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Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Außenzahnradpumpen werden unter anderem zur Schmierung von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, da sie eine hohe Betriebssicherheit und einen geringen Platzbedarf besitzen. Außerdem gestattet der einfache Aufbau von Außenzahnradpumpen eine kostengünstige Herstellung. Darüber hinaus können Außenzahnradpumpen als Regelpumpen ausgebildet werden, deren Fördermenge sich an den Schmierölbedarf der Brennkraftmaschine anpassen lässt, wodurch die für den Betrieb der Pumpe benötigte Antriebsleistung und damit der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gesenkt werden können. Im Vergleich zu anderen Pumpen, die ebenfalls zur Schmierung von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können, wie Flügelzellenpumpen oder Pendelschieberpumpen, besitzen Außenzahnradpumpen jedoch einen vergleichsweise niedrigen hydraulischen Wirkungsgrad.
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Eine der Hauptursachen des vergleichsweise niedrigen hydraulischen Wirkungsgrades einer Außenzahnradpumpe sind verhältnismäßig große bauartbedingte Spalte zwischen den Förderzahnrädern und dem Pumpengehäuse der Außenzahnradpumpe, nämlich einerseits radiale Spalte zwischen den Zahnköpfen der Förderzahnräder und einer den Zahnköpfen entlang eines Teil ihres Bewegungswegs gegenüberliegenden Innen- oder Umfangswand des Pumpengehäuses und andererseits axiale Spalte zwischen den beiden entgegengesetzten Stirnflächen der Förderzahnräder und gegenüberliegenden axialen Stirnwänden oder Anschlagflächen des Pumpengehäuses bzw. von Regelkolben bei Regelpumpen. Durch diese Spalte strömt ein Teil des von den Förderzahnrädern von der Saugseite zur Druckseite der Außenzahnradpumpe geförderten flüssigen Mediums wieder zurück zur Saugseite der Pumpe. Diese Spalte können selbst durch eine hochpräzise Fertigung der Förderzahnräder und des Pumpengehäuses nur bedingt verkleinert werden.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch Reduzierung der Leckageströmungen durch die radialen und/oder axialen Spalte den hydraulischen Wirkungsgrad der Außenzahnradpumpe zu steigern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in mindestens einen Teil der Zähne ein bewegliches Dichtelement eingesetzt ist, das in Bezug zu dem jeweiligen Zahn in eine Position beweglich ist, in der es radial und/oder axial über den Zahn übersteht.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die radialen und/oder axialen Spalte zwischen dem Pumpengehäuse und einem oder vorzugsweise sämtlichen Förderzahnrädern durch die in die Zähne eingesetzten Dichtelemente abzudichten, die in Abhängigkeit von der Spaltbreite der radialen und/oder axialen Spalte zwischen dem Pumpengehäuse und dem oder den mit den Dichtelementen ausgestatteten Förderzahnrädern mehr oder weniger weit über deren Zähne überstehen und dadurch die radialen und/oder axialen Spalte vollständig oder zumindest weitestgehend verschließen können.
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Bezüglich der Abdichtung der radialen Spalte zwischen den Zahnköpfen der Zähne und der gegenüberliegenden Innen- oder Umfangswand des Pumpengehäuses wirken die Dichtelemente in einer ähnlichen Weise wie die Flügel einer Flügelzellenpumpe, so dass sich bei der erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe der kleine Bauraum einer Außenzahnradpumpe mit dem hohen hydraulischen Wirkungsgrad einer Flügelzellenpumpe kombinieren lässt.
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Vorteilhafterweise sind die Dichtelemente radial bzw. axial bis in eine Position beweglich, in der sie gegen eine gegenüberliegende Innen- oder Umfangswand bzw. Anschlagfläche des Pumpengehäuses anliegen. Auf der anderen Seite sind die Dichtelemente gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zumindest radial in eine zweite Position beweglich, in der sie nicht über die Zähne überstehen, so dass sich das in einen Zahn eines Förderzahnrades eingesetzte Dichtelement zumindest in radialer Richtung vollständig in den Zahn zurück bewegen kann, während sich dieser durch eine Zahnlücke des benachbarten Förderzahnrades hindurch bewegt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zahneingriff und die Abdichtung zwischen den kämmenden Förderzahnrädern durch die Dichtelemente nicht beeinträchtigt wird.
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Die Dichtelemente können durch Federkräfte in Richtung der Position vorgespannt werden, in der sie radial und/oder axial über die Zähne überstehen. Alternativ und bevorzugt werden die Dichtelemente jedoch nur während des Betriebs der Außenzahnradpumpe durch Zentrifugalkräfte und/oder durch den Druck eines von der Außenzahnradpumpe geförderten Mediums in Richtung der Position bewegt, in der sie radial und/oder axial über die Zähne überstehen.
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Jedes Dichtelement ist vorteilhaft innerhalb von einer im Zahn ausgesparten Ausnehmung beweglich, die zweckmäßig am Zahnkopf und an den entgegengesetzten Stirnseiten des Zahns offen ist, so dass sich das Dichtelement mindestens um die Spaltbreite des gegenüberliegenden radialen bzw. axialen Spaltes aus dem Zahn heraus bewegen kann. Die an den Stirnseiten der Zähne offenen Ausnehmungen gestatten es darüber hinaus bei der Montage der Außenzahnradpumpe auf einfache Weise, die Dichtelemente in die Ausnehmungen einzuführen, die vorteilhaft ebenso wie die Dichtelemente selbst in axialer Richtung der Zähne einen konstanten Querschnitt besitzen.
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Um zu verhindern, dass sich die Dichtelemente in radialer Richtung übermäßig weit aus den Ausnehmungen heraus bewegen bzw. während der Montage der Außenzahnradpumpe aus den Ausnehmungen der nach unten weisenden Zähne herausfallen, sind die Ausnehmungen und die Dichtelemente zweckmäßig so geformt, dass ihr Querschnitt in Richtung des Zahnkopfs abnimmt. Vorteilhafterweise können die Ausnehmungen und die Dichtelemente Querschnitte in Form eines T aufweisen, dessen Fußbalken in Richtung des Zahnkopfs weist.
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Um einen Verschleiß der Begrenzungswände des Pumpengehäuses durch die Dichtelemente zu verhindern, bestehen die Dichtelemente zweckmäßig aus einem Material, dessen Härte gleich oder kleiner als die Härte des Materials des Pumpengehäuses ist. Im Falle einer Außenzahnradpumpe, die als Schmierölpumpe für eine Brennkraftmaschine eingesetzt wird, besteht das Pumpengehäuse zumeist aus Aluminium, während die Förderzahnräder aus Stahl bestehen. Die Dichtelemente können in diesem Fall zum Beispiel aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff oder einem Sintermaterial bestehen und bestehen vorteilhaft ebenfalls aus Aluminium, weil dieses denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Pumpengehäuse besitzt, so dass sich die Axialspalte bei einer temperaturbedingten Ausdehnung des Pumpengehäuses nicht vergrößern. Dort, wo das Pumpengehäuse und die Förderzahnräder aus demselben Material bestehen, wie zum Beispiel Stahl, bestehen zweckmäßig auch die Dichtelemente aus diesem Material oder einem Material mit demselben oder einem ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, dass jedes Dichtelement mindestens zwei in Bezug zueinander bewegliche Teile umfasst, die vorteilhaft in radialer Richtung gemeinsam in Bezug zu dem Zahn beweglich sind, in den sie eingesetzt sind, und die in axialer Richtung in Bezug zueinander beweglich sind, so dass die beiden Teile in Bezug zu dem Zahn in Positionen beweglich sind, in der sie axial über entgegengesetzte Stirnseiten des Zahns überstehen. Um die Teile in diese Positionen zu bewegen, kann in der Ausnehmung zweckmäßig entweder eine Feder angeordnet sein, welche die beiden Teile in axialer Richtung auseinander drückt, oder ein Körper, welcher die beiden Teile unter der Einwirkung von Zentrifugalkräften in axialer Richtung auseinander drückt. In diesem Fall ist der Temperaturausdehnungskoeffizient der Dichtelemente weniger bedeutsam. Zwischen den beiden Teilen ist vorteilhaft eine Labyrinthdichtung vorgesehen, um zu verhindern, dass ein Teil des von der Außenzahnradpumpe geförderten Mediums zwischen den Teilen hindurch von der Druckseite der Pumpe zur Saugseite gelangt.
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Auf der anderen Seite wird die Herstellung der Dichtelemente und die Montage erleichtert, wenn die Dichtelemente gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung einteilig ausgebildet sind und sich über die gesamte Länge des Zahns bzw. des Förderzahnrades erstrecken. Da sich mit derartigen einteiligen Dichtelementen jedoch die beiden axialen Spalte an den entgegengesetzten Stirnseiten der Zähne bzw. Förderzahnräder schlechter als mit zwei- oder mehrteiligen Dichtelementen abdichten lassen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindungsvariante vor, die einteiligen Dichtelemente aus einem Material herzustellen, das sich bei steigender Temperatur stärker ausdehnt als das Material der Förderzahnräder bzw. des Pumpengehäuses, so dass die Dichtelemente bei der Betriebstemperatur der Außenzahnradpumpe so weit über die Stirnseiten der Förderzahnräder überstehen, dass sie die axialen Spalte zumindest weitgehend verschließen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Außenzahnradpumpe mit zwei Förderzahnrädern und Dichtelementen in den Zähnen der Förderzahnrädern;
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2 eine perspektivische Detailansicht des Ausschnitts II der 1;
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3 eine Querschnittsansicht von Teilen eines Förderzahnrads mit Dichtelementen in den Zähnen sowie eines Pumpengehäuses der Außenzahnradpumpe;
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4 eine Querschnittsansicht von Teilen von zwei kämmenden Förderzahnrädern der Außenzahnradpumpe mit Dichtelementen in den Zähnen;
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5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines einteiligen Dichtelements;
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6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zweiteiligen Dichtelements;
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7 eine Detailansicht des Ausschnitts VI der 5.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Außenzahnradpumpe 1 handelt es sich um eine zur Schmierung einer Brennkraftmaschine dienende Regelölpumpe, die unter Druck stehendes Motoröl zu den Schmierstellen der Brennkraftmaschine zuführt.
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Die Außenzahnradpumpe 1 weist ein in 1 nur teilweise dargestelltes Pumpengehäuse 2 auf, in dem ein erstes und ein zweites Förderzahnrad 3 bzw. 4 um parallele Drehachsen 5 bzw. 6 drehbar gelagert sind. Die beiden Förderzahnräder 3, 4 weisen komplementäre Stirnverzahnungen auf, die miteinander kämmen. Jede Verzahnung umfasst eine Mehrzahl von Zähnen 7, die jeweils von benachbarten Zähnen 7 durch eine Zahnlücke 8 getrennt sind.
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Das erste Förderzahnrad 3 ist drehfest mit einer Antriebswelle 9 verbunden, die im Pumpengehäuse 2 drehbar gelagert ist. Ein Ende der Antriebswelle 9 ist aus dem Pumpengehäuse 2 herausgeführt, so dass die Antriebswelle 9 und mit ihr das erste Zahnrad 3 über ein außerhalb des Pumpengehäuses 2 auf dem Ende der Antriebswelle 9 angeordnetes Antriebszahnrad 10 eines Zahnradgetriebes oder Umschlingungstriebs (nicht dargestellt) von der Brennkraftmaschine angetrieben werden können.
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Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst weiter eine Regeleinheit 11, die zur Regelung der Fördermenge der Pumpe 1 dient und zusammen mit dem zweiten Förderzahnrad 4 innerhalb des Pumpengehäuses 2 in axialer Richtung der Drehachse 6 des zweiten Förderzahnrads 4 hin und her verschiebbar ist, wie in 1 durch den Doppelpfeil A angezeigt. Durch die Verschiebung der Regeleinheit 11 und des zweiten Förderzahnrads 4 kann die axiale Überlappung der beiden Zahnräder 3, 4 und damit die Fördermenge der Außenzahnradpumpe 1 verändert werden.
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Die Regeleinheit 11 umfasst zwei Kolben 12, 13, die in axialer Richtung der Drehachse 6 des zweiten Zahnrades 4 beiderseits vom Zahnrad 4 angeordnet sind. Die beiden Kolben 12, 13 sind miteinanderdurch eine starre zylindrische Achse (nicht sichtbar) verbunden, auf der das zweite Zahnrad 4 drehbar gelagert ist. Die Kolben 12, 13 sind zusammen mit dem zweiten Zahnrad 4 in Abhängigkeit von einem Regelöldruck der Außenzahnradpumpe 1 entgegen der Kraft einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) verschiebbar, wobei der Regelöldruck von einer Druckdifferenz der Öldrücke auf der Druckseite und auf der Saugseite der Pumpe 1 abhängt.
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Der Regelöldruck wird in einem Ölraum zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der vom zweiten Zahnrad 4 abgewandten Stirnseite des Kolbens 12 angelegt. Je größer der Regelöldruck ist, umso weiter wird im Regelbetrieb der Regelölpumpe 1 die Regeleinheit 11 entgegen der Kraft der Rückstellfeder verschoben, wodurch die axiale Überdeckung der beiden Zahnräder 3 und 4 abnimmt.
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Im Betrieb der Außenzahnradpumpe 1 wird durch die Drehung der beiden Zahnräder 3, 4 Motoröl aus einem Ölsumpf der Brennkraftmaschine durch einen Saugöleinlass an der Saugseite der Pumpe 1 ins Innere des Pumpengehäuses 2 angesaugt, wo es von den beiden Förderzahnrädern 3, 4 entlang von zwei entgegengesetzten Innenwandabschnitten 14 (2) des Pumpengehäuses 2 zu einem Druckölauslass auf der Druckseite der Pumpe 1 und von dort zu den Schmierstellen der Brennkraftmaschine gefördert wird.
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Selbst dann, wenn das Pumpengehäuse 2 und die beiden Förderzahnräder 3, 4 hochpräzise ausgelegt werden, lassen sich radiale Spalte 15 zwischen den Zahnköpfen 16 der Zähne 7 der Förderzahnräder 3, 4 und den gegenüberliegenden Innenwandabschnitten 14 des Pumpengehäuses 2 nicht völlig vermeiden. Entsprechendes gilt für axiale Spalte (nicht dargestellt) zwischen den beiden entgegengesetzten ebenen Stirnenden des Förderzahnrades 3 und gegenüberliegenden ebenen Anschlagflächen des Pumpengehäuses 2 bzw. zwischen den beiden entgegengesetzten ebenen Stirnenden des Förderzahnrades 4 und gegenüberliegenden ebenen Anlageflächen der beiden Kolben 12, 13 der Regeleinheit 11. Wegen des Druckunterschieds zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe 1 neigt ein Teil des von den Förderzahnrädern 3, 4 geförderten Schmieröls dazu, durch die radialen Spalte 15 und die axialen Spalte zur Saugseite zurück zu strömen, wodurch der hydraulische Wirkungsgrad der Außenzahnradpumpe 1 abnimmt.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Außenzahnradpumpe 1 wird dies durch Dichtelemente 17 verhindert, die in die Zähne 7 beider Förderzahnräder 3, 4 eingesetzt sind. Die Dichtelemente 17 können entweder einteilig ausgebildet sein, wie in 5 dargestellt, oder zweiteilig, wie in 6 und 7 dargestellt.
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Wie am besten in den 1 bis 4 dargestellt, weisen sämtliche Zähne 7 beider Förderzahnräder 3, 4 jeweils eine Ausnehmung 18 auf, die sich über die gesamte Länge des Zahns 7 erstreckt, über ihre gesamte Länge einen konstanten Querschnitt besitzt und an den entgegengesetzten Stirnenden des Zahns 7 offen ist, so dass sich die Dichtelemente 17 vor der Montage der Förderzahnräder 3, 4 dort in die Ausnehmungen 18 der Zähne einführen lassen. Wie am besten in den 2, 3 und 4 dargestellt, weist jede Ausnehmung 18 eine bezüglich der Drehachse 5, 6 radial einwärts gelegene erweiterte Fußöffnung 19 mit rechteckigem Querschnitt auf, von der aus sich eine gerade Schlitzöffnung 20 radial nach außen bis zur Oberseite des Zahnkopfs 16 erstreckt, wo sie ebenfalls offen ist.
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Das in 6 dargestellte einteilige Dichtelement 17 weist einen zum Querschnitt der Ausnehmung 18 allgemein komplementären Querschnitt und geringfügig kleineren seitlichen Querschnittsabmessungen auf, so dass das Dichtelement 17 in der Ausnehmung 18 radial und axial beweglich geführt ist. Das Dichtelement 17 umfasst eine innerhalb der Schlitzöffnung 20 angeordnete plattenförmigen Dichtleiste 21 und einen innerhalb der Fußöffnung 19 angeordneten erweiterten Fußteil 22, die einstückig miteinander verbunden sind.
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Die Dichtleiste 21 ist in radialer Richtung etwas länger als die Schlitzöffnung 20, so dass ihr radial äußeres Ende über die Oberseite des Zahnkopfs 16 übersteht, wenn der Fußteil 22 gegen die radial äußere Begrenzung der Fußöffnung 19 anliegt, wie in 3 dargestellt, und mit der Oberseite des Zahnkopfs 16 bündig ist, wenn der Fußteil 22 gegen die radial innere Begrenzung der Fußöffnung 19 anliegt, wie in 4 für den mittleren Zahn 7 dargestellt. Der erweiterte Fußteil 22 verhindert, dass sich das Dichtelement 17 in radialer Richtung übermäßig weit aus der Ausnehmung 18 heraus bewegt oder sogar aus der Ausnehmung 18 heraus fällt, wenn der Zahn 7 nach unten weist.
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Im Betrieb der Außenzahnradpumpe 1 wird das Dichtelement 17 durch Zentrifugalkräfte in Bezug zur Drehachse 5, 6 des jeweiligen Förderzahnrades 3, 4 radial nach außen in die in 2 und 3 dargestellte Position bewegt, in der das radial äußere Ende über die Oberseite des Zahnkopfs 16 übersteht. Wenn sich der Zahn 7 an einem gegenüberliegenden Innenwandabschnitt 14 des Pumpengehäuses 2 vorbei bewegt, wie in 3 dargestellt, gleitet die radial äußere Oberfläche 23 des überstehende Endes der Dichtleiste 21 an dem gegenüberliegenden Innenwandabschnitt 14 des Pumpengehäuses 2 entlang und verschließt dabei den radialen Spalt 15 zwischen dem Zahnkopf 16 und dem Innenwandabschnitt 14. Dadurch werden an dieser Stelle Leckageströmungen unterbunden und so der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe 1 vergrößert.
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Um es zu ermöglichen, nicht nur den radialen Spalt 15 zwischen den Zahnköpfen 16 der Förderzahnräder 3, 4 und gegenüberliegenden Innenwandabschnitten 14 des Pumpengehäuses 2 zu verschließen, sondern auch die beiden axialen Spalte an den entgegengesetzten Stirnseiten der Förderzahnräder 3, 4, besteht das in 6 und 7 dargestellte Dichtelement 17 aus zwei Teilen 24, 25. Die beiden Teile 24, 25 überlappen sich in axialer Richtung und in radialer Richtung innerhalb der Ausnehmung 18 und sind in axialer Richtung in Bezug zueinander beweglich. Dadurch können die beiden Teile 24, 25 so weit auseinander bewegt werden, bis ihre entgegengesetzten Stirnseiten 26 gegen axiale Anschlagflächen des Pumpengehäuses 2 bzw. axiale Anlageflächen der Kolben 12, 13 anliegen, die den entgegengesetzten Stirnseiten der Förderzahnräder 3, 4 jeweils gegenüberliegen.
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Die axiale Bewegung der beiden Teile 24, 25 wird durch einen zwischen den beiden Teilen 24, 25 in die Ausnehmung 18 eingesetzten Körper 27 hervorgerufen, der sich infolge der im Betrieb der Außenzahnradpumpe 1 auf ihn einwirkenden Zentrifugalkräfte innerhalb der Ausnehmung 18 radial nach außen bewegt und dadurch die beiden Teile 24, 25 axial auseinander bewegt. Wie in 6 und 7 dargestellt, weist der im Umriss trapezförmige Körper 27 zwei Schrägen 28 auf, die radial nach außen konvergieren und gegen komplementäre Schrägen 29 der beiden Teile 24, 25 anliegen, um diese keilartig auseinanderzudrücken.
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Entlang der axialen Überlappung der beiden Teile 24, 25 sind diese mit einer zur Drehachse des Förderzahnrads 3, 4 parallelen Labyrinthdichtung 30 versehen, die Leckageströmungen durch die Ausnehmungen 18 der Zähne 7 verhindert.
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Das Pumpengehäuse 2 und die Dichtelemente 17 bestehen aus Aluminium, während die Förderzahnräder 3, 4 aus Stahl bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenzahnradpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- erstes Zahnrad
- 4
- zweites Zahnrad
- 5
- Drehachse erstes Zahnrad
- 6
- Drehachse zweites Zahnrad
- 7
- Zähne
- 8
- Zahnlücken
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Antriebszahnrad
- 11
- Regeleinheit
- 12
- Kolben
- 13
- Kolben
- 14
- Innenwandabschnitt Pumpengehäuse
- 15
- radialer Spalt
- 16
- Zahnkopf
- 17
- Dichtelement
- 18
- Ausnehmung
- 19
- Fußöffnung
- 20
- Schlitzöffnung
- 21
- Dichtleiste
- 22
- Fußteil
- 23
- Oberfläche äußeres Ende Dichtleiste
- 24
- Teil Dichtelement
- 25
- Teil Dichtelement
- 26
- Stirnseiten
- 27
- Körper
- 28
- Schrägen
- 29
- Schrägen
- 30
- Labyrinthdichtung
