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Geräuscharme Flügelzelleneinrichtung, insbesondere -pumpe. (Zusatz
zu Latent . ... ... Cm 211 o5 575.23) Das llauptpatent . ... ... (Patentannieldung
P 24 o5 575.2) stellt eine Flügelzelleneinrichtung für flüssige Fördermedien, insbesondere
Flügelzellenpumpc unter Schutz, mit einem mit in wenigstens angenähert radialen
parallelwandigen Schlitzen gleitbaren Flügeln versehenen Rotor und einer den Rotor
umgebenden zusammen mit ihm wenigstens einen sichelförmigen Arbeitsraum radial einschließenden
in sich geschlossenen die Flügel radial führenden Kurvenbahn und mit einer Druckbeaufschlagung
des Grundes eines jeden Rotorschlitzes und der dem Schlitzgrund zugekehrten Begrcnzungsfläche
jedes entsprechenden Flügels, wobei jede Begrenzungsfläche derart bezüglich einer
achsparallel verlaufenden Flügelmittenlinie asymmetrisch ausgebildet ist1 daß der
vom Schlitzgrund her über die Begre-nzungaflache auf den Flügel einwirkende Flüssigkeits
druck eine quer zum Schlitz verlaufende Kraftkomponente am Flügel hervorruft.
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Pumpen, die nicht nach der Lehren des Iiauptpatentes ausgebildet sind,
entwickeln unter bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere bei hohen Förderdrücken
und kleinen Drehzahlen, ein Pfeifgeräusch. Die Ursache dafür ist nicht völlig geklärt,
jedoch scheint sich damit ein Flattern der Flügel in den Rotorschlitzen anzuzeigen,
wobei noch ungeklärt ist, ob die Flügel in Richtung der Schlitze, also radial, und/oder
quer dazu flattern. Dieses Pfeifen kann insbesondere bei Anwendungen derartiger
Pumpen in Kraftfahrzeugen, z.B. als Lenkhilfpumpen, störend sein.
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Durch die Maßnahme gemäß dem IIauptpatent wird auf die Flügel ein
eindeutiges Verkantungsmoment im Schlitz ausgeübt und ein Pfeifen der Flügel vermieden.
Die Schlitze sind maßlich und hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit ihrer Führungsfläche
sehr genau und glatt bearbeitet und die Führungsschlitze weisen aus Fertigungsgründen
am Schlitzgrund meist einen sogenannten Bearbeitungsauslauf in Form einer Schlitzerweiterung
auf, meist eine längageschlitzte axial verlaufende Bohrung. Diese Bohrung am Schlitzgrund
kann außerdem auch aus Festigkeitsgründen - der Schlitz stellt ja eine durch Arbeitsdrücke
belastete Kerbe dar - als eine Kerbgrund ausrundung vorgesehen werden Im Bestreben
nach einem möglichst geringen Bauvolumen, einem großen Kerbgrundradius und einem
großen Bearbeitungsauslauf ist bei bisher bekannten Flügelzelleneinrichtungen der
Schlitz lediglich so tief, daß in der radial tiefsten Eintauchstellung des Flügels
in den Schlitz die innere Flügels kante in den Bearbeitungsauslauf ragt. In dieser
tiefsten
Stelle durchläuft der Flügel aber gerade eine sich sehr
steil am Statorumfang ändernde Druckverteilung von der lIoch- auf die Niederdruckseite
oder umgekehrt je nach Einsatz als Pumpe oder Motor. Eine hydrostatische Flügelstabilisierung
grade im Schlitzgrund ist daher gerade beim Durchgang des Flügels durch die Umfangsstellen
an denen der Flügel eine radial innere Extremlage einnimmt besonders wichtig.
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Dies hat sich die vorliegende Zusatzerfindung zum Ziel gesetzt und
es wird erfindungsgemäß zbm einen dadurch erreicht, daß wenigstens jeweils die mit
der radial längeren Seitenfläche des Flügels zusammenarbeitende Führungsfläche des
Schlitzes sich wenigstens radial ebenso weit erstreckt wie die größte radiale Eintauchtiefe
der entsprechenden Seitenfläche des Flügels. Dies kann durch eine Verringerung der
radialen Erstreckung des Flügels erreicht werden, so daß er allein aufgrund dessen
schon mit seiner Innenkante in der radial inneren Extremlage gar nicht in die Schlitzerweiterung
eintaucht und die Führungsflächen des eigentlichen Schlitzes nicht an der inneren
Endkante überfährt. Dies kann aber auch dadurch verhindert werden, daß der Schlitz
etwas tiefer gemacht wird oder daß der Bearbeitungsauslauf ganz klein gemacht oder
auf ihn ganz verzichtet wird. Diese Maßnahmen können natiirlich auch gemeinsam angewendet
werden, um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen.
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Es kann aber auch ein Eintauchen des Flügels in den Bearbeitungsauslauf
zugelassen werden, ohne auf die den
Flügel stabilisierende seitliche
Druckkraft auch in einer solchen radial inneren Extremlage verzichten zu müssen,
nämlich durch den weiteren erfindungsgemäßen Lösungsweg, der darin besteht, daß
der durch die Asymmetrie der Flügelbegrenzungafläche bewirkte Flächenunterschied
der Seitenflächen der Flügel entsprechend auch - aufgrund einer asymmetrischen Ausbildung
und/oder Anordnung des Bearbeitungsauslaufes - an den Führungsflächen jedes Schlitzes
bewirkt ist. Dieser Flächenunterschied der Führungsflächen des Schlitzes kann z.B.
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dadurch bewirkt werden, daß der Dearbeitungsauslauf - in an sich bekannter
Weise - als axial verlaufende Bohrung ausgebildet ist und daß jede Bohrungsmitte
relativ zur Mitte des zugehörigen Schlitzes in Umfangsrichtung aussermittig vorzugsweise
in Richtung auf die Niederdruckseite des Flügea angebracht ist.
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Die Erfindung ist noch nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert; dabei zeigen: Fig. 1 und 2 einen
Längsschnitt (Fig. i) bzw. einen achssenkrechten Schnitt (Fig. 2) durch eine Flügelzellenpumpe,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Rotorabschnittes aus der Schnittdarstellung
gemäß Fig. 2 und
Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 3, jedoch
eine andere Möglichkeit der Erfindung zeigend.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Pumpe weist ein Pumpengehäuse
1 auf, in welchem die Antriebswelle 2 gelagert und die wesentlichen Pumpenteile
untergebracht sind Diese sind der auf die Welle 2 verdrehfest aufgesteckte Rotor
3 mit den Flügeln 4 sowie die beiden Grundplatten 5 und 6 und der Kurvenring 7.
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Die ltzten drei genannten
Teile sind durch die Elaltestifte
8 in einer definierten gegenseitigen Umfangs- und Radiallage gehalten und gegen
Radialbewegungen und Yerdrehen gesichert. Axial ist die Montgeoffnung des Pumpengehäuses
durch den mit einem Federring 9 gesicherten Verschlußdeckel lo dichtend (Dichtring
5'} verschlossen. Durch eine zwischen den Deckel lo und die obere Grundplatte 5
eingebrachte Druckfeder 12 erhalten die IIauptteile 3 bis 6 der Pumpe eine axiale
druckunabhängige Grund anpreisung. Die obere Grundplatte 5 ist außerdem dichtend
(Dichtring 13) im Pumpengehäuse untergebracht und trennt die Druckseite der Pumpe
(Raum 14) von deren Zulaufseite (Ringraum 15).
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Beide Räume sind über die Anschlüsse 16 bzw. 17 an ein Ilydrauliksystem
anschließbar. Durch den im Druckraum 14 herrschenden Förderdruck der Pumpe wird
auf die obere Grundplatte hydraulisch eine dem Niveau dieses Druckes entsprechende
Kraft ausgeübt, die die Hauptteile 3 bis 6 der Pumpe axial entgegen den im Innern
der Pumpe herrschenden Druckkräften dichtend zusammendrückt.
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Im Rotor 3 sind axial verlaufende radialstehende parallelwandige Schlitze
18 eingearbeitet, in die planparallele rechteckige Netallplatten, die sogenannten
Flügel 4 eingesetzt sind, die mit geringem definierten Spiel radial darin gleiten
können. Die Flügel sind in Achsrichtung exakt so lang wie der Rotor 3 und der Kurvenring
7.
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Die Innenkontur 19 des Kurvenringes ist nach einem bestimmten geschlossenen
Kurvenverlauf oval ausgebildet, so daß sich zwischen Rotor und Kurvenbahn 19 zwei
sichelförmige Arbeitsräume 20 ergeben, die beim Umlauf des Rotors von den diese
Arbeitsräume in Zellen unterteilenden Flügeln in Umlaufrichtung durcheilt werden.
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Die Kurvenbahn 19 ist in den Bereichen der Linie 21 beim Durchlauf
des Rotors in Richtung des Pfeiles 22 zur Umfangsrichtung radial nach außen geneigt
und die zwischen den Flügeln 4 gebildeten Förderzellen vergrößern sich in diesem
Bereich (Saugbereich). Durch Ausnehmungen in den Grundplatten 5 und 6 ist der Arbeitsraum
stiruseitig mit dem Saugraum 15 verbunden.
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Im Bereich der Linie 25 (Druckbereich) verringern sich bei angedeutetem
Rotorumlauf (Pfeil 22) die Förderzellen und das eingeschlossene Fördermedium wird
über die stirnseitig mit dem Arbeitsraum 20 verbundenen Ausnehmungen-26 und 27 und
die Druckbohrung 28 im Kurvenring 7 in den Druckraum 14 abgeschoben.
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Die beim Rotorumlauf radial in den Schlitzen 18 hin-und hergeschobenen
Flügel bilden mit ihrer hinteren Begrenzungsfläche 32 und den Schlitzgründen 29
ebenfalls beim Rotorumlauf sich periodisch vergrößernde und verkleinernde Räume.
Um diese Räume entleeren und befluten zu können, sind sie strö:iungsmäßig mit dem
Hauptförderstrom verbunden. Und zwar stehen die Schlitzgründe 29 im dargestellten
Ausführungsbeispiel
untereinander alle über die in der unteren Grundplatte
eingearbeitete Ringnut 31 in Verbindung. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite stehen
die Schlitzgründe beim Durchlauf durch den Saugbereich über sich kreisbogenförmig
über diesen Bereich erstreckende Ausnehmungen 30 mit dem Druckraum 14 in Verbindung.
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Dadurch wird sowohl im Druck- als auch im Saugbereich auf die hintere
BegrenzungBfläche 32 der Flügel 4 eine die Flügel radial an die Kurvenbahn 19 andrückende
hydraulische Kraft ausgeübt.
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Beim Durchlauf der Flügel durch den Druckbereich 25 ist sowohl der
auf die radial nach außen weisende ballige Begrenzungsfläche 33 einwirkende Druck
als auch der auf die innere Begrenzungsfläche 32 wirkende Druck mit dem im Raum
14 herrschenden Förderdruck der Pumpe weitgehend gleich, so daß auf den Flügel im
Druckbereich radial nur geringe Kräfte einwirken hier sind Beharrungskräfte aufgrund
von Gleit- und Öl reibung und Fliehkräfte zu nennen. Auch in Umfangsrichtung sind
die auf den Flügel einwirkenden Kräfte in den Druckbereichen weitgehend ausgeglichen,
da auf der vorauslaufenden Flügelfläche 34 und auf dem flächenmäßig etwa gleich
gronen Rücken 35 des Flügels gleiche Drücke und somit insgesamt etwa gleiche Kräfte
wirken. Als nicht ausgeglichene Restkraft ist die an der äußeren Gleitfläche 33
des Flügels angreifende dem Drehrichtungspfeil 22 entgegengerichtete Reibungskraft
(Vektor
36) zu nennen. Dieser weitgehende tangentiale und radiale Kräfteausgleich kann bei
herkömmlichen Flügelzelleneinrichtungen für ein Pfeifgeräusch verantwortlich sein,
welches insbesondere bei kleinen Drehzahlen auftritt.
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Aufgrund einer entsprechenden Geist staltung der Begrenzungsfläche
32/eine weitere nicht ausgleichbare Restkraft 37 eingeführt, die drehzahlunabhängig
ist und die das den Flügel 4 im Schlitz 18 zu verkanten suchende Noment erhöht.
Dieses Verkantungsmoment stabilisiert den Flügel gegen Flattern oder gegen sonstige
für das Auftreten von Pfeifgeräuschen ursächlichen Bewegungen von Einzelteilen innerhalb
der Pumpe. Diese hydraulische Restkraft wird durch eine asymmetrische Ausgestaltung
der hinteren Begrenzungsfläche 32 des Flügels 4 bewirkt. Durch die Kantenrücknahme
auf der einen Flügelseite wird eine Druck-Angriffsfläche in Richtung auf die andere
Flügelseite geschaffen, deren Größe für die Höhe der Restkraft 37 mit verantwortlich
ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Druck-Angriffsfläche durch eine
durchlaufende Abschrägung der Hinterkante des Flügels entlang der ganzen axialen
Erstreckung des Flügels geschaffen, was fertigungstechnisch besonders einfach ist.
Die Abschrägung ist so gewählt, daß die Restkraft 37 in Drehrichtung (Pfeil 22)
des Rotors 3 zeigt. Ds Naß der Abschrägung (Kantenrücknahme
a)
ist möglichst klein gewählt, damit die verbleibende Spaltlänge 1 nicht übermäßig
verringert wird. Bei sehr großen Abschrägungswinkeln wird der volumetrische Wirkungsgrad
der Pumpe beeinträchtigt; andererseits genützt aber schon eine geringe Kantenrücknahme,
um eine ausreichend große Druck-Angriffsfläche und somit eine genügend große Restkraft
zu erzielen.
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Bei dem in Fig. 3 vergrößert dargestellten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist aufgrund einer ausreichend groß bemessenen Schlitztiefe und einer
genügend kleinen Bearbeitungsauslauf (Kerbrundungsradius 38) dafür gesorgt, daß
die radial längere Sritenfläche 34 des Fliigels in der Umfangsstellung, in der der
Flügel radial am tiefsten in den Schlitz eintaucht (in Fig. 3 ganz unten), mit ihrer
Endkante 39 die Lndkrnite llo der entsprechenden (hochdruckseitigen) Führungsfläche
41 des Schlitzes 1o nicht überstreicht. Es ist also dafür gesorgt, daß die abgeschragten
Flügel stets, also auch in der radial innercn Extremlage, innethaib des eigentlichen
Schlitzes verbleiben und die durch die Abschrägung beabsichtigte Seitenkraft 37
auch in dieser Extremlage erhalten bleibt.
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Bei dem anderen in Fig. /s vergrößert dargestellten Lösungsweg der
Erfindung taucht der Flügel 11 mit sciner Endkante 39 zwar hinter die Endkante 40
der hochdruckseitigen Führungsfläche 41' ein. Jedoch ist aufgrund einer in Umfangsrichtung
gesehenen außermittigen oder asymmetrischen Anordnung des Bearbeitungsauslaufes
(Bohrung 29') um das Ilaß e zur Mittenachse 42 des Schlitzes 18' dafür gesorst,
daß die innere hochdruckseitige
Endkante Z des eigentlichen Schlitzes
ebenfalls um das gleiche Naß a wie beim Flügel gegenüber der niederdruckseitigen
Endkante 43 radial nach innen versetzt ist. Es ergibt sich dadurch der gleiche Flächenunterschied
der beiden gegenüberliegenden Führungsflächen 41' gegenüber 44 wie beim Flügel und
dementsprechend die gleiche in Umfangsrichtung verlaufende Verkantungskraft 37 im
eingetauchten wie im aus dem eigentlichen Schlitz in den Bearbeitungsauslauf radial
nach innen ausgetauchten Zustand. Diese Ausführungsform kann insbesondere bei kleinen
I'umpen-oder Notoreneinheiten notwendig werden, bei denen aus Fertigungsgründen
der ßohrungsdurchmesser des Bearbeitungsauslaufes ein bestimmtes Mindestmaß nicht
unterschreiten darf und dementsprechend die in Fig. 3 aufgezeigte Lösungsmöglichkeit
nicht realisicrbar ist. Damit die Schleppreibung 36 im gleichen Sinn wie die Restkraft
37 verkantend auf den Flügel 4 einwirkt, ist die Außermittigkeit des Bearbeitungsauslaufes
9' entgegen der Umlaufrich- -tung 22 der Einrichtung vorzunehmen.