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Die Erfindung betrifft eine mechanisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe, die zur Förderung eines flüssigen Mediums in unterschiedlichen Einsatzgebieten, wie einem Schmierölkreislauf, einem Kühlmittelkreislauf oder einem Hydrauliksystem geeignet ist.
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In Einsatzbereichen mit Einschränkung des zur Verfügung stehenden Bauraums, wie insbesondere im Automobilbau, verschaffen Pumpen mit einer kompakten Bauweise Anwendungsvorteile. So haben sich beispielsweise im Bereich der Ölpumpen exzentrische Flügelzellenpumpen etabliert, die im Gehäuse eines Verbrennungsmotors integriert werden können. Derartige Flügelzellenpumpen weisen federnd gelagerte Flügel am Umfang eines Rotors auf, die bei einer Drehbewegung des Rotors entlang einer exzentrischen Kontur einer Pumpenkammer gegen eine Federvorspannung in den und aus dem Rotor verschoben werden. Der Rotor einer solchen kompakten Flügelzellenpumpe wird aus zahlreichen Einzelteilen hergestellt, wodurch die Fertigung mit einem erheblichen Montageaufwand, verbunden ist.
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Die
DE 1 946 794 A beschreibt eine Fluid-Flügelfördermaschine bzw. Kapselfördermaschine mit nur einem starren Sperrschieber, oder einem zweigeteilten Sperrflügel und einem elastischen Element. Ein außenliegendes Bauteil mit einem Innenprofil und ein innenliegendes zylindrisches Bauteil sind um eine gemeinsame Achse gegeneinander drehbar. Je nach Ausführungsform ist eines der beiden Bauteile feststehend und das andere drehbar. Der Sperrschieber bzw. Sperrflügel ist in dem innenliegenden Bauteil verschiebbar gehalten und wird zwischen dem Innenprofil des äußeren Bauteils verschoben, während er durch Kammern gleitet, die zwischen den beiden verdrehbaren Bauteilen gebildet werden. Bei der Ausführungsform mit dem zweigeteilten Sperrflügel werden die Hälften an das Innenprofil angepresst, um eine Abnutzung auszugleichen. Des Weiteren wird der Anpressdruck einer stirnseitigen Abdichtung der Bauteile durch den Arbeitsdruck der Maschine erhöht. Einlässe und Auslässe zu den Kammern verlaufen durch das innenliegende Bauteil. In einer Ausführungsform wird das äußere Bauteil über einen Keilriemen von einem Elektromotor angetrieben.
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Die Maschine weist in axialer Richtung beidseitig des äußeren Bauteils Lagerböcke auf. Eine Abmessung der Maschine in axialer Richtung ist in der offenbarten Ausführungsform größer als eine Abmessung in einer radialen Richtung.
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Mit einer im Querschnitt ähnlichen Pumpenmechanik, jedoch einer kompakteren axialen Abmessung, ist im Stand der Technik anhand der Patentanmeldung
DE 10 2012 023 000 A1 eine elektrische Strömungsmaschine beschrieben, die als Vakuumpumpe oder Verdichter bzw. Gebläse und als Flüssigkeitspumpe geeignet sein soll. Die Strömungsmaschine weist ein Gehäuse, einen Stator, einen Rotornockenring, eine feste Achse und einen Drehschieber in einer Nut in der festen Achse auf. Zwischen dem Rotornockenring, der festen Achse und dem Drehschieber wird eine Fluidkammer gebildet, die bei einer Drehbewegung des Rotornockenrings größer oder kleiner wird. Der Rotornockenring weist an der Innenseite Nockenkurven und an der Außenseite zum Stator weisende Magnete für den elektrischen Antrieb auf. Die Strömungsmaschine weist eine geringe Axiale Abmessung auf, da der Rotor nicht beiderseits in axialer Richtung gelagert ist.
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Für die Förderung von Flüssigkeiten bestehen andere Anforderungen an die Abdichtung in der Pumpenmechanik als bei gasförmigen Fluiden, da bei der Verdrängung des Fluids keine Kompressibilität und eine höhere Viskosität vorliegt. Eine auf Gase ausgelegte Ausführung einer Sperrflügelpumpe würde demnach im Betrieb mit Flüssigkeiten aufgrund ungeeigneter Abdichtungen erhöhte Leckageverluste zulassen und einen unzureichenden volumetrischen Wirkungsgrad erzielen, der beispielsweise im Automobilbau nicht akzeptabel wäre.
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Ein kritischer Dichtungsbereich der eingangs genannten Bauform besteht insbesondere an der Kontaktlinie zwischen dem Ende des Sperrflügels und der Kontur des Nockenprofils. Da in einem abnehmenden Volumen vor einem Passieren des Sperrflügels ein Überdruck, und in einem zunehmenden Volumen nach dem Passieren des Sperrflügels ein Unterdruck in den Nockenkammern des Rotors herrscht, besteht am Sperrflügel zweitweise die doppelte Druckdifferenz im Vergleich zu anderen Dichtungsflächen, wie beispielsweise an einer Stirnfläche des Rotors.
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Die Abdichtung an der Kontaktlinie des Sperrflügels und des Nockenprofils lässt sich durch einen höheren senkrechten Anpressdruck des Sperrflügels auf das Nockenprofil verbessern. Der Anpressdruck und die Abdichtung der Kontaktlinie werden ferner durch die ebenfalls senkrecht gerichtete reziproke Bewegung des Sperrflügels beeinflusst. Bei geringen Drehzahlen des Rotors wirkt sich die Massenträgheit des Sperrflügels während der wechselseitigen Verschiebung innerhalb des Nockenprofils weniger auf die Abdichtung aus, als bei höheren Drehzahlen, bei denen zudem der Druck und die erforderliche Abdichtung zunehmen.
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Die
WO 2014/114 461 A1 schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem metallischen Sintermaterial bestehenden, bevorzugt offenporigen, net-shape Flügels für eine Flügelzellenpumpe vor. Der Flügel weist hierbei zumindest eine erste Stirnfläche und eine, bevorzugt zu der ersten Stirnfläche parallel orientierte, zweite Stirnfläche sowie eine erste Seitenfläche und eine zu dieser parallel orientierte zweite Seitenfläche auf.
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Die
DE 10 2010 041 546 A1 betrifft eine Pendelschieberzellenpumpe, vorzugsweise eine Ölpumpe, mit einem rotierend gelagerten Innenrotor, der über Pendelschieber mit einem Außenrotor in Verbindung steht, wobei der Außenrotor angetrieben ist und über die Pendelschieber die Drehbewegung an den Innenrotor überträgt.
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Die
DE 32 45 974 A1 beschreibt eine Flügelzellenpumpe, bei der das Antriebsrad auf einem Lagerzapfen in Kugellagern gelagert ist, während das Gehäuse mit dem Antriebsrad zwar drehfest, jedoch unter Zulassung einer Radialbewegung verbunden ist. Diese radiale Beweglichkeit soll die Abdichtung des Pumpeninnenraumes gegenüber dem ortsfesten Lagerzapfen verbessern.
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Die
US 3 251 308 A zeigt eine gattungsgleiche Fluidpumpe, die einen innenliegenden Stator mit Sperrflügeln in Führungsschlitzen und einen Rotor mit Nockenprofil aufweist, wobei zwei Teile des Sperrflügels durch ein Stabelement radial nach außen gedrängt werden.
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Angesichts der dargelegten Erkenntnisse besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine mechanisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe zu schaffen, die eine geringe axiale Abmessung aufweist und einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad erzielt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mechanisch angetriebene Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine mechanisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe zum Fördern eines flüssigen Mediums auf: ein Pumpengehäuse, das zwei zueinander planparallele Wandflächen aufweist, wobei wenigstens ein Einlass und wenigstens ein Auslass durch zumindest eine der beiden Wandflächen ausgebildet ist; einen zylindrischen Lagerzapfen, der sich senkrecht zwischen den beiden planparallelen Wandflächen axial erstreckt, und wenigstens einen entlang zumindest eines Teils des Durchmessers des Lagerzapfens verlaufenden Führungsschlitz aufweist, in dem ein Sperrflügel, der in zwei Teile geteilt ist, in dessen Längsrichtung verschieblich aufgenommen ist; einen Rotor, dessen axiale Länge sich zwischen den beiden planparallelen Wandflächen erstreckt, und an dem ein innenliegendes Nockenprofil ausgebildet ist, wobei das Nockenprofil radial nach innen gerichtete Kreisbogensegmente aufweist, durch die der Rotor auf einer Umfangsfläche des zylindrischen Lagerzapfens um diesen herum drehbar gelagert ist, und radial nach außen gerichtete Nockenkurven aufweist, die sich von der Umfangsfläche erheben und Nockenkammern bilden, die an den Stirnseiten des Rotors zwischen den zwei planparallelen Wandflächen eingegrenzt sind; wobei ein Ende des wenigstens einen Sperrflügels zwischen den planparallelen Wandflächen mit dem Nockenprofil in Kontakt steht und das Volumen einer passierenden Nockenkammer während einer Drehbewegung des Rotors in einen abnehmenden Teil und einen zunehmenden Teil abtrennt, wodurch das flüssige Medium durch wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass beidseitig des einen Endes des einen Sperrflügels gefördert wird.
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Die erfindungsgemäße mechanisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass am Umfang des Rotors Zähne ausgebildet sind, die mit einem Antriebsritzel in Eingriff stehen; in dem Führungsschlitz eine Kammer ausgebildet ist, die sich in Längsrichtung des Sperrflügels zumindest über einen Bereich erstreckt, innerhalb dem sich zwei innenliegende Enden der beiden Teile des zweigeteilten Sperrflügels während einer wechselseitigen Verschiebung durch eine Drehung des Rotors bewegen; und die Kammer wenigstens eine Verbindung zu einem Auslass oder zu der Umfangsfläche des Lagerzapfens in einem Abschnitt, in dem das Volumen der Nockenkammer während einer Drehung des Rotors abnimmt, aufweist; wobei ein Teil des geförderten flüssigen Mediums durch die wenigstens eine Verbindung in die Kammer strömt und einen Spalt zwischen den innenliegenden Enden der beiden Teile des Sperrflügels durchdringt, wodurch die beiden Teile des Sperrflügels radial nach außen gedrängt werden.
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Die Erfindung sieht erstmals eine mechanisch angetriebene Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor vor, dessen Lagerung anhand eines über die Nockenkontur ausgebildeten Gleitlagersitzes realisiert wird, wodurch eine Bauform mit geringer axialer Abmessung ermöglicht.
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Ferner schlägt die Erfindung erstmals eine Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor vor, die gegenüber den genannten Strömungsmaschinen aus dem Stand der Technik einen Aufbau mit einer zur Förderung von Flüssigkeiten optimierten Abdichtung realisiert, bei dem ein zweigeteilter Sperrflügel mittels eines hydrostatischen Anpressdrucks gegen die Kontur der Nockenprofils gedrückt wird.
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Im Gegensatz zu einem einteiligen starren Sperrschieber ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau eine aktive Druckerzeugung zum Anpressen der Sperrflügelteile gegen die Kontur des Nockenprofils. Ferner können im Vergleich zu einem starren Sperrflügel Fertigungstoleranzen des Nockenprofils sowie Toleranzen durch Verschleiß an Nockenprofil und Sperrflügel, zumindest bis zu einem geringeren Maße, ausgeglichen werden.
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Der erfindungsgemäße Aufbau weist ferner Vorteile gegenüber dem Einsatz eines elastischen Elements wie einer Feder zwischen den Flügelteilen auf.
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Mit zunehmender Drehzahl des Rotors erhöht sich die Frequenz der reziproken Bewegung des Sperrflügels. Da diese reziproke Bewegung senkrecht zu der Abdichtungslinie zwischen dem Ende des Sperrflügels und der Kontur des Nockenprofils verläuft, beeinflusst sie den zeitlichen Verlauf des Anpressdrucks bzw. der Abdichtung. Hierauf wirkt sich mit zunehmender Frequenz der reziproken Bewegung insbesondere die Massenträgheit des Sperrflügels aus. Beschleunigungsspitzen der reziproken Bewegung treten bei dem Richtungswechsel an den Übergängen zu den Lagerabschnitten des Nockenprofils auf.
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Beim Einsatz einer elastischen Feder werden durch eingeleitete Impulse der Richtungswechsel ungedämpfte Schwingungen zwischen den Flügelteilen eingebracht. Zudem erhöht der Einsatz einer elastischen Feder das Gewicht einer oszillierenden Masse des Sperrflügels. Eine Überlagerung der Effekte aus elastischer Schwingung und erhöhter oszillierender Masse kann in ungünstigen Drehzahlbereichen zu Beeinträchtigungen eines kontinuierlichen Anpressdrucks des Sperrflügels entlang der Kontur in einer Nockenkammer führen. Dies führt zu entsprechenden Leckageverlusten zwischen dem Überdruckbereich im abnehmenden Volumenteil der Nockenkammer einerseits des Sperrflügels und dem Unterdruckbereich im zunehmenden Volumenteil andererseits.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau eines durch einen Druckspalt zweigeteilten Sperrflügels wirkt nach dem Impuls eines Richtungswechsels, bei dem die innenliegenden Enden der Flügelteile aufeinander treffen können, ein zyklisch darauffolgender Nachdruck auf die Flügelteile ein.
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Somit treten keine elastischen Schwingungen in Längsrichtung des Sperrflügels auf. Ferner wird eine Erhöhung der Massenträgheit des Sperrflügels durch ein zusätzliches elastisches Bauteil vermieden.
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Der Nachdruck zwischen den Flügelteilen wird mittels des inkompressiblen flüssigen Fördermediums in der Kammer an dem Druckspalt zeitgleich erhöht, sobald in einer der den Sperrflügel passierenden Nockenkammern der Verdrängungsvorgang durch den Sperrflügel beginnt. Ein zeitlicher Verlauf des Anpressdrucks des Sperrflügels in einer Nockenkammer entspricht dabei synchron einem Druckerverlauf des Verdrängungsvorgangs in der Nockenkammer. Dies hat zur Folge, dass sich der Anpressdruck den Druckspitzen der Verdrängung anpasst.
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Während den Richtungswechseln des Sperrflügels zwischen den Verdrängungsvorgängen in den Nockenkammern herrscht ein herabgesetzter Anpressdruck. Im Gegensatz zu einem starren oder elastischen Sperrflügel wird dadurch der Reibungsverschleiß der Kontaktflächen an engeren Übergangsradien des Nockenprofils vermindert.
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Der erfindungsgemäße Aufbau ist einem starren oder elastischen Sperrflügel ebenfalls dadurch überlegen, dass der Anpressdruck des Sperrflügels bzw. eine Abdichtung desselben mit zunehmender Drehzahl, d. h. erhöhtem resultierenden Förderdruck insgesamt ansteigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der mechanisch angetriebenen Flüssigkeits-Förderpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform mit zwei Auslässen kann die wenigstens eine Verbindung der Kammer in einen Kanal münden, der mit den beiden Auslässen in Verbindung steht. Hierdurch lässt sich ein fertigungstechnisch einfacher Aufbau umsetzen, bei dem eine Verzweigung zur Zuführung des Förderdrucks aus den Auslässen in die Kammer innerhalb oder außerhalb des Pumpengehäuses geführt werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform mit zwei Auslässen können zwei Verbindungen bereitgestellt sein, die von der Kammer aus gegenüberliegend versetzt aus der Umfangsfläche des Lagerzapfens austreten. Durch diese Ausgestaltung kann eine wechselseitige Druckbeaufschlagung der Kammer und eine effektive Durchströmung am Druckspalt des Sperrflügels erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Lagerzapfen scheibenförmig ausgebildet sein, wobei die axiale Länge des Lagerzapfens die Hälfte oder weniger, vorzugsweise ein Drittel des Durchmessers des Lagerzapfens beträgt. Der Lagerzapfen ist ein maßgebliches Bauteil für die Dimensionierung des Abmessungsverhältnisses der Sperrflügelpumpe. Wie eingangs genannt, liegen besondere Vorzüge dieses Aufbaus in der geringen axialen Bauhöhe. Mit einer geringen axialen Länge des Lagerzapfens im Verhältnis zu dessen Durchmesser lässt sich eine Pumpe mit einer besonders flachen, scheibenförmigen Gestalt realisieren.
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Darüber hinaus nimmt bei einer kurzen Dimensionierung des Lagerzapfens eine entsprechende Breite des Nockenprofils und des Sperrflügels ab. Die Kontaktlinie des Gleitkontakts zwischen diesen beiden Bauteilen wird im Verhältnis zum Durchmesser des Rotors bzw. zum Volumen der Nockenkammern kleiner. Somit können Reibungsverluste und Leckageverluste zwischen dem Nockenprofil und dem Sperrflügel verringert und der volumetrische Wirkungsgrad erhöht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der Umfangsfläche des Lagerzapfens und den darauf drehbar gelagerten Kreisbogensegmenten des Nockenprofils eine Spaltdichtung ausgebildet sein. Durch den Verzicht auf Dichtungselemente zwischen den Gleitflächen der Rotorlagerung kann eine möglichst geringe Verlustreibung erzielt werden. Da der Rotor und der Lagerzapfen eine höhere Materialhärte als diejenige eines Dichtungselements aufweisen, kann durch die Ausgestaltung einer Spaltdichtung eine höhere Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit der Kontaktflächen der Gleitlagerung des Rotors auf dem Lagerzapfen gewährleistet werden. Ferner kann der Montageaufwand zum Einfüngen von Dichtungselementen in diesem Bereich entfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen stirnseitigen Flächen des Rotors und den planparallelen Wandflächen beidseitig des Rotors eine Spaltdichtung ausgebildet sein. Durch eine stirnseitige Spaltabdichtung des Rotors zu den Innenwänden des Pumpengehäuses kann der Einsatz von Dichtungsringen entfallen. Somit kann auch hier eine Verlustreibung des Rotors und eine Verschleißfestigkeit im Vergleich zu einem Dichtungsring verbessert werden. Zudem kann der Montageaufwand zum Einfügen von Dichtungsringen entfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können an den Stirnseiten des Rotors Ausnehmungen ausgebildet sein, die von der Spaltdichtung zwischen den stirnseitigen Flächen des Rotors und den planparallelen Wandflächen umgeben sind. Hierdurch werden die Kontaktflächen der stirnseitigen Spaltabdichtung und die Verlustreibung des Rotors verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Spaltmaß einer Spaltdichtung weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 40 μm, und besonders bevorzugt weniger als 30 μm, beziehungsweise bei einem Arbeitsdruck bis zu oder 10 bar vorzugsweise weniger als 20 μm, und bei einem beispielhaften Arbeitsdruck bis zu oder 100 bar vorzugsweise höchstens 10 μm betragen. Somit weisen die rotierenden Nockenkammern eine ausreichende Abdichtung gegen den Druck des flüssigen Mediums auf, wenn diese durch den Sperrflügel ausgestrichen werden, sodass geringe Leckageverluste auftreten und ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können der Lagerzapfen und der Rotor aus einem gehärteten Sinterteil gebildet sein. Ein gehärtetes Sinterteil bietet einen besonders geeigneten Ausgangskörper zur Herstellung eines maßhaltigen und verschleißarmen Lagerzapfens, da dieses unter Verwendung von Schleifwerkzeugen eine maßgenaue Fertigung mit einer Toleranz von bis zu ±2 μm ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann sich das Pumpengehäuse über einen Durchmesser einer Stirnfläche des Rotors hinaus erstrecken, sodass es den Rotor und das Antriebsritzel in sich aufnimmt, und eine Lagerung für die Welle des Antriebsritzels bereitstellt. Durch diese Ausgestaltung kann der mechanische Antrieb gemeinsam mit der Pumpenmechanik als kompakte Baugruppe bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform können der wenigstens eine Einlass und der wenigstens eine Auslass in derselben der beiden planparallelen Wandflächen münden. Somit wird ein Pumpenaufbau mit einseitigen Anschlüssen geschaffen.
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In einer alternativen Ausführungsform können der wenigstens eine Einlass und der wenigstens eine Auslass jeweils in verschiedenen von den beiden planparallelen Wandflächen münden. Somit wird ein Pumpenaufbau mit einer Durchströmung in axialer Richtung geschaffen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden zur Herstellung der mechanisch angetriebenen Verdränger-Flüssigkeitspumpe unter anderem die folgenden Schritte durchgeführt: Sintern von Körpern jeweils für den Lagerzapfen und den Rotor, Härten der gesinterten Körper, und Schleifen der gehärteten Körper jeweils auf das Maß der Abmessungen des Lagerzapfens und des Rotors sowie das Maß der Kontur des Nockenprofils. Diese Verfahrensschritte bieten eine wirtschaftlich günstige Möglichkeit zur Herstellung der funktional charakteristischen Bauteile mit hoher Präzision, um insbesondere den Anforderungen einer zuverlässigen Ausgestaltung der zuvor genannten Spaltdichtungen von unter 30 μm fertigungstechnisch gerecht zu werden. Wenn die Körper des Lagerzapfens und des Nockenrotors aus demselben Sintermaterial hergestellt werden, weisen die Bauteile denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass die Spaltdichtungen im Wesentlichen temperaturunabhängig erhalten bleiben. Diese Eigenschaft trägt wiederum zu der Vermeidung von Dichtungselementen und der Ausgestaltung einer reibungsarmen Pumpe bei.
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Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Explosionsansicht der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe mit einem Sperrflügel und einem Nockenrotor mit drei Nockenkammern;
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2 eine Längsschnittansicht der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe;
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3 eine Querschnittansicht der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe entlang der Linie B in 2;
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4 eine Längsschnittansicht der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe entlang der Linie C in 3;
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5 eine Längsschnittansicht der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe senkrecht zu 2;
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6 eine perspektivische Ansicht des Lagerzapfens der Flüssigkeits-Verdrängerpumpe;
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Nachfolgend wird der Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform der mechanisch angetriebenen Flüssigkeits-Verdrängerpumpe bzw. die erfindungsgemäße Konstruktion der Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, umgibt das Pumpengehäuse 1 einen Nockenrotor 4 und ein Antriebsritzel 5. Das Pumpengehäuse 1 besteht aus einem Gehäuseteil 1a mit einem Gehäuseboden und einer Außenwand. Das Gehäuseteil 1a wird durch einen Gehäusedeckel 1b abschlossen. Zudem umfasst das Pumpengehäuse 1 einen innerhalb des Gehäusedeckels 1b vorgelagerten Pumpendeckel 11. Der Pumpendeckel 11 ist planparallel zu dem Gehäuseboden des Gehäuseteils 1a angeordnet. Zwischen einer innenliegenden Wandfläche 10a des Gehäusebodens und einer innenliegenden Wandfläche 10b des Pumpendeckels 11 erstreckt sich in dem Pumpengehäuse 1 ein zylindrischer Lagerzapfen 2. Die Anordnung zwischen dem Gehäuseteil 1a, dem Lagerzapfen 2 und dem Pumpendeckel 11 ist durch Verschraubungen mit Durchgangsbohrungen in axialer Richtung des Lagerzapfens 2 gesichert.
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Diametral über den Durchmesser des Lagerzapfens 2 ist ein Führungsschlitz 23 zur Aufnahme eines Sperrflügels 3 ausgebildet, wobei dessen Tiefe im äußeren radialen Bereich die gesamte axiale Länge des Lagerzapfens 2 beträgt. In einem inneren radialen Bereich beträgt die Tiefe des Führungsschlitzes 23 in etwa die Hälfte der axialen Länge des Lagerzapfens 2. Zudem ist in einem mittleren Bereich des Führungsschlitzes 23 eine Kammer 22 in dem Lagerzapfen 2 ausgenommen. Zwischen der Kammer 22 und zwei Auslässen 13a, 13b im Gehäuseboden, die später beschrieben werden, verläuft eine Verbindungsbohrung 21 durch den Lagerzapfen 2.
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An seinen Enden weist der Sperrflügel 3 eine Breite auf, die der axialen Länge des Lagerzapfens 2 bzw. dem Abstand zwischen den planparallelen Wandflächen 10a, 10b entspricht. Der Sperrflügel 3 weist in einem mittleren Bereich in Längsrichtung eine Ausnehmung auf, die länger als die Erstreckung des mit halber Tiefe im inneren radialen Bereich des Lagerzapfens 2 verbleibenden Abschnitts des Führungsabschnitts 23 ist. Somit kann der Sperrflügel 3 in beiden Richtungen des Führungsschlitzes 23 über den Umfang des Lagerzapfens 2 hinaus verschoben werden.
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Durch die Verbindungsbohrung 21 tritt ein Teil des geförderten Mediums ein, befüllt die Kammer 22 und bildet einen Film zwischen den Flanken des Führungsschlitzes 23 und den Flächen des Sperrflügels 3, wenn sich dieser bewegt. Falls das Medium eine schmierende Eigenschaft aufweist, wie z. B. ein Öl oder ein Kühlmittel mit Glycerin, verhilft der Film einer reibungsärmeren Gleitbewegung des Sperrflügels 3 in dem Führungsschlitz 23.
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Zwischen den Wandflächen 10a, 10b ist der Nockenrotor 4 aufgenommen, der sich um den Lagerzapfen 2 dreht. Die Breite des Rotors 4, d. h. seine Erstreckung in axialer Richtung, entspricht der Breite der Enden des Sperrflügels 3 sowie der axialen Länge des Lagerzapfens 2 bzw. dem Abstand der Wandflächen 10a, 10b. Der Körper des Nockenrotors 4 und der Lagerzapfen sind als pulvermetallurgische Sinterteil gefertigt.
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Der Nockenrotor 4 weist ein radial innenliegendes Nockenprofil 41 auf. Das Nockenprofil 41 ist in drei Kreisbogensegmente 42, die sich radial weiter nach innen erstrecken, und drei Nockenerhebungen 43, die sich bogenförmig weiter radial nach außen erstrecken, aufgeteilt. Durch die ungerade Anzahl der alternierenden Kreisbogensegmente 42 und Nockenerhebungen 43 sowie einer komplementären Ausformung von gegenüberliegenden Übergangsverläufen, weist das Nockenprofil 41 über den gesamten Rotorumfang stets denselben diametralen Abstand zwischen den Konturflächen des Nockenprofils 41 auf.
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Die Kontur der Kreisbogensegmente 42 ist an die Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 angepasst, sodass die drei Kreisbogensegmente 42 gemeinsam einen Gleitlagersitz des Nockenrotors 4 auf dem Lagerzapfen 2 bilden. Ein charakteristisches Merkmal dieses Sperrflügelpumpentyps besteht somit darin, dass das Nockenprofil 41 zugleich die Lagerung des Nockenrotors 4 übernimmt, sodass diese Bauform auf eine Pumpen- bzw. Rotorwelle im herkömmlichen Sinne verzichtet. Die flache Bauhöhe wird somit unteranderem durch den Wegfall einer herkömmlichen Wellenlagerung in axialer Erstreckung des Rotors erzielt.
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Die Nockenerhebungen 43 erheben sich bogenförmig von der Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 radial nach außen und bilden somit im Rotorkörper radiale Hohlräume zur Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2. Da der Nockenrotor 4 stirnseitig von den Wandflächen 10a, 10b des Pumpengehäuses bzw. des Pumpendeckels 11 eingegrenzt ist, bilden die radialen Hohlräume der Nockenerhebungen 43 in dem Rotorkörper räumlich abgeschlossene Nockenkammern 40. Ähnlich wie die Flügelzellen einer Flügelzellenpumpe drehen sich die Nockenkammern 40 mit einer Drehbewegung des Rotors 4. Im Gegensatz zur Flügelzellenpumpen, die einen exzentrischen Aufbau mit drehenden Flügeln aufweist, verschiebt sich der Sperrflügel 3 des vorliegenden Aufbaus lediglich in Längsrichtung, wobei der Lagerzapfen 2 und der Nockenrotor 4 koaxial zueinander angeordnet sind.
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Der Außenumfang des Nockenrotors 4 weist Zähne 45 auf. Neben dem Nockenrotor 4 ist in dem Pumpengehäuse 1 ein Antriebsritzel 5 drehbar gelagert aufgenommen. Die Verzahnung 54 des Antriebritzels 5 greift zum mechanischen Antrieb des Nockenrotors 4 in die Zähne 45 ein. Wie in 2 gezeigt ist, weist das Antriebsritzel 5 eine Welle 50 auf, die sich durch den Gehäuseboden des Gehäuseteils 1a und den Gehäusedeckel 1b erstreckt, und von einer nicht dargestellte Antriebsquelle, wie einem Abtrieb einer Verbrennungsmaschine oder einer Motorwelle eines Elektromotors, angetrieben wird.
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Wie in 3 dargestellt ist, ist der Sperrflügel 3 in dem Führungsschlitz 23 diametral zwischen den Flächen des Nockenprofils 41 eingesetzt. Während einer Drehbewegung des Nockenrotors 4 umkreisen die Nockenkammern 40 den Lagerzapfen 2, wobei der Sperrflügel 3 mit abgerundeten Kontaktflächen an den Enden in Gleitkontakt zu dem Nockenprofil 41 steht. Während der Drehbewegung des Nockenrotors 4 passieren die drei Nockenkammern 40 abwechselnd die beiden Enden des Sperrflügels.
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An jedem Übergangsverlauf von einer Nockenerhebung 43 einer Nockenkammer 40 auf ein darauffolgendes Kreisbogensegment 42 wird das betreffende Ende des Sperrflügels 3 von dem Nockenprofil 41 bis zur Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 in den Führungsschlitz 23 zurückgeschoben, sodass das Kreisbogensegment 24 in der Funktion als Gleitlagersitz des Nockenrotors 4 auf der Umfangsfläche 24 über den Führungsschlitz 23 hinweggleiten kann. Zeitgleich erfolgt diametral ein Übergangsverlauf von einem Kreisbogensegment 42 auf eine Nockenerhebung 43 einer Nockenkammer 40, wobei das andere Ende des Sperrflügels 3 durch dieselbe zuvor genannte Verschiebung in dem Führungsschlitz 23 aus der Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 heraustritt und der Nockenerhebung 43 folgt. Somit ergibt sich im Zusammenspiel der zeitgleichen Übergansverläufe eine an beiden Enden des Sperrflügels 3 entlang der Kontur des Nockenprofils 41 geführte oszillierende Verschiebungsbewegung des Sperrflügels 3.
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Wenn der Sperrflügel 3 in eine Nockenkammer 40 gleitet, wird diese in einen davorliegenden und einen dahinterliegenden Teil abgetrennt. Das Volumen des dahinterliegende Teils der Nockenkammer 40 nimmt mit fortlaufender Drehbewegung zu, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird. Innerhalb eines radialen Bereichs der Nockenerhebung 43 ist in Drehrichtung hinter dem Sperrflügel 3 ein Einlass 12a in dem Gehäuseboden des Gehäuseteils 1a ausgebildet, der an der Wandfläche 1a in den abnehmenden Teil der Nockenkammer mündet. Das zu fördernde Medium, das außerhalb des Pumpengehäuses 1 aus einem nicht dargestellten Förderkreislauf bzw. einer Förderstrecke zugeführt wird, strömt bedingt durch den zeitweise erzeugten Unterdruck über den stirnseitigen Einlass 12a in den zunehmenden Teil der Nockenkammern 40 hinter dem Sperrflügel 3 und füllt diese schließlich auf.
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Während die Nockenkammer 40 von dem Sperrflügel 3 entlang der Kontur der Nockenerhebung 43 ausgestrichen wird, nimmt das Volumen des davorliegenden Teils ab, wodurch ein Überdruck erzeugt wird. Innerhalb eines radialen Bereichs der Nockenerhebung 43 ist in Drehrichtung vor dem Sperrflügel 3 ein Auslass 13a in dem Gehäuseboden des Gehäuseteils 1a ausgebildet, der an der Wandfläche 1a in den abnehmenden Teil der Nockenkammer mündet. Die Füllung des Mediums in der Nockenkammer 40 wird in dem Teil vor dem Sperrflügel 3 verdrängt und unter Druck durch den Auslass 13a befördert.
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Am gegenüberliegenden Ende des Sperrflügels 3 ist eine spiegelbildliche bzw. punktsymmetrische Anordnung eines zweiten Einlasses 12b und eines zweiten Auslasses 13b ausgebildet. Zwischen den beiden Auslässen 13a, 13b verläuft ein Kanal 13c, mit dem die Verbindungsbohrung 21 der Kammer 22 verbunden ist. Ein Teil des flüssigen Mediums, das beim Verdrängungsvorgang aus den Nockenkammern 40 durch die Auslässe 13a, 13b ausgestoßen wird, gelangt durch den Kanal 13c und die Verbindungsbohrung 21 in die Kammer 22 zum Sperrflügel 3.
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Der Großteil des geförderten flüssigen Mediums wird durch die Auslässe 13a, 13b aus dem Pumpengehäuse in einen nicht dargestellten Förderkreislauf bzw. eine Förderstrecke ausgestoßen. In dem dargestellten Aufbau mit drei Nockenkammern 40 und einem Sperrflügel 3 ergeben sich somit 6 zeitgleiche Ansaug- und Ausstoßzyklen pro Rotorumdrehung. Aufgrund der alternierend ineinander verlaufenden Zyklen tritt hierbei, im Vergleich zu anderen Verdrängerpumpentypen, über einen gesamten Pumpenausgang betrachtet, eine geringe Pulsation des Förderdrucks auf.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, sind die beiden Teile 3a, 3b des Sperrflügels 3 im Wesentlichen mittig zur Gesamtlänge unterteilt. In der Unterteilung des zweigeteilten Sperrflügels 3 ist ein Spaltmaß ausgenommen, das als Druckspalt 25 zwischen den beiden Teilen 3a, 3b des Sperrflügels 3 dient. Das geförderte Medium, das die Kammer 22 über den Kanal 13c und die Verbindungsbohrung 21 befüllt, durchdringt unter dem Förderdruck den Druckspalt 25 und bewirkt dabei eine auseinandertreibende Kraft auf die innenliegenden Enden der beiden Teile 3a, 3b des Sperrflügels 3. Infolgedessen wird in der Kammer 22 ein radial nach außen wirkender hydrostatischer Anpressdruck auf die Teile 3a, 3b des Sperrflügels 3 gegen das Nockenprofil 41 erzeugt. Dadurch wird eine verbesserte Abdichtung zwischen den beiden Teilen der Nockenkammer 40 mit abnehmendem und zunehmendem Volumen beiderseits des Sperrflügels 3 erzielt.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Nockenrotor 4 an den Stirnflächen Ausnehmungen 44 auf, die von linienförmigen Flächen 46 umgeben sind, die sich entlang des Umfangs innerhalb der Rotorzähne 45 und entlang des Nockenprofils 41 erstrecken. Somit wird die Reibfläche gegenüber den Wandflächen 10a, 10b des Pumpengehäuses 1 einschließlich des Pumpendeckels 11 verringert. Zudem können sich die Ausnehmungen 44 mit dem geförderten Medium füllen. Falls das Medium eine schmierende Eigenschaft aufweist, dienen diese Ausnehmungen 44 als Schmierstofftaschen, die eine Verlustreibung des Nockenrotors 4 weiter reduzieren.
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Die Nockenkammern 40 sind durch Spaltdichtungen abgedichtet. Eine Spaltdichtung am Gleitlagersitz zwischen den Nockenkammern 40 ist über den radialen Abstand zwischen dem Kreisbogensegmenten 42 und der Umfangsfläche 24 eingestellt. Eine weitere Spaltdichtung zwischen den linienförmigen Flächen 46 an den Stirnseiten des Nockenrotors 4 und den gegenüberliegenden Wandflächen 10a, 10b ist über die axiale Länge des Lagerzapfens 2 eingestellt.
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Die Spaltdichtungen bieten durch Auswahl eines präzise eingestellten Spaltmaßes einen ausreichenden Durchdringungswiderstand gegenüber dem zu fördernden Medium. Das Spaltmaß ist in Abhängigkeit des vorgesehenen Anwendungsgebiets ausgewählt und kann 50 μm oder bevorzugt 40 μm, und insbesondere in der beschriebenen Ausführungsform 30 μm oder weniger betragen. Bei einem Pumpendruck von etwa 2 bis 5 bar, wie er z. B. für Schmierölpumpen oder Kühlmittelpumpen gefordert ist, ist ein Spaltmaß nicht mehr als 30 μm zweckmäßig. Für Getriebepumpen mit einem Arbeitsdruck von etwa 20 bar beträgt das Spaltmaß zwischen 10 μm und 20 μm, und für hydraulische Anwendungen, wie einer Servopumpe zur Lenkunterstützung mit einem Druckbereich von 100 bis 150 bar beträgt das Spaltmaß in etwa 10 μm.
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Das Spaltmaß hängt ferner von der Strecke des Dichtungsspalts, wie z. B. der Länge des Kreisbogensegments 42 ab. Insofern kann das Spaltmaß am Gleitlagersitz in Anbetracht einer ausreichenden Strecke des Dichtungsspalts auf einen abweichenden, bezüglich einer Schmierfilmbildung optimierten, Wert ausgelegt sein.
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Das Nockenprofil 41 weist keine tangentialen Übergänge sondern einen Kurvenverlauf mit Splines auf. Die Rundung der Kontaktflächen des Sperrflügels 3 ist auf diesen Kurvenverlauf abgestimmt, sodass eine hertzsche Pressung zwischen diesen verringert ist.
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Wie in den 2, 4 und 5 zu sehen ist, weist der Nockenrotors 4 bis auf das beidseitige Spaltmaß der Spaltabdichtungen dieselbe axiale Erstreckung wie der Lagerzapfen 2 auf. Somit grenzen die planparallelen Wandflächen 10a, 10b des Pumpengehäuses 1, das den Pumpendeckel 11 umfasst, die rotierenden Nockenkammern 40 in den Nockenkurven 43 des Nockenrotors 4 beidseitig ein.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann für die Kammer 22 eine andere Zuführung des geförderten Mediums zur Druckbeaufschlagung der Teile 3a, 3b des Sperrflügels vorgesehen sein. Anstelle der einzelnen Verbindungsbohrung 21 und dem Kanal 13c zu den Auslässen 13a, 13b, können anderenfalls zwei Verbindungsbohrungen 21 vorgesehen sein, die sich, im Querschnitt des Lagerzapfens 2 betrachtet, gegenüberliegend versetzt von der Kammer 22 jeweils zur Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 erstrecken. Diese beiden Verbindungsbohrungen 21 treten an der Umfangsfläche 24 in einem Bereich aus, der in einer Drehrichtung des Nockenrotors 4 vor dem Führungsschlitz 23, d. h. bezüglich des Drehwinkels jeweils benachbart zu einem der beiden Auslass 13a, 13b, liegt. Das geförderte Medium, das die Kammer 22 befüllt, wird an den beiden Enden des Sperrflügels 3 durch die beiden Verbindungsbohrungen 21 wechselseitig unter Druck gesetzt. Dadurch wirkt in der Kammer 22 eine alternierende Durchströmung am Druckspalt 25, welche die Teile 3a, 3b des zweigeteilten Sperrflügels 3 zyklisch radial auseinander treibt.
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Die funktionalen Pumpenbauteile, wie insbesondere der Nockenrotor 4 und der in 6 dargestellte Lagerzapfen 2 sind in der vorliegenden Ausführungsform als Sinterteile pulvermetallurgisch gefertigt. Die Sinterteile werden anschließend gehärtet und gefräst. Der Führungsspalt 23 des Lagerzapfens 2 sowie die Maße und Flächen, an denen die Spaltdichtungen vorgesehen sind, d. h. insbesondere das axiale Längenmaß und der Durchmesser des Lagerzapfens 2, die linienförmigen Flächen 46 und die Kontur des Nockenprofils 41, werden anschließend auf Maß geschliffen. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht eine maßhaltige Fertigung und stellt eine geeignete Ausgangsbasis zur Umsetzung von präzise eingestellten Spaltdichtungen dar. Ferner weisen die gehärteten Sinterteile eine hohe Verschleißfestigkeit und, bei entsprechender Oberflächenpolitur, eine geringe Verlustreibung an den Kontaktflächen auf.
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Ferner können je nach Anwendungsgebiet und Eigenschaften des zu fördernden Mediums (z. B. korrosive Medien) einzelne Bauteile auch aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein.
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Die stirnseitigen Einlässe 12 und Auslässe 13 können anstatt an der Wandfläche 10a in dem Gehäuseboden des Gehäuseteils 1a ebenso durch die Wandfläche 10b des Pumpendeckels 11 und durch den Gehäusedeckel 1b verlaufen. Ebenso können die Einlässe 12 durch das Gehäuseteil 1a und die Auslässe 13 durch den Pumpendeckel 11 bzw. den Gehäusedeckel 1b, d. h. jeweils in gegenüberliegenden Wandflächen 10a und 10b, oder anders herum verlaufen. Somit kann eine axial durchströmte Pumpe realisiert werden.
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Außerdem ist die Bauform nicht auf einen Führungsschlitz 23 begrenzt, sondern kann zwei oder drei Führungsschlitze 23 mit jeweils zweigeteiltem Sperrflügel 3 aufweisen. Ebenso kann der Nockenrotor 4 fünf oder sieben Nockenkammern 40 bilden.
