DE10321521B3

DE10321521B3 - Ölpumpe

Info

Publication number: DE10321521B3
Application number: DE10321521A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Arnhold; Klaus Dr. Dollmeier; Harald Dr. Balzer; Vladislav Dr. Kruzhanov
Original assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Current assignee: Kruzhanov Vladislav Dr De
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2007511692A; US20070259199A1; WO2004101836A2; CN1788098A; WO2004101836A3; CN100400694C; EP1623051A2

Abstract

Zur Lösung der Aufgabe, eine Ölpumpe zur Verfügung zu stellen, welche sowohl leicht als auch kompakt ist, wird eine Ölpumpe mit einem Gehäuse, hergetellt aus einem Aluminium umfassenden Material, und in dem Gehäuse angeordneten beweglichen Formteilen vorgeschlagen, wobei die beweglichen Formteile zumindest teilweise hergestellt sind aus einem sinterfähigen Material, umfassend mnindestens eine austenitische Eisenbasislegierung, und wobei die aus dem sinterfähigen Material hergestellten beweglichen Formteile einen Wärmekoeffizienten aufweisen, welcher mindestens 60% desjenigen des Gehäuses beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ölpumpe mit einem Gehäuse und in diesem Gehäuse angeordneten beweglichen Formteilen, derartige Formteile sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Formteile.

Ölpumpen der eingangs genannten Art finden insbesondere Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen, in welchen höhere Temperaturen vorherrschen. Übliche, im Stand der Technik bekannte Ölpumpen weisen ein Gehäuse aus Gußeisen auf und in diesem Gehäuse angeordnete bewegliche Formteile, beispielsweise einen Verzahnungsrotorsatz im Falle einer Innenzahnradpumpe. Die beweglichen Formteile sind dabei aus eisenhaltigen Legierungen hergestellt, und zwar üblicherweise in einem sintermetallurgischen Herstellungsverfahren. Dabei werden Eisenkupferlegierungen verwendet. Die Verwendung von Gußeisen und Eisenkupferlegierungen hat zur Folge, daß derartige Ölpumpen ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Im Hinblick auf die allgemeine Tendenz im Automobilbau, das Gewicht von Kraftfahrzeugen zu vermindern, ist es daher erstrebenswert, Ölpumpen zur Verfügung zu stellen, welche ein geringeres Gewicht aufweisen.

Hierzu ist aus dem Stand der Technik bekannt, das Gehäuse von Ölpumpen nicht aus einem Gußeisen, sondern aus einer Aluminiumlegierung im Gußverfahren herzustellen. Auch hierbei finden als bewegbare Formteile, beispielsweise als Verzahnungsrotorsatz, angeordnet im Innern des Ölpumpengehäuses, Eisenkupferlegierungen Anwendung. Problematisch bei derartigen Ölpumpen ist jedoch, daß aufgrund der Temperaturschwankungen und höheren Temperaturen, denen die Ölpumpen insbesondere im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt sind, Spaltverluste aufweisen, welche üblicherweise durch eine größere Dimensionierung der Ölpumpe selbst kompensiert werden. Durch die größere Dimensionierung der Ölpumpe werden jedoch die ge wünschten Gewichtseinsparungen teilweise wieder zunichte gemacht.

Aus DE 199 29 952 C1 ist ein Ölpumpenzahnrad aus Aluminiumpulver bekannt, bei welchem zur Geringhaltung der Verluste der Pumpe, bedingt durch den Ölrückfluß zwischen Zahnrädern und Gehäuse auch bei höheren Betriebstemperaturen vorgeschlagen wird, die Wärmeausdehnung der Zahnräder derjenigen des Gehäuses anzupassen. Dies wird dadurch gelöst, daß die Ölpumpenzahnräder aus einer pulverförmigen, durch Sprühkompaktieren entstandenen Al/Si-Legierung, der etwa 30 Gew% reines Aluminiumpulver beigemischt werden, durch Pressen und anschließendes Sintern gefertigt werden.

EP 0 577 062 A1 schlägt eine Ölpumpe aus Aluminiumlegierungen vor, bei welcher das Zahnrad pulvermetallurgisch hergestellt ist aus einer schnell härtenden Aluminiumlegierung umfassend 5 bis 25 Gew% Si, bis zu 15 Gew% eines oder mehrerer legierender Elemente ausgewählt aus einer Gruppe umfassend 5 bis 10 Gew% Fe, 3 bis 10 Gew% Ni und 1 bis 8 Gew% Cr, wobei die restlichen Bestandteile aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet werden.

DE 197 44 226 A1 schlägt zur Reduzierung von Herstellkosten von Ritzeln mit Bund und Verzahnung ein Verfahren vor, bei welchem das Ritzel als Sinterteil mit bainitischem Grundgefüge hergestellt wird, wobei abschließend zumindest im Bereich des Bundes durch Oberflächenhärtung eine Randschicht aus martensitischem Gefüge gebildet wird.

Es besteht daher ein Bedarf an Ölpumpen, welche einerseits ein geringes Gewicht, andererseits aber keine oder nur geringe Spaltverluste aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Ölpumpen zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Ölpumpe mit einem Gehäuse, hergestellt aus einem Aluminium umfassenden Material, und in dem Gehäuse angeordneten beweglichen Formteilen, zumindest teilweise hergestellt sind aus einem sinterfähigen Material, vorgeschlagen, wobei die Ölpumpe dadurch gekennzeichnet ist, daß die beweglichen Formteile, umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung, und die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher mindestens 60% desjenigen des Gehäuses der Ölpumpe beträgt. Bevorzugt beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens 70%, weiter bevorzugt mindestens 74% desjenigen des Gehäuses der Ölpumpe. Die Ölpumpe kann beispielsweise als Außenzahnradpumpe mit Evolventenverzahnung, Innenzahnradpumpe mit Trochoidenverzahnung und Mondsichel, G-Rotor mit Zykloidenverzahnung, P-Rotor oder Flügelzellenpumpe ausgebildet sein.

Unter gesinterten Formteilen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Formteile verstanden, welche vollständig aus einem sinterfähigen Material hergestellt wurden, andererseits werden hierunter auch Verbundformteile verstanden, wobei der Grundkörper eines derartigen Verbundformteils beispielsweise aus einer aluminiumhaltigen Pulvermischung hergestellt sein kann und der mit dem Grundkörper weiter verbundene Körper aus einem weiteren sinterfähigen Material, umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung. Der Grundkörper aus einer aluminiumhaltigen Pulvermischung könnte dabei auch ersetzt werden durch einen solchen aus massivem Aluguß. Umgekehrt kann das Verbundformteil auch beispielsweise lediglich auf den Stirnseiten oder seiner Oberfläche eine gesinterte Schicht aus einem sinterfähigen Material, umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung, aufweisen, wohingegen der Grundkörper aus beispielsweise Stahl oder Gußeisen, gesintert oder massiv, hergestellt ist.

Die erfindungsgemäße Ölpumpe weist insbesondere bei einem Betrieb in einer Verbrennungskraftmaschine geringe Spaltverluste auf. Daher ist eine größere Dimensionierung nicht notwendig, und durch die Verwendung von Aluminium für das Ölpumpengehäuse ist das Gewicht der Ölpumpe deutlich verringert. Das Gehäuse der Ölpumpe kann entweder im Gußverfahren oder über sintermetallurgische Herstellungsverfahren hergestellt werden. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung gegossen.

Das sinterfähige Material, aus welchem die in dem Gehäuse der Ölpumpe angeordneten beweglichen Formteile hergestellt sind, ist vorteilhafterweise aus nur einer austenitischen Eisenbasislegierung hergestellt. Jedoch sind auch Mischungen verschiedener austenitischer Eisenbasislegierungen möglich. Weiterhin kann das sinterfähige Material übliche Schmierstoffe, Preßhilfsmittel, Gleitmittel o.ä. umfassen. Als Schmiermittel, welche in einer Menge von etwa 0,2 bis etwa 5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmenge des sinterfähigen Materials, zugesetzt werden, können selbstschmierende Mittel wie beispielsweise MoS₂,WS₂,BN, MnS sowie Graphit und/oder andere Kohlenstoffmodifikationen wie Koks, polarisierter Graphit o.ä. verwendet werden, welche den beweglichen Formteilen selbstschmierende Eigenschaften vermitteln. Als Bindemittel und/oder Gleitmittel können Materialien ausgewählt werden aus einer Gruppe umfassend Polyvinylacetate, Wachse, insbesondere Amidwachse wie Ethylenbissteaorylamid, Schellack, Polyalkylenoxide und/oder Polyglykole. Polyalkylenoxide und/oder -glykole werden vorzugsweise als Polymere und/oder Copolymere mit mittlerem Molekulargewicht in einem Bereich von etwa 100 bis 50.000 g/mol, bevorzugt etwa 1.000 bis 6.500 g/mol, verwendet. Binde- und/oder Gleitmittel werden vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von etwa 0,01 bis 12 Gew%, bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5 bis 5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmenge des eingesetzten sinterfähigen Materials, verwendet.

Als austenitische Eisenbasislegierungen sind insbesondere geeignet die Legierungen 316L, 305, 308, 317 L und 321 oder Mischungen derselben. Vorzugsweise umfassen die eingesetzten austenitischen Eisenbasislegierungen 0,005 bis 0,04 Gew% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 Gew% Silizium, 8 bis 18 Gew% Nickel, 0 bis 25 Gew% Chrom, 1 bis 4 Gew% Molybdän und 0,05 bis 1 Gew% Mangan neben Eisen.

Vorteilhafterweise weisen die aus dem sinterfähigen Material hergestellten beweglichen Formteile der Ölpumpe eine Brinell-Härte gemäß DIN EN 24498-1 von mindestens 100 HB, bevorzugt 120 HB, weiter bevorzugt mindestens 130 HB, weiter bevorzugt mindestens 140 HB, auf. Die Brinell-Härte wird hierbei ermittelt mit einer gehärteten Stahlkugel als Eindringkörper mit einem Durchmesser von 2,5 cm und mit einer Last von 62,5 kg. Durch derart harte bewegliche Formteile können lange Lebensdauern der erfindungsgemäßen Ölpumpen erzielt werden. Denn es muß berücksichtigt werden, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten herkömmlicher Aluminiumgußlegierungen in einem Bereich von etwa 20 bis 24 ppm liegen, diejenigen der als sinterfähiges Material verwendeten austenitischen Eisenbasislegierungen jedoch darunter liegen.

Vorzugsweise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der aus dem sinterfähigen Material hergestellten beweglichen Formteile in einem Bereich von etwa 12 – 21 ppm, bevorzugt 16 – 19 ppm. Durch derartige bewegliche Formteile ist sichergestellt, daß die erfindungsgemäße Ölpumpe die an diese gestellten me chanischen tribologischen Anforderungen insbesondere bei Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine erfüllt. Vorzugsweise umfassen die beweglichen Formteile der Ölpumpe einen Rotorsatz, wobei das Axialspiel zwischen mindestens einem auf einer Welle angeordneten Rotor des Rotorsatzes und der Wand des Gehäuses der Ölpumpe, gegen welches der Rotor arbeitet, weniger als 50 μm, bevorzugt weniger als 40 μm, beträgt. Die erfindungsgemäße Ölpumpe kann somit vorteilhafterweise sehr kompakt ausgebildet werden. Des weiteren wird durch das wie vorstehend definierte Axialspiel eine hohe Leistung der erfindungsgemäßen Ölpumpe erzielt.

Die Erfindung betrifft weiterhin Formteile, die in dem Gehäuse der Ölpumpe angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Formteile, wobei

– in einem ersten Schritt ein sinterfähiges Material, umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung, in eine Preßform gefüllt wird;
– in einem zweiten Schritt bei einem Preßdruck von mindestens 500 MPa ein Grünling gepreßt wird mit einer Dichte gemäß DIN ISO 2738 von mindestens 6,5 g/cm³; und
– in einem dritten Schritt der Grünling bei einer Temperatur von mindestens 1.000°C in einer Gasatmosphäre, umfassend Stickstoff und/oder Wasserstoff, gesintert wird. Bei Vorsehen einer Mischgasatmosphäre aus Wasserstoff und Stickstoff beträgt das Verhältnis der Anteile von Stickstoff und Wasserstoff mindestens 66:33, vorzugsweise mehr als 95:5.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden in den aus mindestens einer austenitischen Eisenbasislegierung hergestellten beweglichen Formteilen nitridische Phasen erzeugt, durch welche diese die für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Ölpumpe notwendigen Anforderungen im Hinblick auf Härte und Festigkeit insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen erfüllen. Ei ne Alternative zu der Einbringung nitridischer Phasen über eine Mischgasatmosphäre gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das sogenannte Plasmanitrieren, wobei dieses auch zusätzlich in einem weiteren Schritt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden kann.

Vorteilhafterweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren in einem

– vierten Schritt das gesinterte Formteil bei einem Druck von mindestens 600 MPa, bevorzugt mindestens 750 MPa auf eine Dichte gemäß DIN ISO 2738 von mindestens 6,7 g/cm³ kalibriert.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Beispiels und der Figur erläutert. Es zeigt:

1 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ölpumpe (Ausschnitt).

1 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete erfindungsgemäße Ölpumpe 1 vom Typ P-Rotor (wie er beispielsweise in DE 196 46359 C2 offenbart ist) mit einem Gehäuse 2, welches hier zweiteilig (2', 2'') ausgebildet ist. In diesem Gehäuse 2 ist ein Verzahnungsrotorsatz 4 angeordnet mit einem auf einer Welle 5 in Richtung der Achse Z angeordneten Innenrotor 6 und diesen umgebenden Planetenrädern B. Der Verzahnungsrotorsatz 4 besteht weiterhin aus einem drehbaren Lagerring 9 mit hier nicht gezeigten Lagertaschen, in denen die drehbar gelagerten Planetenrotoren 8 angeordnet sind. Der Innenrotor 6 ist exzentrisch zum Lagerring 9 gelagert und weist eine annährend sternförmige Außenkontur auf, die mit einer Außenverzahnung versehen ist. Der Verzahnungsrotorsatz 4 weist wie üblich einen hier nicht näher bezeichneten Saugbereich, einen Druckbereich und eine Verdrängungskammer auf. Über die Antriebswelle 5 wird ein Antriebsmoment auf den verzahnten Innenrotor 6 übertragen. Als bewegliche Formteile im Sinne der vorliegenden Erfindung sind gemäß der 1 der Lagerring 9, der Innenrotor 6, die Planetenrotoren 8 als auch die Welle 5 einschließlich der auf dieser angeordneten Mitnahme (nicht gezeigt) anzusprechen.

Zwischen der Innenwand 3 des Gehäuseteils 2' der Ölpumpe 1 und der Stirnfläche 10 des Innenrotors 6 besteht ein Axialspiel A, welches 40 μm beträgt.

Der in 1 gezeigte Verzahnungsrotorsatz 4 wurde hergestellt aus einer Mischung, enthaltend 1 Gew% des Gleitmittels Licowax C, Firma Clariant GmbH, Frankfurt, welches ein Polyamidwachs darstellt, und 99 Gew% der austenitischen Eisenbasislegierung 316L, enthaltend 0,02 Gew% Kohlenstoff, 0,8 Gew% Silizium, 13 Gew% Nickel, 17 Gew% Chrom, 2,2 Gew% Molybdän und 0,2 Gew% Mangan, wobei der verbleibende Restbestandteil durch Eisen gebildet wird. Die austenitische Eisenbasislegierung 316L wurde bezogen von der Firma Hoeganaes AB, Stockholm, Schweden.

Die vorstehend definierte Mischung wurde zunächst bei einem Druck von 600 MPa und Raumtemperatur ein Grünling mit einer Dichte in einem Bereich von 6,6 bis 6,7 g/cm³ gepreßt, welcher anschließend in einem zweiten Schritt in einem Hubbalkenofen für 15 Minuten bei einer Temperatur von 1.280°C unter einer Mischgasatmosphäre aus 70% Stickstoff und 30% Wasserstoff gesintert wurde. Anschließend wurde in einem weiteren Schritt der derart gesinterte Rotorsatz unter einem Druck von 800 MPa kalibriert auf eine Dichte von 6,8 bis 7,0 g/cm³. Die Härte der solchermaßen herstellten beweglichen Formteile des Verzahnungsrotorsatzes betrug 141 HB, 62,5/2,5 gemäß DIN EN 24498-1 (Brinell-Härte). Der Wärmeausdehnungskoeffizient, bestimmt gemäß der Norm DIN 51045 (Temperaturbereich 25°C– 200°C) wurde mit 17 ppm bestimmt.

Der solchermaßen hergestellte Verzahnungsrotorsatz wurde in einem Aluminiumgußgehäuse aus GD-AlSi₉Cu₃ (Werkstoffnummer 3.2163.05) eingesetzt, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 23 ppm gemäß DIN 51405 (Temperaturbereich 25°C– 200°C) aufwies.

Die solchermaßen hergestellte Ölpumpe wies auch nach längeren Laufzeiten unter Last und erhöhten Temperaturen, wie diese in Verbrennungskraftmaschinen üblich sind, nur geringe Spaltverluste auf. Im Unterschied zu im Stand der Technik üblichen Ölpumpen ist sie erheblich leichter.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, nicht nur einen vollständigen Verzahnungsrotorsatz, wie vorstehend beschrieben, aus einem mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung umfassenden Material herzustellen, sondern im Sinne der Erfindung kann auch lediglich der Innenrotor vollständig aus einem eine austenitische Eisenbasislegierung umfassenden Material hergestellt sein. Es können jedoch auch die einzelnen Bestandteile eines Rotorsatzes, insbesondere das Innenrad, als Verbundformteil hergestellt werden, wobei dann entweder die Verzahnung beispielsweise des Innenrotors und/oder die der Wand 3 beispielsweise zugewandte Stirnfläche 10 des Innenrotors mit einer Beschichtung aus einem eine austenitische Eisenbasislegierung umfassenden Material hergestellt ist. Des weiteren kann umgekehrt auch lediglich die Verzahnung von Rotorteilen eines Rotorsatzes aus einem anderen Material, beispielsweise einer Aluminiumbasislegierung, gefertigt sein, wohingegen der Grundkörper der betreffenden Rotoren aus einer austenitischen Eisenbasislegierung hergestellt sein kann. Des weiteren ist es auch möglich, lediglich die Mitnahme des Innenrotors eines Verzahnungsrotorsatzes aus austenitischem Eisenbasislegierungsmaterial herzustellen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist jedoch keineswegs beschränkt auf die genannten Kombinationen, sondern erstreckt sich auf jedwede möglichen sonstigen Kombinationen der in einer Ölpumpe angeordneten beweglichen Formteile.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, einerseits sowohl kompakt gebaute als auch leichte Ölpumpen zur Verfügung zu stellen, welche Laufzeiten erreichen, die mit denjenigen ein Eisengußgehäuse aufweisenden Ölpumpen vergleichbar sind.

Claims

Ölpumpe (1) mit einem Gehäuse (2), hergestellt aus einem Aluminium umfassenden Material, und in dem Gehäuse (2) angeordneten beweglichen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Formteile zumindest teilweise aus einem sinterfähigen Material hergestellt sind, umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung, und die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher mindestens 60% desjenigen des Gehäuses (2) beträgt.
Ölpumpe (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem sinterfähigen Material hergestellten Formteile eine Brinell-Härte gemäß DIN EN 24 498-1 von mindestens 100 HB aufweisen.
Ölpumpe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der aus dem sinterfähigen Material hergestellten Formteile in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 21 ppm liegt.
Ölpumpe (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Formteile einen Rotorsatz (4) umfassen, wobei das Axialspiel zwischen mindestens einem auf einer Welle (5) angeordneten Rotor (6) des Rotorsatzes (4) und der Wand (3) des Gehäuses (2) weniger als 50 μm beträgt.
Formteile gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem ersten Schritt sinterfähiges Material umfassend mindestens eine austenitische Eisenbasislegierung in eine Preßform gefüllt wird; – in einem zweiten Schritt bei einem Preßdruck von mindestens 500 MPa ein Grünling gepreßt wird mit einer Dichte gemäß DIN ISO 2738 von mindestens 6,5 g/m³; und – in einem dritten Schritt der Grünling bei einer Temperatur von mindestens 1.000°C in einer Gasatmosphäre umfassend Stickstoff und/oder Wasserstoff gesintert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem vierten Schritt das gesinterte Formteil bei einem Druck von mindestens 600 MPa auf eine Dichte gemäß DIN ISO 2738 von mindestens 6,7 g/cm³ kalibriert wird.