Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit
einem Gehäuse, in dem ein mit in etwa radialer
Richtung beweglichen Flügeln versehener Rotor zwischen
zwei Seitenplatten innerhalb eines Konturrings
rotiert.
Flügelzellenpumpen der hier angesprochenen Art sind
bekannt. Sie haben den Nachteil, daß die Seitenplatten
einem hohen Verschleiß unterliegen, der zu
Undichtigkeiten oder gar zu einem Ausfall der Pumpe
führen kann. Die für die Herstellung der Seitenplatten
eingesetzten Werkstoffe sind Stahl/Bronze
und Sinterstahl, die relativ teuer sind und die
alle eine verhältnismäßig große Dichte aufweisen,
sowie Aluminium-Gußlegierungen, die zwar kostengünstiger
sind, jedoch ein schlechtes Verschleißverhalten
besitzen. Nachteilig ist also, daß Seitenplatten
mit gutem Verschleißverhalten hohe Herstellungskosten
und ein hohes Gewicht aufweisen.
Aus der DE 33 12 868 C2 ist eine Hydropumpe bekannt,
bei der zur Verbesserung eines Verschleißverhaltens
Führungsteile von Verdrängerelementen
mit einer Keramikbeschichtung versehen sind. Hierbei
ist nachteilig, daß eine Keramikbeschichtung
der Führungsteile nur sehr aufwendig erreichbar
ist. Aufgrund der während des Betriebes der Hydropumpe
auftretenden Beanspruchungen der Führungsteile
durch Druck und Reibung ist eine besonders
feste Haftung der Keramikschicht auf den Führungsteilen
notwendig. Dies ist nur mit speziellen und
somit kostenintensiven Verbindungstechniken möglich.
Insbesondere wenn zusätzliche Formmerkmale
(Ausformungen) vorzusehen sind, ist eine Keramikbeschichtung
nur mit einem sehr hohen Aufwand erzielbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Flügelzellenpumpe
zu schaffen, die die genannten Nachteile
nicht aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Flügelzellenpumpe
mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen
vorgeschlagen. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß
mindestens eine Seitenplatte aus technischer Keramik
besteht. Vorzugsweise werden jedoch zur Minimierung
der Verschleißerscheinungen beide Seitenplatten
aus diesem Material hergestellt. Hierdurch
wird vorteilhafterweise erreicht, daß gegenüber bekannten
Seitenplatten eine erhebliche Verbesserung
der Verschleißfestigkeit erreicht wird. Darüber
hinaus sind derartige Seitenplatten in einfacher
Weise mit hoher Genauigkeit mittels an sich bekannter
Verfahren der Verarbeitung keramischer Pulver
(Pressen, Sintern) herstellbar. Gegenüber den
bekannten Seitenplatten ergibt sich darüber hinaus
eine Gewichtseinsparung, da das spezifische Gewicht
der technischen Keramik geringer ist als das spezifische
Gewicht bekannter Seitenplatten, die zumindest
zu großen Teilen aus metallischen Werkstoffen
bestehen.
Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Flügelzellenpumpe,
das sich dadurch auszeichnet, daß in
den dem Rotor zu- und/oder abgewandten Seitenflächen
mindestens einer der Seitenplatten Ausformungen
vorgesehen sind, die der Montage der Seitenplatten,
der Förderung eines Fluids und/oder der
Beeinflussung der Flügelbewegung dienen. Es kann
sich also hier um Durchgangslöcher für Justierstifte,
Durchgangsöffnungen für die Saug- und Druckbereiche
der Flügelzellenpumpe und/oder um Steuernuten
handeln, die die innenliegenden Bereiche der
Flügel mit einem Überdruck beaufschlagen, und auf
der dem Rotor abgewandten Seitenfläche um axiale
und/oder radiale Dichtungen aufnehmende Nuten. Diese
beidseitigen Ausformungen werden auf einfache
Weise mittels einer Preßform im ungebrannten Zustand
der Seitenplatten in deren Seitenflächen eingebracht.
Auf diese Weise ist es möglich, die
Konturen der Ausformungen und deren Anordnungen in
der Ober- beziehungsweise Seitenfläche sehr exakt
auszuführen, so daß sich eine sehr sichere Funktionsweise
der Flügelzellenpumpe einstellt.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen Längsschnitt durch eine Flügelzellenpumpe;
- Figur 2
- eine Draufsicht auf die dem Rotor zugewandte
Seitenfläche einer ersten Seitenplatte
der in Figur 1 dargestellten Flügelzellenpumpe;
- Figur 3
- eine Draufsicht auf eine zweite Seitenplatte
der Flügelzellenpumpe gemäß Figur
1 und
- Figur 4
- eine schematische Draufsicht auf die dem
Rotor abgewandte Seitenfläche der Seitenplatte
gemäß Figur 2.
Figur 1 zeigt eine Flügelzellenpumpe 1 mit einem
Gehäuse 3, das ein Gehäusehauptteil 5 und einen
Deckel 7 umfaßt. Im Inneren des Gehäuses 3 beziehungsweise
dem Gehäusehauptteil 5 ist eine Baugruppe
9 vorgesehen, die einen zwischen zwei Seitenplatten
11 und 13 drehbar gelagerten Rotor 15
umfaßt, der mit in seiner Umfangsfläche eingebrachten
Nuten versehen ist. In diese sind Flügel 17 in
radialer Richtung verschiebbar eingebracht, deren
Außenkanten im Betrieb der Flügelzellenpumpe an einem
Konturring 19 anliegen, der einen mehr oder weniger
elliptischen Innenraum einschließt. Bei einer
Drehung des Rotors 15 in diesem Innenraum werden
die Flügel 17 einer radialen Ein- und Ausfahrbewegung
unterworfen, so daß sich zwischen den Flügeln
17 und der Innenfläche des Konturrings 19 Förderräume
ergeben, deren Volumen bei der Drehung des
Rotors 15 größer und kleiner werden, so daß in einem
Saugbereich ein gefördertes Medium angesaugt
und dieses in einem Druckbereich abgegeben wird.
Die Funktion einer Flügelzellenpumpe der hier angesprochenen
Art ist bekannt, so daß hier nicht näher
darauf eingegangen werden soll.
Die Seitenplatten 11 und 13 sind unter Ausbildung
eines geringen Spiels am Rotor 15, an den seitlichen
Flächen der Flügel 17 und am Konturring 19 angeordnet.
Die aufgrund des Spiels zwischen den
seitlichen Flächen der Flügel 17 sowie dem Rotor 15
und den Seitenplatten 11 und 13 gebildeten Spalte
werden durch einen dünnen Ölfilm, der sich während
des Betriebs der Flügelzellenpumpe 1 bildet, abgedichtet,
so daß die Förderräume zwischen den Flügeln
17 nicht nur gegenüber der Innenfläche des
Konturrings 19, sondern auch seitlich dichtend abgeschlossen
sind. Der Rotor 15 und die Flügel 17
laufen also frei, das heißt ohne Berührung, zwischen
den Seitenplatten 11 und 13. Das Spiel beträgt
vorzugsweise 20 µm bis 30 µm und verkleinert
sich bei Hochdruck, also während des Betriebs der
Flügelzellenpumpe, infolge einer Durchbiegung der
Seitenplatten 11 und 13. Das geförderte Medium gelangt
auf die dem Rotor 15 abgewandte Seite der
linken Seitenplatte 11, die daher im folgenden als
Druckplatte bezeichnet wird. Hier gelangt das geförderte
Medium durch Auslaßöffnungen 21 und 23 in
einen Druckraum 25, der sich über die gesamte dem
Rotor 15 abgewandte Seitenfläche der Druckplatte 11
erstreckt. Der Druckraum 25 steht auch mit einem
kombinierten Stromregel- und Druckbegrenzungsventil
27 in Fluidverbindung, das der Einstellung des an
einen Verbraucher gelieferten Fluidstroms dient.
Durch den Druck im Druckraum 25 wird die Druckplatte
11 gegen den Konturring 19 gepreßt, so daß
der Konturring 19 gegen die gegenüberliegende Seitenplatte
13 gedrückt wird, die im folgenden als
Verschleißplatte bezeichnet wird. In Figur 1 ist
schließlich noch angedeutet, daß der Rotor 15 über
eine Welle 28 antreibbar ist, die im Deckel 7 gelagert
ist.
Das von der Flügelzellenpumpe 1 geförderte Medium
gelangt auch durch Auslaßöffnungen 31 und 33 in der
Verschleißplatte 13 in Nuten 34 und 36, die in der
der Verschleißplatte 13 zugewandten Oberfläche des
Deckels 7 eingebracht sind.
Auf der dem Rotor 15 zugewandten Seitenfläche der
Druckplatte 11 sind mit dem Unterflügelbereich 35
und 37 der Flügel 17 in Fluidverbindung stehende
Nuten 39 und 41 vorgesehen, die mit einem Druck beaufschlagt
sind und die die Ausfahrbewegung der
Flügel 17 bei einer Drehung des Rotors 15 innerhalb
des Konturrings 19 unterstützen. Derartige technische
Gegebenheiten sind bekannt, so daß hier nicht
näher darauf eingegangen wird.
Die Seitenplatten 11 und 13 der Flügelzellenpumpe 1
sind vollständig aus technischer Keramik hergestellt.
Es ist möglich, daß durch eine hohe Durchbiegung
der Seitenplatten 11 und 13 diese teilweise
in Berührkontakt mit dem Rotor 15 und/oder den
seitlichen Flächen der Flügel 17 treten. Aus diesem
Grund kann vorgesehen sein, daß lediglich der Bereich,
in dem der Rotor und/oder die Flügel während
des Betriebs der Flügelzellenpumpe 1 die Seitenplatten
11 und 13 berühren beziehungsweise an
diesen anliegen könnten, also der mögliche Anlagebereich,
über die gesamte Dicke der Seitenplatten
aus technischer Keramik besteht, während beispielsweise
lediglich einer Befestigung der Seitenplatten
11 und 13 dienende äußere Bereiche aus einem
anderen Material bestehen. Es ist jedoch bevorzugt
vorgesehen, daß die gesamten Seitenplatten 11 und
13 aus technischer Keramik bestehen.
Eine aus technischer Keramik hergestellte Seitenplatte
weist gegenüber einer herkömmlichen, aus
Stahl/Bronze oder Sinterstahl hergestellten Seitenplatte
beziehungsweise einer lediglich eine Keramikbeschichtung
aufweisenden Seitenplatte geringere
Herstellungskosten und ein wesentlich kleineres
Gewicht auf. Dies deshalb, weil technische Keramik
relativ billig ist und im Vergleich zu beispielsweise
Stahl eine sehr geringe Dichte aufweist. Besonders
bewährt hat sich eine Aluminiumoxid-Keramik
mit der chemischen Formel Al2O3-SiO2. Der Aluminiumoxidanteil
beträgt vorzugsweise zirka 96,0 %.
Die Substanz hat eine Dichte von zirka 3,75 g/cm3.
Zu den mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur
ist festzuhalten, daß die Vickers-Härte HV im
Bereich von 1500 HV bis 2000 HV, insbesondere von
1550 HV bis 1650 HV liegt. Besonders bevorzugt wird
eine Vickers-Härte von 1620 HV. Die Druckfestigkeit
der Seitenplatten 11 und 13 liegt im Bereich von
2000 MPa bis 3000 MPa, insbesondere von 2250 MPa
bis 2750 MPa. Besonders bevorzugt wird ein Material
mit einer Druckfestigkeit von 2500 MPa. Der Ausdehnungskoeffizient
des Materials beträgt für 20°C bis
500°C 7,2 · 10-6K-1 bis 8,0 · 10-6K-1, wodurch diesem
Material ein Wärmedehnungsverhalten gegeben
ist, das in etwa dem von Stahl (8,0 · 10-6K-1 bis
9,0 · 10-6K-1) entspricht und das etwa nur 1/3 der
Wärmedehnung von aus Aluminium bestehenden Seitenplatten
besitzt.
Wenn im Betrieb der Flügelzellenpumpe 1 ein unter
Druck stehendes Medium, beispielsweise Hydrauliköl
für eine Servolenkung eines Kraftfahrzeugs, mit hohem
Druck in den Druckraum 25 gelangt, wird die
Druckplatte 11 praktisch auf dem größten Teil der
dem Rotor 15 abgewandten Seite mit Druckkräften beaufschlagt
und gegen den Konturring 19 der Baugruppe
9 gepreßt. Ein axiales Spiel der Baugruppe 9
gegenüber dem Gehäuse 3 wird durch mindestens eine
in die dem Rotor 15 abgewandte Seitenfläche der
Druckplatte 11 eingebrachte Dichtungseinrichtung 70
ausgeglichen, die hier einen in eine Nut 71 (siehe
Figur 4) eingebrachten Dichtungsring 72 umfaßt,
dessen Dicke so gewählt ist, daß der Dichtungsring
72 im zusammengebauten Zustand der Flügelzellenpumpe
1 so zusammengepreßt wird, daß er auch bei
einer geringen axialen Verlagerung der Druckplatte
11 immer noch einen dichten Abschluß, das heißt
eine Trennung des Saugbereichs (siehe Figur 4,
Durchgangsöffnungen 55 und 57) vom Druckbereich beziehungsweise
vom Druckraum 25, gewährleistet. An
dem Gehäuse 3 sind mehrere -in Figur 1 nicht dargestellte- als Saugkanäle dienende Zuführkanäle angeordnet,
die beispielsweise mit einem Hydrauliköl-Speicher
verbunden sind.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die dem Rotor 15
und den Flügeln 17 zugewandte Seitenfläche 43 der
Druckplatte 11. In die Seitenfläche 43 ist eine Anzahl
von Ausformungen eingebracht. Beispielsweise
finden sich Ausnehmungen 45 und 47, in die Stifte
49 eingebracht werden können (siehe Figur 1), durch
die die Druckplatte 11 und Teile der Baugruppe 9 im
Gehäuse 3 drehgesichert sind. Es sind auch quasi
nierenförmig ausgebildete Saugbereiche 51 und 53
erkennbar, in die über Durchgangsöffnungen 55 und
57 Zuführkanäle münden können. Die Saugbereiche
liegen auf einer etwa horizontal angeordneten, gedachten
Durchmesserlinie der Druckplatte 11. Im
Randbereich der Druckplatte 11 sind auf einer senkrecht
stehenden, gedachten Durchmesserlinie Druckbereiche
59 und 61 vorgesehen, die die Auslaßöffnungen
21 und 23 bilden, durch die das von der Flügelzellenpumpe
1 geförderte Fluid in den Druckraum
25 gelangt. Die Auslaßöffnungen 21 und 23 sind hier
mit sogenannten Dämpfungskerben 22 und 24 versehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist in die Seitenfläche
43 eine Zentralausnehmung 63 eingebracht, die
eine Vertiefung darstellt und in der das Ende der
Welle 28 angeordnet ist. Konzentrisch zur Zentralausnehmung
63 sind Ringnutenabschnitte 65 vorgesehen,
die so angeordnet und ausgebildet sind, daß
sie mit dem Unterflügelbereich 35 der Flügel 17 in
Hydraulikverbindung stehen. Von den Ringnutenabschnitten
65 sind in Figur 1 die Nuten 39 und 41 zu
sehen. Die übrigen Ringnutenabschnitte liegen ausserhalb
der in Figur 1 gewählten Schnittebene.
Die Saugbereiche 51 und 53 sowie die Druckbereiche
59 und 61 dienen der Förderung des Fluids, während
die Ringnutenabschnitte 65 der Beeinflussung beziehungsweise
Steuerung der Flügelbewegung dienen.
Figur 3 zeigt die dem Rotor 15 und den Flügeln 17
zugewandte Seitenfläche 67 der Verschleißplatte 13.
Entsprechend den Erläuterungen zu Figur 2 sind auch
hier Ausnehmungen 45' und 47' zu erkennen, in die
Stifte zur Drehsicherung einsetzbar sind. Außerdem
sind rechts und links in die Seitenfläche 67 Saugbereiche
51' und 53' und oben und unten Druckbereiche
59' und 61' eingebracht. In der Mitte der Verschleißplatte
13 ist eine Zentralöffnung 63' eingebracht,
die von der Welle 28 durchdrungen wird.
Konzentrisch zur Zentralöffnung 63' verläuft eine
Ringnut 65', über die die Unterflügelbereiche 35
und 37 druckbeaufschlagt werden können.
Die in der Seitenfläche 43 der Druckplatte 11 und
der Seitenfläche 67 der Verschleißplatte 13 vorgesehenen
Ausformungen werden im ungebrannten Zustand
der Seitenplatten mit Hilfe eines Preßwerkzeugs erzeugt.
Die Konturen der Ausformungen, die also im
sogenannten Urformverfahren hergestellt werden,
können sehr exakt vorgegeben werden. Besonders vorteilhaft
ist, daß auch Ausformungen in die den Seitenflächen
43 und 67 gegenüberliegenden Oberflächen
der Seitenplatten 11 und 13 eingebracht werden.
Beispielsweise können in die dem Rotor 15 abgewandte
Seitenfläche der Druckplatte 11 und/oder der
Verschleißplatte 13 Dichtungseinrichtungen eingebracht
werden, die in Nuten liegende Dichtungsringe
umfassen, deren Dicke so gewählt ist, daß auch bei
beispielsweise Fertigungstoleranzen und/oder einem
axialen Spiel der einzelnen Teile ein dichter Abschluß
beispielsweise des Druckraums 25 gegen den
Saugraum gegeben ist.
Die Druckbereiche 59 und 61 weisen hier nierenförmige
Ansätze auf, die als Auslaßöffnungen 31 und 33
dienen und bereits bei den Erläuterungen zu Figur 1
erwähnt wurden. Es ist möglich, die Auslaßöffnungen
31 und 33 -wie die Auslaßöffnungen 21 und 23 der
Druckplatte 11- mit Dämpfungskerben beziehungsweise
-schlitzen zu versehen.
Figur 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf die
dem Rotor 15 abgewandte Seitenfläche 43' der Druckplatte
11. Teile, die mit denen übereinstimmen, die
anhand der Figuren 1 und 2 erläutert wurden, tragen
gleiche Bezugszeichen, so daß auf die Beschreibung
zu diesen Figuren verwiesen wird. In der Seitenfläche
43' sind Nuten 71 und 71' angeordnet, die bei
der Herstellung der Druckplatte auf einfache Weise
ausgeformt werden können. Die Nut 71 ist ein Teil
der Dichtungseinrichtung 70 und weist eine geschlossene,
ringförmige Kontur auf, in der ein
Dichtungsring 72 angeordnet ist. Der Dichtungsring
72 umgibt die mit einem Zuführkanal in Verbindung
stehende Durchgangsöffnung 57 und gewährleistet dadurch
eine Trennung zwischen dem Saug- und dem
Druckbereich. In Übereinstimmung damit ist die
Durchgangsöffnung 55 von der Nut 71' umgeben beziehungsweise
innerhalb des von der Nut 71' gebildeten
Rings angeordnet. In der Nut 71', die Teil einer
Dichtungseinrichtung 70' ist, ist ein Dichtungsring
72' angeordnet, der die Durchgangsöffnung 55, also
die Saugseite, von der Druckseite abdichtet. Die
Dicke der Dichtungsringe 72 und 72' wird -wie oben
bereits beschrieben- so gewählt, daß das axiale
Spiel der Baugruppe 9 überbrückt, das heißt kompensiert
wird, ohne die Abdichtung beziehungsweise
Trennung der Druckseite von der Saugseite zu beeinträchtigen.
Die Form der Seitenplatten kann also mittels eines
Preßvorgangs vorgegeben werden, mit dessen Hilfe
der sogenannte Grünling erstellt wird. Dieser wird
einem nachfolgenden Brennvorgang unterworfen, bei
dem Seitenplatten entstehen, die nachfolgend nur
noch planseitig auf Ebenheit bearbeitet, insbesondere
geschliffen/geläppt, werden. Es hat sich herausgestellt,
daß für die Herstellung der Seitenplatten,
von denen ein gutes Verschleißverhalten
und ein niedriges Gewicht gefordert wird, technische
Keramikmaterialien besonders geeignet sind.
Vorzuziehen ist insbesondere eine Aluminiumoxid-Keramik,
die eine Härte (Vickers-Härte) von 1620 HV
aufweist, deren Druckfestigkeit vorzugsweise 2500
MPa beträgt, die einen Ausdehnungskoeffizienten für
20°C bis 500°C von vorzugsweise 8,0 · 10-6K-1 aufweist.
Derartige Seitenplatten zeichnen sich durch eine
besonders hohe Verschleißfestigkeit, sehr gute
thermische Belastbarkeit und eine extrem gute Temperaturwechsel-Belastbarkeit
aus. Besonders vorteilhaft
bei Seitenplatten der hier angesprochenen
Art ist, daß sie wesentlich weniger empfindlich gegenüber
Kavitationen sind als Seitenplatten aus üblicherweise
eingesetzten Werkstoffen. Es zeigt sich
auch, daß die Gleitpaarung der aus Keramik bestehenden
Seitenplatten mit dem Stahl des Rotors und
der Flügel sehr gut ist. Besonders hervorzuheben
ist auch das geringe Gewicht der Seitenplatten und
damit der gesamten Flügelzellenpumpe.
Technische Keramik weist eine wesentlich geringere
Dichte als Bronze/Stahl und Sintermetalle auf, und
ist deutlich verschleißunanfälliger als das etwas
leichtere Aluminium. Aus technischen Keramikmaterialien
hergestellte Seitenplatten zeichnen sich
also auch -wie oben bereits beschrieben- durch ein
geringes Gewicht und aufgrund ihrer Verschleißbeständigkeit
durch eine hohe Lebensdauer aus.
Aus dem oben Gesagten wird deutlich, daß Seitenplatten
der hier angesprochenen Art, also Druck- und
Verschleißplatten, die aus technischer Keramik
hergestellt sind, auch in bestehende Pumpen eingesetzt
werden können. Es ist also möglich, Flügelzellenpumpen
mit Keramik-Seitenplatten nachzurüsten
und damit die hier erwähnten Vorteile zu erreichen.