DE102017128787A1

DE102017128787A1 - Rotationspumpe

Info

Publication number: DE102017128787A1
Application number: DE102017128787.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wahl
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Rotationspumpe, vorzugsweise Flügelzellenpumpe oder Pendelschieberpumpe, umfassend:
(a) ein Gehäuse (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für ein Fluid und einer mit dem Einlass und dem Auslass verbundenen Förderkammer (2),
(b) einen in der Förderkammer (2) um eine Drehachse (R₁₀) drehbaren Förderrotor (10) mit einer in Bezug auf die Drehachse (R₁₀) zentralen Rotorstruktur (11),
(c) und eine den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20), die mit dem Förderrotor (10) Förderzellen bildet, um das Fluid vom Einlass (3) zum Auslass (4) zu fördern,
(d) wobei wenigstens eine der Strukturen (11, 20), nämlich die den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20) und/oder die Rotorstruktur (11), eine Werkstoffverbundstruktur ist und einen Formbereich (15; 25) aus Metall oder Keramik und einen Funktionsbereich (16; 26) aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs (15; 25) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe mit wenigstens einer Pumpenkomponente, die gänzlich oder nur bereichsweise aus Metall oder Keramik besteht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Rotationspumpe mit wenigstens einer Pumpenkomponente aus einem Formbereich und einem separat von dem Formbereich hergestellten Funktionsbereich, die durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden sind. Die Erfindung kann mit Vorteil sowohl bei einer Rotationspumpe für ein inkompressibles Fluid, d.h. bei einer Verdrängerpumpe, als auch bei einer Rotationspumpe für ein kompressibles Fluid, d.h. bei einer Gaspumpe wie insbesondere einer Vakuumpumpe, verwirklicht sein. Die Rotationspumpe ist in Bezug auf ihr spezifisches Fördervolumen, d.h. in Bezug auf das Fördervolumen pro Umdrehung eines Förderrotors, verstellbar, vorzugsweise regelbar. Bei der Pumpe kann es sich um beispielsweise eine Innenzahnringpumpe oder Pendelschieberpumpe handeln, bevorzugt ist die Pumpe jedoch eine ein- oder mehrflügelige Flügelzellenpumpe.
Im Fahrzeugbau, insbesondere Automobilbau, einem bevorzugten Anwendungsgebiet der Erfindung, ist man ständig bestrebt, das Gewicht und insbesondere auch die Kosten der Fahrzeugkomponenten zu senken. Gleichwohl müssen die hohen Anforderungen an beispielsweise die mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Dauerstandfestigkeit erfüllt werden. Aufgrund der im Serienbau hohen Stückzahlen und der damit verbundenen Skaleneffekte werden auch bei kleinsten Reduzierungen der Stückkosten über die Serie betrachtet bedeutende Kosteneinsparungen erzielt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellkosten einer Rotationspumpe zu verringern, die an die Rotationspumpe gestellten technischen Anforderungen aber dennoch zu erfüllen.
Die Erfindung geht von einer Rotationspumpe, vorzugsweise einer Flügelzellenpumpe oder Pendelschieberpumpe aus, die ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für ein zu förderndes Fluid, eine mit dem Einlass und dem Auslass verbundene Förderkammer, einen in der Förderkammer um eine Drehachse drehbaren Förderrotor und eine den Förderrotor umgebende Struktur aufweist. Die Förderkammer kann bereits allein vom Gehäuse und der den Förderrotor umgebenden Struktur umgrenzt und somit bestimmt werden. Grundsätzlich ist jedoch denkbar, dass die Förderkammer erst mittels einer oder gegebenenfalls auch mehreren weiteren Strukturen begrenzt wird. Der Förderrotor und die den Förderrotor umgebende Struktur bilden Förderzellen, in denen das Fluid durch Drehen des Förderrotors vom Einlass zum Auslass gefördert werden kann, indem sich die Förderzellen wie von Innenzahnringpumpen und Pendelschieberpumpen und insbesondere Flügelzellenpumpen bekannt, auf einer Niederdruckseite der Förderkammer vergrößern und auf einer Hochdruckseite der Förderkammer wieder verkleinern. Die Rotationspumpe ist in ihrem spezifischen Fördervolumen vorzugsweise verstellbar. Um das spezifische Fördervolumen verstellen zu können, ist die den Förderrotor umgebende Struktur als eine Stellstruktur ausgebildet, die relativ zum Förderrotor hin und her, vorzugsweise quer zur Drehachse des Förderrotors, beweglich ist. Die den Förderrotor umgebende Stellstruktur kann im Gehäuse insbesondere schwenkbeweglich oder linearbeweglich angeordnet sein, um das spezifische Fördervolumen verstellen zu können.
Der Förderrotor umfasst eine Rotorstruktur. Die Rotorstruktur kann bereits den Förderrotor bilden, der in derartigen Ausführungen einteilig wäre. Eine einteilige Ausbildung ist beispielsweise bei Innenzahnringpumpen gegeben. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass eine Flügelzellenpumpe einen einteiligen Förderrotor aufweist, so dass die Begriffe „Förderrotor“ und „Rotorstruktur“ das gleiche Teil bezeichnen können. Ein als einteiliges Flügelrad gebildeter Förderrotor kann beispielsweise elastisch nachgiebige Flügel aufweisen, die materialelastisch nachgeben, um die sich vergrößernden und wieder verkleinernden Förderzellen bilden zu können. Bevorzugter ist ein als Flügelrad gebildeter Förderrotor jedoch mehrteilig und weist die in derartigen Ausführungen zentrale Rotorstruktur und von dieser nach außen abragend einen oder mehrere Flügel auf, der oder die jeweils im Ganzen relativ zur Rotorstruktur beweglich, vorzugsweise gleitbeweglich ist oder sind. Bevorzugte Beispiele für ein- und mehrflügelige Rotationspumpen finden sich in der DE 10 2011 086 175 B3 und der DE 10 2008 036 273 B4 . Ein als Pendelrad gebildeter Förderrotor ist bevorzugt mehrteilig und weist die in derartigen Ausführungen zentrale Rotorstruktur und von dieser nach außen abragend einen oder mehrere Pendel auf, der oder die jeweils im Ganzen relativ zur Rotorstruktur beweglich, vorzugsweise gleitbeweglich ist oder sind.
Nach der Erfindung ist oder sind die den Förderrotor umgebende Struktur und/oder die Rotorstruktur eine Werkstoffverbundstruktur. Die jeweilige Werkstoffverbundstruktur weist einen Formbereich aus Metall oder Keramik und einen mit dem Formbereich unbeweglich oder beweglich verbundenen Funktionsbereich aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs auf. Die wenigstens zwei unterschiedlichen Werkstoffe können sich ferner auch noch in anderer Hinsicht voneinander unterscheiden, beispielsweise in Bezug auf ihre Dichte oder in Bezug auf Zusatzstoffe, wie etwa eingelagerte Verstärkungsfasern oder andere Verstärkungs- oder Funktionskörper, die, falls vorhanden, im jeweiligen Werkstoff in größerer Zahl zumindest im Wesentlichen homogen verteilt sind.
Der Formbereich aus Metall oder Keramik kann ein Gusskörper oder Sinterkörper mit entsprechend einem Gussgefüge oder einem Sintergefüge sein oder als ein Strangprofil ausgeführt sein. Der Formbereich kann ein durch Pressen und Sintern hergestelltes Sinterteil sein. Vorzugsweise ist der Formbereich aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gebildet.
Der Funktionswerkstoff kann insbesondere ein metallischer Werkstoff sein, wie etwa ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung oder vorzugsweise ein Stahl. Der metallische Funktionswerkstoff kann insbesondere ein Gusskörper oder Sinterkörper mit entsprechend einem Gussgefüge oder einem Sintergefüge sein. Der Funktionswerkstoff kann stattdessen auch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, insbesondere ein Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein, wobei das Leichtmetall oder die Leichtmetalllegierung, insbesondere das Aluminium oder die Aluminiumlegierung des Funktionsbereichs vorzugsweise faserverstärkt, beispielsweise mit Keramikfasern verstärkt, ist. Grundsätzlich kann der Funktionswerkstoff Keramik sein, die vorzugsweise faserverstärkt ist.
In bevorzugten Ausführungen ist der Formbereich nach Volumen und/oder Masse größer als der Funktionsbereich. Der Funktionsbereich ist zweckmäßigerweise ein Bereich, in dem die Werkstoffverbundstruktur einer besonderen Belastung, wie etwa einer Gleitreibung unterliegt oder auf andere Weise einem Verschleiß ausgesetzt ist. Entsprechend wird bei einer derartigen Funktion ein Gleitwerkstoff als Funktionswerkstoff gewählt. Stattdessen oder in Kombination mit guten Gleiteigenschaften kann der Funktionswerkstoff jedoch auch im Hinblick auf eine Erhöhung der Steifigkeit oder Verbesserung einer anderen Eigenschaft der Werkstoffverbundstruktur gewählt sein.
Die Werkstoffverbundstruktur kann insbesondere aus einem einzigen zusammenhängenden Formbereich und einem einzigen zusammenhängenden Funktionsbereich bestehen. Der Formbereich wird bevorzugt durch ein Formteil und der Funktionsbereich durch ein Funktionsteil gebildet. Die Werkstoffverbundstruktur kann aber auch mehrere Funktionsbereiche aus entweder jeweils dem gleichen Funktionswerkstoff oder unterschiedlichen Funktionswerkstoffen aufweisen. Sie kann auch zwei oder mehr Formbereiche aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, wobei die mehreren Formbereiche vorzugsweise nicht zusammenhängen, sondern insbesondere durch den oder einen von mehreren Funktionsbereichen voneinander getrennt sind.
Der Funktionsbereich oder die optional mehreren Funktionsbereiche werden vorzugsweise separat vom Formbereich oder den optional mehreren Formbereichen hergestellt. Formbereich und Funktionsbereich können reibschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sein. Der Funktionsbereich kann in dem Formbereich eingepresst sein. Ferner kann der Funktionsbereich mit einem Spiel in dem Formbereich angeordnet sein.
Vorzugsweise wird zumindest ein Teil des Formbereichs und/oder des Funktionsbereichs in einem Kalibrierprozess kalibriert, um engen Toleranzen gerecht zu werden. Der Funktionsbereich oder die gegebenenfalls mehreren Funktionsbereiche ist/sind oder wird/werden vorteilhaft durch den oder in dem Kalibrierprozess mechanisch mit dem oder den Formbereichen verbunden. Vorteilhaft fungiert der Funktionsbereich in dem Kalibrierprozess als Kalibrierwerkzeug, durch das der Formbereich kalibriert wird. Nach dem Kalibrierprozess verbleibt das Kalibrierwerkzeug, im dem Fall der Funktionsbereich vorzugsweise in oder an dem Formbereich. Zur Kalibrierung des Formbereichs weist der Funktionsbereich im Vergleich zum Formbereich vorzugsweise ein Übermaß oder ein Untermaß auf. Der Formbereich, insbesondere ein als Sinterteil gebildeter Formbereich, ist nach dem Kalibrierprozess an der Kontaktstelle mit dem Funktionsbereich durch den Funktionsbereich verpresst und/oder oberflächenverdichtet. Insbesondere der als Sinterteil ausgebildete Formbereich wird mittels des Funktionsbereichs nach einem Sinterprozess nochmals gepresst oder verpresst, wodurch der Formbereich kalibriert und der Funktionsbereich mit dem Formbereich verbunden wird.
Grundsätzlich kann in dem Kalibrierprozess zusätzlich oder alternativ der Formbereich als Kalibrierwerkzeug fungieren, durch das der Funktionsbereich kalibriert wird. Nach dem Kalibrierprozess verbleibt das Kalibrierwerkzeug, im dem Fall der Formbereich vorzugsweise in oder an dem Funktionsbereich. Zur Kalibrierung des Funktionsbereichs weist der Formbereich im Vergleich zum Funktionsbereich vorzugsweise ein Übermaß oder ein Untermaß auf. Der Funktionsbereich, insbesondere ein als Sinterteil gebildeter Funktionsbereich, ist nach dem Kalibrierprozess an der Kontaktstelle mit dem Formbereich durch den Formbereich verpresst und/oder oberflächenverdichtet. Insbesondere der als Sinterteil ausgebildete Funktionsbereich wird nach einem Sinterprozess mittels des Formbereichs nochmals gepresst oder verpresst, wodurch der Funktionsbereich kalibriert und der Formbereich mit dem Funktionsbereich verbunden wird. Der Formbereich kann auch aus einem Formwerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik, wie beispielsweise aus Kunststoff, gebildet sein, wobei der Formbereich und der Funktionsbereich vorzugsweise separat voneinander hergestellt und durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist der Funktionsbereich und/oder der Formbereich zur Verbindung verkröpft und/oder gestaucht und/oder eingepresst und/oder aufgepresst. Der Formbereich und der Funktionsbereich, insbesondere der den Förderrotor umgebenden Struktur, können unbeweglich, insbesondere drehfest, oder beweglich, insbesondere drehbar, miteinander verbunden sein. Insbesondere bei einer Pendelschieberpumpe ist der Funktionsbereich der den Förderrotor umgebenden Struktur drehbar mit dem Formbereich der den Förderrotor umgebenden Struktur verbunden.
Grundsätzlich ist es denkbar, den Formbereich und den Funktionsbereich in einem Verfahren der Urformung des Formbereichs zu verbinden, indem beispielsweise der zuvor gefertigte Funktionsbereich in eine Form, wie etwa eine Gussform, eingelegt und mit dem Metall des Formbereichs gänzlich oder zumindest teilweise umformt wird.
Die Rotationspumpe ist vorzugsweise eine Schmierölpumpe zur Versorgung eines Aggregats mit Schmieröl, vorzugsweise eine Motorölpumpe für einen Antriebsmotor eines Fahrzeugs, oder eine Gaspumpe zur Förderung eines Gases, vorzugsweise eine Vakuumpumpe eines Kraftfahrzeugs, und/oder ist für die Anordnung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und für einen Antrieb des Förderrotors durch einen Antriebsmotor des Fahrzeugs in fester Drehzahlbeziehung zum Antriebsmotor eingerichtet. Grundsätzlich kann die Rotationspumpe auch als eine Getriebepumpe für ein Kraftfahrzeuggetriebe ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine einen Förderrotor umgebende Struktur, insbesondere eine Stellstruktur, und eine Rotorstruktur für eine Rotationspumpe, insbesondere eine erfindungsgemäße Rotationspumpe. Die den Förderrotor umgebende Struktur oder die Rotorstruktur ist eine Werkstoffverbundstruktur aus einem Formbereich aus Metall oder Keramik und einem Funktionsbereich aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs. Der Funktionsbereich und der Formbereich sind vorzugsweise durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden.
Die Erfindung betrifft auch die den Förderrotor umgebende Struktur oder die Rotorstruktur aus einer Werkstoffverbundstruktur, die aus einem Formbereich und einem Funktionsbereich gebildet ist, welche separat voneinander hergestellt und durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden sind, wobei der Formbereich aus einem Formwerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik, wie beispielsweise aus Kunststoff, gebildet ist. Der Funktionsbereich kann dabei grundsätzlich aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als der Formwerkstoff des Formbereichs oder aus einem Funktionswerkstoff mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Formwerkstoff des Formbereichs gebildet sein.
Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren für eine einen Förderrotor umgebende Struktur, insbesondere eine Stellstruktur, oder eine Rotorstruktur, insbesondere eine erfindungsgemäße Struktur und eine erfindungsgemäße Rotorstruktur, einer Rotationspumpe, insbesondere einer erfindungsgemäßen Rotationspumpe. In dem Herstellverfahren wird die den Förderrotor umgebende Struktur, insbesondere Stellstruktur, oder die Rotorstruktur durch eine Werkstoffverbundstruktur aus einem Formbereich und einem Funktionsbereich gebildet. Dabei werden der Formbereich, insbesondere aus Metall oder Keramik, und der Funktionsbereich, insbesondere aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs, separat voneinander gebildet. In einem Kalibrierprozess werden der Funktionsbereich und der Formbereich miteinander verbunden. Durch das Verbinden des Formbereich und des Funktionsbereichs wird oder werden der Formbereich und/oder der Funktionsbereich und/oder die Werkstoffverbundstruktur kalibriert. Vorteilhaft wird in dem Kalibrierprozess der Formbereich durch den Funktionsbereich kalibriert. In dem Kalibrierprozess fungiert der Funktionsbereich als Kalibrierwerkzeug, indem der Funktionsbereich vorzugsweise auf den Formbereich geschoben oder in den Formbereich gedrückt, wodurch der Formbereich kalibriert und der Funktionsbereich an den Formbereich angebunden wird. Der Funktionsbereich wird zur Verbindung mit dem Formbereich vorzugsweise als Kalibrierwerkzeug zur Kalibrierung des Formbereichs genutzt. Vorzugsweise wird der Formbereich in dem Kalibrierprozess durch den Funktionsbereich verpresst und/oder oberflächenverdichtet. Grundsätzlich ist es denkbar, dass zusätzlich oder alternativ der Formbereich zur Verbindung mit dem Funktionsbereich als Kalibrierwerkzeug zur Kalibrierung des Funktionsbereichs genutzt wird.
Vorteilhafte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und den Kombinationen der Unteransprüche beschrieben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. In den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:

1 eine Rotationspumpe mit einer Rotorstruktur und einer Stellstruktur, von denen wenigstens eine der Erfindung gemäß als Werkstoffverbundstruktur gebildet ist,
2 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
3 den Schnitt A-A der 2,
4 die Stellstruktur des ersten Ausführungsbeispiels in isometrischer Darstellung,
5 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
6 den Schnitt A-A der 5,
7 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
8 den Schnitt A-A der 7,
9 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem vierten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
10 den Schnitt A-A der 9,
11 ein Funktionsinsert des vierten Ausführungsbeispiels in isometrischer Darstellung,
12 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem fünften Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
13 den Schnitt A-A der 12,
14 ein Funktionsinsert des fünften Ausführungsbeispiels in isometrischer Darstellung,
15 die als Werkstoffverbundstruktur gebildete Stellstruktur in einem sechsten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
16 den Schnitt A-A der 15,
17 die als Werkstoffverbundstruktur eines siebten Ausführungsbeispiels gebildete Rotorstruktur in isometrischer Darstellung,
18 die Werkstoffverbundstruktur des siebten Ausführungsbeispiels in einem Querschnitt der 17,
19 eine als Werkstoffverbundstruktur eines achten Ausführungsbeispiels gebildete Rotorstruktur in isometrischer Darstellung,
20 die Werkstoffverbundstruktur des achten Ausführungsbeispiels in einem Querschnitt der 19,
21 eine als Werkstoffverbundstruktur eines neunten Ausführungsbeispiels gebildete Rotorstruktur in einer Stirnansicht,
22 ein Funktionsinsert des neunten Ausführungsbeispiels in einer Stirnansicht und
23 eine Rotationspumpe mit einer Rotorstruktur und einer Stellstruktur eines zehnten Ausführungsbeispiels.

1 zeigt eine Rotationspumpe, beispielhaft in Flügelzellenbauart. Die Rotationspumpe ist in einer Seitenansicht auf ein Gehäuse 1 der Pumpe dargestellt. Ein Deckel des Gehäuses 1 ist abgenommen, so dass die Funktionskomponenten der Rotationspumpe erkennbar sind. Das Gehäuse 1 bildet Seitenwände einer Förderkammer 2, in der ein Förderrotor 10 um eine Drehachse R₁₀ drehbar angeordnet ist. Das Gehäuse 1 weist einen Einlass 3 und einen Auslass 4 für ein zu förderndes Fluid, beispielsweise Motorschmieröl, auf. Die Förderkammer 2 umfasst eine Niederdruckseite und eine Hochdruckseite. Bei einem Drehantrieb des Förderrotors 10 in die eingezeichnete Drehrichtung, im Uhrzeigersinn, strömt Fluid über den Einlass 3 auf der Niederdruckseite in die Förderkammer 2 und wird unter Erhöhung des Drucks auf der Hochdruckseite ausgestoßen und über den Auslass 4 abgefördert.
Der Förderrotor 10 ist ein Flügelrad mit einer bezüglich der Drehachse R₁₀ zentralen Rotorstruktur 11 und über den Umfang der Rotorstruktur 11 verteilt angeordneten, als Flügel 12 ausgebildeten Förderelementen. Die Flügel 12 sind in zum äußeren Umfang der Rotorstruktur 11 offenen Schlitzen 13 der Rotorstruktur 11 in radialer oder zumindest im Wesentlichen radialer Richtung gleitend verschieblich geführt.
Die Rotorstruktur 11 ist mit einer um die Drehachse R₁₀ drehbeweglichen Welle in einem auf Formschluss beruhenden Fügeeingriff drehunbeweglich verbunden. Für den Fügeeingriff weist sie eine nicht kreisrunde innere Umfangsfläche auf, nämlich eine Fügefläche, die insbesondere in der Art einer Verzahnung geformt sein kann. Die Fügefläche ist vorzugsweise so geformt, dass die Rotorstruktur 11 mit ihrer Fügefläche axial auf die Welle geschoben werden kann.
Der Förderrotor 10 wird an seinem äußeren Umfang von einer Stellstruktur 20 umgeben, die beispielhaft als Stellring geformt ist. Beim Drehantrieb des Förderrotors 10 gleiten dessen Flügel 12 über eine Innenumfangsfläche 27 der Stellstruktur 20. Die Drehachse R₁₀ des Förderrotors 10 ist zu einer parallelen zentralen Achse der Stellstruktur 20 exzentrisch angeordnet, so dass vom Förderrotor 10 und dem Stellring 20 gebildete Förderzellen sich bei Drehung des Förderrotors 10 auf der Niederdruckseite der Förderkammer 2 in Drehrichtung vergrößern und auf der Hochdruckseite wieder verkleinern. Aufgrund dieser mit der Drehzahl des Förderrotors 10 periodischen Vergrößerung und Verkleinerung der Förderzellen wird das Fluid von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite und dort mit erhöhtem Druck durch den Auslass 4 gefördert.
Das pro Umdrehung des Förderrotors 10 geförderte Fluidvolumen, das sogenannte spezifische Fördervolumen, kann verstellt werden. Ist das Fluid eine Flüssigkeit und somit in guter Näherung inkompressibel, ist das absolute Fördervolumen der Drehzahl des Förderrotors 10 direkt proportional. Bei kompressiblen Fluiden, beispielsweise Luft, ist der Zusammenhang von Fördermenge und Drehzahl zwar nicht linear, die absolute Fördermenge bzw. -masse steigt jedoch ebenfalls mit der Drehzahl.
Das spezifische Fördervolumen hängt von der Exzentrizität, also dem Abstand zwischen der zentralen Achse der Stellstruktur 20 und der Drehachse R₁₀ des Förderrotors 10 ab. Um diesen Achsabstand ändern zu können, ist die Stellstruktur 20 im Gehäuse 1 beweglich angeordnet, beispielhaft um eine Schwenkachse R₂₀ schwenkbeweglich. In Variationen kann eine modifizierte Stellstruktur im Gehäuse 1 auch linearbeweglich angeordnet sein. Zur Verstellung des spezifischen Fördervolumens bzw. der Exzentrizität wird eine Beweglichkeit quer zur Drehachse R₁₀ des Förderrotors 10 bevorzugt. Grundsätzlich wäre auch eine axiale Verstellbarkeit denkbar, durch die eine axiale Weite der Förderzellen verstellt werden kann.
Ein Schwenklagerbereich der Stellstruktur 20 ist mit 21 bezeichnet. Die Schwenklagerung ist als Gleitlager ausgeführt, indem die Stellstruktur 20 in ihrem Schwenklagerbereich 21 mit einer Gegenfläche des Gehäuses 1 direkt in Gleitkontakt steht.
Für die Verstellung in eine Stellrichtung S, im Ausführungsbeispiel Schwenkrichtung S, wird die Stellstruktur 20 mit einem in die Stellrichtung S wirkenden Steuerfluiddruck beaufschlagt. Diesem Steuerdruck wirkt in die Gegenstellrichtung eine Rückstellkraft entgegen. Die Rückstellkraft wird von einer Federeinrichtung mit einem oder mehreren mechanischen Federgliedern, im Ausführungsbeispiel einem einzigen Federglied 5 erzeugt. Das Federglied 5 ist als Schraubendruckfeder ausgeführt und angeordnet. Für die Druckbeaufschlagung mit dem Steuerfluid weist die Stellstruktur 20 an ihrer von der Schwenkachse R₂₀ aus über die Drehachse R₁₀ des Förderrotors 10 gesehen gegenüberliegenden Seite einen funktional als Stellkolben wirkenden Stellstruktur-Einwirkbereich 23 auf, der beispielhaft mit einem ringförmigen Teil der Stellstruktur 20 in einem Stück geformt ist. Zur einen Seite des Stellstruktur-Einwirkbereichs 23 ist im Gehäuse 1 eine Steuerdruckkammer 6 gebildet, in die das Steuerfluid einleitbar ist, um auf den Stellstruktur-Einwirkbereich 23 und über diesen auf die Stellstruktur 20 eine in die Stellrichtung S wirkende Stellkraft auszuüben. Die Rückstellkraft wirkt beispielhaft ebenfalls unmittelbar auf den Stellstruktur-Einwirkbereich 23.
Die Steuerdruckkammer 6 wird mit dem von der Rotationspumpe geförderten Druckfluid gespeist, um die Stellstruktur 20 in die Stellrichtung S mit dem Steuerfluiddruck zu beaufschlagen. Die Stellrichtung S ist so gewählt, dass sich die Exzentrizität zwischen Förderrotor 10 und Stellstruktur 20 und dadurch das spezifische Fördervolumen verkleinert, wenn sich die Stellstruktur 20 in die Stellrichtung S bewegt.
Die Stellstruktur 20 bildet mit dem Gehäuse 1 einen Dichtspalt, der die Steuerdruckkammer 6 in Stellrichtung S vom Niederdruckbereich trennt. Im radialen Dichtspalt ist ein Dichtelement zur besseren Abdichtung des Dichtspalts angeordnet. Das Dichtelement ist in einer Aufnahme 24 der Stellstruktur 20 angeordnet.
In Bezug auf die Steuerung oder Regelung des Fördervolumens durch die erläuterte Beaufschlagung mit dem Steuerfluiddruck wird auf die DE 10 2011 086 175 B3 verwiesen, die diesbezüglich und auch zu weiteren Details der Funktionsweise der Rotationspumpe in Bezug genommen wird.
Die Stellstruktur 20 und/oder die Rotorstruktur 11 ist oder sind jeweils Werkstoffverbundstrukturen, die gänzlich oder zumindest bereichsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Allerdings sind sie aus wenigstens zwei Werkstoffen gefertigt, die sich in Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung, optional auch in Bezug auf Zuschlagstoffe, voneinander unterscheiden. Die Werkstoffverbundstrukturen können alternativ gänzlich oder zumindest bereichsweise aus Keramik bestehen.
In den 2 bis 4 ist eine Werkstoffverbundstruktur eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es handelt sich um die Stellstruktur 20. Die Stellstruktur 20 weist einen Formbereich 25 aus Metall und einen Funktionsbereich 26 aus einem Funktionswerkstoff auf, dessen chemische Zusammensetzung sich von dem Metall des Formbereichs 25 unterscheidet. Der Formbereich 25 ist aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung gebildet. Sie ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Der Funktionswerkstoff kann ein anderes Metall oder Metalllegierung sein. Bevorzugt handelt es sich beim Funktionswerkstoff um Stahl. Der Formbereich 25 kann ein Gusskörper, ein Sinterkörper oder ein Strangprofil sein. Der Funktionsbereich 26 kann ein Gusskörper, ein Sinterkörper oder ein Strangprofil sein. Der Funktionsbereich 26 ist ring-, hülsen- oder rohrförmig. Er kann eine zumindest im Wesentlichen glatte Oberfläche, insbesondere eine glatte Innenumfangsfläche aufweisen. Alternativ kann der Formbereich 25 aus Keramik gebildet sein.
Der Funktionsbereich 26 ist in den Formbereich 25 eingebettet. Der Formbereich 25 umgibt den Funktionsbereich 26 ferner über dessen gesamten äußeren Umfang. Der Formbereich 25 umgreift den Funktionsbereich 26 an beiden axialen Enden. Der Funktionsbereich 26 ist hierfür in einer nut- oder muldenförmigen Vertiefung 28, die am Innenumfang des Formbereichs 25 umläuft, eingebettet. Der Formbereich 25 fasst den Funktionsbereich 26 über dessen äußeren Umfang und axial an beiden Seiten entsprechend ein, so dass Formbereich 25 und Funktionsbereich 26 formschlüssig fest, relativ zueinander axial unbeweglich verbunden sind. Eine Relativbewegung in Umfangsrichtung wird durch einen entsprechend festen Umgriff des Funktionsbereichs 26 verhindert. Formbereich 25 und Funktionsbereich 26 bilden gemeinsam die glatte Innenumfangsfläche 27 der Stellstruktur 20 als Gleitfläche. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Funktionsbereich 26 drehbar in dem Formbereich 25 angeordnet ist.
Der Formbereich 25 und der Funktionsbereich 26 bilden vorteilhafterweise bereits alleine die komplette Stellstruktur 20.
In der Werkstoffverbundstruktur 20 bildet der Funktionsbereich 26 ein Insert bzw. Einlegeteil. Der Funktionsbereich 26 kann wie bereits erwähnt ein Stahlinsert oder ein anderes metallisches Insert oder auch ein Kunststoff- oder Keramikinsert sein. Vorzugsweise ist der Funktionsbereich 26 ausreichend steif, so dass er innerhalb der Stellstruktur 20 als Stütz- und/oder Versteifungskörper für den Formbereich 25 dienen, der Formbereich 25 also am Funktionsbereich 26 abgestützt sein und/oder die Formhaltigkeit der Stellstruktur 20 im Pumpenbetrieb verbessert werden kann. Der Funktionsbereich 26 kann stattdessen oder in Kombination mit einer Stütz- bzw. Versteifungsfunktion aus einem Gleitwerkstoff gefertigt oder mit einem Gleitwerkstoff beschichtet sein, wobei der Gleitwerkstoff den gleichen oder vorzugsweise einen geringeren Reibungskoeffizienten in Bezug auf die Gleitreibung und vorzugsweise auch in Bezug auf die Haftreibung als das Metall des Formbereichs 25 aufweisen kann.
Die 5 und 6 zeigen eine Werkstoffverbundstruktur eines zweiten Ausführungsbeispiels. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich um die Stellstruktur 20. Die Stellstruktur 20 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass sich der Funktionsbereich 26 über die gesamte axiale Breite der Stellstruktur 20 erstreckt und somit alleine die Innenumfangsfläche 27 bildet, über welche die Flügel 12 des Förderrotors 10 bei Drehantrieb des Förderrotors 10 streichen. Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel ist der Funktionsbereich 26 ring-, hülsen- oder rohrförmig mit einer im Vergleich zum Innendurchmesser geringen Wanddicke.
Der Formbereich 25 ist als ein pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern hergestelltes Sintermetallteil ausgebildet. Der Funktionsbereich 26 und in diesem Ausführungsbeispiel das Stahlinsert und der Formbereich 25 aus Metall sind durch einen Kalibrierprozess mechanisch miteinander verbunden. In dem Kalibrierprozess wird der durch das Sintermetallteil gebildete Formbereich 25 kalibriert, um engen Toleranzen gerecht zu werden. In dem Kalibrierprozess fungiert der durch das Stahlinsert gebildete Funktionsbereich 26 als Kalibrierwerkzeug, durch das der Formbereich 25 kalibriert wird. Nach dem Kalibrierprozess verbleibt der Funktionsbereich 26 in dem Formbereich 25. In dem Kalibrierprozess wird der Formbereich 25 durch den Funktionsbereich 26 kalibriert und der Funktionsbereich 26 dadurch mit dem Formbereich 25 verbunden. Zur Kalibrierung des Formbereichs 25 weist der Funktionsbereich 26 im Vergleich zum Formbereich 25 ein Übermaß auf. Durch ein Einschieben des Funktionsbereichs 26 in den Formbereich 25 oder durch ein Aufschieben des Formbereichs 25 auf den Funktionsbereich 26 wird der Formbereich 25 durch den Funktionsbereich 26 nachverpresst und dadurch kalibriert. Der als Sinterteil gebildete Formbereich 25 ist nach dem Kalibrierprozess an der Kontaktstelle zum Funktionsbereich 26 durch den Funktionsbereich verpresst und/oder oberflächenverdichtet. Der als Sinterteil ausgebildete Formbereich 25 wird mittels des Funktionsbereichs 26 nach dem Sintern kaltgepresst oder kaltverformt, wodurch der Formbereich 25 kalibriert und der Funktionsbereich 26 mit dem Formbereich 25 verbunden wird. Der Funktionsbereich 26 wird in dem Kalibrierprozess fest, insbesondere axial verschiebefest und drehfest, mit dem Formbereich 25 verbunden. Grundsätzlich kann der Funktionsbereich 26 in den Formbereich 25 eingepresst werden, ohne dass eine Kalibrierung erfolgt. Der Formbereich 25 und der Funktionsbereich 26 können durch Schrumpfen und/oder Dehnen miteinander verbunden werden. Grundsätzlich kann der Funktionsbereich 26 in dem Kalibrierprozess axial verschiebefest, aber drehbar mit dem Formbereich 25 verbunden werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer Werkstoffverbundstruktur 20, wiederum die Stellstruktur 20, ist in den 7 und 8 dargestellt. Der Funktionsbereich 26 erstreckt sich über die gesamte axiale Breite der Stellstruktur 20. Der Funktionsbereich 26 weist am äußeren Umfang eine radiale Abragung 29 auf, die in eine nutförmige Vertiefung 28 des Formbereichs 25 eingreift und dadurch den Funktionsbereich 26 am Formbereich 25 axial zusätzlich zum festen Umgriff durch den Formbereich 25 sichert. Die Vertiefung 28 und die Abragung 29 können vollständig oder nur teilweise umlaufend geformt sein und ineinandergreifen. Der Funktionsbereich 26 ist in den Formbereich 25 eingepresst. Die Vertiefung 28 kann auch erst durch den Pressvorgang entstehen, in dem die Abragung 28 sich in das Material des Formbereichs 25 eingräbt. Eine Pressverbindung zwischen dem Formbereich 25 und dem Funktionsbereich 26 kann durch Schrumpfen und/oder Dehnen erfolgen. Der Funktionsbereich 26 kann grundsätzlich mehrere Abragungen 29 aufweisen. Alternativ kann der Funktionsbereich 26 auch von dem Material des Formbereichs 25 umgossen werden.
Die 9 und 10 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel einer als Werkstoffverbundstruktur gebildeten Stellstruktur 20. In dem vierten Ausführungsbeispiel ist der Funktionsbereich 26 zur Verbindung mit dem Formbereich 25 durch einen Kalibrierprozess verkröpft. In dem Kalibrierprozess wird der Funktionsbereich 26 durch ein separates Kalibrierwerkzeug gekröpft. Das Kalibrierwerkzeug drückt den in dem Formbereich 25 eingelegten Funktionsbereich 26 beim Kalibrieren des Formbereichs 25 gegen den Formbereich 25 und kröpft dabei den Funktionsbereich 26. Der Funktionsbereich 26 überträgt damit die Presskraft von dem Kalibrierwerkzeug auf den Formbereich 25, wodurch der Formbereich 25 kalibriert und der Funktionsbereich 26 angebunden wird.
Durch das Verkröpfen fasst der Funktionsbereich 26 den Formbereich 25 axial beidseitig ein, indem der im Wesentlichen als dünnwandiges Rohr gebildete Funktionsbereich 26 an seinen beiden axialen Enden nach außen abragend jeweils einen Flansch 29 aufweist, der vorteilhafterweise vollständig umlaufen kann. Axial zwischen den beiden Flanschen 29 bildet der Funktionsbereich 26 entsprechend eine Vertiefung 28, in die der Formbereich 25 eingreift und die der Formbereich 25 wie bevorzugt ausfüllt. Die beiden Flansche 29 sichern den Funktionsbereich 26 axial.
Grundsätzlich kann der Formbereich 25 den zwischen den Flanschen 29 erstreckten Axialabschnitt des Funktionsbereichs 26 zusätzlich kraftschlüssig umgreifen. Ein Kraftschluss kann, wie vorzugsweise auch in den anderen Ausführungsbeispielen, bei einem Umformen des Funktionsinserts 26 mit dem Formbereichsmetall(-legierung) durch das Erstarren des Metalls oder der Metalllegierung des Formbereichs 25 entstehen. Der Funktionsbereich 26 kann wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen als Stütz- und/oder Versteifungsstruktur für den Formbereich 25 dienen. In 11 ist der Funktionsbereich 26 herausgelöst aus der Werkstoffverbundstruktur 20 alleine dargestellt. Der Funktionsbereich 26 kann wie bereits in den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen innerhalb der Werkstoffverbundstruktur 20 insbesondere ein Metall- oder Kunststoffinsert, vorzugsweise ein Stahlinsert, bilden.
In den 12 und 13 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer als Werkstoffverbundstruktur gebildeten Stellstruktur 20 illustriert. Auch die Stellstruktur 20 des fünften Ausführungsbeispiels setzt sich aus nur zwei Bereichen zusammen, dem Formbereich 25 aus Metall oder Metalllegierung und dem Funktionsbereich 26 aus Funktionswerkstoff. Der Funktionsbereich 26 ist wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ring-, hülsen- oder rohrförmig mit im Vergleich zum Innendurchmesser geringerer Wanddicke. Er weist über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Durchgängen 30 auf. Der Funktionsbereich 26 kann auch als perforierte Hohlstruktur bezeichnet werden. Die Durchgänge 30 sind vom Metall oder von der Metalllegierung des Formbereichs 25 durchdrungen, so dass Formbereich 25 und Funktionsbereich 26 aneinander verankert sind und ein besonders inniger Formschluss erhalten wird.
Das hülsen-, ring- oder rohrförmige Insert 26, das in der Werkstoffverbundstruktur 20 den Funktionsbereich 26 bildet, ist in 14 herausgelöst aus der Werkstoffverbundstruktur alleine dargestellt. In diesem vorgefertigten Zustand kann der Funktionsbereich 26, respektive das ihn bildende Strukturteil bzw. Insert, in eine Form eingelegt und mit dem Metall oder der Metalllegierung des Formbereichs 25 umformt werden. Bei solch einem Verfahren der Urformung dringt das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 25 vorzugsweise in die Durchgänge 30 ein und verankert den Funktionsbereich 26 dadurch am Formbereich 25.
Der Funktionsbereich 26 kann den Formbereich 25 stützen und/oder aussteifen. Alternativ oder zusätzlich zur Stütz- und/oder Versteifungsfunktion kann der Funktionsbereich 26, falls der ihn bildende Funktionswerkstoff ein Gleitwerkstoff mit ausreichend guten Gleiteigenschaften und Verschleißbeständigkeit ist, die Innenumfangsfläche 27 bilden, entweder alleine oder, falls das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 25 die Durchgänge 30 vollständig durchdrungen hat, gemeinsam mit dem Metall oder der Metalllegierung des Formbereichs 25.
In Modifikationen können die Funktionsbereiche 26 außen und innen vom Metall oder von der Metalllegierung des Formbereichs 25 umgeben werden oder auch vollkommen im Metall oder in der Metalllegierung des Formbereichs 25 eingebettet sein, so dass sie in den Modifikationen keine Gleitfunktion, sondern lediglich Stütz- und/oder Versteifungsfunktion für die Werkstoffverbundstruktur 20 haben. Die als Gleitfläche dienende Innenumfangsfläche 27 wird in den Modifikationen vom Metall oder von der Metalllegierung des Formbereichs 25 gebildet.
In weiteren Modifikationen können die Funktionsbereiche 26 zusätzlich Durchgänge, wie etwa die Durchgänge 30, aufweisen, um zusätzlich zu dem im jeweiligen Ausführungsbeispiel bestehenden Formschluss auch noch eine Verankerung der Bereiche 25 und 26 aneinander zu erhalten. Ebenso kann der Funktionsbereich 26 in allen Beispielen eine nach außen vorstehende Rippe oder an einem oder an beiden axialen Enden einen vorstehenden Flansch aufweisen und/oder sich nicht über die gesamte axiale Länge der Stellstruktur 20 erstrecken, sondern etwa wie im ersten Ausführungsbeispiel der dortige Funktionsbereich 26 axial eingebettet sein.
Die 15 und 16 zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel einer als Werkstoffverbundstruktur gebildeten Stellstruktur 20. Diese Stellstruktur 20 umfasst einen Formbereich 25, der wie in den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen den Lagerbereich 21 mit der Gleitlagerfläche 22 und auf der gegenüberliegenden Seite den Einwirkbereich 23 in einem Stück bildet. Die Stellstruktur 20 weist ferner einen ersten Funktionsbereich 26 aus einem ersten Funktionswerkstoff und einen weiteren, zweiten Funktionsbereich 31 aus einem zweiten Funktionswerkstoff auf. Der erste und auch der zweite Funktionswerkstoff unterscheiden sich vom Metall oder von der Metalllegierung des Formbereichs 25 zumindest hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung. Sie unterscheiden sich ferner in bevorzugten Ausführungen auch untereinander in der chemischen Zusammensetzung.
Der erste Funktionsbereich 26 und/oder der zweite Funktionsbereich 31 wird oder werden jeweils vorzugsweise als ein vorgefertigtes Insert bereitgestellt, vorteilhafterweise aus einem metallischen Werkstoff oder Kunststoff. Der zweite Funktionsbereich 31 dient in bevorzugten Ausführungen als Stütz- und/oder Versteifungsstruktur und kann insbesondere in derartigen Ausführungen aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise Stahl, bestehen. Er kann beispielsweise als vorgefertigter Sinterkörper oder Gusskörper bereitgestellt werden. Der erste Funktionsbereich 26 und/oder insbesondere der zweite Funktionsbereich 31 kann oder können jeweils Durchgänge, etwa Durchgänge wie die Durchgänge 30 des vorherigen Ausführungsbeispiels aufweisen und dementsprechend beim Urformen des Formbereichs 25 von dessen Werkstoff durchdrungen werden, um einen innigeren Formschluss zu erhalten.
Soweit zum ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel keine Besonderheiten des jeweiligen Ausführungsbeispiels erläutert oder aus den Figuren ersichtlich sind, gelten die zu jeweils einem der Ausführungsbeispiele gemachten Ausführungen auch für die jeweils anderen dieser Ausführungsbeispiele.
In den Ausführungsbeispielen ist der Funktionsbereich 26 und auch der weitere Funktionsbereich 31 jeweils zumindest im Wesentlichen als Hohlprofilstruktur geformt und umgibt oder umgeben den freibleibenden Innenquerschnitt der Stellstruktur 20, in dem der Förderrotor 10 angeordnet ist. Obgleich diese Ausgestaltungen besonders vorteilhaft sind, kann ein Funktionsbereich aus einem wie beschrieben sich vom Metall oder von der Metalllegierung des Formbereichs 25 unterscheidenden Werkstoffs stattdessen auch einen anderen Bereich der Stellstruktur 20 bilden. So kann beispielsweise die Gleitfläche 22 des Lagerbereichs 21 oder der gesamte Lagerbereich 21 als solch ein Funktionsbereich aus einem Funktionswerkstoff gebildet sein. Der Funktionswerkstoff solch eines Funktionsbereichs ist vorzugsweise ein Gleitwerkstoff mit guten Gleiteigenschaften und ausreichender Verschleißbeständigkeit für die im Schwenklager der Stellstruktur 20 auftretenden Gleitreibungsbelastungen. Solch ein Funktionsbereich kann zusätzlich oder grundsätzlich auch anstelle der erläuterten Funktionsbereiche 26 und 31 vorgesehen sein.
In den 17 und 18 ist eine Werkstoffverbundstruktur eines siebten Ausführungsbeispiels dargestellt, die in der Rotationspumpe die Rotorstruktur 11 bilden kann und dementsprechend mit dem Bezugszeichen „11“ versehen ist. Die Rotorstruktur 11 weist im zentralen Bereich einen Durchgang auf, der von einer Innenumfangsfläche umschlossen wird. Die Innenumfangsfläche ist als Fügefläche 19 zur Herstellung einer verdrehunbeweglichen Verbindung mit einer Antriebswelle der Rotationspumpe geformt. Die Umfangsfläche bzw. Fügefläche 19 ist daher nicht kreisrund. Im Ausführungsbeispiel ist sie in der Art einer Innenverzahnung geformt. Die Schlitze 13, in denen die Förderelemente 12 (1) radial oder zumindest im Wesentlichen radial verschieblich geführt sind, erweitern sich zum jeweiligen Schlitzgrund taschenförmig. Der äußeren Form nach kann die Rotorstruktur 11 wie herkömmliche Rotorstrukturen von Flügelzellenpumpen gebildet sein.
Im Unterschied zu herkömmlichen Rotorstrukturen ist die Rotorstruktur 11 jedoch als Werkstoffverbundstruktur ausgeführt und umfasst dementsprechend einen Formbereich 15 aus Metall oder einer Metalllegierung und einen Funktionsbereich 16 aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15. Hinsichtlich der Werkstoffe der Bereiche 15 und 16 gilt das zu den Werkstoffen der Bereiche 25 und 26 der Werkstoffverbundstruktur 20 bereits Gesagte in gleicher Weise. So kann der Funktionswerkstoff insbesondere ein Kunststoff, eine Keramik, ein metallischer Werkstoff, vorzugsweise ein Stahl sein. Auch zur Herstellung gilt das bereits Gesagte. So kann der Funktionsbereich 16 vorteilhafterweise als vorgefertigtes Insert bzw. als vorgefertigter Einlegekörper bereitgestellt und mit dem Metall oder der Metalllegierung des Formbereichs 15 umformt, vorzugsweise umgossen werden.
Im siebten Ausführungsbeispiel bildet der Funktionsbereich 16 die Fügefläche 19, dient somit als Fügebereich, und stützt und versteift den Formbereich 15. Der Funktionsbereich 16 weist über seinen Umfang verteilt Vertiefungen 18 auf, in die beim Urformen des Formbereichs 15 dessen Metall oder Metalllegierung eingedrungen ist. Die Vertiefungen 18 sind wie bevorzugt taschenförmig nach radial innen verbreitert, so dass das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15 den Funktionsbereich 16 nicht nur über den Umfang außen umgibt, sondern bei den Öffnungen der Taschen bzw. Vertiefungen 18 vom äußeren Umfang aus gesehen auch hintergreift, wodurch ein Verankerungseffekt erzielt wird.
Die Förderelemente 12 (1) gleiten in den Schlitzen 13 beim Ein- und Ausfahren an den seitlichen Schlitzwänden, die entsprechend Gleitflächen 14 für die Flügel 12 bilden. Die Schlitze 13 sind im Formbereich 15 so geformt, dass das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15 die Gleitflächen 14 bildet. Der Funktionsbereich 16 weist ein zentrales Hohlprofil auf, dessen Innenumfangsfläche die Fügefläche 19 ist. Der Funktionsbereich 16 weist ferner Abragungen auf, die vom Hohlprofil nach radial außen abragen und die Schlitze 13 im Bereich des jeweiligen Schlitzgrunds einfassen. Jeweils benachbarte Abragungen bilden zwischen sich die Vertiefungen 18.
Die 19 und 20 zeigen ein achtes Ausführungsbeispiel einer Werkstoffverbundstruktur wiederum am Beispiel der Rotorstruktur 11. Der äußeren Form nach entspricht die Rotorstruktur 11 des achten Ausführungsbeispiels derjenigen des siebten Ausführungsbeispiels. Die Rotorstruktur 11 bildet wie im siebten Ausführungsbeispiel die Fügefläche 19 für die formschlüssige Fügeverbindung mit der Antriebswelle und stützt und versteift den Formbereich 15. Im Unterschied zum siebten Ausführungsbeispiel bildet der Funktionsbereich 16 auch die in Umfangsrichtung vor- und nachlaufenden Seitenwände der Schlitze 13 für die Förderelement 12 in Form der Gleitflächen 17. Der den Funktionsbereich 16 bildende Funktionswerkstoff ist daher zweckmäßigerweise ein Gleitwerkstoff mit guten Gleiteigenschaften und ausreichend hoher Verschleißbeständigkeit. Am äußeren Umfang, bei den Schlitzen 13, weist der Funktionsbereich 16 in Umfangsrichtung erstreckte kurze Abragungen auf, so dass das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15, der in die zwischen den Schlitzen 13 verbleibenden Vertiefungen des Funktionsbereichs 16 eingedrungen ist, die Abragungen des Funktionsbereichs 16 hintergreift und die Verankerung dadurch verbessert.
Im achten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Funktionsbereich 16 bis zum äußeren Umfang der Rotorstruktur 11. Wie in 19 erkennbar, überragt der Formbereich 15 den Funktionsbereich 16 in axialer Richtung, so dass der Formbereich 15 wie im siebten Ausführungsbeispiel und im Übrigen auch der Formbereich 25 der Stellstrukturen 20 als ein einziger zusammenhängender Bereich geformt ist.
Die 21 und 22 zeigen ein neuntes Ausführungsbeispiel einer Werkstoffverbundstruktur am Beispiel der Rotorstruktur 11. Der äußeren Form nach entspricht die Rotorstruktur 11 des neunten Ausführungsbeispiels denjenigen des siebten und achten Ausführungsbeispiels. Die Rotorstruktur 11 bildet wie im siebten und achten Ausführungsbeispiel die Fügefläche 19 für die formschlüssige Fügeverbindung mit der Antriebswelle und stützt und versteift den Formbereich 15. Wie im siebten Ausführungsbeispiel bildet der Formbereich 15 die in Umfangsrichtung vor- und nachlaufenden Seitenwände der Schlitze 13 für die Förderelemente 12 in Form der Gleitflächen 14. Der Funktionsbereich 16 umfasst wie im siebten und achten Ausführungsbeispiel ein Hohlprofil mit einer als Innenumfangsfläche gebildeten Fügefläche 19. Wie in diesen beiden Ausführungsbeispielen ragen vom Hohlprofil nach außen Abragungen ab und in das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15 hinein, wodurch große, in radialer Richtung erstreckte Druckflächen zur Übertragung des Drehmoments erhalten werden.
Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen kleidet der Funktionswerkstoff die Schlitze 13 nicht aus, auch nicht im Schlitzgrund, wie noch im siebten Ausführungsbeispiel. Die Abragungen sind zu den Schlitzen 13 in Umfangsrichtung versetzt. Sie ragen jeweils zwischen benachbarten Schlitzen 13 in den Formbereich 15 hinein, der den Funktionsbereich 16 umgibt. Die Abragungen verbreitern sich radial außen pilzförmig, so dass der Formbereich 15 und der Funktionsbereich 16 vom äußeren Umfang und von der Fügefläche 19 aus gesehen einander hintergreifen. Das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 15 umgibt die Abragungen am äußeren Umfang und auch an den bei Drehbewegung vor- und nachlaufenden Seiten. Die Abragungen stabilisieren den Formbereich und unterteilen diesen in kleinere Unterbereiche, was die Maßhaltigkeit der Rotorstruktur 11 über den Einsatztemperaturbereich verbessert. Der Funktionsbereich 16 bildet grundsätzlich mindestens die Fügefläche 19 und bevorzugt mindestens einen Teil eines Schlitzes 13.
Auch im achten und neunten Ausführungsbeispiel kann der Funktionsbereich 16 vorteilhafterweise als vorgefertigtes Insert, vorzugsweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff und besonders bevorzugt aus Stahl, bereitgestellt und mit dem Metall oder der Metalllegierung des Formbereichs 15 umformt, vorteilhafterweise umgossen werden.
Soweit zu den Rotorstrukturen 11 der Ausführungsbeispiele keine Besonderheiten erläutert oder aus den Figuren ersichtlich sind, gelten hinsichtlich der Werkstoffe und der Umformung mit dem Metall des jeweiligen Formbereichs 15 die zu den Stellstrukturen 20 gemachten Ausführungen gleichermaßen.
Die 23 zeigt eine Rotationspumpe in einem zehnten Ausführungsbeispiel. Die Rotationspumpe ist als eine Pendelschieberpumpe ausgebildet. Die Rotationspumpe umfasst ein Gehäuse 1 mit einem Einlass und einem Auslass für ein Fluid und einer mit dem Einlass und dem Auslass verbundenen Förderkammer 2 und einen in der Förderkammer 2 um eine Drehachse R10 drehbaren Förderrotor 10 mit einer in Bezug auf die Drehachse R10 zentralen Rotorstruktur 11. Ferner weist die Rotationspumpe eine den Förderrotor 10 umgebende Struktur 20 auf, die mit dem Förderrotor 10 Förderzellen bildet, um das Fluid vom Einlass zum Auslass zu fördern. Dabei ist die den Förderrotor 10 umgebende Struktur 20 eine Werkstoffverbundstruktur. Die Struktur 20 umfasst einen Formbereich 25 aus Metall oder Metalllegierung und einen Funktionsbereich 26 aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder die Metalllegierung des Formbereichs 25. Der Förderrotor 10 ist ein Pendelrad mit einer bezüglich der Drehachse R₁₀ zentralen Rotorstruktur 11 und über den Umfang der Rotorstruktur 11 verteilt angeordneten, als Pendel 12 ausgebildeten Förderelementen. Die Pendel 12 sind in zum äußeren Umfang der Rotorstruktur 11 offenen Schlitzen 13 der Rotorstruktur 11 in radialer oder zumindest im Wesentlichen radialer Richtung gleitend verschieblich geführt. Die den Förderrotor 10 umgebende Struktur ist wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen eine Stellstruktur 20. Die Struktur 20 ist analog zur Stellstruktur 20 der Ausführungsbeispiele 1 bis 6 ausgebildet.
Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist der Funktionsbereich 26 drehbar mit dem Formbereich 25 verbunden und/oder drehbar innerhalb des Formbereichs 25 angeordnet. Ferner nimmt der Funktionsbereich 26 die als Pendel 12 ausgebildeten Förderelemente schwenkbar auf. Die Pendel 12 sind schwenkbar mit dem Funktionsbereich 26 verbunden. Der Funktionsbereich 26 ist drehbar in dem Formbereich 25 gelagert. In einem Betrieb der Rotationspumpe rotiert der Funktionsbereich 26 mit dem Förderrotor 10 mit.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorstruktur 11 des Förderrotors 10 der als Pendelschieberpumpe ausgebildeten Rotationspumpe analog zu der Rotorstruktur 11 der Ausführungsbeispiele 7 bis 9 ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Förderkammer
3: Einlass
4: Auslass
5: Federglied
6: Steuerdruckkammer
10: Förderrotor
11: Rotorstruktur, Werkstoffverbundstruktur
12: Förderelement, Flügel, Pendel
13: Schlitz
14: Schlitzwand, Gleitfläche
15: Formbereich
16: Funktionsbereich
17: Schlitzwand, Gleitfläche
18: Vertiefung
19: Fügefläche
20: Stellstruktur, Werkstoffverbundstruktur
21: Lagerbereich
22: Lagerfläche, Gleitfläche
23: Stellstruktur-Einwirkbereich
24: Dichtelement-Aufnahme
25: Formbereich
26: Funktionsbereich
27: Innenumfangsfläche, Gleitfläche
28: Vertiefung
29: Abragung
30: Durchgang
31: Funktionsbereich
R₁₀: Drehachse Förderrotor
R₂₀: Schwenkachse Stellstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011086175 B3 [0005, 0032]
DE 102008036273 B4 [0005]

Claims

Rotationspumpe, vorzugsweise Flügelzellenpumpe oder Pendelschieberpumpe, umfassend: (a) ein Gehäuse (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für ein Fluid und einer mit dem Einlass und dem Auslass verbundenen Förderkammer (2), (b) einen in der Förderkammer (2) um eine Drehachse (R₁₀) drehbaren Förderrotor (10) mit einer in Bezug auf die Drehachse (R₁₀) zentralen Rotorstruktur (11), (c) und eine den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20), die mit dem Förderrotor (10) Förderzellen bildet, um das Fluid vom Einlass (3) zum Auslass (4) zu fördern, (d) wobei wenigstens eine der Strukturen (11, 20), nämlich die den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20) und/oder die Rotorstruktur (11), eine Werkstoffverbundstruktur ist und einen Formbereich (15; 25) aus Metall oder Keramik und einen Funktionsbereich (16; 26) aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs (15; 25) aufweist.
Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (16; 26) separat vom Formbereich (15; 25) hergestellt ist, wobei der Funktionsbereich (16; 26) und der Formbereich (15; 25) durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden sind.
Rotationspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (16; 26) separat vom Formbereich (15; 25) hergestellt ist, wobei der Funktionsbereich (16; 26) und/oder der Formbereich (15; 25) verkröpft und/oder gestaucht und/oder eingepresst und/oder aufgepresst ist.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (16; 26) separat vom Formbereich (15; 25) hergestellt ist, wobei der Funktionsbereich (16; 26) und/oder der Formbereich (15; 25) in einem Kalibrierprozess als ein Kalibrierwerkzeug fungiert oder fungieren.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formbereich (15; 25) an der Kontaktstelle mit dem Funktionsbereich (16; 26) durch den Funktionsbereich (16; 26) verpresst und/oder oberflächenverdichtet ist.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich (16; 26) eine Gleitfläche (17; 27) und/oder eine Aufnahme für zumindest ein Förderelement (13) des Förderrotors (10), insbesondere für ein Flügel (12) einer Flügelzellenpumpe oder ein Pendel einer Pendelschieberpumpe, und/oder einen Lager- oder Fügebereich (19) der Werkstoffverbundstruktur (11; 20) bildet.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formbereich (15; 25) aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gebildet ist.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formbereich (15; 25) ein durch Pressen und Sintern hergestelltes Sinterteil ist.
Rotationspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich (16; 26) aus Stahl gebildet ist.
Rotationspumpe, vorzugsweise Flügelzellenpumpe oder Pendelschieberpumpe, umfassend: (a) ein Gehäuse (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für ein Fluid und einer mit dem Einlass und dem Auslass verbundenen Förderkammer (2), (b) einen in der Förderkammer (2) um eine Drehachse (R₁₀) drehbaren Förderrotor (10) mit einer in Bezug auf die Drehachse (R₁₀) zentralen Rotorstruktur (11), (c) und eine den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20), die mit dem Förderrotor (10) Förderzellen bildet, um das Fluid vom Einlass (3) zum Auslass (4) zu fördern, (d) wobei wenigstens eine der Strukturen (11, 20), nämlich die den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20) und/oder die Rotorstruktur (11), einen Formbereich (15; 25) und einen separat von dem Formbereich (15; 25) hergestellten Funktionsbereich (16; 26) aufweist, die durch einen Kalibrierprozess miteinander verbunden sind.
Rotationspumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (16; 26) und/oder der Formbereich (15; 25) in dem Kalibrierprozess als ein Kalibrierwerkzeug fungiert oder fungieren.
Herstellverfahren für eine einen Förderrotor (10) einer Rotationspumpe umgebende Struktur (20) und/oder für einen Förderrotor (10) einer Rotationspumpe, in dem - ein Formbereich (15; 25), insbesondere aus Metall oder Keramik, gebildet wird, - ein Funktionsbereich (16; 26), insbesondere aus einem Funktionswerkstoff einer anderen chemischen Zusammensetzung als das Metall oder dem Keramik des Formbereichs (15; 25), gebildet wird, - der Formbereich (15; 25) und/oder der Funktionsbereich (16; 26) in einem Kalibrierprozess kalibriert wird oder werden und - der Formbereich (15; 25) und der Funktionsbereich (16; 26) in dem Kalibrierprozess miteinander verbunden werden, so dass der Formbereich (15; 25) und der Funktionsbereich (16; 26) eine Werkstoffverbundstruktur, die die den Förderrotor (10) umgebende Struktur (20) oder den Förderrotor (10) bildet, ausbilden.
Herstellverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich (16; 26) und/oder der Formbereich (15; 25) in dem Kalibrierprozess als ein Kalibrierwerkzeug genutzt wird oder werden, indem der Funktionsbereich (16; 26) in oder auf den Formbereich (15; 25) oder indem der Formbereich (15; 25) in oder auf den Funktionsbereich (16; 26) geschoben wird.
Herstellverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Formbereich (15; 25) durch Pressen und Sintern hergestellt wird.