EP2327881B1 - Verstellbare Rotationspumpe mit Verschleißminderung - Google Patents

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EP2327881B1
EP2327881B1 EP10178105.2A EP10178105A EP2327881B1 EP 2327881 B1 EP2327881 B1 EP 2327881B1 EP 10178105 A EP10178105 A EP 10178105A EP 2327881 B1 EP2327881 B1 EP 2327881B1
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EP
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rotary pump
pump according
track
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EP2327881A2 (de
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Christof Lamparski
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Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
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Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
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    • Y10T29/49242—Screw or gear type, e.g., Moineau type

Definitions

  • the invention relates to a rotary pump with adjustable, preferably adjustable delivery volume and a method for their preparation.
  • the rotary pump can be used in particular as a lubricating oil pump for the lubricating oil supply of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle engine.
  • Automotive fuel oil pumping is driven as a function of the speed of the engine to be supplied with lubricating oil, usually directly or via a mechanical transmission from the engine.
  • the speed of the pump increases accordingly with the speed of the motor.
  • rotary pumps have a constant specific delivery volume, ie deliver substantially the same amount of fluid per revolution at each speed, the delivery volume increases proportionally with the pump speed.
  • the demand of the engine increases up to a certain limit speed also approximately proportional to the engine speed, but kinks after reaching the limit speed or at least flattens, so that the rotary pump promotes exceeding the limit speed above demand.
  • adjustable rotary pumps have been developed.
  • adjustable rotary pumps are internal and external gear pumps from the DE 102 22 131 B4 known.
  • adjustable vane pumps are known.
  • the pumps each include a reciprocable actuator.
  • the conveying rotor is either a gear wheel or an impeller.
  • the axial engagement length of two gears is adjusted.
  • the respective actuator is acted upon by a force, for example directly with the high pressure liquid.
  • the actuating force counteracts a spring member.
  • pumps of the type mentioned which are increasingly made of light metal alloys, in particular Al alloys, are surprisingly exposed in frictional contact surfaces of the pump housing and the actuator wear and determine the life of the pump.
  • the DE 102 22 131 B4 relates to a generic positive displacement pump with displacement adjustment, comprising a housing, two rotatably drivable conveyor wheels accommodated in a conveyor chamber, which are in a conveying engagement with each other, and a piston which is coupled to at least one of the conveyor wheels for an adjustment of the conveyor wheels.
  • the DE 10 2004 033 968 A1 relates to a coating for a heavy-duty tribological surface of a piston of an internal combustion engine, wherein the coating is a soluble ladder polymer.
  • the DE 200 20 695 U1 relates to a device for moving an actuating element, which receives a drive pulse by means of a pyrotechnic drive.
  • the DE 35 03 859 A1 relates to a sliding surface of a composite nickel-plated movable component, such as an engine cylinder or an engine piston.
  • the DE 42 00 305 A1 relates to a controllable vane pump in a compact design.
  • the DE 35 28 651 A1 relates to a control pump with relief pockets for hydraulic relief.
  • the invention is based on a rotary pump of the positive displacement type, which comprises a housing with a delivery chamber, a delivery rotor rotatable in the delivery chamber about a rotation axis, and at least one actuator which can be moved back and forth in the housing.
  • the actuator may surround the conveyor rotor or preferably be arranged to an end face of the conveyor rotor.
  • An actuator surrounding the conveyor rotor can in particular with innenachsigen pumps, such as gerotor pumps and vane pumps, provided as a rotatably mounted eccentric ring as shown in DE 102 22 131 B4 or the EP 0 846 861 B1 be known or formed as a cam ring.
  • an actuator that is like external gear pumps is preferred known, for example the DE 102 22 131 B4 , Is arranged to a front side of the conveyor rotor and axially seals the delivery chamber at the respective end face.
  • Such an actuator forms an actuating piston which is axially movable back and forth along the axis of rotation of the feed wheel.
  • An actuator surrounding the conveyor rotor is rotatably or pivotally mounted, but may alternatively be mounted linearly movable.
  • the delivery chamber has a low pressure side and a high pressure side. At least one inlet is located on the low-pressure side and at least one outlet for a fluid to be delivered is arranged on the high-pressure side.
  • the low pressure side of the delivery chamber and the entire upstream part of the system where the pump is installed form the low pressure side of the pump.
  • the high pressure side of the delivery chamber and the entire adjoining downstream part of the system form the high pressure side of the pump.
  • the low pressure side extends to a reservoir for the fluid, and the high pressure side extends to at least the most downstream point of use, which requires high fluid pressure.
  • the actuator is acted upon in the direction of its mobility with a force that depends on the pressure of the fluid of the high-pressure side of the pump or other relevant for the needs of the size of the system.
  • the pressure may be removed directly at the outlet of the delivery chamber or at a downstream pump outlet or from a location further downstream in the system, for example the last point of use.
  • the actuating force instead of the pressure or in addition to the pressure, for example, the temperature of the fluid or a component in the system in which the pump is installed, for example, an engine temperature.
  • other or further physical quantities are used to determine the actuating force.
  • the actuating force can be generated by means of an additional actuator, for example an electric motor.
  • the actuator is directly acted upon by the pressure of the fluid, ie it is acted upon by the pressurized fluid during operation of the pump.
  • the actuator is in preferred embodiments, in particular in embodiments in which it is acted upon by the pressurized fluid, the actuating force counteracting subjected to a tensile elasticity.
  • the elasticity force is generated by a elastic member, preferably by a mechanical spring.
  • the actuator is in sliding contact with the housing in that the housing forms a raceway and the actuator form an actuator sliding surface and the actuator is guided by means of its sliding surface of the raceway in the sliding contact.
  • the actuator may additionally be performed otherwise, for example in a pivot joint, but more preferably it is only guided by the track.
  • the actuator sliding surface or the raceway is or are formed from a sliding material.
  • the sliding material may be a ceramic material, a nitride, a nickel-phosphorus compound, a lubricating varnish, a DLC coating, a Ferroprint coating or a nano-coating.
  • the sliding material may form a surface coating.
  • both the actuator sliding surface and the raceway are made of a sliding material, either the same or each of a different sliding material. Wear reductions, however, are already achieved when either only the actuator sliding surface or only the raceway is made of the sliding material, with preference given to the use of the sliding material for the actuator sliding surface.
  • Adhesion may be the wear-determining friction mechanism, in particular, when the frictionally engaged friction partners are so smooth that the friction mechanism of the furrowing or abrasion fades into the background.
  • the sliding partners ie the sliding surface of the actuator or the plurality of actuators and the raceway or a plurality of raceways of the housing are designed so that the adhesion tendency is significantly reduced in the friction system compared to the usual surfaces for the sliding of aluminum alloys.
  • the sliding material is advantageously chosen so that it has an adhesive energy or free surface energy which is at most half as large as the adhesion energy of pure aluminum. This condition is met in particular by plastic materials and ceramic materials, preferably metal oxide ceramics, but also by the abovementioned further sliding materials.
  • the adhesion energy or free binding energy increases with the density of the free electrons. The requirement for a low adhesion energy therefore meet materials with a low density of free electrons.
  • the actuator or the housing forming the raceway consists or consist of the superficial sliding layer of a different material, namely a carrier material.
  • the carrier material may in particular be a metal, preferably a light metal.
  • Candidates for light metals are mainly aluminum, aluminum alloys and magnesium alloys.
  • both sliding surfaces are preferably formed as superficial sliding layers each comprising a sliding material with a significantly lower adhesion energy than aluminum or magnesium. If only one of the sliding surfaces of the two sliding partners consists of the sliding material, it is preferably the sliding surface of the actuator.
  • the superficial sliding layer can be formed by applying the sliding material or by converting the carrier material.
  • the conversion of light-metal carrier materials results in a metal oxide ceramic sliding layer or a nitride layer.
  • the support material is aluminum or an aluminum alloy
  • the sliding layer is preferably obtained by anodization.
  • anodizing it is possible in particular to form a so-called Hardcoat® sliding layer (HC layer) or more preferably a so-called Hardcoat® smooth sliding layer (HC-GL layer).
  • Hardcoat® smooth electrolytes consist of a mixture of oxalic acid and additives.
  • sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is usually used.
  • anodic oxidation processes are known for providing a metal-ceramic sliding layer comparable with Al 2 O 3 sliding layers, for example the so-called DOW method.
  • the ceramic sliding layer is preferably distributed PTFE, the ceramic is impregnated with PTFE, so to speak.
  • the housing or else just one housing part forming the raceway can be shaped in particular from aluminum or an aluminum alloy.
  • the housing or the relevant housing part is preferably cast.
  • the aluminum alloy is therefore preferably an Al casting alloy.
  • the actuator does not consist at least substantially of plastic sliding material, it is preferably formed from aluminum or an aluminum alloy, preferably a casting alloy, preferably by casting and subsequent extruding or by sintering and calibrating.
  • the particular aluminum alloy preferably contains 10 ⁇ 2% by weight of silicon.
  • the respective alloy also contains copper, but with a proportion of at most 4 wt .-%, preferably at most 3 wt .-%. Furthermore, it can contain a smaller amount of iron.
  • the housing part preferably also other parts of the housing, is or are preferably molded in sand casting or die-casting, with the die cast offering primarily for larger and the sand casting for smaller series.
  • chill casting can also be used.
  • a particularly preferred alloy for the housing part and also for the housing as a whole is AlSi8Cu3, if it is formed by sand casting or chill casting and AlSi9Cu3 plus a low Fe content if it is die cast.
  • Nitrides preferred as the sliding material are titanium carbonitride (TiCN) and in particular nitrided steel. Steels with a high chromium content, preferably with a molybdenum content and also preferably with vanadium, are used as nitrided steels, for example 30CrMoV9. TiCN is used as a surface coating on a light metal carrier material. If nitrided steel forms the sliding material, the corresponding steel is preferably the carrier material.
  • the actuator may be formed from the steel and the actuator slide surface may be nitrided steel.
  • a particularly preferred sliding pair is hardcoat ceramic or hardcoat smooth ceramic in one and nitrided steel in the other sliding partner. The ceramic sliding material of this pairing may contain PTFE, but low wear is achieved even when using only the ceramic.
  • a glide pairing of hardcoat or hardcoat smooth ceramic with sintered tin bronze is also an alternative, although with regard to thermal expansion, only a limited preferred.
  • a DLC (Diamond Like Carbon) coating in particular a tungsten carbide (WC) coating, also reduces wear.
  • a DLC sliding layer can be produced in particular by plasma coating.
  • Bonded coatings are also suitable sliding materials, which also applies to bonded coatings, that a Verschbpsminderung Although only one of the sliding partners is achieved in coating, but a bonded coating of both sliding partners of the friction system is given preference.
  • a combination of a lubricating varnish in one and a plastic material in the other sliding partner is also an advantageous solution.
  • the bonded coating consists of an organic or inorganic binder, one or more solid lubricants and additives. As a solid lubricant in particular MoS 2 , graphite or PTFE are used individually or in combination.
  • the surface to be coated is pretreated by expediently applying to the surface to be coated Phosphate layer is formed.
  • a special anti-friction varnish is Ferroprint, which contains fine steel flakes as a solid lubricant.
  • nano-coating forms the sliding material
  • nano-phosphorus compounds can form the sliding layer.
  • FIG. 1 shows an external gear pump in a cross section.
  • a delivery chamber is formed in which two externally toothed conveyor rotors 1 and 2 in the form of externally toothed gears rotatably mounted about parallel axes of rotation R 1 and R 2 .
  • the conveying rotor 1 is rotationally driven, for example, by the crankshaft of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the conveyor rotors 1 and 2 are meshed with each other, so that in a rotary drive of the conveyor rotor 1 of the thus meshing conveyor rotor 2 is also rotationally driven.
  • the housing part 3 forms the conveyor rotors 1 and 2 facing in the radial direction in each case a radial sealing surface 9, which wraps around the respective conveyor rotor 1 or 2 circumferentially to form a narrow radial sealing gap.
  • the housing 3, 6 further forms on each end side of the conveyor rotor 1 and this axially facing an axial sealing surface, of which in FIG. 1 the sealing surface 7 can be seen.
  • the conveying rotor 2 is axially facing at its two end faces each formed a further axial sealing surface, of which in cross section of FIG. 1 the sealing surface 17 can be seen.
  • the conveyor rotor 2 is axially movable relative to the conveyor rotor 1, ie, along its axis of rotation R 2 , so that the engagement length of the conveyor rotors 1 and 2 and, correspondingly, the delivery rate can be changed.
  • the conveyor rotor 2 assumes an axial position with an axial overlap, ie engagement length, which is already reduced in comparison to the maximum engagement length.
  • the conveyor rotor 2 is part of an adjustment consisting of a bearing pin 14, an actuator 15, an actuator 16 and the rotatably mounted between the actuators 15 and 16 on the bearing pin 14 conveyor rotor 2.
  • the bearing pin 14 connects the actuators 15 and 16 torsionally rigid with each other.
  • the actuator 16 forms the conveying rotor 2 facing the axial sealing surface 17.
  • the actuator 15 forms the other axial sealing surface 18.
  • the entire adjustment is mounted in a sliding chamber of the pump housing 3, 6 axially displaceable back and forth against rotation.
  • the housing is formed by the housing part 3 and the housing cover 6 firmly connected thereto.
  • the housing cover 6 is formed with a base, whose end surface facing the conveying rotor 1 forms the sealing surface 7.
  • the housing part 3 forms on the opposite end side of the conveyor rotor 1 axially facing the fourth axial sealing surface 8.
  • the sealing surface 8 is provided on its side facing the adjusting unit with a circular segment-shaped cutout for the actuator 15.
  • the actuator 16 is provided on its side facing the conveyor rotor 1 with a circular segment-shaped cutout for the sealing surface 7 forming the base 6.
  • the sealing surface 7 corresponds to the sealing surface 8 and corresponds to the sealing surface 17 of the sealing surface 18th
  • the adjusting members 15 and 16 of the embodiment are adjusting piston.
  • the sliding chamber in which the adjusting unit is axially movable back and forth, comprises a limited from the back of the actuator 15 subspace 10 and a limited from the back of the actuator 16 subspace 11.
  • the subspace 11 is connected to the high pressure side of the pump and is constantly pressurized there with branched pressure fluid, which thus acts on the back of the actuator 16.
  • a mechanical compression spring is arranged as the elastic member 12, the elastic force acts on the back of the actuator 16.
  • the elastic member 12 counteracts acting in the subspace 11 on the actuator 16 pressing force.
  • the regulation of such external gear pumps is known and therefore needs no explanation.
  • the regulation may in particular be in accordance with DE 102 22 131 B4 be designed.
  • the sealing surfaces 7, 8, 17 and 18 are each provided on the high pressure side with a discharge pocket.
  • the housing part 3 guides the actuators 15 and 16 in sliding contact.
  • the housing part 3 form a raceway 3a and the housing part 3 together with the cover 6 a raceway 3b, 6b.
  • the actuators 15 and 16 each form an actuator slide surface 15a and 16a on its outer peripheral surface. More specifically, in the sliding contact, the raceway 3a and the actuator sliding surface 15a on the one hand, and the raceway 3b, 6b and the actuator sliding surface 16a on the other hand.
  • a special sliding material forms at least one of the sliding partners of the respective friction system.
  • either the raceway 3a or the actuator slide surface 15a may be formed by the sliding material.
  • the same sliding material may further constitute both the raceway 3a and the actuator sliding surface 15a.
  • the two sliding surfaces 3a and 15a can each be formed by a different sliding material. The same applies with respect to the other friction system 3b, 6b / 16a. If only one of the sliding partners of the respective friction system consists of the sliding material, the same sliding material is expediently used in each case. If both friction partners consist of a sliding material, the actuator sliding surfaces 15a and 16a are each formed by the same sliding material or the raceways 3a, 3b and 6b are each formed by the same sliding material.
  • one of the sliding partners may consist of a metal alloy, preferably a light metal alloy, it corresponds to preferred exemplary embodiments if each of the sliding partners is formed by a special sliding material of low adhesion energy.
  • the sliding material of the sliding partner of the respective friction system may be the same or different.
  • the actuators 15 and 16 may be formed as a whole from the sliding material or from a carrier material, preferably a light metal alloy, and superficially each have a sliding layer of the sliding material.
  • the housing, in the embodiment, the housing part 3 and the cover 6, may also be formed of plastic, in preferred embodiments, however, at least the housing part 3, preferably also the cover 6, cast from a metal alloy, preferably a light metal alloy.
  • aluminum alloys are suitable as light metal. Preferred examples are given below:
  • Housing part 3 and cover 6 each made of AlSi9Cu3 (Fe) die cast Actuators 15 and 16: PES compound: 10% by weight carbon fibers, 10% by weight graphite, 10% by weight PTFE, remainder PES (eg ULTRASON®)
  • Example 1 the housing part 3 and the lid 6 are each die-cast from the same aluminum alloy, namely AlSi9Cu3.
  • the alloy may contain a small amount of Fe.
  • the raceways 3a, 3b and 6b are obtained by mechanical machining accurately.
  • the actuators 15 and 16 are each molded as a whole from the specified plastic sliding material.
  • the sliding surfaces 15a and 16a are accurately produced by mechanical processing.
  • Housing part 3 and cover 6 each made of AlSi9Cu3 (Fe) die cast Actuators 15 and 16: PES compound: 10% by weight of carbon fibers, 10% by weight of graphite, 10% by weight of PTFE, remainder PES (eg ULTRASON®) Runways 3a, 3b and 6b: coated with slip-modified plastic or lubricating varnish
  • example 2 corresponds to example 1.
  • a sliding layer of plastic sliding material or bonded coating respectively forms the raceways 3a, 3b and 6b.
  • the plastic sliding material may in particular be the material of the actuators 15 and 16.
  • Housing part 3 and cover 6 each made of AlSi9Cu3 (Fe) die cast Actuators 15 and 16: Extruded parts of semi-finished aluminum casting as support material, for example AlSi8Cu3 Sliding surfaces 15a and 16a: PES compound: 10% by weight of carbon fibers, 10% by weight of graphite, 10% by weight of PTFE, remainder PES (eg ULTRASON®)
  • the housing part 3 and the cover 6 correspond to Example 1.
  • the actuators 15 and 16 each consist of the same Al alloy, preferably AlSi8Cu3. They are formed from a cast semi-finished aluminum alloy by extrusion. Subsequently, at least the peripheral surfaces are each provided with a sliding layer of the plastic sliding material. Instead of molding the blanks of the actuators 15 and 16 by extrusion, the blanks can be formed by sintering and calibrating. The extruded or calibrated blanks are heated and overmolded in a mold with the plastic sliding material, preferably completely enveloped.
  • Housing part 3 and cover 6 each made of AlSi9Cu3 (Fe) die cast Runways 3a, 3b and 6b: Hardcoat smooth (HC-GL sliding layer, preferably with PTFE impregnation)
  • Actuators 15 and 16 Extruded parts of semi-finished aluminum casting as support material, for example AlSi8Cu3 Sliding surfaces 15a and 16a: Hardcoat smooth (HC-GL sliding layer, preferably with PTFE impregnation)
  • the housing part 3 and the cover 6 correspond to Example 1.
  • the actuators 15 and 16 each consist of the same aluminum alloy, preferably AlSi8Cu3. They are either formed from a cast semi-finished product by extrusion or alternatively by sintering and calibration. Subsequently, the actuator blanks are anodized at least at their respective peripheral surface forming the sliding surface 15a and 16a.
  • the electrolyte used is a mixture of oxalic acid and additives, so that a sliding layer of Al 2 O 3 hardcoat smooth forms on the outer peripheral surfaces.
  • the sliding layer with PTFE impregnated Preferably, the sliding layer with PTFE impregnated.
  • the raceways 3a, 3b and 6b also in the same way each as HC-GL sliding layer, preferably formed as a PTFE impregnated sliding layer.
  • one of the two sliding partners or even both sliding partners can each be formed as an HC sliding layer, likewise preferably as a PTFE-impregnated sliding layer.
  • Housing part 3 and cover 6 each made of AlSi9Cu3 (Fe) die cast Runways 3a, 3b and 6b: HC-slip layer
  • Actuators 15 and 16 Steel, for example 30CrMoV9, as a carrier material
  • Sliding surfaces 15a and 16a nitrided steel
  • the HC overlay may be PTFE impregnated.
  • the actuators 15 and 16 are formed of steel and nitrided on the surface, at least on the outer peripheral surfaces.
  • Housing part 3 and cover 6 AlSi8Cu3 Sand casting or chill casting Actuators 15 and 16: Extruded parts of semi-finished aluminum casting as support material, for example AlSi8Cu3 Sliding surfaces 15a and 16a: Hardcoat Smooth (HC-Gl Sliding Layer)
  • the housing part 3 and the lid 6 are each formed of AlSi8Cu3 in sand casting or chill casting.
  • the raceways 3a, 3b and 6b are produced by mechanical machining accurately.
  • the actuators 15 and 16 are each formed of extruded aluminum semi-finished by extrusion molding and anodized.
  • As the electrolyte a mixture of oxalic acid and additives is used, so that on the outer peripheral surfaces depending on a sliding layer Al 2 O 3 hardcoat Cilatt forms (HC-GL overlay).
  • the HC-GL overlay preferably contains PTFE,
  • HC-ceramic or HC-smooth ceramic also forms the raceways 3a, 3b and 6b, wherein also there the ceramic can advantageously be impregnated PTFE
  • Metal-ceramic sliding layers are particularly suitable for use in friction systems with light metal sand casting or - chill cast or generally light metal casting alloys that are solidified in thermodynamic equilibrium or close to the thermodynamic equilibrium.
  • the smaller ⁇ -mixed crystals, for example AlSi, of the die-cast microstructure due to the shorter cooling time present problems such as fine abrasive grains for metal oxide ceramic sliding layers.
  • sliding-modified, temperature-resistant thermoplastics are the better choice, or both sliding partners should each have an HC or HC-GL sliding layer.
  • both sanding or Kokillengussge both sliding from a sliding material low adhesive energy.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe mit verstellbarem, vorzugsweise regelbarem Fördervolumen und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Rotationspumpe kann insbesondere als Schmierölpumpe für die Schmierölversorgung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugsmotors, verwendet werden.
  • Schmierölpumpen von Kraftfahrzeugen werden in Abhängigkeit von der Drehzahl des mit Schmieröl zu versorgenden Motors angetrieben, üblicherweise direkt oder über ein mechanisches Getriebe vom Motor. Die Drehzahl der Pumpe steigt dementsprechend mit der Drehzahl des Motors. Da Rotationspumpen ein konstantes spezifisches Fördervolumen haben, d. h. pro Umdrehung bei jeder Drehzahl im Wesentlichen die gleiche Flüssigkeitsmenge fördern, steigt das Fördervolumen proportional mit der Pumpendrehzahl. Der Bedarf des Motors steigt bis zu einer gewissen Grenzdrehzahl ebenfalls in etwa proportional zur Motordrehzahl, knickt nach Erreichen der Grenzdrehzahl jedoch ab oder flacht zumindest ab, so dass die Rotationspumpe bei Überschreiten der Grenzdrehzahl über den Bedarf fördert. Um die überschüssige Fördermenge nicht verlustbehaftet in ein Reservoir leiten zu müssen, wurden verstellbare Rotationspumpen entwickelt. Als Beispiele verstellbarer Rotationspumpen sind innenachsige und außenachsige Zahnradpumpen aus der DE 102 22 131 B4 bekannt. Des Weiteren sind verstellbare Flügelzellenpumpen bekannt. Die Pumpen umfassen jeweils ein hin und her bewegbares Stellglied. In den genannten Beispielfällen ist der Förderrotor entweder ein Zahnrad oder ein Flügelrad. Bei den bekannten innenachsigen Zahnradpumpen und Flügelzellenpumpen wird durch die Bewegung des Verstellglieds die Exzentrizität zwischen zwei miteinander kämmenden Zahnrädern oder die Exzentrizität zwischen dem Flügelrad und dem Stellglied entsprechend dem Bedarf des Verbrauchers verstellt. Bei außenachsigen Zahnradpumpen wird die axiale Eingriffslänge zweier Zahnräder verstellt. Für die Verstellung wird das jeweilige Stellglied mit einer Stellkraft beaufschlagt, beispielsweise unmittelbar mit der Hochdruckflüssigkeit. Der Stellkraft wirkt ein Federglied entgegen. Bei Pumpen der genannten Art, die in zunehmendem Maße aus Leichtmetalllegierungen, insbesondere Al-Legierungen hergestellt werden, unterliegen überraschenderweise die in Reibkontakt stehenden Flächen des Pumpengehäuses und des Stellglieds einem besonderen Verschleiß und bestimmen die Lebensdauer der Pumpe.
  • Die DE 102 22 131 B4 betrifft eine generische Verdrängerpumpe mit Fördervolumenverstellung, mit einem Gehäuse, zwei in einer Förderkammer aufgenommenen, drehantreibbaren Förderrädern, die miteinander in einem Fördereingriff sind, und einem Kolben der für eine Verstellung der Förderräder zueinander mit wenigstens einem der Förderräder gekoppelt ist. Die DE 10 2004 033 968 A1 betrifft eine Beschichtung für eine hochbelastbare tribologische Oberfläche eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei die Beschichtung ein lösliches Leiterpolymer ist. Die DE 200 20 695 U1 betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen eines Stellelements, das mittels eines pyrotechnischen Antriebs einen Antriebsimpuls erhält. Die DE 35 03 859 A1 betrifft eine Gleitfläche eines verbund-vernickelten beweglichen Bauteils, wie zum Beispiel einem Motorzylinder oder einem Motorkolben. Die DE 42 00 305 A1 betrifft eine Regelbare Flügelzellenpumpe in kompakter Bauweise. Die DE 35 28 651 A1 betrifft eine Regelpumpe mit Entlastungstaschen für eine hydraulische Entlastung.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Lebensdauer von verstellbaren Rotationspumpen des Verdrängertyps zu verlängern.
  • Die Erfindung geht von einer Rotationspumpe vom Verdrängertyp aus, die ein Gehäuse mit einer Förderkammer, einen in der Förderkammer um eine Drehachse drehbaren Förderrotor und wenigstens ein in dem Gehäuse hin und her bewegbares Stellglied umfasst. Das Stellglied kann den Förderrotor umgeben oder vorzugsweise zu einer Stirnseite des Förderrotors angeordnet sein. Ein den Förderrotor umgebendes Stellglied kann insbesondere bei innenachsigen Pumpen, beispielsweise Zahnringpumpen und Flügelzellenpumpen, vorgesehen und als drehbar gelagerter Exzenterring wie aus der DE 102 22 131 B4 oder der EP 0 846 861 B1 bekannt oder als Hubring gebildet sein. Bevorzugt wird jedoch ein Stellglied, das wie von Außenzahnradpumpen bekannt, beispielsweise der DE 102 22 131 B4 , zu einer Stirnseite des Förderrotors angeordnet ist und die Förderkammer an der betreffenden Stirnseite axial abdichtet. Ein derartiges Stellglied bildet einen Stellkolben, der längs der Drehachse des Förderrads hin und her axial bewegbar ist. Ein den Förderrotor umgebendes Stellglied ist drehbar oder schwenkbar gelagert, kann aber alternativ auch linear bewegbar gelagert sein. Die Förderkammer weist eine Niederdruckseite und eine Hochdruckseite auf. Auf der Niederdruckseite ist wenigstens ein Einlass und auf der Hochdruckseite ist wenigstens ein Auslass für ein zu förderndes Fluid angeordnet. Die Niederdruckseite der Förderkammer und der gesamte stromaufwärtige Teil des Systems, in dem die Pumpe eingebaut ist, bilden die Niederdruckseite der Pumpe. Die Hochdruckseite der Förderkammer und der gesamte sich daran anschließende, stromabwärtige Teil des Systems bilden die Hochdruckseite der Pumpe. Die Niederdruckseite erstreckt sich bis zu einem Reservoir für das Fluid, und die Hochdruckseite erstreckt sich bis wenigstens zu der stromabwärtigsten Verbrauchsstelle, die hohen Fluiddruck benötigt.
  • Das Stellglied ist in Richtung seiner Bewegbarkeit mit einer Stellkraft beaufschlagbar, die von dem Druck des Fluids der Hochdruckseite der Pumpe abhängt oder einer anderen für den Bedarf maßgeblichen Größe des Systems. Der Druck kann unmittelbar an dem Auslass der Förderkammer oder einem nachgelagerten Pumpenauslass oder von einer weiter stromabwärts im System gelegenen Stelle, beispielsweise der letzten Verbrauchsstelle, abgenommen werden. In die Bildung der Stellkraft kann statt des Drucks oder zusätzlich zu dem Druck beispielsweise die Temperatur des Fluids einfließen oder einer Komponente im System, in dem die Pumpe eingebaut ist, beispielsweise eine Motortemperatur. Gegebenenfalls werden andere oder weitere physikalische Größen für die Bestimmung der Stellkraft herangezogen. Die Stellkraft kann mittels eines zusätzlichen Stellglieds, beispielsweise eines Elektromotors, erzeugt werden. Bevorzugter ist jedoch das Stellglied unmittelbar mit dem Druck des Fluids beaufschlagbar, d. h. es wird im Betrieb der Pumpe mit dem Druckfluid beaufschlagt. Das Stellglied wird in bevorzugten Ausführungen, insbesondere in Ausführungen, in denen es mit dem Druckfluid beaufschlagt wird, der Stellkraft entgegenwirkend mit einer Elastizitätskraft beaufschlagt. Die Elastizitätskraft wird von einem Elastizitätsglied erzeugt, vorzugsweise von einer mechanischen Feder.
  • Das Stellglied steht mit dem Gehäuse in einem Gleitkontakt, indem das Gehäuse eine Laufbahn und das Stellglied eine Stellglied-Gleitfläche bilden und das Stellglied mittels seiner Gleitfläche von der Laufbahn in dem Gleitkontakt geführt wird. Das Stellglied kann zusätzlich noch anderweitig geführt werden, beispielsweise in einem Schwenkgelenk, bevorzugter wird es jedoch nur von der Laufbahn geführt.
  • Nach der Erfindung wird oder werden die Stellglied-Gleitfläche oder die Laufbahn aus einem Gleitmaterial gebildet. Das Gleitmaterial kann insbesondere ein keramisches Material, ein Nitrid, eine Nickelphosphorverbindung, ein Gleitlack, eine DLC-Beschichtung, eine Ferroprint-Beschichtung oder eine Nano-Beschichtung sein. Das Gleitmaterial kann eine Oberflächenbeschichtung bilden. In bevorzugten Ausführungen besteht sowohl die Stellglied-Gleitfläche als auch die Laufbahn aus einem Gleitmaterial, entweder je dem gleichen oder jeweils aus einem anderen Gleitmaterial. Verschleißminderungen werden jedoch auch bereits erzielt, wenn entweder nur die Stellglied-Gleitfläche oder nur die Laufbahn aus dem Gleitmaterial besteht, wobei der Verwendung des Gleitmaterials für die Stellglied-Gleitfläche der Vorzug gegeben wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für den Verschleiß Furchung, andererseits aber auch Adhäsion maßgeblich sein kann. Adhäsion kann insbesondere dann der Verschleiß bestimmende Reibmechanismus sein, wenn die im Gleitkontakt stehenden Reibpartner so glatt sind, dass der Reibmechanismus der Furchung oder Abrasion in den Hintergrund tritt. So wurde bei verstellbaren Außenzahnradpumpen festgestellt, dass die zu den Stirnseiten des axial bewegbaren Förderrotors angeordneten Stellglieder, nämlich die beiden Stellkolben, einem beachtlichen Schwingreibverschleiß unterliegen. Die für die Einstellung des Fördervolumens erforderlichen Verstellbewegungen können den Schwingreibverschleiß nicht verursachen. Die Verstellbewegungen sind zu langsam. Den Verstellbewegungen sind jedoch Oszillationen mit im Vergleich zu den Regelbewegungen kurzen Hüben und weitaus höherer Frequenz überlagert. Zwischen den Gleitflächen der Stellglieder und der Laufbahn des Pumpengehäuses kommt es daher zur Adhäsion mit der Folge, dass örtlich Materialverschweißungen auftreten, die durch die Verstellbewegungen losgebrochen werden. Nach der Erfindung werden die Gleitpartner, d. h. die Gleitfläche des Stellglieds oder der mehreren Stellglieder und die Laufbahn oder mehreren Laufbahnen des Gehäuses, so gestaltet, dass die Adhäsionsneigung im Reibungssystem im Vergleich zu den für die Gleitpartner üblichen Oberflächen aus Aluminiumlegierungen deutlich verringert wird. Das Gleitmaterial ist vorteilhafterweise so gewählt, dass es eine Adhäsionsenergie bzw. freie Oberflächenenergie aufweist, die höchstens halb so groß wie die Adhäsionsenergie von reinem Aluminium ist. Diese Bedingung wird insbesondere von Kunststoffmaterialien und keramischen Materialien, vorzugsweise Metalloxidkeramiken, aber auch von den vorstehend genannten weiteren Gleitmaterialien erfüllt. Die Adhäsionsenergie oder freie Bindungsenergie nimmt mit der Dichte der freien Elektronen zu. Die Forderung nach einer niedrigen Adhäsionsenergie erfüllen demnach Materialien mit einer niedrigen Dichte freier Elektronen.
  • Erfindungsgemäß wird wenigstens eine der in Gleitkontakt stehenden Gleitflächen von einer dünnen Gleitschicht gebildet. Das Stellglied oder das die Laufbahn bildende Gehäuseteil besteht oder bestehen unter der oberflächlichen Gleitschicht aus einem anderen Material, nämlich einem Trägermaterial. Das Trägermaterial kann insbesondere ein Metall, vorzugsweise ein Leichtmetall sein. Kandidaten für Leichtmetalle sind vor allem Aluminium, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen. In den zweiten Ausführungsformen sind vorzugsweise beide Gleitflächen als oberflächliche Gleitschichten aus je einem Gleitmaterial mit gegenüber Aluminium oder Magnesium deutlich geringerer Adhäsionsenergie gebildet sein. Falls nur eine der Gleitflächen der beiden Gleitpartner aus dem Gleitmaterial besteht, handelt es sich vorzugsweise um die Gleitfläche des Stellglieds. Vorteilhaft ist auch eine Kombination einer ersten und einer zweiten Ausführungsform, bei der das Stellglied oder das die Laufbahn bildende Gehäuseteil, vorzugsweise Einsatzteil, zumindest im Wesentlichen aus Kunststoff besteht und das andere Teil eine Oberflächenschicht aus dem Gleitmaterial, beispielsweise einem keramischen Material aufweist.
  • Die oberflächliche Gleitschicht kann durch Auftragen des Gleitmaterials oder durch Umwandlung des Trägermaterials gebildet werden. Durch Umwandlung leichtmetallischer Trägermaterialien entsteht eine metalloxidkeramische Gleitschicht oder eine Nitridschicht. Ist das Trägermaterial Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, wird die Gleitschicht vorzugsweise durch Eloxieren erhalten. Durch Eloxieren kann insbesondere eine so genannte Hardcoat®-Gleitschicht (HC-Schicht) oder bevorzugter eine so genannte Hardcoat®-Glatt-Gleitschicht (HC-GL-Schicht) gebildet werden. Hardcoat®-Glatt-Elektrolyte bestehen aus einer Mischung von Oxalsäure und Additiven. Zur Herstellung von Hardcoat®-Schichten wird in der Regel Schwefelsäure (H2SO4) verwendet. Auch für Magnesium und Magnesiumlegierungen als Trägermaterial sind anodische Oxidationsverfahren zur Schaffung einer mit Al2O3-Gleitschichten vergleichbaren metallkeramischen Gleitschicht bekannt, beispielsweise das so genannte DOW-Verfahren. In der keramischen Gleitschicht ist vorzugsweise PTFE verteilt, die Keramik ist sozusagen mit PTFE imprägniert.
  • Das Gehäuse oder auch nur ein die Laufbahn bildendes Gehäuseteil kann wie bereits erwähnt insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung geformt sein. Das Gehäuse oder das betreffende Gehäuseteil wird vorzugsweise gegossen. Die Aluminiumlegierung ist daher bevorzugt eine Al-Gusslegierung. Falls das Stellglied nicht zumindest im Wesentlichen aus Kunststoffgleitmaterial besteht, wird es bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer Gusslegierung geformt, bevorzugt durch Gießen und anschließendes Fließpressen oder durch Sintern und Kalibrieren. Sowohl für das Gehäuseteil als auch das Stellglied gilt, dass die jeweilige Aluminiumlegierung vorzugsweise 10 ± 2 Gew.-% Silizium enthält. Bevorzugt enthält die jeweilige Legierung auch Kupfer, allerdings mit einem Anteil von höchstens 4 Gew.-%, bevorzugt höchstens 3 Gew.-%. Des Weiteren kann sie einen kleineren Anteil Eisen enthalten. Das Gehäuseteil, vorzugsweise auch weitere Teile des Gehäuses, ist oder sind vorzugsweise im Sandguss oder Druckguss geformt, wobei sich der Druckguss in erster Linie für größere und der Sandguss für kleinere Serien anbieten. Statt Sandguss kann auch Kokillenguss zur Anwendung gelangen. Eine besonders bevorzugte Legierung für das Gehäuseteil und auch für das Gehäuse insgesamt ist AlSi8Cu3, falls es im Sandguss oder Kokillenguss geformt wird, und AlSi9Cu3 zuzüglich eines geringen Fe-Anteils, falls es im Druckguss geformt wird.
  • Als Gleitmaterial bevorzugte Nitride sind Titancarbonitrid (TiCN) und insbesondere nitrierter Stahl. Als nitrierte Stähle kommen insbesondere Stähle mit hohem Chromgehalt, vorzugsweise mit Molybdänanteil und ebenfalls bevorzugt mit Vanadiumanteil zum Einsatz, beispielsweise 30CrMoV9. TiCN gelangt als Oberflächenbeschichtung auf einem Leichtmetall-Trägermaterial zum Einsatz. Falls nitrierter Stahl das Gleitmaterial bildet, ist der entsprechende Stahl vorzugsweise das Trägermaterial. So kann insbesondere das Stellglied aus dem Stahl geformt und die Stellglied-Gleitfläche aus dem nitriertem Stahl bestehen. Eine besonders bevorzugte Gleitpaarung ist Hardcoat-Keramik oder Hardcoat-Glatt-Keramik bei dem einen und nitrierter Stahl bei dem anderen Gleitpartner. Das keramische Gleitmaterial dieser Paarung kann PTFE enthalten, geringer Verschleiß wird jedoch auch bei Verwendung nur der Keramik erzielt. Eine Gleitpaarung aus Hardcoat- oder Hardcoat-Glatt-Keramik mit gesinterter Zinnbronze ist ebenfalls eine Alternative, obgleich im Hinblick auf die Wärmeausdehnung nur eine bedingt bevorzugte.
  • Verschleiß mindernd wirkt sich auch eine DLC-Beschichtung (Diamond Like Carbon) und hier insbesondere eine Wolframcarbid(WC)-Beschichtung aus. Eine DLC-Gleitschicht kann insbesondere durch Plasmabeschichten erzeugt werden.
  • Gleitlacke sind ebenfalls geeignete Gleitmaterialien, wobei auch für Gleitlacke gilt, dass eine Verschließminderung zwar bereits bei Beschichtung nur eines der Gleitpartner erzielt wird, eine Gleitlackbeschichtung beider Gleitpartner des Reibsystems jedoch der Vorzug gegeben wird. Auch eine Kombination eines Gleitlacks bei dem einen und eines Kunststoffmaterials bei dem anderen Gleitpartner ist eine vorteilhafte Lösung. Der Gleitlack besteht aus einem organischen oder anorganischen Bindemittel, einem oder mehreren Festschmierstoffen und Additiven. Als Festschmierstoff kommen insbesondere MoS2, Graphit oder PTFE einzeln oder in Kombination in Frage. Vor dem Beschichten mit dem Gleitlack wird die zu beschichtende Oberfläche vorbehandelt, indem auf der zu beschichtenden Oberfläche zweckmäßigerweise eine Phosphatschicht gebildet wird. Ein besonderer Gleitlack ist Ferroprint, der als Festschmierstoff feine Stahlplättchen enthält.
  • Falls eine Nano-Beschichtung das Gleitmaterial bildet, können insbesondere Nano-Phosphorverbindungen die Gleitschicht bilden.
  • Vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben. Die dort beschriebenen Merkmale und die vorstehend beschriebenen ergeben weitere vorteilhafte Merkmalskombinationen.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Kombination von Merkmalen die sich nicht gegenseitig ausschließen, die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Förderkammer einer Außenzahnradpumpe mit zwei in Zahneingriff befindlichen Förderrotoren und
    Figur 2
    die Außenzahnradpumpe in einem Längsschnitt.
  • Figur 1 zeigt eine Außenzahnradpumpe in einem Querschnitt. In einem Pumpengehäuse, das ein Gehäuseteil 3 und einen Deckel 6 (Figur 2) umfasst, ist eine Förderkammer gebildet, in der zwei außenverzahnte Förderrotoren 1 und 2 in Form von außen verzahnten Zahnrädern um parallele Drehachsen R1 und R2 drehbar gelagert sind. Der Förderrotor 1 wird drehangetrieben, beispielsweise von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Die Förderrotoren 1 und 2 sind miteinander in einem Zahneingriff, so dass bei einem Drehantrieb des Förderrotors 1 der damit kämmende Förderrotor 2 ebenfalls drehangetrieben wird. In die Förderkammer münden auf einer Niederdruckseite ein Einlass 4 und auf einer Hochdruckseite ein Auslass 5 für ein zu förderndes Fluid, vorzugsweise Schmieröl für einen Verbrennungsmotor. Das Gehäuseteil 3 bildet den Förderrotoren 1 und 2 in radialer Richtung zugewandt jeweils eine radiale Dichtfläche 9, die den jeweiligen Förderrotor 1 oder 2 umfangsseitig unter Ausbildung eines engen radialen Dichtspalts umschlingt. Für den Förderrotor 1 bildet das Gehäuse 3, 6 ferner an jeder Stirnseite des Förderrotors 1 und diesem axial zugewandt eine axiale Dichtfläche, von denen in Figur 1 die Dichtfläche 7 zu erkennen ist. Dem Förderrotor 2 ist an dessen beiden Stirnseiten axial zugewandt je eine weitere axiale Dichtfläche gebildet, von denen im Querschnitt der Figur 1 die Dichtfläche 17 zu erkennen ist.
  • Durch Drehantrieb der Förderrotoren 1 und 2 wird Fluid durch den Einlass 4 in die Förderkammer gesogen und in den Zahnlücken der Förderrotoren 1 und 2 durch die jeweilige Umschlingung auf die Hochdruckseite der Förderkammer und dort durch den Auslass 5 zu dem Verbraucher, im angenommenen Beispielfall der Verbrennungsmotor, gefördert. Während der Fördertätigkeit trennen die zwischen den Förderrotoren 1 und 2 und den genannten Dichtflächen gebildeten Dichtspalte und der Zahneingriff der Förderrotoren 1 und 2 die Hochdruckseite von der Niederdruckseite. Die Förderrate der Pumpe steigt proportional mit der Drehzahl der Förderrotoren 1 und 2, Da ein beispielhaft als Verbraucher angenommener Verbrennungsmotor ab einer gewissen Grenzdrehzahl weniger Schmieröl aufnimmt als die Pumpe entsprechend ihrer proportional mit der Drehzahl steigenden Kennlinie fordern würde, wird die Förderrate der Pumpe ab der Grenzdrehzahl abgeregelt. Für die Abregelung ist der Förderrotor 2 relativ zu dem Förderrotor 1 axial, d.h. längs seiner Drehachse R2 hin und her bewegbar, so dass die Eingriffslänge der Förderrotoren 1 und 2 und entsprechend die Förderrate verändert werden können.
  • In Figur 2 nimmt der Förderrotor 2 eine axiale Position mit einer axialen Überdeckung, d.h. Eingriffslänge, ein, die im Vergleich zu der maximalen Eingriffslänge bereits reduziert ist. Der Förderrotor 2 ist Bestandteil einer Verstelleinheit bestehend aus einem Lagerzapfen 14, einem Stellglied 15, einem Stellglied 16 und dem zwischen den Stellgliedern 15 und 16 drehbar auf dem Lagerzapfen 14 gelagerten Förderrotor 2. Der Lagerzapfen 14 verbindet die Stellglieder 15 und 16 drehsteif miteinander. Das Stellglied 16 bildet dem Förderrotor 2 zugewandt die axiale Dichtfläche 17. Das Stellglied 15 bildet die andere axiale Dichtfläche 18. Die gesamte Verstelleinheit ist in einem Verschieberaum des Pumpengehäuses 3, 6 axial hin und her verschiebbar verdrehgesichert gelagert.
  • Das Gehäuse wird von dem Gehäuseteil 3 und dem damit fest verbundenen Gehäusedeckel 6 gebildet. Der Gehäusedeckel 6 ist mit einem Sockel geformt, dessen dem Förderrotor 1 zugewandte Stirnfläche die Dichtfläche 7 bildet. Das Gehäuseteil 3 bildet auf der gegenüberliegenden Stirnseite dem Förderrotor 1 axial zugewandt die vierte axiale Dichtfläche 8. Die Dichtfläche 8 ist an ihrer der Verstelleinheit zugewandten Seite mit einem kreissegmentförmigen Ausschnitt für das Stellglied 15 versehen. Das Stellglied 16 ist an seiner zum Förderrotor 1 gewandten Seite mit einem kreissegmentförmigen Ausschnitt für den die Dichtfläche 7 bildenden Sockel 6 versehen. Von dem jeweiligen Ausschnitt abgesehen entspricht die Dichtfläche 7 der Dichtfläche 8 und entspricht die Dichtfläche 17 der Dichtfläche 18.
  • Die Verstellglieder 15 und 16 des Ausführungsbeispiels sind Verstellkolben. Der Verschieberaum, in dem die Verstelleinheit axial hin und her beweglich ist, umfasst einen von der Rückseite des Stellglieds 15 begrenzten Teilraum 10 und einen von der Rückseite des Stellglieds 16 begrenzten Teilraum 11. Der Teilraum 11 ist mit der Hochdruckseite der Pumpe verbunden und wird ständig mit dort abgezweigtem Druckfluid beaufschlagt, das somit auf die Rückseite des Stellglieds 16 wirkt. In dem Raum 10 ist eine mechanische Druckfeder als Elastizitätsglied 12 angeordnet, dessen Elastizitätskraft auf die Rückseite des Stellglieds 16 wirkt. Das Elastizitätsglied 12 wirkt der im Teilraum 11 auf das Stellglied 16 wirkenden Druckkraft entgegen. Die Regelung derartiger Außenzahnradpumpen ist bekannt und bedarf daher keiner Erläuterung. Die Regelung kann insbesondere entsprechend der DE 102 22 131 B4 gestaltet sein.
  • Wären die axialen Dichtflächen 7, 8 und 17, 18 umlaufend glatt und die axialen Dichtspalte dementsprechend umlaufend eng, würde im Eingriffsbereich der Förderrotoren 1 und 2 Fluid der Hochdruckseite gequetscht, d.h. noch über den Druck der Hochdruckseite hinaus komprimiert und auf die Niederdruckseite gefördert werden. Für das Quetschen des Fluids wird Antriebsleistung verbraucht und ferner ist mit der besonderen Kompression des Fluids und dem Transport durch den Zahneingriff hindurch eine Förderstrompulsation verbunden.
  • Zur Vermeidung der genannten Nachteile sind die Dichtflächen 7, 8, 17 und 18 auf der Hochdruckseite je mit einer Entlastungstasche versehen. Von den vier Taschen sind in Figur 1 die Taschen 7a und 17a zu erkennen. Entlastungstaschen sind nur auf der Hochdruckseite gebildet.
  • Das Gehäuseteil 3 führt die Stellglieder 15 und 16 in einem Gleitkontakt. Für den Gleitkontakt bilden das Gehäuseteil 3 eine Laufbahn 3a und das Gehäuseteil 3 gemeinsam mit dem Deckel 6 eine Laufbahn 3b, 6b. Die Stellglieder 15 und 16 bilden an ihrer äußeren Umfangsfläche je eine Stellglied-Gleitfläche 15a und 16a. In dem Gleitkontakt stehen genauer gesagt die Laufbahn 3a und die Stellglied-Gleitfläche 15a einerseits und die Laufbahn 3b, 6b und die Stellglied-Gleitfläche 16a andererseits. Im Stand der Technik ist es üblich, die Gehäuse 3, 6 und die Stellglieder 15 und 16 aus Leichtmetalllegierungen zu fertigen. In den aus den Laufbahnen 3a und 3b, 6b einerseits und den Stellglied-Gleitflächen 15a und 16a andererseits gebildeten Reibsystemen bildet ein besonderes Gleitmaterial je wenigstens einen der Gleitpartner des betreffenden Reibsystems. Dabei kann in dem Reibsystem 3a/15a entweder die Laufbahn 3a oder die Stellglied-Gleitfläche 15a von dem Gleitmaterial gebildet werden. Das gleiche Gleitmaterial kann ferner sowohl die Laufbahn 3a als auch die Stellglied-Gleitfläche 15a bilden. Schließlich können die beiden Gleitflächen 3a und 15a jeweils von einem anderen Gleitmaterial gebildet werden. Das Gleiche gilt in Bezug auf das andere Reibungssystem 3b, 6b/16a. Falls nur einer der Gleitpartner des jeweiligen Reibsystems aus dem Gleitmaterial besteht, kommt zweckmäßigerweise jeweils das gleiche Gleitmaterial zum Einsatz. Bestehen beide Reibpartner aus einem Gleitmaterial, werden die Stellglied-Gleitflächen 15a und 16a je vom gleichen Gleitmaterial oder die Laufbahnen 3a, 3b und 6b je vom gleichen Gleitmaterial gebildet.
  • Obgleich grundsätzlich im jeweiligen Reibsystem einer der Gleitpartner aus einer Metalllegierung, vorzugsweise einer Leichtmetalllegierung, bestehen kann, entspricht es bevorzugten Ausführungsbeispielen, wenn jeder der Gleitpartner von einem besonderen Gleitmaterial niedriger Adhäsionsenergie gebildet wird. Das Gleitmaterial der Gleitpartner des jeweiligen Reibsystems kann gleich oder unterschiedlich sein. Die Stellglieder 15 und 16 können insgesamt aus dem Gleitmaterial geformt sein oder aus einem Trägermaterial, vorzugsweise einer Leichtmetalllegierung, und oberflächlich je eine Gleitschicht aus dem Gleitmaterial aufweisen. Das Gehäuse, im Ausführungsbeispiel das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6, können ebenfalls aus Kunststoff geformt sein, in bevorzugten Ausführungsbeispielen wird jedoch zumindest das Gehäuseteil 3, vorzugsweise auch der Deckel 6, aus einer Metalllegierung gegossen, vorzugsweise einer Leichtmetalllegierung. Als Leichtmetall kommen insbesondere Aluminiumlegierungen in Frage, Nachfolgend werden bevorzugte Beispiele angegeben:
    • Beispiel 1
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: jeweils aus AlSi9Cu3 (Fe) Druckguss
    Stellglieder 15 und 16: PES-Compound: 10 Gew-% Carbonfasern, 10 Gew.-% Graphit, 10 Gew.-% PTFE, Rest PES (z. B. ULTRASON®)
  • Im Beispiel 1 werden das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6 je aus der gleichen Aluminiumlegierung, nämlich AlSi9Cu3 im Druckguss geformt. Die Legierung kann einen geringen Fe-Anteil enthalten. Die Laufbahnen 3a, 3b und 6b werden durch mechanische Bearbeitung passgenau erhalten. Die Stellglieder 15 und 16 werden jeweils im Ganzen aus dem spezifizierten Kunststoffgleitmaterial geformt. Die Gleitflächen 15a und 16a werden durch mechanische Bearbeitung passgenau erzeugt.
    • Beispiel 2
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: jeweils aus AlSi9Cu3(Fe) Druckguss
    Stellglieder 15 und 16: PES-Compound: 10 Gew.-% Carbonfasern, 10 Gew.-% Graphit, 10 Gew.-% PTFE, Rest PES (z. B. ULTRASON®)
    Laufbahnen 3a, 3b und 6b: mit gleitmodifiziertem Kunststoff oder Gleitlack beschichtet
  • Das Beispiel 2 entspricht mit Ausnahme der Laufbahnen 3a, 3b und 6b dem Beispiel 1. Im Unterschied zum Beispiel 1 bildet jedoch jeweils eine Gleitschicht aus Kunststoffgleitmaterial oder Gleitlack die Laufbahnen 3a, 3b und 6b. Das Kunststoffgleitmaterial kann insbesondere das Material der Stellglieder 15 und 16 sein.
    • Beispiel 3
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: jeweils aus AlSi9Cu3(Fe) Druckguss
    Stellglieder 15 und 16: Fließgepresste Teile aus Aluminiumgusshalbzeug als Trägermaterial, beispielsweise AlSi8Cu3
    Gleitflächen 15a und 16a: PES-Compound: 10 Gew.-% Carbonfasern, 10 Gew.-% Graphit, 10 Gew.-% PTFE, Rest PES (z. B. ULTRASON®)
  • Das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6 entsprechen dem Beispiel 1. Die Stellglieder 15 und 16 bestehen je aus der gleichen Al-Legierung, vorzugsweise AlSi8Cu3. Sie werden aus einem gegossenen Halbzeug der Aluminiumlegierung durch Fließpressen geformt Anschließend werden zumindest die Umfangsflächen je mit einer Gleitschicht aus dem Kunststoffgleitmaterial versehen. Anstatt die Rohlinge der Stellglieder 15 und 16 durch Fließpressen zu formen, können die Rohlinge durch Sintern und Kalibrieren geformt werden. Die fließgepressten oder kalibrierten Rohlinge werden angewärmt und in einer Form mit dem Kunststoffgleitmaterial umspritzt, vorzugsweise komplett umhüllt.
    • Beispiel 4
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: jeweils aus AlSi9Cu3(Fe) Druckguss
    Laufbahnen 3a, 3b und 6b: Hardcoat-Glatt (HC-GL-Gleitschicht, vorzugsweise mit PTFE Imprägnierung)
    Stellglieder 15 und 16: Fließgepresste Teile aus Aluminiumgusshalbzeug als Trägermaterial, beispielsweise AlSi8Cu3
    Gleitflächen 15a und 16a: Hardcoat-Glatt (HC-GL-Gleitschicht, vorzugsweise mit PTFE Imprägnierung)
  • Das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6 entsprechen dem Beispiel 1. Die Stellglieder 15 und 16 bestehen je aus der gleichen Aluminiumlegierung, vorzugsweise AlSi8Cu3. Sie werden entweder aus einem Gusshalbzeug durch Fließpressen geformt oder alternativ durch Sintern und Kalibrieren. Anschließend werden die Stellglied-Rohlinge zumindest an ihrer jeweils die Gleitfläche 15a und 16a bildenden Umfangsfläche eloxiert. Als Elektrolyt wird eine Mischung aus Oxalsäure und Additiven verwendet, so dass sich an den äußeren Umfangsflächen je eine Gleitschicht aus Al2O3-Hardcoat-Glatt bildet. Vorzugsweise ist die Gleitschicht mit PTFE imprägniert. Die Laufbahnen 3a, 3b und 6b weiden in gleicher Weise ebenfalls je als HC-GL-Gleitschicht, vorzugsweise als PTFE imprägnierte Gleitschicht gebildet.
  • In einer Abwandlung kann einer der beiden Gleitpartner oder können auch beide Gleitpartner je als HC-Gleitschicht gebildet sein, ebenfalls bevorzugt als PTFE imprägnierte Gleitschicht.
    • Beispiel 5
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: jeweils aus AlSi9Cu3(Fe) Druckguss
    Laufbahnen 3a, 3b und 6b: HC-Gleitschicht
    Stellglieder 15 und 16: Stahl, beispielsweise 30CrMoV9, als Trägermaterial
    Gleitflächen 15a und 16a: nitrierter Stahl
  • Das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6 entsprechend dem Beispiel 1 und werden nach dem Formen eloxiert, so dass die Laufbahnen 3a, 3b und 6b als Al2O3-Hardcoat (HC-Gleitschicht) erhalten werden. Die HC-Gleitschicht kann PTFE imprägniert sein. Die Stellglieder 15 und 16 werden aus Stahl geformt und an der Oberfläche, zumindest an den äußeren Umfangsflächen, nitriert.
    • Beispiel 6
  • Gehäuseteil 3 und Deckel 6: AlSi8Cu3 Sandguss oder Kokillenguss
    Stellglieder 15 und 16: Fließgepresste Teile aus Aluminiumgusshalbzeug als Trägermaterial, beispielsweise AlSi8Cu3
    Gleitflächen 15a und 16a: Hardcoat-Glatt (HC-Gl-Gleitschicht)
  • Das Gehäuseteil 3 und der Deckel 6 werden je aus AlSi8Cu3 im Sandguss oder Kokillenguss geformt. Die Laufbahnen 3a, 3b und 6b werden durch mechanische Bearbeitung passgenau erzeugt. Die Stellglieder 15 und 16 werden je aus gegossenem Aluminiumhalbzeug durch Fließpressen geformt und eloxiert. Als Elektrolyt wird eine Mischung aus Oxalsäure und Additiven verwendet, so dass sich an den äußeren Umfangsflächen je eine Gleitschicht aus Al2O3-Hardcoat-Cilatt bildet (HC-GL-Gleitschicht). Die HC-GL-Gleitschicht enthält vorzugsweise PTFE,
  • In einer Modifikation bildet HC-Keramik oder HC-Glatt-Keramik auch die Laufbahnen 3a, 3b und 6b, wobei auch dort die Keramik vorteilhafterweise PTFE imprägniert sein kann
  • Die Herstellungsweise und Materialwahl des letzten Ausführungsbeispiels eignet sich insbesondere für kleinere Serien, während die Formung der Gehäuseteile 3 und 6 im Druckguss für Großserien die bessere Wahl ist. Metallkeramische Gleitschichten eignen sich insbesondere für den Einsatz in Reibungssystemen mit Leichtmetall-Sandgussgefüge oder - Kokillengussgefüge oder generell Leichtmetall-Gusslegierungen, die im thermodynamischen Gleichgewicht oder nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht erstarrt sind. In Verbindung mit Druckgussteilen als Gleitpartner bereiten die wegen der kürzeren Auskühlzeit kleineren α-Mischkristalle, beispielsweise AlSi, des Druckgussgefüges Probleme, die für metalloxidkeramische Gleitschichten wie feine Schmirgelkörner wirken. Weist einer der Gleitpartner an seiner Gleitfläche ein Druckgussgefüge oder generell eine metastabile Phase auf, sind gleitmodifizierte, temperaturfeste Thermoplaste die bessere Wahl, oder es sollten je beide Gleitpartner eine HC- oder HC-GL-Gleitschicht aufweisen. Vorzugsweise bestehen jedoch auch bei Sandguss- oder Kokillengussgefügen beide Gleitpartner aus einem Gleitmaterial niedriger Adhäsionsenergie.

Claims (24)

  1. Rotationspumpe mit regelbarem Fördervolumen, umfassend
    a) ein Gehäuse (3, 6),
    b) eine in dem Gehäuse (3, 6) gebildete Förderkammer mit einem Einlass (4) für ein Fluid auf einer Niederdruckseite und einem Auslass (5) für das Fluid auf einer Hochdruckseite der Pumpe,
    c) wenigstens einen in der Förderkammer um eine Drehachse (R2) drehbaren Förderrotor (2),
    d) ein zu einer Stirnseite des Förderrotors (2) angeordnetes oder den Förderrotor umgebendes Stellglied (15), das für die Verstellung des Fördervolumens in dem Gehäuse (3, 6) hin und her bewegbar ist,
    e) wobei das Stellglied (15) in Richtung seiner Bewegbarkeit mit einer von dem Bedarf eines mit dem Fluid zu versorgenden Verbrauchers abhängigen Stellkraft beaufschlagbar ist,
    f) und eine in dem Gehäuse (3, 6) gebildete Laufbahn (3a), die das Stellglied (15) an einer Stellglied-Gleitfläche (15a) in einem Gleitkontakt führt,
    g) wobei die Laufbahn (3a) oder die Stellglied-Gleitfläche (15a) aus einem Gleitmaterial gebildet ist oder sind, das aus wenigstens einem aus Keramik, Nitrid oder einer Nickelphosphorverbindung oder einem Gleitlack besteht oder von einer DLC-Beschichtung, einer Ferroprint-Beschichtung oder einer Nano-Beschichtung gebildet wird, so dass Schwingreibverschleiß entgegengewirkt wird.
  2. Rotationspumpe nach Anspruch 1, wobei das Gleitmaterial eine Adhäsionsenergie aufweist, die höchstens halb so groß wie die Adhäsionsenergie von Aluminium ist.
  3. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    - das Stellglied (15), ein weiteres Stellglied (16) und der Förderrotor (2) Bestandteil einer in dem Gehäuse (3, 6) als Gesamtheit hin und her bewegbaren Verstelleinheit (2, 15, 16) sind,
    - die Stellglieder (15, 16) je zu einer der Stirnseiten des Förderrotors (2) angeordnet sind und in dem Gehäuse (3, 6) eine weitere Laufbahn (3b, 6b) gebildet ist, die das weitere Stellglied (16) an dessen Stellglied-Gleitfläche (16a) in einem Gleitkontakt führt,
    - und wobei wenigstens eines aus weiterer Laufbahn (3b, 6b) und Stellglied-Gleitfläche (16a) des weiteren Stellglieds (16) aus dem Gleitmaterial besteht.
  4. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eines aus Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) und Laufbahn (3a, 3b, 6b) von einer metallkeramischen Schicht gebildet wird.
  5. Rotationspumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schicht eine Hardcoat-Schicht oder Hardcoat-Glatt-Schicht ist und vorzugsweise PTFE enthält.
  6. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nitrierter Stahl oder TiCN eines aus Laufbahn (3a, 3b, 6b) und Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) bildet.
  7. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein die Laufbahn (3a, 3b, 6b) aufweisendes Gehäuseteil (3, 6) zumindest im Wesentlichen aus Metall besteht oder aus einem Metall als Trägermaterial geformt und auf dem Trägermaterial eine die Laufbahn (3a, 3b, 6b) bildende Gleitschicht aus dem Gleitmaterial aufgebracht oder durch Umwandlung des Trägermaterials gebildet ist.
  8. Rotationspumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Gussmaterial, vorzugsweise ein Druckgussmaterial, ein Kokillengussmaterial oder ein Sandgussmaterial mit entsprechendem Gefüge, das Gehäuseteil (3, 6) oder das Trägermaterial des Gehäuseteils (3, 6) bildet.
  9. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellglied (15, 16) einschließlich der Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) zumindest im Wesentlichen aus Metall besteht oder aus einem Metall als Trägermaterial geformt und auf dem Trägermaterial eine die Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) bildende Gleitschicht aus dem Gleitmaterial aufgebracht oder durch Umwandlung des Trägermaterials gebildet ist.
  10. Rotationspumpe nach einer Kombination der Ansprüche 7 und 9, wobei das Metall des Gehäuseteils (3, 6) und das Metall des Stellglieds (15, 16) das gleiche metallische Element zumindest als Hauptbestandteil enthalten.
  11. Rotationspumpe nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall ein Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium oder eine Al-Basislegierung ist.
  12. Rotationspumpe nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Keramikmaterial des Trägermaterials, vorzugsweise Aluminiumoxid (Al2O3), die Gleitschicht bildet.
  13. Rotationspumpe nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall Aluminium oder eine Al-Basislegierung ist, die Silizium und vorzugsweise wenigstens eines aus Kupfer und Eisen enthält.
  14. Rotationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9 bis 12, wobei das Stellglied (15, 16) aus dem Gleitmaterial geformt ist.
  15. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 oder 8 bis 14, wobei das Gehäuse (3, 6) oder wenigstens ein die Laufbahn (3a, 3b) bildendes Gehäuseteil (3) aus dem Gleitmaterial geformt ist.
  16. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stellkraft entgegenwirkend ein Elastizitätsglied (12) angeordnet ist.
  17. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellglied (15, 16) ein Stellkolben ist, der mit dem Fluid der Hochdruckseite beaufschlagbar ist.
  18. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Förderrotor (2) und das Stellglied (15, 16) in Bezug auf die Drehachse (R2) axial bewegbar sind.
  19. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen weiteren Förderrotor (1), der in der Förderkammer um eine weitere Drehachse (R1) drehbar ist und die Förderrotoren (1, 2) miteinander in einem Fördereingriff sind.
  20. Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außenachsig und vorzugsweise eine Außenzahnradpumpe ist.
  21. Verfahren zur Herstellung der Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
    a) ein die Laufbahn (3a, 3b, 6b) bildendes Gehäuseteil (3, 6) aus einem Leichtmetall und
    b) das Stellglied (15, 16) aus dem gleichen oder einem anderen Leichtmetall geformt werden und
    c) das Gehäuseteil (3, 6) zur Erzeugung der Laufbahn (3a, 3b, 6b) oder das Stellglied (15, 16) zur Erzeugung der Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) mit dem Gleitmaterial beschichtet oder
    das Leichtmetall des Gehäuseteils (3, 6) oder das Leichtmetall des Stellglieds (15, 16) an der Oberfläche in das Gleitmaterial umgewandelt wird oder werden, so dass Schwingreibverschleiß entgegengewirkt wird.
  22. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem wenigstens eines aus Gehäuseteil (3, 6) und Stellglied (15, 16) im Bereich der Laufbahn (3a, 3b, 6b) oder der Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) keramisiert, vorzugsweise eloxiert, nitriert oder mit einem Gleitlack, einer WC-Beschichtung, einer Ferroprint-Beschichtung oder einer Nano-Beschichtung versehen wird.
  23. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuseteil (3) aus einer Al-Basislegierung im Sandguss, Kokillenguss oder Druckguss geformt und die Laufbahn (3a, 3b, 6b) vorzugsweise durch mechanische Bearbeitung des Gussmaterials geschaffen wird.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Stellglied (15, 16) zur Schaffung der Stellglied-Gleitfläche (15a, 16a) mit einem gleitmodifizierten Kunststoff beschichtet wird.
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