleichermaßen auf die Formung der Abdeckung 2 anwendbar ist. Aus Fig. 7 ist erkennbar, daß das Oberteil 101 dieses Formwerkzeug einen beweglichen Ring 102 umfaßt, welcher um die zentrale Achse 103 des Formstücks und des Formwerkzeugs drehbar ist und bezüglich des festen Teils des Formwerkzeugs, beispielsweise über Rollen, geführt ist. An seiner Oberseite weist der bewegliche Ring 102 eine periphere Zahnung 104 auf, welche in eine entsprechende Endlosschraube 105 eingreift, die im festen Teil der oberen Hälfte 101 des Formwerkzeugs angeordnet ist.

In einem geeigneten Bereich seiner Peripherie trägt der bewegliche Ring 102, dessen Unterseite 106 das Formwerkzeug des äußeren Rings der unteren Oberfläche des Flansches 10 des Trägers 1 bildet, einen vertikal entlang einer zur Hauptachse 103 parallelen Achse verschiebbaren Einsatz 107, welcher im wesentlichen ohne Spiel in eine Bohrung 108 paßt, welche zu dem Ring 102 korrespondiert. Dieser Einsatz 107 ist auf einem Gewindestift 109 aufgeschraubt, welcher mit dem Ring 102, der aus der Bohrung 108 hervorsteht, fest verbunden ist. Die Unterseite des Einsatzes 107 weist einen Schlüsselansatz oder einen Vorsprung oder etwas ähnliches auf, wodurch dessen Drehung mit einem geeigneten Werkzeug möglich ist, wenn die Form geöffnet ist. Hierdurch kann seine Höhe bezüglich der Unterseite 106 des Rings 102 verändert werden, wodurch die Unterseite des äußeren Rings des Druckwerkzeugs des Trägers 1 gebildet wird.

Während des Formvorgangs des zu formenden Bauteils, also entweder des Trägers 1 oder der Abdeckung 2, kann auf die Unterseite des Flansches 10 des Trägers 1 oder auf die Oberseite der Abdeckung 10 ein Auswuchtgewicht 5 aufgebracht werden, da die Höhe und damit die Masse einstellbar ist, indem der Einsatz 107 in seiner Höhe bezüglich der Unterseite 106 des Rings 102 verstellt wird und in seinem Winkel verstellt wird, indem die Endlosschraube 105 betätigt wird, wodurch sich der bewegliche Ring 102 dreht und damit auch die den Gewindestift tragende Achse 109 an deren Ende der Einsatz 107 befestigt ist.

Unmittelbar nach der Entfernung des Werkstücks, also des Trägers 1 bzw. der Ab­ deckung 2, aus der Form wird eine Kontrolle der Auswuchtung auf einer geeigneten Vorrichtung durchgeführt und, entsprechend den erhaltenen Ergebnissen die Winkel­ stellung und/oder die Masse des Auswuchtgewichts 5 verändert, bis das Werkstück zufriedenstellend ausgewuchtet ist. Danach kann die Serienproduktion erfolgen, wo­ bei durch ein herkömmliches, aufeinanderfolgendes Entnehmen und Überprüfen si­ cherzustellen ist, daß die Auswuchtung des Werkstückes im Laufe der Zeit erhalten bleibt. Die beiden geformten Werkstücke, also der Träger 1 und die Abdeckung 2, bilden auf diese Weise im zusammengesetzten Zustand einen ausgewuchteten Rotor.

In einer alternativen Ausführungsform können der Träger 1 und die Abdeckung 2 beispielsweise aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, und zwar entweder aus technischen, funktionellen oder wirtschaftlichen Gründen. Man kann beispiels­ weise zur Herstellung des Trägers ein Material höherer Temperaturstabilität verwen­ den, während man zur Herstellung der Abdeckung ein billigeres Material verwendet. Selbstverständlich müssen die verwendeten Materialien zueinander hinsichtlich ihrer Verschweißung durch Ultraschall kompatibel sein.

Auch die Form und die Anzahl der Schaufeln 11, welche einstückig mit dem Träger 1 geformt sind, können je nach vorgesehener Anwendung sehr unterschiedlich sein und sind der zu transportierenden Flüssigkeit und der zur erzielenden Transportleistung anzupassen.

Auch die Ausbildung und die Stellung des Auswuchtgewichts 5 kann stark von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichen ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

1. Pumpenrotor zur Förderung von Fluiden mit zwei miteinander verschweißten Werkstücken, und zwar einem Träger (1) mit Schaufeln (10) und einer Ab­ deckung (2), welche beide aus geeigneten, vorzugsweise faserverstärkten ther­ moplastischen Kunststoffen im Spritzgußverfahren hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen dieser beiden Werkstücke (1, 2) dünn genug sind, um gleiche Werkstücke aus Metall ersetzen zu können und Oberflächeneigenschaften im Sinne des Hauteffekts spritzgeformter Materia­ lien aufweisen.

2. Pumpenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er für die Herstellung der beiden Werkstücke (1, 2) verwendete Kunststoff aus der Gruppe der Polyamide (6.6 oder 6.10 oder 6.4 oder 11.12), der Polyarylamide, der Polyätherätherketone, der Polyätherketone, der Polyphenylen-Schwefel- Verbindungen, der Polypropylene und der Polyphtalamide ausgewählt ist, wo­ bei diese Kunststoffe vorzugsweise mit 10 Gew.-% bis 60 Gew.-% Glasfasern, Keylarfasern, Kohlefasern oder ähnlichen Fasern verstärkt sind.

3. Pumpenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der geformten Werkstücke (1, 2) in der Größenordnung von Mil­ limetern oder darunter liegt.

4. Pumpenrotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spritzen der Werkstücke (1, 2) an mehreren Punkten (17 oder 27) stattfindet, welche gleichmäßig auf dem Umfang der Nabe (13) des Trägers (1) oder auf dem inneren Ring (22) der Abdeckung (2) verteilt sind.

5. Pumpenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzen der Werkstücke (1, 2) über eine Diffusionslamelle stattfindet, welche durch eine Verengung des Auslasses (18 oder 28) gebildet wird, der den zentralen Ring des Werkstücks (19 oder 29) umgibt, welcher selbst über einen oder mehrere Punkte versorgt wird.

6. Pumpenrotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (1) und die Abdeckung (2) mithilfe von Ultraschall miteinander verschweißt sind.

7. Pumpenrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schau­ feln (11) des Trägers (1) entlang ihrer Oberkanten (14) mit einem Band drei­ eckförmigen Querschnitts versehen sind, daß sich in seiner ganzen Länge an die Unterseite der Abdeckung (2) anpaßt und während der Ultraschallver­ schweißung der beiden Werkstücke einen Energieleiter bildet.

8. Pumpenrotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Werkstücke (1, 2) mit einem bei der Formung er­ zeugten Auswuchtgewicht (5) versehen sind.

9. Verfahren zur Formung der beiden Werkstücke (1, 2) des Pumpenrotors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (101) für je­ des Werkstück (1, 2) einen Einsatz (107) aufweist, dessen Winkel- und Höhen­ stellung einstellbar ist, wodurch auf dem geformten Werkstück (1, 2) ein Aus­ wuchtgewicht anbringbar ist, dessen Masse und Winkelstellung einstellbar ist.

10. Pumpenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) in seinem mittleren Bereich ein Antriebssystem aufweist, welches unmittelbar durch die Formung hergestellt wurde oder aufgeformt oder einfach zusammengesetzt ist.

11. Pumpenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Werkstücke (1, 2) aus zwei verschiedenen thermo­ plastischen Materialien bestehen.

12. Verfahren zur Herstellung eines Pumpenrotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Werkstücke (1, 2) durch Spritzgießen mit dünnen Wandungen in der Größenordnung eines Millimeters oder darunter hergestellt werden, wobei ein oder zwei geeignete thermoplastische, vorzugsweise verstärkte Materialien verwendet werden und die Werkstücke (1, 2) anschließend durch Ultraschallverschweißung miteinan­ der verbunden werden.