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Die Erfindung bezieht sich auf eine Membranpumpe mit wenigstens zwei um einen zentralen Exzenter-Pumpenantrieb herum angeordneten Pumpenköpfen, wobei die Membranen über Pleueln mit dem Exzenter-Pumpenantrieb in Antriebsverbindung stehen, und wobei der Exzenter-Pumpenantrieb einen Pleuelring aufweist, mit dem die Pleuelenden über elastische Zwischenelemente verbunden sind.
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Solche Membranpumpen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Dabei werden mit einem Exzenter und jeweils einem Pleuel alle Membranen der Pumpenköpfen hin und her bewegt. Die Membranzentren liegen alle in der gleichen Ebene, so dass solche Pumpen eine kompakte Bauform haben. Die inneren Pleuel-Enden sind gelenkig mit dem Exzenterantrieb verbunden, wobei im Bereich des Gelenks eine Schwenkbewegung der Pleuel auftritt. Dieses Gelenk ist Druck- und Zugbelastungen ausgesetzt sowie auch Biegebelastungen durch die Schwenkbewegungen der Pleuel. In der Folge können verschleißbedingt erhöhte Laufgeräusche auftreten und außerdem wirkt sich dies auf die Lebensdauer nachteilig aus.
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Aus der
DE 44 33 068 C2 ist eine Membranpumpe mit zumindest zwei Membranbereichen bekannt, die über eine Pleuelvorrichtung miteinander verbunden sind. Die Pleuelvorrichtung hat in ihrem Mittelbereich eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Exzenter-Lagers für den Antrieb der Membranpumpe. An den Membranen sind sogenannte Schubbereiche angeordnet, wobei die Schubbereiche über jeweils einen Scharnierbereich mit dem Mittelbereich verbunden sind. Der Scharnierbereich ist derart angeordnet, dass bei einer Auslenkung des Schubbereichs gegenüber dem Mittelbereich eine Rückstellkraft in dem Scharnierbereich erzeugt wird. Der Scharnierbereich kann dabei aus einem elastischen Material bestehen. Die Pleuelvorrichtung ist aber bevorzugt einteilig aus einem Kunststoff hergestellt, wobei der Scharnierbereich durch einen Steg oder eine Einschnürung gebildet ist. Der Steg ist dabei permanent Biegekräften ausgesetzt, weshalb eine Materialermüdung auftreten kann, die zur Zerstörung der Pleuelvorrichtung führen kann. Der dünne Steg bewirkt zudem, dass nur geringe Kräfte übertragen werden können, so dass der maximal mögliche Pumpendruck dadurch begrenzt ist.
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Aus der
WO 92/18769 A1 ist eine Membranpumpe bekannt, die eine drehbare Antriebswelle aufweist. Auf der Antriebswelle ist ein Exzenter angeordnet, auf dem ein Nadellager und darüber eine Hülse angeordnet sind. Auf der Hülse sitzt koaxial ein Teil aus elastisch verformbarem oder unelastischem Material, welches um die Hülse herum angepasst ist und an dem die Pleuel befestigt sind. Die Pleuel dienen als Antrieb für die einzelnen Membranen. Der Exzenter überträgt dabei die Drehbewegung der Antriebswelle in eine radiale Bewegung der Pleuel und damit der Membranen. Sofern das die Hülse umgreifende Teil aus elastisch verformbarem Material hergestellt ist, sind in diesem Teil Öffnungen vorgesehen, in die jeweils ein stabförmiges Teil des Pleuels eingeführt ist. Das elastische Teil umgibt die Hülse also vollständig und stellt die Verbindung zwischen den Pleueln und der Hülse her. Sofern das die Öffnungen für die Pleuel tragende Teil aus unelastischem Material hergestellt ist, ist am stabförmigen Teil der Pleuel jeweils ein Flansch vorgesehen, der in der Öffnung gehalten wird. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen dem Flansch und der die Öffnung umgrenzenden Wandung beidseits jeweils ein elastischer Ring angeordnet ist.
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Die aus
WO 92/18769 A1 vorbekannten Ausführungen sind jedoch kaum ausreichend belastbar. Ist das die Hülse umgreifende Teil vollständig aus elastischem Material hergestellt, wird das elastische Material während der seitlichen Auslenkbewegungen der Pleuel derart nachgiebig, dass eine baldige Ermüdung des elastischen Materials befürchtet werden muss. Sind demgegenüber zwischen dem am Pleuel vorstehenden Flansch und der die Öffnung umgrenzenden Wandung beidseits elastische Ringe vorgesehen, werden diese elastischen Ringe entlang den linienförmigen Kontaktflächen derart überbelastet, dass das elastische Material dieser Ringe ebenfalls nicht lange standhalten kann.
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Aus der
DE 696 16 648 T2 ist eine Membranpumpe mit mehreren Pumpkammern bekannt, die jeweils auf einer Seite durch eine Membran begrenzt sind. Die Pumpe weist weiterhin eine Kurbelwelle auf und Mittel zum Verbinden der Kurbelwelle mit den Membranen, wobei die Kurbelwelle einen Exzenter hat, der die Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung der Membranen übersetzt. Das Verbindungsmittel zwischen Kurbelwelle und Membran ist dabei als einheitliches Kunststoffteil ausgebildet, das eine auf dem Exzenter laufende Nabe hat, welche mehrere Köpfe aufweist, die jeweils mit einer Membran verbunden sind und welche mehrere Verknüpfungselemente hat, die die Köpfe mit der Nabe verbinden. Die Verknüpfungselemente sind dabei flexibel ausgebildet, um eine Gelenkbewegung zu ermöglichen. Bei der aus
DE 696 16 648 T2 vorbekannten Membranpumpe ist zwar die Teilezahl aufgrund des einstückigen Kunststoffformteiles reduziert –, jedoch bietet dieses Kunststoffformteil hinsichtlich der unterschiedlichen Anforderungen in den verschiedenen Bereichen zwischen Exzenter-Pumpenantrieb einerseits und den Pumpenköpfen andererseits lediglich einen Kompromiss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Membranpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei kompakten Abmessungen mit weniger Bauteilen kostengünstiger herstellen lässt, eine geringe Geräuschemission auch nach längerer Betriebszeit hat und die eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Pleuelring außenseitig randoffene Ausnehmung jeweils zur zumindest teilweisen Aufnahme des jeweils mit dem einen Zwischenelement verbundenen Pleuelendes aufweist, dass das Zwischenelement jeweils eine Zwischenschicht zwischen der Ausnehmungswandung und dem Pleuelende bildet, und dass der Federweg des elastischen Zwischenelements in axialer Richtung der Pleuel im Vergleich zum Federweg quer zur Längserstreckung der Pleuel kleiner ist.
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Durch diese elastische Verbindung zwischen Pleuel und Exzenterantrieb ist einerseits auf einfache Weise die erforderliche Gelenkfunktion gegeben und darüber hinaus wird eine Körperschall-Übertragung zwischen dem Antrieb und den Pleueln gedämpft und damit eine Schallausbreitung einerseits über die Membranen und die Pumpenköpfe verhindert, andererseits aber auch über den Exzenter, die Welle, die Lagerung und das Gehäuse.
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Das elastische Zwischenelement bildet praktisch ein Elastomergelenk und ist auf Dauer spielfrei und trägt so ebenfalls dazu bei, dass die Pumpe auch nach langer Betriebszeit keine störende Geräuschentwicklung produziert und wartungsfrei ist.
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Von besonderer Bedeutung ist, dass der Federweg des elastischen Zwischenelements in axialer Richtung der Pleuel beziehungsweise in radialer Richtung zum Pleuelring vergleichsweise gering ist und in etwa radialer Richtung der Pleuel beziehungsweise tangential zum Pleuelring entsprechend der auftretenden Seitenauslenkung durch die Schwenkbewegung der Pleuel dimensioniert ist.
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Durch die geringe, elastische Nachgiebigkeit des Zwischenelements in axialer Richtung des Pleuels wird der Exzenterhub trotz der auftretenden Kräfte auf das Pleuel exakt auf das Pleuel übertragen. Durch die hohe Steifigkeit des Zwischenelements in axialer Richtung ist die Membranpumpe auch für hohe Pumpdrücke geeignet.
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Die Federsteife des Zwischenelements in axialer Pleuel-Richtung ist also groß und damit der Federweg entsprechend klein. Für eine hohe Federsteife des Zwischenelements in axialer Pleuel-Richtung kann die axiale Erstreckung der Zwischenelemente klein sein.
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Dagegen ist die Federsteife in radialer Richtung des Pleuels beziehungsweise in tangentialer Richtung zum Pleuelring vergleichsweise klein und somit der Federweg und die elastische Nachgiebigkeit entsprechend groß.
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Dadurch werden die aufgrund der Kippbewegung des Pleuels entstehenden radialen Membrankräfte klein gehalten und somit die ansonsten durch ihre Pumpaufgabe gegebenenfalls hoch belastete Membrane nur noch mit geringen radialen Membrankräften beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Pleuelring außenseitig randoffene Ausnehmungen jeweils zur zumindest teilweisen Aufnahme des mit einem Zwischenelement verbundenen Pleuelendes aufweist.
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Dadurch ist eine besonders sichere und haltbare Verbindung zwischen dem Pleuelring und den Pleueln möglich und außerdem ist dadurch die genaue Position der jeweiligen Verbindungsstelle vorgegeben. Dabei sind die Ausnehmungen einerseits und die Pleuelenden andererseits so dimensioniert, dass ein genügender Freiraum dazwischen für das elastische Zwischenelement und die vorbeschriebene Gelenkfunktion gegeben ist.
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Das Zwischenelement bildet dabei eine Zwischenschicht zwischen der Ausnehmungswandung und dem Pleuelendbereich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn elastomere Zwischenelemente durch Vulkanisieren einerseits mit dem jeweiligen Pleuelende und andererseits mit dem Pleuelring verbunden sind. Dadurch ist eine elastische und haltbare Verbindung gegeben. Bei vorhandenen Pleuelring-Ausnehmungen besteht die zum Beispiel vulkanisierte Verbindung mit der Innenwand der Ausnehmungen und dem Endbereich der Pleuel. Im einfachsten Fall, vor allem bei kleinen Pumpen, kann der Pleuelring und die Pleuel direkt mit vulkanisiertem Elastomer verbunden sein.
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Bei beiden Ausführungsformen bilden der Pleuelring und die damit elastisch verbundenen Pleuel eine Baueinheit.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Membranpumpe vier um den zentralen Exzenter-Pumpenantrieb herum angeordnete Pumpenköpfe auf. Dabei sind die Pleuel. aller Pumpenköpfe in einer Ebene angeordnet.
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Somit liegen die Membranzentren alle in der gleichen Ebene, so dass die Pumpe kompakt ist und sich mit weniger Bauteilen kostengünstig herstellen lässt.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt in zum Teil schematisierter Darstellung:
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1 eine Membranpumpe mit vier Pumpenköpfen und einem zentralen Exzenter-Pumpenantrieb in Querschnittsdarstellung,
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2 eine etwas schematisierte Darstellung einer vierköpfigen Membranpumpe
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3 einen Pleuelring mit außenseitig randoffenen Ausnehmungen für Zwischenelemente und Pleuelenden beziehungsweise Anschlussteile,
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4 eine vergrößerte Detailansicht im Bereich einer Ausnehmung im Pleuelring zur Aufnahme eines Zwischenelementes und eines Pleuelendes und
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5 eine schematische Darstellung einer vierköpfigen Membranpumpe mit der Verschaltung der Saugleitungen und Druckleitungen.
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Eine in 1 gezeigte Membranpumpe 1 ist im Querschnitt dargestellt und weist vier um einen zentralen Exzenter-Pumpenantrieb 2 herum angeordnete Pumpenköpfe 3 auf. Die Membranen 4 stehen jeweils über Pleueln 5 mit dem Exzenter-Pumpenantrieb 2 in Antriebsverbindung.
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Der Exzenter-Pumpenantrieb 2 weist einen Pleuelring 6 auf, in dem ein umlaufender Exzenter 7 angeordnet ist. Der Pleuelring 6 kann vorzugsweise außen rund ausgebildet sein oder eine davon abweichende Außenform haben. Der Aufbau der Membranpumpe ist gut auch in der schematischen Darstellung gemäß 2 erkennbar.
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Bei Rotation des Exzenters 7 wird dessen Exzenterbewegung auf den Pleuelring 6 übertragen, so dass die Pleuel 5 eine Hub- und Pendelbewegung durchführen. Zur Übertragung dieser Antriebsbewegung von dem Pleuelring 6 auf die Pleuel 5 sind Gelenke 8 vorgesehen, die praktisch als Elastomergelenke ausgebildet sind. Dazu sind die Pleuelenden 9 über elastische Zwischenelemente 10 mit dem Pleuelring 6 verbunden.
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Dieses elastische Zwischenelement 10 als Gelenk 8 muss unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Kraftübertragung vom Exzenter-Pumpenantrieb auf die Pleuel 5 beziehungsweise die Membranen 4 erfüllen. Einerseits müssen Schub- und Zugkräfte übertragen werden, andererseits aber auch eine möglichst widerstandsarme Seitenschwenkbewegung möglich sein. Die auftretenden Schub- und Zugkräfte sollen praktisch direkt und spielfrei übertragen werden. Das elastische Zwischenelement soll demnach in dieser Belastungsrichtung eine hohe Federsteifigkeit aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem die axiale Erstreckung der Zwischenelemente 10 vergleichsweise klein ist.
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Um dagegen eine möglichst widerstandsarme Seitenauslenkbarkeit des Pleuels zu erreichen, ist die radiale Erstreckung des elastischen Zwischenelements, also quer zur Längserstreckung der Pleuel 5, vergleichsweise groß.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die radiale Erstreckung der Zwischenelemente 10 dem der sich anschließenden Pleuel 5. Gegebenenfalls können aber die Zwischenelemente 10 auch einen kleineren Durchmesser oder ringförmige Einschnürungen aufweisen, um die Seitenbeweglichkeit zu verbessern.
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Die Pleuel 5 können mit ihren Pleuelenden 9 auf einfache Weise außenseitig am Pleuelring 6 anvulkanisiert sein. Das beidseitig anvulkanisierte Material bildet dabei das Zwischenelement 10. Es besteht auch die Möglichkeit, eine elastische Verbindung zwischen den Pleueln und dem Pleuelring durch Silikonklebstoff oder ein Silikonformteil herzustellen. Die elastischen Zwischenelemente 10 können also aus einem vulkanisierten Elastomer oder aus einem gießbaren Elastomer wie beispielsweise Silikon gebildet sein. Auch thermoplastische Elastomere können für die Zwischenelemente 10 eingesetzt werden.
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In 1 weist der Pleuelring 6 außenseitig randoffene Ausnehmungen 11 jeweils zur zumindest teilweisen Aufnahme des mit einem Zwischenelement 10 verbundenen Pleuelendes 9 auf. Dabei bildet das Zwischenelement 10 eine Zwischenschicht zwischen der Ausnehmungswandung 12 und dem Pleuelende 9. Gut zu erkennen ist hierbei, dass die unterschiedlichen Anforderungen bezüglich der elastischen Nachgiebigkeit in axialer Richtung und bezüglich der Schwenkbeweglichkeit der Pleuel 5 dadurch erreicht wird, dass der axiale Abstand des Pleuelendes 9 von der Innenwand 12 vergleichsweise klein ist und der radiale Abstand des Pleuelendes von der Innenwand vergleichsweise groß ist. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 11 dazu etwa wannenförmig ausgebildet.
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Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Pleuelring 6 in den Anschlussbereichen der Pleuel 5 randoffene Ausnehmungen 11a auf, die im Außenbereich Erweiterungen aufweisen. Auch bei dieser Formgebung lassen sich hohe Druckkräfte übertragen, ohne dass eine störende Einfederung der Pleuelenden erfolgt. Andererseits kann durch die Ausnehmungserweiterungen im Außenbereich die erforderliche Schwenkbewegung der Pleuelenden bei geringem Widerstand erfolgen.
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Auch wenn die Ausnehmungen einen im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Querschnitt haben und die Anformungen 16, wie in 3 gezeigt, beispielsweise einen kugelförmigen Querschnitt aufweisen, und weiterhin diese Anformungen 16 jeweils vollständig oder weitgehend vollständig innerhalb der Ausnehmung liegen, sind im Außenbereich Erweiterungen gebildet, welche die Schwenkbewegung der Pleuelenden erleichtern.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das äußere, membranseitige Pleuelende 9 nicht direkt mit der Membrane verbunden, sondern es ist hier zusätzlich eine Pleuelverlängerung 13 vorgesehen, wobei die Pleuelverlängerung 13 einen Gewindebolzen 15 zum Einschrauben in eine Gewindebohrung 14 des Pleuels 5 hat.
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In 1 ist erkennbar, das die Membranen 4 einen mit dem elastischen Membranteil verbundenen, pilzförmigen Kopf insbesondere aus Metall aufweisen, der jeweils einen Gewindebolzen 15a zum Einschrauben in die Pleuelgewindebohrung 14 oder in eine äußere Gewindebohrung der Pleuelverlängerung 13 hat.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die Pleuelenden 9 in gummielastisches Material eingebettet, das sich in den Ausnehmungen 11 befindet. Auch hier bildet das gummielastische Material das Zwischenelement 10, welches in die Ausnehmungen 10 und an die Pleuelenden 9 anvulkanisiert ist. Als gummielastisches Material kann beispielsweise auch Silikonkleber eingesetzt werden.
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Der Pleuelring 6 ist vorzugsweise als Ringscheibe ausgebildet, wobei die radial nach außen randoffenen Ausnehmungen 11, 11a nutenförmig ausgebildet sind. In Querrichtung können sich die Ausnehmungen 11, 11a über einen Teilbereich der Ringscheibendicke erstrecken oder aber über die gesamte Scheibendicke, so dass sie auch zu den Flachseiten der Pleuelringscheibe offen sind. Die Anformungen 16 können zylindrische Querbolzen mit einer der Scheibendicke entsprechenden oder geringerer Länge sein, so dass eine entsprechend große Abstützfläche zur Verfügung steht.
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Die Anformungen 16 können gegebenenfalls auch als Kugelköpfe ausgebildet sein, die in die dann ebenfalls vorzugsweise kugelförmigen Ausnehmungen 11a eingeklebt oder einvulkanisiert sein können. Zwischen dem Kugelkopf und der Innenwand der Ausnehmung 11a ist das Zwischenelement 10 als elastische Zwischenschicht ausgebildet.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Zwischenelement 10 in die Ausnehmungen 11a einzukleben oder einzuvulkanisieren und eine Einsetzöffnung mit einem Hinterschnitt vorzusehen, so dass die Kugelköpfe oder dergleichen Anformungen eingepresst werden müssen und dann formschlüssig gehalten sind.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 3 können die Ausnehmungen 11a in dem Pleuelring 6 etwa halbkugel- oder halb kugelscheibenförmig und die Anformungen 16 können als Kugelkopf, als runde Scheibe oder als quer angeordneter Zylinder ausgebildet sein, wobei die Ausnehmungen 11a und die Anformungen 16 so dimensioniert sind, dass die Anformung vorzugsweise vollständig in die Ausnehmung passt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die Pleuelenden 9 abgerundet, weisen aber keine Querschnittsvergrößerung auf. Sie greifen jedoch vergleichsweise tief in die elastischen Zwischenelement 10 ein, so dass eine sichere Halterung gegeben ist.
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Insbesondere bei der Ausführungsform nach 4 ist deutlich erkennbar, dass der axiale Abstand a wesentlich kleiner ist als der Seitenabstand, insbesondere der radiale Abstand b, wobei dieser Seitenabstand zum äußeren Ende des Pleuelringes noch wesentlich zunimmt.
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Die dünne Materialschicht in axialer Richtung gibt wesentlich weniger bei Druckbeaufschlagung nach als eine Materialschicht mit wesentlich größerer Dicke. Somit werden die Axialschubkräfte weitgehend ohne Einfederung übertragen, während den Schwenkbewegungen der Pleuel nur ein geringer Widerstand entgegengesetzt wird.
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Gemäß 4 haben die Ausnehmungen 11 in dem Pleuelring 6 eine von einer im Querschnitt teilkreisförmigen Form abweichende Form bei gleichzeitig zylindrischen oder kugelförmigem oder kugelscheibenförmigen Anformungen 16.
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Der axiale Abstand a des Pleuelendes 9 zu dem radialen Abstand b des Pleuelendes jeweils von der Innenwand 12 der Ausnehmung kann sich etwa wie 1:1 bis etwa 1:5 verhalten.
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Auch bei einem Schichtdickenverhältnis von 1:1 wird der Schwenkbewegung noch ein geringerer Widerstand entgegen gesetzt als der axialen Schubbeaufschlagung, da sich trotz gleicher Schichtdicken durch die unterschiedlichen Bewegungen auch unterschiedliche Federwege ergeben.
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In 5 ist noch schematisch dargestellt, dass die Saugleitungen 17 einerseits und die Druckleitungen 18 der Pumpenköpfe 3 andererseits miteinander fluidisch verbunden sind. Mit dem Einsatz von mehreren Arbeitselementen (Membranen 4), die hydraulisch parallel geschaltet sind, aber in der zeitlichen Sequenz versetzt arbeiten, wird eine sowohl saugseitig wie auch druckseitig sehr pulsationsarme Förderung erreicht. Durch den Einsatz mehrerer Pumpenköpfe 3, beispielsweise von vier Pumpenköpfen ist auch das Antriebsmoment nur geringen Schwankungen unterworfen, so dass vergleichsweise kleine Antriebsmotoren für den Exzenter-Pumpenantrieb 2 einsetzbar sind.
