DE4327106A1 - Flügelzellenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 38 24 882 C2 ist eine Flügelzellenpumpe mit je­ weils einer Einlaß- und Auslaßöffnung bekannt, bei der die Hubkurve für die Trennschieber so ausgebildet ist, daß Dreh­ momentschwankungen abgemildert und das Hüpfen der Trenn­ schieber vermieden wird, indem die Hubkurve in zwei ineinan­ der übergehende Kreisbogenabschnitte von unterschiedlichen Durchmessern und einem einzigen von der Kreisform abweichen­ den Übergangsabschnitt unterteilt ist, welcher einer sinus­ odialen Funktion folgt.

Aus der DE 39 17 651 A1 ist eine Flügelzellenpumpe ähnlicher Bauart bekannt, bei der zur Erhöhung des Wirkungsgrades die Hubkurve über ihren größten Bereich mit konstantem Abstand zum Rotor verläuft und zwischen Einlaß und Auslaß durch eine Abflachung bis an den Rotor herangeführt ist, wodurch erst in der mit dem Auslaß in Verbindung tretenden Arbeits­ kammer Verdichtungsarbeit geleistet wird.

Eine Flügelzellenpumpe nach der DE 40 31 468 A1 besitzt einen Pumpengehäusequerschnitt, der zur Vermeidung von Ruck- und Stoßbelastungen und damit verbundener Geräuschentwicklung sowie zur mechanischen Schonung der Flügelschieberenden ver­ schiedene Kurvenabschnitte aufweist, und zwar im Wechsel Kreisbögen, Sinuslinien und quadratische Parabeln. Dabei sind in den Winkelbereichen, in denen die Sinuslinien ihre Extrem­ werte haben, Abschnitte der Sinuslinie jeweils durch Abschnitte von Parabeln ersetzt.

Durch die Anwendung von quadratischen Parabeln in der Gehäuse­ kontur wird lediglich erreicht, daß die der zweiten Ableitung der Hubwegfunktion entsprechende Beschleunigung auf die Flügel­ schieber insbesondere in den Winkelbereichen, in denen diese am meisten beansprucht werden, einen konstanten Wert annimmt, nicht aber bis auf einen solchen geringen Restwert verschwin­ det, daß ein Rattern der Flügelschieberenden an der huberzeu­ genden Innenfläche des Pumpengehäuses und damit verbundene Dreh­ momentschwankungen des Rotors vernachlässigbar sind.

Diese bekannten Bauarten eignen sich nicht für Zweikammersy­ steme in Flüssigkeitsförderanlagen, beispielsweise für Zapf­ säulen in Tankstellenanlagen, bei denen an beiden Seiten einer Tankinsel jeweils ein Zapfpunkt für ein zu betankendes Kraft­ fahrzeug vorgesehen ist.

Selten werden auf beiden Seiten der Tankinsel herangefahrene Kraftfahrzeuge von beiden Zapfpunkten einer Zapfsäule aus gleichzeitig betankt; in der Regel ergibt sich zwischen den einzelnen Auftankvorgängen ein zeitlicher Versatz. Dennoch soll ein doppelseitiges Betanken von beiden Zapfpunkten aus möglich sein, weshalb erfindungsgemäß grundsätzlich eine doppeltwirkende Flügelzellenpumpe mit je zwei Ein- und Aus­ lässen verwendet wird.

Bei einseitiger Kraftstoffabgabe muß ein Teil der angesaug­ ten Kraftstoffmenge über einen als Druckbegrenzungsventil ausgebildeten Bypass der Pumpensaugseite wieder zugeführt werden. Hierbei erhöht sich der Druck im Pumpenraum auf den am Druckbegrenzungsventil eingestellten maximalen Über­ druck mit der Folge, daß der Pumpe maximale Leistung zu­ geführt werden muß. Da bei vollem Durchfluß der anstehende Fließdruck geringer ist als der am Druckbegrenzungsventil eingestellte Überdruck, wird eine maximale Leistungsaufnahme bei 100%iger Förderung nicht erreicht.

Bei doppelseitiger Kraftstoffabgabe saugt die Pumpe Kraft­ stoff durch den gemeinsamen Saugkanal über zwei Einlaßöff­ nungen auf den beiden Saugseiten der Pumpe an und fördert ihn über zwei Auslaßöffnungen in den Druckraum. Eine an sich bekannte Magnetventil-Steuerung trennt hierbei eine bei einseitiger Kraftstoffabgabe zur vollen Beaufschlagung und Ausnutzung des Pumpenvolumens offene Verbindung zwi­ schen den Pumpenhälften.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß ein Abheben der Schie­ berkanten von der Hubkurve an der Gehäuseinnenfläche auf der Saugseite der bekannten Flügelzellenpumpen erfolgt, also dort, wo es ohnehin an Druck fehlt, um die Trenn­ schieber gegen die Gehäuseinnenfläche anzudrücken. Die­ ser nachteilige Effekt verstärkt sich dann, wenn die Schie­ ber lediglich durch Fliehkraft radial nach außen gedrückt werden und keine Federwirkung von innen her ausgeübt wird. Ein Springen der Schieberkanten an der Gehäuseinnenfläche tritt in besonders starkem Maße dort auf, wo Unstetigkeiten der Hubkurve vorliegen, vor allem also bei abrupten Über­ gängen, an denen die Schieberkanten radial nach außen be­ schleunigt werden.

Ein Flügelzellenverdichter vom Zweikammertyp ist aus der DE 38 00 324 C2 bekannt. Hierbei folgen in der Gehäusekontur des Hubringes die sich an Kreisbogenabschnitten anschließen­ den Abschnitte mit progressiv zunehmendem oder abnehmendem Radius jeweils einer sinusodialen Funktion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Flügel­ zellenpumpe der eingangs genannten Art unter Verwendung eines Pumpengehäuses für ein Zweikammersystem das Abheben der Schie­ berkanten von der Hubkurve insbesondere auf der Saugseite der Pumpe weitgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von der Kreisform abweichenden Übergangsabschnitte der Hub­ kurve als Polynome 5. Ordnung verlaufen.

Es wird hierdurch erreicht, daß die Übergänge zwischen den Kreisbogenabschnitten und den von der Kreisform abweichen­ den Abschnitten der Hubkurve sowie entlang der Übergangs­ abschnitte selbst annähernd stetig verlaufen, so daß bei jeweiliger Änderung der Hubgeschwindigkeit radial gerich­ tete Beschleunigungen auf die Trennschieber weitgehend ab­ gedämpft sind.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung schließen sich die radial nach außen verlaufenden Übergangsabschnitte, bezogen auf die Rotordrehrichtung, an der den Einlaß öffnenden Steu­ erkante der Einlaßöffnungen an und es enden die radial ein­ laufenden Übergangsabschnitte an der den Auslaß schließenden Steuerkante der Auslaßöffnungen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die Über­ gangsabschnitte in der Hubkurve rotationssymmetrisch ange­ ordnet.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung verlaufen der re­ lative Hubweg der radial nach außen verlaufenden Übergangs­ abschnitte in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ des Rotors nach der Funktion f (ϕ) = f_e [10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵] und der relative Hubweg der radial einlaufenden Übergangs­ abschnitte nach der Funktion

f (ϕ) = f_e-f_e [10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵]

wobei f_e ein dem Radius der äußeren Kreisbogenabschnitte entsprechender Endhub und Φ_n = 90°-(Ü + 360°/z) bedeuten, mit einer Überdeckung Ü von ca. 5 bis 10° und z als Anzahl der Flügelschieber.

Die jeweilige Bogenlänge aller Kreisbogenabschnitte entspricht hierbei dem Ausdruck Ü + 360°/z. Dabei erstrecken sich in zweck­ mäßiger Weise jeweils zwei Übergangsabschnitte und ein von die­ sen eingeschlossener Kreisbogenabschnitt zwischen einer Einlaß­ öffnung und der in Rotorrichtung nächstliegenden Auslaßöffnung.

Während üblicherweise bei Flügelzellenpumpen die Flügelschieber in ihrer Anpreßwirkung gegen die huberzeugende Innenfläche des Pumpengehäuses durch die Zentrifugalkraft infolge Drehung des Rotors, durch in Schlitze eingefügte Spiralfedern oder durch unter Druck stehendes Schmieröl unterstützt werden, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Schie­ ber an ihren radial inneren Kanten auf einem gummielastischen, radial verformbaren O-Ring abstützbar sind. Dieser O-Ring ist im Innern des Rotors frei liegend gelagert und wirkt mit seinem Außenumfang als Anpreßring auf die radial inneren Flügelschieberenden, indem sich der O-Ring diametral zur jeweiligen inneren Totlage der inneren Flügelschieberenden "ausbeult" , hierbei aber seine Umfangslänge unverändert aufrechterhält.

Ein in der Beschreibung näher erläutertes Ausführungsbei­ spiel der Flügelzellenpumpe nach der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelzellenpumpe bei einer Ventilschaltung für doppelseitige Fluid­ abgabe,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Druckseite der Pumpe ent­ lang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt durch den oberen Teil der Pumpe im Bereich eines Bypass bei einer Ventilschaltung für einseitige Fluidabgabe,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Druckseite der Pumpe ent­ lang der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 5 in einer grafischen Darstellung die Hubkurve des Hubrings,

Fig. 6 in einer grafischen Gegenüberstellung Hub-, Ge­ schwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf eines Schiebers über eine volle Rotordrehung,

Fig. 7 eine Ansicht auf einen die Schieber radial innen abstützenden Andrückring von einer Stirnseite des Pumpengehäuses aus,

Fig. 8 einen Schnitt durch den Rotor entlang der Linie II-II in Fig. 7.

Wie Fig. 1 zeigt, ist das Pumpengehäuse 1 in einen Einbau­ raum 2 für einen Rotor 12 und einen gemeinsamen Druckraum 3 unterteilt. Der Rotor 12 ist auf einer Welle 4 aufge­ keilt, die endseitig von Lagerflanschen in Flanschplatten 5, 6 aufgenommen ist. Das an der Flanschplatte 5 und außerhalb des Pumpengehäuses 1 herausragende Wellenende trägt eine Riemen­ scheibe 7 für den Antrieb des Pumpenrotors 12.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Rotor 12 auf radialem Abstand von einem Hubring 8 umgeben, der zwischen den Flanschplatten 5, 6 fest angeordnet ist und der zwei einander gegenüberliegende Einlaßöffnungen S1, S2 und winkelversetzt hierzu zwei ebenso gegenüberliegende Auslaßöffnungen D1, D2 besitzt.

Die Innenfläche des Hubrings 8 weicht abschnittweise von der Kreisform ab und bildet die sogenannte Hubkurve 13, d. h. eine Oberfläche, an der in Schlitzen 9 des Rotors 12 radial ver­ schiebliche, Arbeitskammern begrenzende Schieber 10 mit ihren Kanten entlanggleiten. Da die Schieber 10 den Bereich zwischen Hubring 8 und Rotor 12 in zwei getrennte, etwa sichelförmige Räume unterteilen, werden diese beim Drehen des Rotors ständig abwechselnd größer und kleiner. Dieser Vorgang wiederholt sich bezogen auf einen bestimmten Schieber zwei Mal bei jeder Um­ drehung.

Die Einlaßöffnungen S1, S2 befinden sich jeweils an der Stelle, an der die Kammern größer werden, wohingegen die Auslaßöffnungen D1, D2 in dem Winkelbereich liegen, in dem sich die Kammern ver­ kleinern und durch die Raumverkleinerung Druck entsteht. Durch den auf der Saugseite über die Raumvergrößerung entstehenden Unterdruck strömt das Fluid in die Pumpe. Hier wird es von den Schiebern erfaßt und durch die Raumverkleinerung auf der Druck­ seite in die Auslaßöffnung D1 bzw. D2 hinausgedrückt. Bei einer Rotordrehung ergeben sich zwei Saug- und Druckerzeugungs­ vorgänge.

Im Ausführungsbeispiel sind am Umfang gleichmäßig verteilt neun Schieber 10 vorgesehen. Jeweils zwei Schieber schließen einen Winkel von 40° ein.

Über eine Bogenlänge von 48° der Hubkurve 13 erstrecken sich diametral gegenüberliegend zwei Kreisbogenabschnitte 14, 15 mit einem dem Durchmesser des Rotors 12 angepaßten Innendurch­ messer. Dabei überdecken diese Kreisbogenabschnitte 14, 15 den Bereich zwischen einer Auslaßöffnung D1 bzw. D2 und der in Rotordrehrichtung nächstliegenden Einlaßöffnung S2 bzw. S1.

Zwischen den Kreisbogenabschnitten 14, 15 ist die Hubkurve 13 durch diametral gegenüberliegende, von der Kreisform abweichende Übergangsabschnitte 18, 19, 20, 21 definiert, die in bezug auf die Kreisbogenabschnitte 14, 15 rotationssymmetrisch verlaufen und die jeweils zwischen sich um 90° winkelversetzt zu den dem Rotordurchmesser angepaßten Kreisbogenabschnitten 14, 15 zwei weitere Kreisbogenabschnitte 16, 17 größeren Durchmessers ein­ schließen, in welche die von der Kreisform abweichenden Über­ gangsabschnitte stetig einlaufen.

Mathematisch verlaufen die von der Kreisform abweichenden Über­ gangsabschnitte 18, 19, 20, 21 der Hubkurve 13 als Polynome 5. Ordnung. Es ergibt sich hierdurch bezogen auf den Rotordreh­ winkel für den relativen Hubweg f (ϕ) der Schieber 10 für die radial nach außen verlaufenden Übergangsabschnitte 18, 19 die Funktion f (ϕ) = f_e [10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵] und für die radial einlaufenden Übergangsabschnitte 20, 21 die Funktion f (ϕ) = f_e-f_e [10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵].

Hierbei bedeuten f_e ein dem Radius der äußeren Kreisbogenab­ schnitte 16, 17 entsprechender Endhub und Φ_n dem Ausdruck 90°-(Ü + 360°/z), wobei Ü eine Überdeckung von 5 bis 10° und z die Anzahl der Flügelschieber bedeuten.

Wenn der Einfachheit halber angenommen wird, daß im Ausführungs­ beispiel die Überdeckung Ü 5° beträgt, ist der Winkel Φ_n = 90-(5° + 360°/9) = 45°. Die Klammerausdrücke in den jeweiligen Gleichungen beziehen sich dann jeweils auf Φ_n von 45°.

Wie Fig. 1 zeigt, befinden sich im oberen Bereich des Pumpen­ gehäuses 1 in Achsrichtung zur Welle 4 hintereinanderliegend zwei Verbindungsbohrungen 22, 23, die zu einem Bypass 24 führen, in welchem oberhalb der Verbindungsbohrung 23 ein Kolben 25 verschieblich gelagert ist, der von einem Magnetventil 26 je nach Betriebsart betätigt werden kann. Bei doppelseitiger Fluid­ abgabe, also beim gleichzeitigen Betanken von zwei Kraftfahr­ zeugen an den beiden Seiten einer Tankinsel, saugt die Flügel­ zellenpumpe Kraftstoff durch einen gemeinsamen Saugkanal 27 über die zwei Einlaßöffnungen S1 und S2 auf den beiden Saug­ seiten der Pumpe an und gibt ihn einzeln über die Auslaßöff­ nungen D1 und D2 sowie über den Druckraum 3 ab.

Bei dieser in Fig. 1 dargestellten Betriebsart ist die Ver­ bindungsbohrung 23 im Pumpengehäuse durch den Kolben 25 abgeschlossen und von der Verbindungsbohrung 22 abgetrennt.

Bei einseitiger Fluidabgabe, also bei dem meist vorkommenden Betanken von einem Kraftfahrzeug auf der einen Seite einer Tankinsel, sind die beiden Kammersysteme hydraulisch in Serie geschaltet, d. h. das Magnetventil 26 hebt den Kolben 25 von der Verbindungsbohrung 23 ab, wodurch Flüssigkeitsver­ bindung zwischen den Verbindungsbohrungen 22 und 23 be­ steht, wie dies der teilweise Schnitt in Fig. 3 zeigt. Der die rechte Pumpenhälfte über die Auslaßöffnung D2 ver­ lassende Kraftstoff wird über die Verbindungsbohrungen 22 und 23 zur Einlaßöffnung S2 der linken Pumpenhälfte ge­ pumpt. In der Schnittdarstellung der Fig. 4 ist die Verbin­ dung zur Einlaßöffnung S2 der benachbarten Pumpenhälfte an­ gedeutet.

Aus der Aneinanderreihung der Teilkurven nach Fig. 5 ergibt sich, daß sich die Radialbewegung der Schieber 10 im unbe­ lasteten Zustand vollzieht. Durch die Symmetrie der Hubkurve heben sich die Querkräfte auf, so daß die Lagerbelastungen klein sind. Eine solche Zusammensetzung der Teilkurven ge­ währleistet einen ruckfreien Ablauf der Schieber, was wiederum einen pulsationsfreien Förderstrom und einen konstanten För­ derdruck zur Folge hat.

Wie die Fig. 7 und 8 zeigen, liegt an den Innenkanten der in den radialen Schlitzen 9 des Rotors 12 verschieblich ge­ lagerten Flügelschieber 10 an jeder Stirnseite des Rotors ein elastisch verformbarer O-Ring 11 an, der im Anfangs­ zustand kreisrunde Umfangsgestalt hat, die im eingebauten Zustand bei Rotorumlauf sich ständig derart verformt, daß der O-Ring die Schieber 10 radial nach außen gegen die Hubkurve 13 drückt und hierbei sein Außenumfang 14 äquidistant zur Hubkurve 13 verläuft.

Jeder der beiden O-Ringe 11 läßt sich in stirnseitig axial offene Ausdrehungen 30 im Rotor 12 einsetzen. In ihrem Radius sind diese Ausdrehungen 30 so groß dimensioniert, daß sie den zugeordneten O-Ring in jeder Schieberstellung freiliegend aufnehmen können.

Um ein axiales Wandern der O-Ringe entlang der Innenkanten der Schieber 10 zu verhindern, sind die Schieberinnen­ kanten auf Abstand von den Stirnseiten des Rotors mit ker­ benförmigen Ausnehmungen 31 versehen, in welchen die O- Ringe sich einrastend abstützen.

Claims (10)

1. Flügelzellenpumpe in Konstantpumpen-Bauart zum Fördern von Fluiden, deren in einem mit diametral gegenüber­ liegenden Einlaß- und Auslaßöffnungen durchsetzten Ge­ häuse umlaufbarer Rotor radial verschiebliche, Arbeits­ kammern begrenzende Schieber aufweist, deren Kanten ent­ lang einer Hubkurve an der Gehäuseinnenfläche gleiten und die Hubkurve diametral gegenüberliegende, zur Rotor­ achse äquidistante Kreisbogenabschnitte und winkelver­ setzt hierzu von der Kreisform abweichende Übergangsab­ schnitte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kreisform abweichenden Übergangsabschnitte (18, 19, 20, 21) der Hubkurve (13) als Polynome 5. Ordnung verlaufen.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei diametral gegenüberliegende Kreisbogenabschnitte (14, 15) einem dem Durchmesser des Rotors (12) annähernd entsprechenden Innendurchmesser aufweisen und sich in ihrer Bogenlänge zwischen einer Auslaßöffnung (D1 bzw. D2) und der in Rotordrehrichtung nächstliegenden Einlaßöffnung (S2 bzw. S1) erstrecken.

3. Flügelzellenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß um 90° winkelversetzt zu den dem Rotordurchmesser angepaßten Kreisbogenabschnitten (14, 15) zwei weitere Kreisbogenabschnitte (16, 17) größeren Durchmessers die Hubkurve (13) begrenzen, in welche die von der Kreisform abweichenden Übergangsabschnitte (18, 19, 20, 21) stetig einlaufen.

4. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen verlaufenden Übergangsabschnitte (18, 19) bezogen auf die Rotordrehrichtung sich an der den Einlaß öffnenden Steuerkante der Einlaßöffnungen (S1, S2) anschließen und die radial einlaufenden Übergangsabschnitte (20, 21) an der den Auslaß schließenden Steuerkante der Aus­ laßöffnungen (D1, D2) enden.

5. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsabschnitte (18, 19, 20, 21) in der Hub­ kurve (13) rotationssymmetrisch angeordnet sind.

6. Flügelzellenpumpe nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der relative Hubweg der radial nach außen verlaufenden Übergangsabschnitte (18, 19) in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ des Rotors (12) nach der Funktion f (ϕ) = f_e [10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵]und der relative Hubweg der radial einlaufenden Übergangs­ abschnitte (20, 21) nach der Funktionf (ϕ) = f_e-f_e[10 (ϕ/Φ_n)³-15 (ϕ/Φ_n)⁴ + 6 (ϕ/Φ_n)⁵]verlaufen, wobei F_e ein dem Radius der äußeren Kreisbogen­ abschnitte (16, 17) entsprechender Endhub und Φ_n = 90°- (Ü + 360°/z) bedeuten, mit einer Überdeckung Ü von ca. 5 bis 10° und z als Anzahl der Flügelschieber.

7. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Bogenlänge der Kreisbogenabschnitte (14, 15, 16, 17) dem Ausdruck Ü + 360°/z entspricht, wobei Ü eine Überdeckung von ca. 5 bis 10° und z die Anzahl der Flügelschieber (10) sind.

8. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übergangsabschnitte (18, 20 bzw. 19, 21) und ein von diesen eingeschlossener Kreisbogenabschnitt (16 bzw. 17) sich jeweils zwischen einer Einlaßöffnung (51 bzw. 52) und der in Rotordrehrichtung nächstliegenden Auslaßöffnung (D2 bzw. D1) erstrecken.

9. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (10) an ihren radial inneren Kanten auf einem gummielastischen, radial verformbaren O-Ring (11) abstützbar sind.

10. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (11) freiliegend gelagert ist.