DE102006016431A1

DE102006016431A1 - Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE102006016431A1
Application number: DE200610016431
Authority: DE
Inventors: Johannes Schmid
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe (1) mit einem Rotor (4), bei der die maximale Betriebsdrehzahl n<SUB>max</SUB> mindestens 8000 U/min beträgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die effektive Breite b der saugseitigen Versorgungsöffnung der Beziehung $F1 genügt, wobei r<SUB>m</SUB> der mittlere Radius der saugseitigen Versorgungsöffnung ist und die Konstante konst. einen Maximalwert von konst. = 9 m/s nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Flügelzellenpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Verdrängerpumpen sind von ihrem grundsätzlichen Aufbau, beispielsweise aus der DE 44 33 598 A1 , bekannt. Bei der bekannten Verdrängerpumpe sind die den Ringraum zwischen Kurvenring und Rotor in Arbeitskammern aufteilenden Trennkörper durch Flügel gebildet, die im Rotor radial verschiebbar geführt mit dem Rotor umlaufen und gegen die Innenkontur des Kurvenrings anliegen. In den an den Rotor und den Kurvenring seitlich anliegenden Seitenwänden sind druckseitige und saugseitige Versorgungsöffnungen vorgesehen. In Umlaufrichtung des Rotors folgen die druckseitigen Versorgungsöffnungen auf die saugseitigen Versorgungsöffnungen und die Verdrängung des Arbeitsmediums erfolgt in den über die durch Flügel gebildeten Trennkörper gegeneinander abgegrenzten Arbeitskammern im Bereich der druckseitigen Versorgungsöffnungen.
Weitere gattungsgemäße Verdrängerpumpen sind aus der DE 199 42 466 A1 sowie der DE 102 40 499 A1 bekannt.
Bei den bekannten Verdrängerpumpen sind die saugseitigen und die druckseitigen Versorgungsöffnungen möglichst groß ausgelegt, um so möglichst kleine Strömungsverluste zu realisieren.
Bei Überschreiten einer maximalen Betriebsdrehzahl kann man jedoch beobachten, dass ein Scheinwiderstand entsteht, wodurch der Pumpenwirkungsgrad sinkt und sich das Fördervermögen verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Flügelzellenpumpe, anzugeben, die bei gleicher oder geringerer Baugröße über eine Drehzahlerhöhung eine höhere Förderleistung erzielt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Produkt aus effektiver Breite der saugseitigen Versorgungsöffnung und dem mittleren Abstand der saugseitigen Versorgungsöffnung von einem Bezugspunkt, insbesondere dem Wellenmittelpunkt des Rotors, unter einen Schwellwert zu legen. Dies läuft bei einem gegebenen Läuferdurchmesser darauf hinaus, daß die effektive Breite der saugseitigen Versorgungsöffnung über einen wesentlichen Bereich Ihrer Erstreckung, die in den Pumpraum mündet, begrenzt wird.
Dadurch ist bei schnell laufenden Pumpen die Verlustarbeit bei einer erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe mit in der Breite reduzierten saugseitigen Versorgungsöffnungen geringer als bei Verdrängerpumpen vergleichbarer Bauart und -größe mit möglichst breiten saugseitigen Versorgungsöffnungen. Aufgrund der Erfindung ist es möglich, die Förderleistung bei gleicher oder geringerer Baugröße durch eine Erhöhung der maximalen Betriebsdrehzahl zu erhöhen.
Es hat sich herausgestellt, dass optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn die effektive Breite b der saugseitigen Versorgungsöffnung bzw. der saugseitigen Versorgungsöffnungen
nicht überschreitet. Dabei ist r_m der mittlere Radius der saugseitigen Versorgungsöffnung oder anders ausgedrückt der mittlere Abstand zu einem Bezugspunkt. Dieser wird wie folgt ermittelt:
mit r_a = f(a) und r_i = f(a)
Dabei ist r_a der Radius der radial äußeren Kontur der saugseitigen Versorgungsöffnung und r_i der Radius der radial inneren Kontur der saugseitigen Versorgungsöffnung. Beide Radien r_a, r_i sind eine Funktion des Umfangswinkels α in den Grenzen α₁ und α₂. Dabei bezeichnen α₁ und α₂ den Anfangs- bzw. den Endumfangswinkel der saugseitigen Versorgungsöffnung.
Die effektive Breite der saugseitigen Versorgungsöffnung lässt sich ebenfalls über r_a und r_i beschreiben
b = r_a – r_i mit r_a = f(a) und r_i = f(a)
Bei ω_max handelt es sich um die maximale Winkelgeschwindigkeit, für die die Verdrängerpumpe ausgelegt, das heißt spezifiziert, ist.
Die Konstante ist abhängig von der Ansauggüte der Pumpe zu wählen. Bei Pumpen mit sehr geringem Ansaugwiderstand liegt die Konstante bei konst. = 9 m/s. Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf Pumpen, deren maximale Betriebsdrehzahl mindestens n = 8.000 Umdrehungen/min, das entspricht ω = 838 1/s beträgt. Die Erfindung lässt sich sowohl bei Verstellpumpen als auch bei Konstantpumpen realisieren.
Bevorzugt beträgt die maximale Betriebsdrehzahl n_max, mindestens 10.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mindestens 12.000 Umdrehungen pro Minute. Durch die Begrenzung der Breite der saugseitigen Versorgungsöffnung können bei erfindungsgemäßen Verdrängerpumpen, insbesondere bei dem Einsatz in Kraftfahrzeugen als Servopumpe, große Fördervolumenströme realisiert werden.
Pumpen, die einen höheren Ansaugwiderstand haben, benötigen eine noch schmälere Einlaßöffnung. Es kann ein Faktor konst. = 8 m/s, ..., 6 m/s notwendig bzw. vorteilhaft werden.
Die Verlustarbeit ist besonders gering, wenn das Produkt aus effektiver Breite der saugseitigen Versorgungsöffnung und Abstand der Öffnung von der Drehachse des Rotors, über den größten Teil der Umfangserstreckung zumindest näherungsweise konstant ist.
Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn der saugseitige Versorgungskanal möglichst tief ausgeführt wird. Ist dies nicht möglich, kann die Niere auch breiter ausgeführt und gezielt durch ein Bauelement wie den Läufer abgedeckt werden.
Des weiteren hat es sich als günstig erwiesen den Querschnitt des saugseitigen Versorgungskanals stromaufwärts der saugseitigen Versorgungsöffnung zu weiten. Der Versorgungsquerschnitt der Versorgungskanals ist dann größer als der Querschnitt der Versorgungsöffnung.
Eine weitere Reduzierung der Verlustarbeit wird erreicht, wenn auf der der saugseitigen Versorgungsöffnung gegenüberliegenden Seite des Ringraumes, also in der gegenüberliegenden Seitenwand, ein Blindkanal mit vorzugsweise nierenförmiger Öffnung vorgesehen ist. Noch vorteilhafter ist es, beidseitig den Saugraum der Pumpeneinheit anzuschließen.
Bevorzugt wird der mittlere Radius r_m der saugseitigen Versorgungsöffnung möglichst klein gewählt. Für die druckseitige Versorgungsöffnung ist dies nicht nötig. Es kann durchaus vorteilhaft sein den mittleren Radius größer zu wählen, speziell am Anfang und Ende der saugseitigen Versorgungsöffnung.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Details näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine vereinfachte, schematisierte Darstellung einer als Flügelzellenpumpe ausgebildeten Verdrängerpumpe im Schnitt,
2 eine längsgeschnittene, vereinfachte und schematisierte Darstellung der Verdrängerpumpe gemäß 1, und
3 eine Darstellung einer Seitenwand einer Verdrängerpumpe mit einer saugseitigen und einer druckseitigen Versorgungsöffnung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 und 2 veranschaulichen den Grundaufbau einer als Flügelzellenpumpe ausgebildeten Verdrängerpumpe 1. Die Verdrängerpumpe 1 umfasst eine Pumpenwelle 2, die in einen nicht dargestellten Grundkörper gelagert ist. Die Pumpenwelle 2 trägt an ihrem freien Ende 3 einen Rotor 4 der Flügelzellenpumpe, welcher von einem Kurvenring 5 umschlossen ist. Der Rotor 4 und der Kurvenring 5 liegen zwischen zwei beabstandeten Seitenwänden 6, 7. Zwischen Rotor 4 und Kurvenring 5 erstreckt sich, seitlich begrenzt durch die Seitenwände 6 und 7, ein Ringraum 8, der über im Rotor 4 radial verschieblich geführte Flügel als Trennkörper 9 in in Umlaufrichtung 10 des Rotors 4 aufeinander folgende Arbeitskammern 11 unterteilt ist, wobei die als Flügel gestalteten Trennkörper 9 fliehkraft- und druckbeaufschlagt an der eine kreisförmige Grundform aufweisenden Innenkontur 12 des Kurvenrings 5 anliegen. Die Drehachse 13 des Rotors 4 ist seitlich versetzt zum Mittelpunkt des kreisförmigen Ringraumes 8 angeordnet, wodurch die Arbeitskammern 11 beim Umlauf des Rotors 4 volumenveränderlich sind, woraus wiederum die Verdrängung des Druckmediums resultiert.
Die dargestellte Verdrängerpumpe 1 ist einflutig mit einer saugseitigen Versorgungsöffnung 14 und einer gegenüberliegenden druckseitigen Versorgungsöffnung 15 ausgebildet. Beide Versorgungsöffnungen 14, 15 sind in die von der Pumpenwelle 2 durchstoßenen Seitenwand 6 eingebracht. Die saugseitige Versorgungsöffnung 15 bildet die Ausmündungsöffnung eines saugseitigen Versorgungskanals 16 innerhalb der Seitenwand 6. Die Breite des saugseitigen Versorgungskanals 16 und damit seine Querschnittsfläche verringert sich in Richtung der saugseitigen Versorgungsöffnung 14. Ebenso ist der druckseitigen Versorgungsöffnung 15 ein druckseitiger Versorgungskanal 17 zugeordnet, der sich mit zunehmendem Abstand von der druckseitigen Versorgungsöffnung 15 verbreitert.
Der nierenförmigen Versorgungsöffnung 14 liegt ein sich ebenfalls in Umfangsrichtung erstreckender Blindkanal 18 mit einer nierenförmigen Öffnung 19 gegenüber.
Das gemittelte Produkt von
überschreitet erfindungsgemäß den Wert
nicht.
In 3 ist beispielhaft eine Seitenwand 6 einer Verdrängerpumpe mit einer darin eingebrachten saugseitigen Versorgungsöffnung 14 und einer gegenüberliegenden, größeren druckseitigen Versorgungsöffnung 15 dargestellt. Als gestrichelter Kreis 22 ist die radial äußere Grenze des Ringraums 8 bzw. der von dem Kurvenring begrenzten Fläche der Seitenwand 6 angedeutet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die effektive Breite b der saugseitigen Versorgungsöffnung 14 einen Maximalwert nicht überschreitet.
Zur Vereinfachung sind der innere Radius r_i und der äußere Radius r_a in Umfangsrichtung in Bezug auf die Drehachse 13 der Welle konstant gewählt. Es ist jedoch jeder beliebige Verlauf über die Umfangserstreckung denkbar. Der mittlere Radius r_m der saugseitigen Versorgungsöffnung 14 berechnet sich in diesem Fall nach folgender Gleichung
mit r_a = const. und r_i = const.

1: Verdrängerpumpe
2: Pumpenwelle
3: freies Ende
4: Rotor
5: Kurvenring
6: Seitenwand
7: Seitenwand
8: Ringraum
9: Trennkörper
10: Umlaufrichtung
11: Arbeitskammern
12: Innenkontur
13: Drehachse
14: saugseitige Versorgungsöffnung
15: druckseitige Versorgungsöffnung
16: saugseitiger Versorgungskanal
17: druckseitiger Versorgungskanal
18: Blindkanal
19: Öffnung
20
21: Hinterflügelversorgungskanäle
22: radial äußere Grenze des Ringraums
b: mittlere Breite
r_m: mittlerer Radius
r_a: äußerer Radius
r_i: innerer Radius
M: Mittelpunkt des Ringraums

Claims

Verdrängerpumpe mit einem Rotor (4), bei der die maximale Betriebswinkelgeschwindigkeit ω_max des Rotors (4) mindestens 838 1/s beträgt, mit einem den Rotor (4) umschließenden Kurvenring (5), mit den Rotor (4) und den Kurvenring (5) abdeckenden Seitenwänden (6, 7), mit einem von dem Rotor (4), dem Kurvenring (5) und den Seitenwänden (6, 7) begrenzten Ringraum (8), mit Trennkörpern (9), die vom Rotor (4) getragen sind und den Ringraum (8) in Umlaufrichtung aufeinander folgende, über dem Umlauf des Rotors volumenveränderliche Arbeitskammern (11) aufteilt, mit mindestens einer dem Ringraum (8) zugeordneten, von den Trennkörpern (9) überstrichenen saugseitigen Versorgungsöffnung (14), mit mindestens einer dem Ringraum (8) zugeordneten, von den Trennkörpern (9) überstrichenen druckseitigen Versorgungsöffnung (15), die in Umlaufrichtung des Rotors (4) mit Abstand zur saugseitigen Versorgungsöffnung (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Breite b der saugseitigen Versorgungsöffnung der Beziehung
genügt, wobei r_m der mittlere Radius der saugseitigen Versorgungsöffnung ist und die Konstante konst. einen Maximalwert von konst. = 9 m/s nicht überschreitet.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Betriebsdrehzahl n_max mindestens 10.000 U/min, insbesondere mindestens 12.000 U/min beträgt.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Konstante konst. maximal 8 m/s, vorzugsweise maximal 7 m/s, insbesondere maximal 6 m/s beträgt.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus effektiver Breite b und dem mittleren Radius r_m über den größten Teil der Umfangserstreckung der saugseitigen Versorgungsöffnung (14) zumindest näherungsweise konstant ist.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite des saugseitigen Versorgungskanals (16) in Richtung saugseitiger Versorgungsöffnung (14), insbesondere monoton, abnimmt.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des saugseitigen Versorgungskanals (16) in Richtung saugseitiger Versorgungsöffnung (14), vorzugsweise linear, abnimmt.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der saugseitigen Versorgungsöffnung (14) gegenüberliegenden Seite des Ringraums (8) eine, insbesondere nierenförmige, Öffnung (19) eines Blindkanal (18) vorgesehen ist.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der saugseitigen Versorgungsöffnung (14) gegenüberliegenden Seite des Ringraums (8) eine zweite saugseitige Versorgungsöffnung vorgesehen ist.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Breite b der zweiten saugseitigen Versorgungsöffnung der Beziehung
genügt.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite saugseitige Versorgungsöffnung spiegelsymmetrisch zu der ersten saugseitigen Versorgungsöffnung (14) ausgebildet und/oder angeordnet ist.
Verdrängerpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung geringfügig kürzer ausgeführt ist.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der saugseitigen Versorgungskanals (16), insbe sondere im Bereich der saugseitigen Versorgungsöffnung (14), mindestens eine radial verlaufende Versteifung vorgesehen ist.
Verdrängerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die saugseitige Versorgungsöffnung (14) nierenförmig ausgebildet ist.