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Die
Erfindung betrifft Rotationskolbenpumpen und ist insbesondere auf
Vakuumpumpen gerichtet.
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Personenkraftwagen
und auch leichte Nutzfahrzeuge werden seit langem mit pneumatischem Bremskraftverstärker
ausgerüstet. Wurden die für die Bremskraftverstärker
erforderlichen Unterdrücke bei Pkw-Ottomotoren früher
noch durch die hinter den Drosselklappen des Ansaugsystems wirkenden Saugrohrunterdrücke
aufgebracht, so reichen diese Saugrohrunterdrücke bei Dieselmotoren
und auch modernen Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung wegen
abweichender Lastregelkonzepte nicht mehr aus. Bei diesen Motorkonzepten
kommen daher separate, vom Verbrennungsmotor angetriebene Vakuumpumpen
zum Einsatz. Die üblicherweise in Drehschieberbauart ausgebildeten
Pumpen werden mechanisch in der überwiegenden Zahl der
Anwendungsfälle von der Nockenwelle des Motors angetrieben
und sind in der Regel an der Stirnseite des Zylinderkopfs angeflanscht.
In den letzten Jahren haben sich im Hinblick auf die Wirkungsgrade
Pumpen mit nur einem Drehschieberflügel gegenüber
Flügelzellenpumpen mit mehreren Flügeln durchgesetzt.
Trotz der vergleichsweise guten Wirkungsgrade der einflügeligen
Vakuumpumpen bedingt der bei Betrieb des Verbrennungsmotors permanente
Antrieb der Pumpe, das vor dem Hintergrund der CO2-Problematik und
dem ständigen Zwang zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
einer Verringerung der für die Pumpe erforderlichen Antriebsleistung
weiterhin Beachtung geschenkt werden muss. Ein Ansatzpunkt, den
Wirkungsgrad zu verbessern, ist die Verringerung der Reibleistung
an der Stirnseite des Pumpenrotors.
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Nach
der
DE 33 01 098 A1 wird
den beiden Lagerspalten an den Stirnseiten eines Rotors einer Vakuumpumpe
Schmiermittel zugeführt. Der Rotor ist zwischen zwei seinen Stirnflächen
zugewandten Seitenplatten um eine Rotationsachse drehbar. Die Seitenplatten
sind axial bewegbar und werden in Richtung auf die jeweils zugewandte
Stirnfläche des Rotors mit einem pneumatischen Druck beaufschlagt, um
die Förderkammer der Pumpe abzudichten. Der Rotor weist
an beiden Stirnseiten jeweils eine um die Rotationsachse umlaufende,
periphere Gleitdichtfläche auf. Radial innerhalb dieser
ringförmigen Gleitfläche ist die Stirnfläche
des Rotors axial ein Stück weit zurückgenommen.
Die beiden peripheren Gleitflächen sorgen im Zusammenwirken
mit den axial beweglichen Seitenplatten für die Dichtigkeit
der Förderkammer, während dem zurückgenommenen,
zentralen Bereich durch die jeweilige Seitenplatte hindurch Schmiermittel
zugeführt wird. Die Seitenplatten sind für diesen
Zweck von offener Porosität und mit dem Schmiermittel durchtränkt.
Die Reibleistung zwischen den Seitenplatten und den peripheren Gleitflächen
des Rotors dürfte aufgrund Mischreibung immer noch erheblich
sein. Die Ausführung der Seitenplatten mit der für
die Schmierung erforderlichen Porosität bei gleichzeitig
ausreichender Stabilität und Verschleißfestigkeit
wird ebenfalls nicht unproblematisch sein.
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In
einer aus der
DE 33
25 261 A1 bekannten Vakuumpumpe wird ein als Dicht- und
Schmiermittel dienendes Öl an einer Stirnseite des Rotors
zentral zugeführt und über zwei radial von der
zentralen Zuführung abzweigende Drosselkanäle
in einen an der Stirnfläche des Rotors zurückgenommenen
Ringraum geführt. Die beiden schmalen Drosselkanäle erstrecken
sich radial jeweils über eine innere Gleitdichtfläche
des Rotors hinaus, um in den zurückgenommenen Ringraum
zu münden, der sich in der Stirnfläche des Rotors
um eine innere Gleitfläche erstreckt und umlaufend von
einer zum Gehäusedeckel abdichtenden, peripheren Gleitfläche
eingeschlossen wird. Auch bei dieser Ausführung dürfte
die Reibleistung im Gleitlagerspalt zwischen der Gleitfläche
des Gehäusedeckels und den beiden Gleitflächen
des Rotors, der inneren Gleitfläche und der peripheren
Gleitfläche, erheblich sein.
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Die
JP 2000-337267 A offenbart
eine Schmierung der stirnseitigen Lagerspalte für eine
Hydraulikpumpe. Die Arbeitsflüssigkeit dient gleichzeitig als
Schmiermittel. Eine Verbesserung der Schmierwirkung wird dadurch
erzielt, dass in den stirnseitig die Förderkammer begrenzenden
Kammerwänden, zwischen den in diesen Kammerwänden
geformten Einlass- und Auslassöffnungen für das
Arbeits- und Schmiermedium jeweils viele kleine, kreisförmige Vertiefungen
geformt und um die Rotationsachse des Rotors auf einem Kreis gleichmäßig
verteilt angeordnet sind. Die Vertiefungen wirken als Schmiertaschen,
Genaueres über die Wirkungsweise und die Form der Vertiefungen
erfährt man jedoch nicht.
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Die
JP 10-068393 A lehrt
zur Verbesserung der Schmierung einer Vakuumpumpe, in einer mit
der Kammerwand den Gleitlagerspalt bildenden Gleitfläche
des Rotors mehrere Taschen zu formen, die in der Draufsicht auf
die Stirnseite des Rotors gesehen jeweils vollständig innerhalb
der Gleitfläche liegen, in Umfangsrichtung also voneinander
beerbstandet sind und sowohl radial einwärts als auch auswärts von
der Gleitfläche begrenzt werden. Die Taschen haben jeweils
die Form eines schlanken, um die Rotationsachse gekrümmten
Teilrings. Um den Verschleiß im Gleitlagerspalt in praktisch
relevantem Ausmaß zu verringern, erfordert auch diese Lösung einen
dicken Schmiermittelfilm, verbunden mit entsprechenden Leckageverlusten
und Abstrichen hinsichtlich des Wirkungsgrads der Pumpe.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die Reibleistung der stirnseitigen
tribologischen Paarung zwischen Kammerwand und Rotor einer Rotationskolbenpumpe
mit geringem technischen Aufwand bei möglichst geringer
Leckage zu mindern.
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Die
Erfindung hat eine Rotationskolbenpumpe zum Gegenstand, die ein
Gehäuse mit einer Förderkammer und wenigstens
einen in der Förderkammer um eine Rotationsachse drehbaren
Rotor umfasst. Der Rotor weist an seinen beiden Stirnseiten Gleitflächen
auf, die mit axial zugewandten Gleitflächen der Kammer
jeweils eine Gleitpaarung bilden. Die stirnseitigen Kammerwände,
die besagte Gleitflächen der Kammer bilden, sind vorzugsweise
nicht beweglich, sondern im Gehäuse stationär.
In wenigstens einer der Gleitflächen, d. h. in wenigstens
einer der stirnseitigen Gleitflächen des Rotors oder in
wenigstens einer der stirnseitigen Gleitflächen der Kammer,
ist wenigstens eine Tasche für Schmiermittel geformt. Die
Tasche wird bezüglich der Rotationsachse in Umfangsrichtung
und radial außen von der die Tasche enthaltenden Gleitfläche
begrenzt.
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Nach
der Erfindung ist die Tasche so geformt, dass sich bei drehendem
Rotor im Spalt der die Tasche aufweisenden Gleitpaarung ein hydrodynamischer
Schmierfilm aufbaut. Sobald der Rotor die Übergangsdrehzahl
der Gleitpaarung erreicht, ist der hydrodynamische Schmierfilm tragfähig
und der Rotor beginnt auf dem Schmiermittel zu gleiten. Bei Überschreiten
der Übergangsdrehzahl gleitet der Rotor im voll tragenden
Bereich, und es herrscht nur noch Flüssigkeitsreibung.
Auf diese Weise werden die Gleitflächen der Gleitpaarung
voneinander getrennt und Festkörperreibung vermieden, während die
axiale Dicke des von den Gleitflächen axial begrenzten
Spalts dennoch gering gehalten werden kann. Die Tasche ist so geformt,
dass sich der hydrodynamische Schmierfilm bei den für den
Betrieb der Rotationskolbenpumpe typischen Drehzahlen, bei denen
die Rotationskolbenpumpe überwiegend betrieben wird, aufbaut.
Die Tasche hat hierfür ein ausreichendes Volumen und eine
geeignete Form, insbesondere weist sie ein für den Schmierfilmaufbau sorgendes
Tiefenprofil auf. Vorzugsweise ist die Tasche so geformt, dass sich
im Gleitspalt unmittelbar im Anschluss an das in Drehrichtung des
Rotors nachlaufende Ende der Tasche der hydrodynamische Schmierfilm
einstellt. Die gleiche oder die axial gegenüberliegende
Gleitfläche kann oder können eine oder mehrere
weitere Tasche(n) enthalten, die diese Bedingung nicht erfüllen,
solange im Spalt der Gleitflächen insgesamt ab der Übergangsdrehzahl der
hydrodynamische Schmierungszustand herrscht. Falls wie bevorzugt
mehrere erfindungsgemäße Taschen vorgesehen sind,
genügt es, wenn diese Taschen erst im Verbund den Aufbau
des hydrodynamischen Schierfilms bewirken.
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Die
Tasche flacht in Umfangsrichtung, in Richtung ihres nachlaufenden
Endes ab, verjüngt sich also, vorzugsweise über
ihre gesamte radial gemessene Breite. Falls sich die Verjüngung
nur über einen Teil der radialen Taschenbreite erstreckt,
ist dieser verjüngte Breitenbereich vorzugsweise radial im
mittleren Bereich der Gleitfläche angeordnet. Die Tasche
bildet im Spalt der Gleitflächen am nachlaufenden Ende
einen Keil. Im verjüngten Bereich kann die Tasche im Verlauf
des Anstiegs auf die sie enthaltende Gleitfläche eine variable
Neigung aufweisen, insbesondere eine Neigung, die sich in Richtung
auf das nachlaufende Ende verringert, so dass sich der Boden der
Tasche im Bereich des Keils in Richtung auf die gegenüberliegende
Gleitfläche der Gleitpaarung rund wölbt. In ebenfalls
bevorzugten Ausführungen ist die Neigung über
zumindest einen größeren, vorzugsweise den überwiegenden
Teil des Keils konstant. Der Taschenboden kann in dem Anstieg ein oder
mehrere gekrümmte(s) Teilstück(e) in Kombination
mit einem oder mehreren geraden Teilstück(en) aufweisen.
Er kann im Keilspalt auch eine oder mehrere Stufe(n) aufweisen,
ein kontinuierlicher Verlauf wird allerdings bevorzugt. Er kann
in Bezug auf die axial gegenüberliegende Gleitfläche
vom Auslauf in die Gleitfläche in Umfangsrichtung beabstandet
sogar einen oder mehrere konkave Abschnitte aufweisen, solange dennoch
der hydrodynamische Schmierfilm aufgebaut wird.
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Der
Keil erstreckt sich vorzugsweise über wenigstens ein Viertel,
noch bevorzugter über wenigstens die Hälfte der
Taschentiefe, wobei als Bezugstiefe die maximale Tiefe der Tasche
dient. So kann die Tasche vom Taschengrund aus beispielsweise senkrecht,
d. h. in axialer Richtung, oder mit zunehmender Neigung ansteigen
und erst ab der Hälfte der Taschentiefe oder bereits vorher
sich allmählich verjüngen. Die Verjüngung
kann insbesondere bereits unmittelbar im Taschengrund einsetzen, d.
h. vom Taschengrund aus unmittelbar mit einer Neigung zu der sie
enthaltenden Gleitfläche hin abflachen. Die Neigung zur
Gleitfläche sollte zumindest im nachlaufenden Endbereich
des Keils höchstens 45°, bevorzugter höchstens
30°, betragen, sowohl im Falle einer konstanten als auch
im Falle einer variablen Neigung. Zumindest am nachlaufenden Ende
des Keils, beim Auslaufen in die Gleitfläche, sollten die genannten
Winkelwerte nicht überstiegen werden. Geringere Neigungswinkel
sind im Hinblick auf die für den Aufbau des hydrodynamischen
Schmierfilms im Schmiermittel wirkenden Scherkräfte insbesondere im
Auslauf des Keils von Vorteil. So wird eine Neigung unmittelbar
am Ende des Keils von höchstens 15° besonders
bevorzugt, ebenso entspricht es bevorzugten Ausführungen,
wenn die Neigung zumindest am Ende des Keils kontinuierlich abnimmt,
wobei der Keil insbesondere tangential in die Gleitfläche auslaufen
kann. Hinsichtlich der in Umfangsrichtung gemessenen Keillänge
ist es von Vorteil, wenn sich der Keil über wenigstens
die halbe Taschenlänge erstreckt, wobei der Vorteil dieses
Geometriemerkmals mit abnehmender Taschenlänge zunimmt.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Tasche an ihrem nachlaufenden Ende in die Gleitfläche
flacher, mit geringerer Neigung als an ihrem vorlaufenden Ende ausläuft.
Am vorlaufenden Ende kann die Tasche steil, insbesondere senkrecht,
bis in die Gleitfläche ansteigen, wobei eine Anfasung beim Übergang
in die Gleitfläche als zur steilen Wand gehörig
angesehen wird, da Anfasungen nur der Entgratung dienen, aber keinen
hydrodynamischen Schmierfilmaufbau bewirken. Die Erfindung betrifft
aber auch Ausführungen, in denen die Tasche auch am vorlaufenden Ende
keilförmig ausläuft. Die geometrische Asymmetrie
mit einem ausgeprägten Keil am nachlaufenden Ende zur Erzeugung
des hydrodynamischen Schmierfilms und einer am vorlaufenden Ende
steil oder zumindest deutlich steiler bis in die Gleitfläche ansteigenden
Tasche wird jedoch bevorzugt, da hierdurch der Flächenanteil
der Tasche im Verhältnis zur Gleitfläche minimiert
wird.
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Vorzugsweise
besteht eine fluidische Verbindung zwischen der Tasche und einem
radial äußeren Rand der sie enthaltenden Gleitfläche
nur über den axialen Spalt zwischen den einander zugewandten Gleitflächen,
so dass Schmiermittel nur über die die Gleitpaarung bildenden
Gleitflächen aus der Tasche nach radial außen
dringen kann. Alternativ kann aber auch zwischen der Tasche und
dem radial äußeren Rand der sie enthaltenden Gleitfläche
oder der Tasche und einer radial außen an die Gleitfläche
grenzenden Umfangsfläche, eine Verbindung zusätzlich vorgesehen
sein, entweder in Form eines unter der Gleitfläche liegenden
oder an der Gleitfläche offenen Verbindungskanals. Solch
ein optionaler Verbindungskanal ist jedoch so gestaltet, dass er
dem Abfluss des Schmiermittels aus der Tasche einen erheblichen
Strömungswiderstand entgegenstellt, der um ein Mehrfaches
größer ist als im Falle einer Tasche, die die
Gleitfläche radial mit ihrem vollen Taschenquerschnitt
durchsetzt. Eine radiale Begrenzung der Tasche durch die Gleitfläche
wird somit auch dann gesehen, wenn ein in Umfangsrichtung schmaler oder
in Tiefenrichtung der Tasche flacher Verbindungskanal einen Strömungsquerschnitt
aufweist, der um ein Mehrfaches kleiner ist als ein größter
Taschenquerschnitt. Ein optionaler Verbindungskanal kann dazu genutzt
werden, über die Tasche gezielt Schmiermittel nach radial
außen in die Kammer und dort zur Schmierung beispielsweise
der Spitze eines Flügels einer Flügelzellenpumpe
zu nutzen. Der optionale Verbindungskanal ist aber in jedem Fall
so bemessen, dass sich trotz des durch ihn erleichterten Abflusses
von Schmiermittel der hydrodynamische Schmierfilm bildet.
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Das
nachlaufende Ende der Tasche kann in der Draufsicht auf die Gleitfläche
gesehen über seine gesamte radiale Breite gerade und zumindest
im Wesentlichen radial verlaufen, die Tasche also über
eine radiale Randlinie in die Gleitfläche übergehen.
Die Tasche kann in der Draufsicht auf die Gleitfläche gesehen
stattdessen aber auch hinterschnitten sein, so dass sie am nachlaufenden
Ende einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Fortsatz aufweist,
der nach radial innen, in Richtung auf die Rotationsachse des Rotors,
von der Gleitfläche begrenzt wird. Durch den Hinterschnitt
wird einem Abströmen des Schmiermittels nach radial einwärts
entgegengewirkt, insbesondere in bevorzugten Ausführungen,
in denen die Tasche nach radial innen, d. h. in Richtung auf die
Rotationsachse, an einer inneren Umfangsfläche mündet,
die Gleitfläche radial in Richtung auf die Rotationsachse
also durchsetzt. Die Gleitfläche ist in derartigen Ausführungen
ringförmig um die Rotationsachse erstreckt. Eine die Gleitfläche
nach radial innen durchsetzende Tasche hat den Vorteil, dass solch
eine Tasche aus dem zentralen Bereich innerhalb der ringförmigen
Gleitfläche mit Schmiermittel versorgt werden kann.
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In
bevorzugten Ausführungen sind in der die Tasche enthaltenden
Gleitfläche weitere Taschen in der erfindungsgemäßen
Art geformt. Die Taschen sind um die Rotationsachse in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet, vorzugsweise verbleibt zwischen ihnen jeweils
ein Bereich der Gleitfläche, und werden radial außen
von der sie enthaltenden Gleitfläche begrenzt. Die Taschen
sind um die Rotationsachse vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen gleichmäßig
verteilt angeordnet. Die Winkelabstände jeweils nächstbenachbarter
Taschen sind in derartigen Ausführungen im Wesentlichen
gleich. Im Falle einer Drehschieberpumpe mit einem einzigen Flügel, der
den Rotor radial durchsetzt, wird als gleichmäßige
Winkelteilung auch eine Anordnung angesehen, in der die Taschen
symmetrisch in Bezug auf den Flügel verteilt sind. Die
Taschen sind in der Draufsicht auf die Gleitfläche gesehen
und im Querschnitt vorzugsweise untereinander gleich, können
grundsätzlich aber auch voneinander abweichen. Sie können auch
im Tiefenprofil voneinander abweichen, bevorzugter sind sie jedoch
auch im Tiefenprofil untereinander gleich. Das Tiefenprofil ist
der Verlauf der axialen Tiefe in Umfangsrichtung auf einer die Tasche schneidenden
Zylinderfläche um die Rotationsachse.
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In
Ausführungen mit nur einer einzigen Tasche kann diese Tasche
insbesondere so angeordnet sein, dass sie einer in manchen Verwendungen
im Pumpenbetrieb vorhandenen leichten Kippstellung der Rotorachse
entgegenwirkt. In solch einer Zusatzfunktion ist die Tasche in einer
der stirnseitigen Gleitflächen der Kammer angeordnet, also
in Bezug auf die Kammer stationär. Die Kippstellung des
Rotors, falls im Betrieb vorhanden, ist im Vorhinein bekannt, so
dass die Tasche entsprechend angeordnet werden kann. Falls in der
betreffenden Gleitfläche der Kammer in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet mehrere Taschen der erfindungsgemäßen
Art geformt sind, sind diese Taschen so angeordnet, dass sie die
Kippstellung zusammenwirkend zumindest teilweise kompensieren, beispielsweise
indem die Taschen in Umfangsrichtung gesehen nur in der Hälfte
der Gleitfläche vorgesehen sind, in der der Spalt zwischen
den Gleitflächen aufgrund der Kippstellung kleiner als
in der anderen Hemisphäre ist. Andererseits können
Taschen aber auch über den gesamten Umfang verteilt angeordnet
sein, wobei zur Kompensation einer Kippstellung in der entsprechenden
Hemisphäre das Verhältnis von Taschenfläche
zu verbleibender Gleitfläche größer als
in der anderen Hemisphäre der betreffenden Gleitfläche
ist.
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Die
Tasche oder die bevorzugt mehreren Taschen kann oder können
wie erwähnt in einer der Gleitflächen des Rotors
oder einer der Rotorstirnseite axial zugewandten Kammerwand geformt
sein. Das Wort ”oder” wird stets im üblichen
logischen Sinn als ein ”inklusiv oder” verstanden,
umfasst also sowohl die Bedeutung von ”entweder ... oder” als
auch die Bedeutung von ”und”, soweit der jeweils
konkrete Zusammenhang nicht ausschließlich nur eine eingeschränkte
Bedeutung zulasst. Eine einzige oder mehrere Taschen kann oder können
daher beispielsweise nur in einer oder nur in beiden stirnseitigen Gleitflächen
des Rotors vorgesehen sein, wobei diese beiden Ausführungen
besonders bevorzugt werden, oder nur in einer der die beiden Gleitpaarungen mitbildenden
Gleitflächen der Kammer oder nur in beiden stirnseitigen
Gleitflächen der Kammer. In weiteren Ausführungsformen
kann eine einzige Tasche oder können mehrere Taschen auch
in einer oder in beiden Gleitfläche(n) des Rotors und zusätzlich
in einer oder in beiden zugewandten Gleitfläche(n) der Kammer
geformt sein, was beispielsweise auch den Fall einschließt,
dass eine einzige oder mehrere Taschen nur an einer der beiden Stirnseiten
des Rotors und eine einzige oder mehrere Taschen nur in derjenigen
Gleitfläche der Kammer geformt ist oder sind, die eine
Gleitpaarung an der gegenüberliegenden Stirnseite des Rotors
mit der dortigen Rotorgleitfläche bildet. Zur Erfindung
gehört ferner auch der Fall, dass der Rotor an einer oder
an beiden Stirnseiten eine einzige oder mehrere Taschen aufweist
und die Kammer zusätzlich an der gleichen Stirnseite ebenfalls
mit einer einzigen oder mehreren Taschen der erfindungsgemäßen
Art versehen ist, wobei die der gleichen Gleitpaarung zugeordneten
Taschen des Rotors und der Kammer radial zueinander so versetzt sind,
dass sie bei Rotation des Rotors nicht in Überdeckung gelangen.
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Eine
bevorzugte Bauart sind Flügelzellenpumpen mit einem einzigen
oder mehreren verschiebbar vom Rotor geführten Flügel(n),
und auch Schwenkflügelpumpen. Unter den Drehschiebermaschinen
werden wiederum einflügelige Ausführungen bevorzugt,
also Ausführungen in denen der Rotor mit dem Flügel
die Förderkammer in nur zwei Zellen unterteilt. Die Rotationskolbenpumpe
kann mit variablem oder konstantem Fördervolumen ausgeführt sein.
Sie kann mehrhubig sein, ist aber bevorzugt einhubig. In der Förderkammer
können mehrere Rotoren, beispielsweise zwei Rotoren, angeordnet
sein, wobei vorzugsweise bei beiden Rotoren an jeweils wenigstens
einer axialen Stirnseite eine Gleitpaarung in erfindungsgemäßer
Weise gebildet wird. In den Ausführungen als Drehschieber-,
Schwenkflügel oder gegebenenfalls auch Pendelschieberpumpe
ist die Tasche bei Formung am Rotor vorteilhafterweise in einem
Umfangsbereich der Gleitfläche geformt, der nicht von einem
Flügel, einem Schiebe- oder Schwenkflügel, durchsetzt
wird. In Ausführungen, in denen die Gleitfläche
mit der wenigstens einen erfindungsgemäßen Tasche
in Umfangsrichtung nicht durchbrochen ist, sondern sich um die Rotationsachse
vollständig umlaufend erstreckt, spielt diese Überlegung
keine Rolle. Sind in der betreffenden Gleitfläche wie bevorzugt
mehrere Taschen erfindungsgemäß geformt und angeordnet,
so sind die mehreren Taschen bei Anordnung im Rotor um die Rotationsachse
vorteilhafterweise so und in solcher Zahl angeordnet, dass im Winkelbereich
jeder Zelle der Zellenpumpe jeweils wenigstens eine der Taschen
angeordnet ist. In einflügeligen Ausführungen
sind pro Zelle, die der Rotor mit seinem einstückigen oder
geteilten Flügel bildet, vorzugsweise je wenigstens zwei der
erfindungsgemäßen Taschen angeordnet.
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Die
Rotationskolbenpumpe fördert vorzugsweise ein gasförmiges
Arbeitsfluid, während das Schmiermittel vorzugsweise flüssig
ist. Insbesondere ist die Erfindung auf eine Vakuumpumpe gerichtet, die
in einem Kraftfahrzeug eingebaut oder für den Einbau in
einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Die Pumpe kann den für
einen Bremskraftverstärker erforderlichen Unterdruck erzeugen.
Sie wird vorzugsweise vom Motor angetrieben, bei dem es sich vorzugsweise
um einen Verbrennungsmotor handelt. Für solche Vakuumpumpen
ist es üblich, dass der Rotor am Umfang eines Rotorlagerabschnitts
mit einer fliegenden Gleitlagerung versehen und somit axial nicht
fixiert, sondern entweder innerhalb der axialen Toleranz oder eines
bewusst vorgesehenen axialen Spiels zwischen den stirnseitigen Gleitflächen
der Förderkammer beweglich ist. Antriebsseitig wirkt dabei
auf der dem Durchmesser des Lagerabschnitts entsprechenden Projektionsfläche
des Rotors der Druck des Kurbelgehäuses des Motors, der
in der Regel etwa dem Atmosphärendruck entspricht, während
an der abgewandten, gegenüberliegenden Projektionsfläche
des Rotors in der überwiegenden Zahl der Betriebszustände
der Pumpe ein vergleichsweise hoher Unterdruck wirkt, so dass der
Rotor gegen die betreffende Gleitfläche der Kammer gedrückt
wird. Es entsteht entsprechend dem Druckgefälle ein beachtlicher
Axialschub, der wegen der im Falle einer im Stand der Technik planen
stirnseitigen Geometrie des Rotors zu einer großen Reibleistung
führt, werden nicht erfindungsgemäß Gegenmaßnabmen
ergriffen. Die durch ungünstige tribologische Verhältnisse
bedingten Mischreibungszustände im dortigen Axialgleitlager
des Rotors bergen die Gefahr von Verschleiß, dem in vielen
Fällen durch eine kostenverursachende Beschichtung der
Kammerwand vorgebeugt werden muss. Bei erfindungsgemäßer
Gestaltung kann auf eine Beschichtung nur zum Zwecke der Reibverschleißminderung
verzichtet werden, auch wenn ein Beschichten als zusätzliche
Maßnahme nicht kategorisch ausgeschlossen werden soll.
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Grundsätzlich
ist die Erfindung auf das Gebiet der Vakuumpumpen nicht beschränkt.
Das zu fördernde Medium kann auch eine Flüssigkeit
sein und in derartigen Ausführungen auch gleichzeitig das Schmiermittel
bilden. Bevorzugte Beispiele für Flüssigkeitspumpen
sind Schmierölpumpen für die Versorgung eines
Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs oder eines anderen Aggregats
eines Fahrzeugs mit Schmiermittel oder Hydraulikflüssigkeit.
Auch eine solche Pumpe wird bevorzugt vom Motor des Fahrzeugs angetrieben.
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Wird
die Rotationskolbenpumpe in Abhängigkeit von der Drehzahl
eines Antriebsmotors, vorzugsweise Verbrennungsmotors, drehangetrieben, beispielsweise
wie bevorzugt über eine mechanische Kopplung, so ist die
Gleitpaarung mit der wenigstens einen erfindungsgemäßen
Tasche vorzugsweise so gestaltet, dass die Übergangsdrehzahl
für den Aufbau des hydrodynamischen Schmierfilm bereits
im Leerlaufbetrieb des Antriebsmotors überschritten wird.
Die Pumpe kann wie bereits erwähnt in einem Fahrzeug montiert
oder für eine Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen sein,
und bei dem Antriebsmotor kann es sich insbesondere um den Antriebsmotor
des Fahrzeugs handeln.
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In
bevorzugten Ausführungen ist eine axial fliegende Lagerung
des Rotors verwirklicht. Durch die Erfindung wird zwischen der Gleitpaarung
der axial einander zugewandten Gleitflächen ein axialer Gleitlagerspalt
gebildet, indem der Rotor bei Überschreiten der Übergangsdrehzahl
von der gegenüberliegenden Gleitfläche der Kammer
von dem hydrodynamischen Schmierfilm getragen abhebt. Vorteilhafterweise
ist die Gleitpaarung an der gegenüberliegenden Stirnseite
des Rotors ebenfalls so gebildet, dass sich dort ein hydrodynamischer
Schmierfilm bildet, wobei sich die Schmierfilmdicken der beiden
Schmierfilme dem axialen Kräftegleichgewicht entsprechend
einstellen. Die axial fliegende oder schwimmende Lagerung lässt
dieses Einstellen zu. Falls im Betrieb der Pumpe ein Achsschub in
eine bestimmte Richtung wie beispielhaft vorstehend geschildert
auftritt, ist eine einzige oder bevorzugter sind mehrere erfindungsgemäße
Tasche(n) zweckmäßigerweise bei der Gleitpaarung
vorgesehen, die den Achsschub aufnehmen muss, deren Gleitflächen also
der Achsschub axial gegeneinander zu drücken sucht.
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Da
die erfindungsgemäß geformte(n) Tasche(n) in Tiefenrichtung
vorzugsweise ohne Hinterschnitt geformt wird oder werden, kann der
Rotor mittels eines Formwerkzeugs mit der oder den Tasche(n) im
Wege einer Urformung des Rotors Werkzeug fallend, d. h. ohne zusätzliche
Bearbeitung und damit praktisch kostenneutral erzeugt werden. Durch eine
dem Prozess der Urformung folgende spanende Bearbeitung, beispielsweise
ein Schleifprozess, der Stirnfläche des Rotors wird ohne
zusätzlichen Herstellungsaufwand somit eine geeignete,
im tribologischen Zusammenspiel mit der bevorzugt planen Kammerwand
wirksame Keilspaltgeometrie erzeugt. Gleichzeitig ergeben sich Kostenreduzierungspotentiale,
da wegen der erfindungsgemäßen Schmiertasche(n)
auf eine zusätzliche Antiverschleißbeschichtung
einer der den Gleitlagerspalt bildenden Gleitflächen verzichtet
werden kann. Der Rotor kann insbesondere durch Pressen und Sintern
als Sinterteil aus Metall oder Kunststoff oder im Spritzguss aus
Kunststoff als Spritzgussteil geformt werden.
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Vorteilhafte
Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen
beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert.
An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden
je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände
der Ansprüche und auch die vorstehend diskutierten Ausgestaltungen
vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Rotationskolbenpumpe in einem
Längsschnitt,
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2 die
Rotationskolbenpumpe in einer zum Längsschnitt der 1 orthogonalen
Draufsicht und mit einem Rotor, der Schmiertaschen eines ersten
Ausführungsbeispiels aufweist,
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3 eine
Draufsicht auf eine Stirnfläche eines Rotors mit Schmiertaschen
eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 den
in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse des Rotors erstreckten
Schnitt A-A der 3,
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5 ein
Detail der 4,
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6 eine
Draufsicht auf eine Stirnfläche eines Rotors mit Schmiertaschen
eines dritten Ausführungsbeispiels,
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7 den
in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse des Rotors erstreckten
Schnitt B-B der 6,
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8 Schmiertaschen
eines vierten Ausführungsbeispiels,
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9 Schmiertaschen
eines fünften Ausführungsbeispiels,
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10 Schmiertaschen
eines sechsten Ausführungsbeispiels und
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11 Schmiertaschen
eines siebten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
eine Rotationskolbenpumpe in einem Längsschnitt. Es handelt
sich um eine Vakuumpumpe, beispielsweise zur Erzeugung eines Unterdrucks
für einen Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs.
Die Pumpe wird vom Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben.
Sie umfasst ein Gehäuse 1 mit einer Gehäusestruktur 2 und
einem Deckel 3, der mit der Gehäusestruktur 2 lösbar
verbunden ist.
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2 zeigt
die Pumpe in einer Draufsicht von der Seite des Deckels 3 her,
wobei der Deckel 3 abgenommen ist. Das Gehäuse 1 bildet
eine Förderkammer 4 mit einem Einlass 5 und
einem Auslass 6 für das zu fördernde
Fluid, im Ausführungsbeispiel Luft. Der Einlass 5 und
der Auslass 6 münden an einer inneren Umfangsfläche 14 des
Gehäuses 1, im Ausführungsbeispiel der
Gehäusestruktur 2, in die Kammer 4. Der
Einlass 5 ist mit einem Ventil versehen, das eine Strömung
nur in die Kammer 4 zulässt. Der Einlass 5 vereinigt
sich mit einem zusätzlichen Auslass 7. Der Auslass 6 wird
von einem Lamellenventil 8 und der Auslass 7 von
einem Lamellenventil 9 verschlossen, so dass Fluid durch
den Auslass 6 und auch durch den Auslass 7 nur
aus der Kammer ausströmen, nicht jedoch in die Kammer einströmen kann.
Der zusätzliche Auslass 7 erlangt Bedeutung nur
im Falle einer vorübergehenden Umkehr der Drehrichtung
V.
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Ein
Rotor 10 ist um eine Rotationsachse R in der Kammer 4 drehbar
angeordnet. Der Rotor 10 ist außerhalb der Kammer 4 längs
eines Rotorlagerabschnitts 11 axial fliegend drehbar gleitgelagert,
wofür der Lagerabschnitt 11 und beispielhaft die
Gehäusestruktur 2 eine axial relativ zueinander
bewegliche Gleitlagerpaarung bilden. Der Rotor 10 weist
an dem von der Förderkammer 4 abgewandten Ende
einen Anschluss für eine verdrehgesicherte Verbindung unmittelbar
mit einer Nockenwelle oder einem Antriebsrad auf, über
das er im montierten Zustand vom Verbrennungsmotor her, beispielsweise
von der Nockenwelle angetrieben wird.
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Die
Pumpe ist als einflügelige Flügelzellenpumpe ausgeführt.
Ein Flügel 13 durchsetzt den Rotor 10 in
radialer Richtung und wird von dem Rotor 10 in einem Rotorschlitz 12 radial
linear hin und her beweglich geführt. Der Rotor 10 und
der Flügel 13 unterteilen die Förderkammer 4 in
zwei Förderzellen, von denen die eine mit dem Einlass 5 und
die andere mit dem Auslass 6 verbunden ist. Der Rotor 10 ist
in der Kammer 4 exzentrisch angeordnet, so dass er mit seiner äußeren
Umfangsfläche die beiden Förderzellen und insbesondere
den Einlass 5 und den Auslass 6 fluidisch voneinander
trennt. In 2 nehmen der Rotor 10 und
der Flügel 13 gerade eine Symmetriestellung ein,
in der die beiden Förderzellen gleich groß sind.
Dreht der Rotor 10 in die Drehrichtung V, vergrößert
sich die in 2 untere Förderzelle
und verkleinert sich die in 2 obere
Förderzelle, so dass Arbeitsfluid durch den Einlass 5 in
die sich vergrößernde Förderzelle gesaugt
und aus der sich verkleinernden Förderzelle durch den Auslass 6 unter erhöhtem
Druck ausgestoßen wird. Bei der Drehbewegung fahren die
Flügelspitzen des Flügels 13 längs
der Umfangsfläche 14 der Kammer 4, so
dass die Förderzellen über den Dichtspalt zwischen
der Flügelspitze und der Umfangsfläche 14 fluidisch
voneinander getrennt sind. Radial gegenüberliegend werden
die Förderzellen wie gesagt durch den Dichtspalt zwischen
der äußeren Umfangsfläche des Rotors 10 und
der Umfangsfläche 14 der Kammer 4 voneinander
getrennt. Für die fluidische Trennung der Förderzellen
sorgen ferner axial einander zugewandte Gleitdichtflächen
des Rotors 10 und des Flügels 13 einerseits
und der Kammer 4 andererseits.
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Für
die axiale Abdichtung der Förderzellen weist der Rotor 10 an
einer von der Antriebsseite abgewandten Stirnseite eine Gleitfläche 15 und
an der anderen, der Antriebsseite zugewandten Stirnseite eine Gleitfläche 17 auf.
Die Gleitflächen 15 und 17 bilden mit
axial gegenüberliegenden Gleitflächen 16 und 18 des
Gehäuses 1 jeweils eine Gleitpaarung. Die stirnseitigen
Gleitflächen des Flügels 13 sind nicht
mit eigenen Bezugszeichen versehen, bilden aber mit den axial zugewandten
Kammerwänden jeweils eine weitere Gleitpaarung. Die gehäuseseitige Gleitfläche 16 an
der von der Antriebsseite abgewandten Stirnseite des Rotors 10 wird
von dem Deckel 3 gebildet, während die Gehäusestruktur 2 die Gegengleitfläche 18 für
die Rotorgleitfläche 17 bildet. Um Reibverschleiß der
Gleitpaarungen zu mindern und die Abdichtung der Förderzellen
zu verbessern, wird den Gleitpaarungen ein Schmieröl oder
anderes geeignetes Schmiermittel zugeführt.
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Das
Schmiermittel kann insbesondere wie im Ausführungsbeispiel
in einen den Rotor 10 axial durchsetzenden zentralen Hohlraum
geleitet werden und sich von dort aus über die von den
Gleitflächen 15 und 16 einerseits und
den Gleitflächen 17 und 18 andererseits
axial begrenzten Dichtspalte verteilen. So kann ein Schmiermittelkanal
insbesondere durch den Lagerabschnitt 11 führen.
An der dem Lagerabschnitt 11 zugewandten Stirnseite kann
im Rotor 10 beispielsweise in Umfangsrichtung erstreckte
Verteilernut vorgesehen sein, in die der Schmiermittelkanal mündet.
Das Schmiermittel gelangt unterstützt von der bei drehendem
Rotor 10 wirkenden Zentrifugalkraft durch den axialen Gleitspalt
der Gleitpaarung der Gleitflächen 17 und 18 in
die Kammer 4 und sorgt dabei für eine ausreichende
Schmierung der Gleitpaarung 17 und 18. Das Schmiermittel
gelangt des Weiteren durch den zentralen Hohlraum des Rotors 10 an
dessen andere Stirnseite und verteilt sich dort ebenfalls unterstützt
durch die Zentrifugalkraft nach radial außen und sorgt
für die Schmierung der von den Gleitflächen 15 und 16 gebildeten
Gleitpaarung sowie ferner der mit dem Flügel 13 gebildeten
Gleitpaarungen.
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Der
Rotor 10 ist in der von seiner Antriebsseite abgewandten
Gleitfläche 15 mit Taschen 20 versehen,
in denen sich das Schmiermittel sammelt. Die Taschen 20 können
auch als Schmiertaschen bezeichnet werden. In der Gleitfläche 15 sind
insgesamt vier Taschen 20 geformt, jeweils zwei Taschen 20 zu beiden
Seiten des Flügels 13. Der Flügel 13 unterteilt die
Gleitfläche 15 in zwei Gleitflächenhemissphären, die
beispielhaft wie bevorzugt gleich und ferner wie ebenfalls bevorzugt
als Kreisringsegmente geformt sind. Die Taschen 20 sind
in den beiden Hemissphären im Sinne einer über
den Umfang gleichmäßigen Verteilung des Schmiermittels
gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Gleitfläche 15 separiert
die Taschen 20 in Umfangsrichtung voneinander und begrenzt
sie nach radial außen, bildet also von den beiden Schlitzen 12 abgesehen
radial außen eine umlaufende Gleitpaarung mit der axial
gegenüberliegenden Gleitfläche 16. Die
Taschen 20 sind jedoch radial einwärts in Richtung
auf die Rotationsachse R offen, münden also an einer inneren
Umfangsfläche des Rotors 10. Das Schmiermittel
gelangt aus dem zentralen Hohlraum des Rotors 10 in die
in den Hohlraum mündenden Taschen 20, sammelt
sich darin und wird im Betrieb der Pumpe von der Fliehkraft unterstützt
nach radial außen gedrängt, um die Gleitpaarung
der Gleitflächen 15 und 16 zu schmieren
und gleichzeitig auch den zwischen den Gleitflächen 15 und 16 gebildeten axialen
Gleitspalt abzudichten und so zur fluidischen Trennung der Förderzellen
beizutragen. Falls die Gleitpaarung der Gleitflächen 17 und 18 ebenfalls
Taschen, vorzugsweise erfindungsgemäße Taschen, aufweist,
können diese radial innen in die genannte Verteilernut
münden und über diese mit dem Schmiermittel versorgt
werden.
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Die
Taschen 20 gehen jeweils an ihrem in Drehrichtung V vorlaufenden
Ende 23 entlang eines in der Draufsicht auf die Gleitfläche 15 gebogenen Taschenöffnungsrands
in die Gleitfläche 15 über, während
sie an ihrem nachlaufenden Ende 24 jeweils längs
eines geraden radialen Öffnungsrands in die Gleitfläche 15 übergehen.
Der vorlaufende Rand fällt von einer an den Rand gelegten
Tangente mit überall kontinuierlicher Krümmung
gegen die Drehrichtung V in Richtung auf das nachlaufende Ende 24 ab.
Dies vergleichmäßigt den Fluss des Schmiermittels
in die jeweilige Tasche 20, wirkt einer Rezirkulation und
der Bildung von Schmutzecken entgegen. Die in Umfangsrichtung gemessene
Länge L verringert sich im Ergebnis bei jeder der Taschen 20 in
radialer Richtung von innen nach außen kontinuierlich.
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Insbesondere
sind die Taschen 20 jeweils so geformt, dass sich im Betrieb
der Pumpe zwischen den Gleitflächen 15 und 16 ein
hydrodynamischer Schmierfilm aufbaut, sobald die hierfür
erforderliche Übergangsdrehzahl überschritten
wird. Die Taschen 20 sind so geformt und angeordnet, dass
die Übergangsdrehzahl in den für Verschleiß maßgeblichen Betriebszuständen
der Pumpe überschritten wird. Ist die Pumpe für
einen Antrieb durch einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs vorgesehen
oder im Fahrzeug so montiert, ist die Gestaltung vorzugsweise so,
dass die Übergangsdrehzahl unter der Drehzahl liegt, die
der Rotor 10 im Leerlauf des Motors erreicht. Die Taschen 20 flachen
jeweils in Richtung auf ihr nachlaufendes Ende 24 kontinuierlich
ab, so dass sie mit der axial gegenüberliegenden Gleitfläche 16 einen
sich zum nachlaufenden Ende 24 verjüngenden Keilspalt
bilden. Das Schmiermittel wird aufgrund der bei Drehung des Rotors 10 im
Schmiermittel wirkenden Schubkräfte am nachlaufenden Ende 24 jeder
der Taschen 20 zwischen die Gleitflächen 15 und 16 gefördert
und bildet dort bei Überschreiten der Übergangsdrehzahl
einen tragenden Schmierfilm, der die Gleitflächen 15 und 16 voneinander
separiert und im axialen Gleitspalt für reine Flüssigkeitsreibung
sorgt. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der
Gleitpaarung 15 und 16 mit den Taschen 20 wird in
Kombination mit der axial fliegenden bzw. schwimmenden Gleitlagerung
des Rotors 10 ein den Rotor 10 axial tragendes
Axialgleitlager geschaffen. Die Gleitpaarung 15 und 16 mit
den Taschen 20 ist vorzugsweise ferner so gestaltet, dass
dieses Axialgleitlager auch dann voll trägt und bei Überschreiten
der Übergangsdrehzahl nur im Bereich der Flüssigkeitsreibung
arbeitet, wenn es eine von der Antriebsseite bei 11 herrührende
axiale Kraft, einen Achsschub, aufnehmen muss, wie dies insbesondere
in bevorzugten Einbausituationen der Fall ist, in denen die Vakuumpumpe
am Gehäuse oder in einer Modifikation im Gehäuse
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Rotors 10, in
dessen Gleitfläche 15 Taschen 21 nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel geformt sind. Abgesehen
von den Taschen 21 entspricht der Rotor 10 dem
Rotor 10 der 1 und 2 und kann
diesen in der Pumpe ersetzen. Die Taschen 21 sind in der
gezeigten Radialebene rechteckförmig. Sie gehen jeweils
sowohl am vorlaufenden Ende 23 als auch am nachlaufenden
Ende 24 entlang eines geraden, in etwa radial weisenden Öffnungsrands
in die Gleitfläche 15 über. Die beiden Öffnungsränder erstrecken
sich zueinander parallel. Der in Umfangsrichtung verlaufende radial äußere Öffnungsrand,
der die Öffnungsränder am vorlaufenden Ende 23 und nachlaufenden
Ende 24 miteinander verbindet, ist ein Bogenabschnitt auf
einem Kreis um die Rotationsachse R, könnte aber beispielsweise
auch einfach gerade sein. Die Taschen 21 sind an ihrer
radial inneren Seite wie im ersten Ausführungsbeispiel
offen, münden also mit ihrem vollen Taschenquerschnitt
an der inneren Umfangsfläche des Rotors 10 in
den zentralen Hohlraum. In 3 sind die
Abmessungen des Öffnungsrands, längs dem die jeweilige
Tasche 21 in die Gleitfläche 15 übergeht,
eingetragen. Die in Umfangsrichtung gemessene Länge ist
mit L und die in radialer Richtung gemessene Breite ist mit B bezeichnet.
Die Länge L ist über die gesamte Breite B konstant.
-
In 4 ist
die von den Gleitflächen 15 und 16 des
zweiten Ausführungsbeispiels gebildete Gleitpaarung in
dem in 3 eingetragenen Schnitt A-A dargestellt (ohne
Bruchkanten). 4 ist die Abwicklung der kreiszylindrischen
Schnittfläche A-A. In der Schnittfläche A-A ist
die Form des Querschnitts der Taschen 21 erkennbar. 5 zeigt
eine der Taschen 21 in vergrößerter Darstellung.
Mit D ist die für alle Taschen 21 gleiche Taschentiefe
bezeichnet, die in axialer Richtung zwischen der tiefsten Stelle
der jeweiligen Tasche 21, dem Taschengrund, und der radial
zur Rotationsachse R erstreckten, planen Gleitfläche 15 gemessen
wird. Die Taschen 21 steigen vom Taschengrund aus mit jeweils
der gleichen konstanten Neigung α in Richtung auf das nachlaufende Ende 24 der
jeweiligen Tasche 21 an. Die Neigung α beträgt
weniger als 30°, im Ausführungsbeispiel beträgt
sie etwa 15°. Am vorlaufenden Ende steigen die Taschen 21 vom
Taschengrund aus bis in die Gleitfläche 15 steil
an, im Ausführungsbeispiel wie bevorzugt mit einem Neigungswinkel β von
etwa 90° zur Gleitfläche 15. Der Öffnungsrand
am vorlaufenden Ende 23 kann angefast sein, wobei solch
eine Anfasung als zur steil ansteigenden Taschenwand gerechnet wird.
Die Taschen 21 und die axial gegenüberliegende
Gleitfläche 16 begrenzen einen im Wesentlichen
dreieckigen Keilspalt, der sich zum nachlaufenden Ende jeder Tasche 21 verjüngt.
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Eine
Modifikation zum ersten Ausführungsbeispiel besteht somit
darin, dass die Taschen 21 am vorlaufenden Ende einen anderen
Verlauf aufweisen, indem sie dort gerade sind und nicht, wie bevorzugt, gegen
die Drehrichtung V kontinuierlich abfallen. Ferner ist in der Gleitfläche 15 eine
größere Anzahl der Taschen 21 als im
ersten Ausführungsbeispiel geformt. Wie im ersten Ausführungsbeispiel
sind die Taschen 21 beidseits einer durch den Schlitz 12 verlaufenden,
gedachten Teilungsebene symmetrisch und in den beiden Hemisphären
der Gleitfläche 15 jeweils in Umfangsrichtung
gleichmäßig verteilt angeordnet.
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6 zeigt
eine Stirnansicht eines Rotors 10, der in der gezeigten
Gleitfläche 15 Taschen 22 eines dritten
Ausführungsbeispiels aufweist, ansonsten aber dem ersten
und zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Die Taschen 22 weisen
in Bezug auf die radiale Richtung einen Hinterschnitt auf, so dass über
einen Teil ihrer in Umfangsrichtung gemessenen Länge L,
die im dritten Ausführungsbeispiel entsprechend variabel
ist, ein Steg erhalten wird, der Bestandteil der Gleitfläche 15 ist,
und einen durch den Hinterschnitt erhaltenen Fortsatz 25 bei
jeder der Taschen 22 radial in Richtung auf die Rotationsachse
R begrenzt. Jede der Taschen 22 wird durch ihren Fortsatz 25 in
Umfangsrichtung verlängert, nämlich wie bevorzugt
gegen die Drehrichtung V, d. h. am nachlaufenden Ende. Die Fortsätze 25 sind
jeweils im Bereich der radialen Mitte der Gleitfläche 15 geformt. Die
Taschen 22 erstrecken sich somit von ihrer Mündung
in den zentralen Hohlraum des Rotors 10 nach radial außen
zunächst über einen Breitenbereich kürzerer
Länge L und gehen radial nach außen fortschreitend
in einen durch den Fortsatz 25 verlängerten äußeren
Bereich über, werden aber wie in den anderen Ausführungsbeispielen
radial außen durch einen dort verbleibenden peripheren
Streifen der Gleitfläche 15 unterbrechungsfrei
begrenzt.
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7 zeigt
die Gleitpaarung der Gleitflächen 15 und 16 in
der Abwicklung des Kreiszylinderschnitts B-B der 6 (ohne
Bruchlinien). Die Taschen 22 bilden mit der gegenüberliegenden
Gleitfläche 16 jeweils am nachlaufenden Ende einen
Keilspalt, indem die Taschen 22 vom jeweiligen Taschengrund
aus mit konstanter Neigung α zum nachlaufenden Ende 24 bis
auf die axiale Höhe der Gleitfläche 15 ansteigen.
Zum Keilspalt gilt das zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
Gesagte. Beispielhaft sind die Taschen 22 am vorlaufenden
Ende 23 gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel
modifiziert, indem sie dort vom Taschengrund aus mit einer ausgeprägten
Krümmung in die dann wieder orthogonal zur Gleitfläche 15 weisenden
Kammerwand ansteigen. Eine vorteilhafterweise am vorlaufenden Öffnungsrand
vorhandene Anfasung sei wieder vernachlässigt, da sie strömungstechnisch
keine Rolle spielt.
-
Aufgrund
des Hinterschnitts wird, wie bereits erwähnt, im Bereich
des dadurch erhaltenen Fortsatzes 25 radial innen ein Steg
erhalten, der vorzugsweise einen Teil der Gleitfläche 15 bildet.
Insbesondere durch solch einen verbleibenden Gleitflächensteg
wird einem Abströmen des Schmiermittels in den zentralen
Hohlraum des Rotors 10 entgegengewirkt. Obgleich bevorzugt
im Bereich des genannten Stegs die Gleitfläche 15 verbleibt,
wird diese vorteilhafte Wirkung zwar in abgeschwächter
Form, aber grundsätzlich auch dann erreicht, wenn der durch den
Hinterschnitt erhaltene Steg axial nicht bis ganz zur Gleitfläche 15 reicht,
aber immer noch nach radial einwärts einen verengten Strömungsquerschnitt
darstellt, der das Abströmen in den zentralen Hohlraum am
nachlaufenden Ende 24 drosselt. Der Hinterschnitt kann
bevorzugt, wie in 6 beispielhaft dargestellt,
stufig sein, alternativ kann er sich aber auch vom radial innen
liegenden Mündungsbereich aus in Richtung auf das nachlaufende
Ende 24 nach radial außen allmählich
verbreitern, solange nur einem Abströmen nach radial innen
am nachlaufenden Ende 24 entgegengewirkt wird. Der Keilspalt
kann sich, wie beispielhaft dargestellt, am nachlaufenden Ende über
die gesamte Breite B der Taschen 22 erstrecken oder in
einer Modifikation nur über die radiale Breite des jeweiligen
Fortsatzes 25. Eine Erstreckung über die gesamte
radiale Breite B wird allerdings bevorzugt.
-
Die
Taschen 22 sind in der Radialebene gesehen am vorlaufenden
Ende 23 jeweils kontinuierlich gekrümmt und fallen
wie im ersten Ausführungsbeispiel in Richtung auf das nachlaufende
Ende 24 von einer an den Öffnungsrand des vorderen
Endes 23 gelegten Tangente ab. Wie im ersten Ausführungsbeispiel
werden hierdurch am vorlaufenden Ende die Ausbildung von Schmutzecken
und Rezirkulationen verhindert. Zum Hinterschnitt ist noch nachzutragen,
dass im Bereich des in Umfangsrichtung verlängerten Fortsatzes 25 eine
größere Taschenlänge L als im radial
inneren und schmaleren Taschenbereich zur Verfügung steht,
um den Keilspalt zu bilden. Die Taschen 22 können
dementsprechend im Bereich des jeweiligen Fortsatzes 25 mit
einer geringeren Neigung α in Richtung auf das nachlaufende
Ende 24 ansteigen, da der Anstieg über eine größere
Länge verteilt werden kann.
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Die 8 bis 11 zeigen
jeweils eine Abwicklung einer kreiszylindrischen Schnittfläche
in der Art der Schnittdarstellungen der 4 und 7 (jeweils
ohne Bruchlinie). Dargestellt sind Taschen, die in Bezug auf ihren
Querschnitt, d. h. ihr axiales Tiefenprofil, gegenüber
dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel modifiziert
sind.
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In
dem in 8 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel
sind die Taschen mit 26 bezeichnet. Sie steigen jeweils
vom Taschengrund aus in Richtung des nachlaufenden Endes 24 mit
einer variablen Neigung α bis in die Gleitfläche 15 an.
Die vorlaufenden Enden 23 entsprechen jeweils dem zweiten
Ausführungsbeispiel, die dortige Neigung β beträgt
wiederum etwa 90°, wobei eine Anfasung vernachlässigt sei.
Die den Keilspalt erzeugende Verjüngung setzt wie im zweiten
Ausführungsbeispiel unmittelbar bei der steilen Taschenwand
des vorlaufenden Endes 23 ein, erstreckt sich also über
zumindest im Wesentlichen die gesamte Länge L der jeweiligen
Tasche 26. Die Neigung α nimmt in Richtung auf
das nachlaufende Ende 24 kontinuierlich ab, so dass sich
der Boden der Taschen 26 jeweils kontinuierlich rund in
Richtung auf die gegenüberliegende Gleitfläche 16 vorwölbt,
in Bezug auf die Gleitfläche 16 also rund konvex
geformt ist. Die Neigung α beträgt im Taschengrund
zwischen 40 und 60°, könnte durchaus aber auch
bis zu 90° betragen oder auch kleiner als 30° sein.
Am Taschengrund könnte auch wie im dritten Ausführungsbeispiel
eine ausgeprägte Kehlung vorhanden sein. Die Neigung α beträgt
am nachlaufenden Ende 24 beim Übergang in die
Gleitfläche 15 weniger als 15°, insbesondere
kann der Boden der Tasche 26 auch tangential in die Gleitfläche 15 übergehen,
also die Neigung α kontinuierlich bis auf den Wert ”null” abnehmen.
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9 zeigt
Taschen 27 eines fünften Ausführungsbeispiels,
die sich von den Taschen der anderen Ausführungsbeispiele
im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass ein Keilspalt auch am
vorlaufenden Ende 23 jeder Tasche 27 gebildet
ist. Im Ausführungsbeispiel sind die Taschen 27 im
gezeigten Querschnitt bezüglich der Drehrichtung V und
der Gegenrichtung symmetrisch, d. h. die Taschen 27 steigen
jeweils vom Taschengrund aus in und gegen die Drehrichtung V mit
der gleichen Neigung bis in die Gleitfläche 15 an.
Der Verlauf der Neigung α entspricht somit dem Verlauf
der Neigung β. Beispielhaft wird für die Neigungen α und β Konstanz
angenommen. Ein Vorteil der Bildung eines Keilspalts sowohl zum
vorlaufenden Ende 23 als auch zum nachlaufenden Ende 24 hin
ist, dass der Rotor 10 in Bezug auf die Bildung des hydrodynamischen
Schmierfilms drehrichtungsinvariant ist, was für bestimmte
Anwendungen von Vorteil sein kann. Andererseits geht die zweifache
Ausbildung eines Keilspalts auf Kosten der Gleitfläche 15,
die hierdurch verringert wird, was möglicherweise durch
eine Verbreiterung in radialer Richtung kompensiert werden muss.
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10 zeigt
Taschen 28 eines sechsten Ausführungsbeispiels.
Bei den Taschen 28 erstreckt sich der Keilspalt am nachlaufenden
Ende 24 jeweils nur über etwa die halbe Gesamtlänge
jeder Tasche 28 und jeweils nur über ein bis zwei
Viertel der Taschentiefe D. Im Querschnitt gesehen wird auf diese Weise
im Bereich des vorlaufenden Endes 23 ein ausgeprägter Sammelraum
für das Schmiermittel und im Bereich des nachlaufenden
Endes 24 ein kleinerer Keilspalt als in den vorhergehenden
Beispielen erhalten.
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11 zeigt
Taschen 29 eines siebten Ausführungsbeispiels.
Der Keilspalt ist nochmals flacher als bei den Taschen 28 des
sechsten Ausführungsbeispiels und auch etwas länger.
Die Neigung α ist entsprechend geringer und beträgt
im Keilspalt überall weniger als 10°. Der Keilspalt
erstreckt sich daher über etwas mehr als die halbe Länge
L und zwischen einem Sechstel und einem Viertel der Taschentiefe
D der jeweiligen Tasche 29. Die Taschen 29 sind
gegenüber den Taschen 28 auch im Bereich des vorlaufenden
Endes 23 modifiziert, indem sie dort eine ausgeprägte
Kehlung aufweisen, die beispielhaft in etwa die Form eines Halbkreises
hat. Ingesamt wird der Taschenboden durch die trogförmige
Kehlung und den sich in Richtung auf das nachlaufende Ende 24 anschließenden
Keilspalt gebildet. Die Kammerwand unmittelbar am vorlaufenden Ende 23 entspricht
dem dritten Ausführungsbeispiel (7).
-
Die
Taschen 20, 21 und 22 des ersten, zweiten
und dritten Ausführungsbeispiels können wahlweise
jedes der unterschiedlichen Tiefenprofile aufweisen, d. h. jedes
der Tiefenprofile kann mit jeder der auf die radiale Richtung und
die Umfangsrichtung bezogenen Taschenkontur kombiniert werden. Ferner
können Keilspalte am vorlaufenden Ende 23 und am
nachlaufenden Ende 24, wie sie beispielhaft in 9 dargestellt
sind, auch mit einer variablen Neigung α und β erhalten
werden, beispielsweise in der Art des Keilspalts der 8.
Ebenso können die Keilspalte der 10 und 11 in
Richtung auf das nachlaufende Ende 24 eine variable Neigung α beispielsweise
kongruent zum Ausführungsbeispiel der 8 aufweisen.
Die Taschen 28 und 29 können auch zum
vorlaufenden Ende 23 hin in einem Keilspalt auslaufen,
allerdings würde durch solch eine Geometrie im Verhältnis
zur Länge des jeweiligen Keilspalts ein besonders großer
Anteil der Gleitfläche 15 durch die so geformte
Tasche 28 oder 29 beansprucht werden.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Gehäusestruktur
- 3
- Deckel
- 4
- Kammer
- 5
- Einlass
- 6
- Auslass
- 7
- Auslass
- 8
- Ventil
- 9
- Ventil
- 10
- Rotor
- 11
- Lagerabschnitt
- 12
- Schlitz
- 13
- Flügel
- 14
- Umfangsfläche
- 15
- Gleitfläche
Rotor
- 16
- Gleitfläche
Deckel
- 17
- Gleitfläche
Rotor
- 18
- Gleitfläche
Gehäusestruktur
- 19
-
- 20
- Tasche
- 21
- Tasche
- 22
- Tasche
- 23
- vorlaufendes
Ende
- 24
- nachlaufendes
Ende
- 25
- Fortsatz
- 26
- Tasche
- 27
- Tasche
- 28
- Tasche
- 29
- Tasche
- α
- Neigung
- β
- Neigung
- B
- Breite
- D
- Tiefe
- L
- Länge
- R
- Rotationsachse
- V
- Drehrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3301098
A1 [0003]
- - DE 3325261 A1 [0004]
- - JP 2000-337267 A [0005]
- - JP 10-068393 A [0006]