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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spülanordnung für Tribokontaktflächen zu deren Kühlung und Schmierung und insbesondere eine Flügelzellenpumpe mit verstellbarem Hubring, der mit einer erfindungsgemäßen Spülanordnung versehen ist.
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Die Tribologie untersucht prinzipiell Reibung, Schmierung und Verschleiß von Lagern, Führungen, Getrieben, Motoren und anderen Maschinenelementen. Neben der Entwicklung geeigneter Schmierstoffe stehen Fragen der Werkstoffauswahl, der Oberflächenbeschichtung und der Oberflächentopografie im Vordergrund aktueller Entwicklungen. Neben den maschinenbaulichen Fragestellungen gibt es zahlreiche weitere Gebiete, bei denen Reibung und Verschleiß von großer Bedeutung sind beispielsweise in der Endoprothetik.
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Bei Hydromaschinen wie beispielsweise bei Flügelzellenpumpen, aber auch bei anderen Maschinen mit im Reibkontakt befindlichen Bauteilen besteht das grundsätzliche Problem adhäsiven Verschleißes und daraus resultierendem abrasivem Verschleiß an sogenannten Tribokontaktstellen, insbesondere dann, wenn diese Kontaktstellen/Flächen normalkraftbeaufschlagt sind und sich lediglich, zumindest über einen gewissen Zeitraum, nur mikroskopisch, also nur ganz wenig gegeneinander bewegen. Es findet an der Kontaktstelle quasi ein Trockenlauf statt, bei welchem der Tribopartner „Fluid” kaum oder gar nicht vorhanden ist. Im Ergebnis tritt Überhitzung der Flächen, Verkokung des ggf. vorhandenen Restfluids, Passungsrost und nicht zuletzt adhäsiver vorzeitiger Verschleiß auf. Adhäsiver Verschleiß kann auch bei Makrobewegungen auftreten, wobei sehr viel Reibwärme entsteht.
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Als ein anwenderbezogenes Beispiel sei an dieser Stelle eine Pumpeneinheit mit einer Hauptpumpe sowie einer in ihrem Fördervolumen verstellbare und als Flügelzellenpumpe ausgebildete Ladepumpe genannt, wie sie unter anderem aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der
DE 10 2007 032 103 A1 bekannt ist.
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Diese Pumpeneinheit umfasst eine Axialkolbenpumpe als die Hauptpumpe, über deren Antriebswelle auch die Flügelzellenpumpe angetrieben wird. Der Rotor der Flügelzellenpumpe sitzt dabei drehfest direkt auf der verlängerten Antriebswelle der Hauptpumpe. Beide Pumpen sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Alternativ kann die Flügelzellenpumpe auch eine eigene Antriebswelle aufweisen, die mit der Antriebswelle der Hauptpumpe zum Beispiel über eine Buchse gekoppelt ist.
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In den Rotor der Flügelzellenpumpe ist eine Anzahl von im Wesentlichen in parallel zu Achse des Rotors verlaufenden Axialebenen liegenden Schlitzen eingebracht. Jeder Schlitz nimmt einen radial beweglichen Pumpenflügel auf, der sich infolge der bei Drehung des Rotors auftretenden Fliehkraft und einer fallweise zusätzlich vorhandenen Zwangsführung dichtend gegen die Innenwand eines Hubrings anlegt und an diesem entlanggleitet. Der Hubring ist hinsichtlich seiner relativen Lage bezüglich der Rotationsachse des Rotors mit den Pumpenflügeln in Radialrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert, um so das Maß der Exzentrizität der Innenwand des Hubrings zur Rotationsachse und damit das Hubvolumen der Flügelzellenpumpe zu verändern. Gemäß der
DE 10 2007 032 103 A1 ist der Hubring außen an einander diametral gegenüberliegenden parallelen Lagerflächen an entsprechenden Gegenflächen des Gehäuses verschiebbar gelagert. Die Verstellung geschieht in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck der Flügelzellenpumpe, wobei der Druck an einer durch den Abstand der beiden Lagerflächen und die axiale Erstreckung des Hubrings bestimmten Wirkfläche am Hubring angreift und gegen eine Feder wirkt.
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Bei der bekannten Flügelzellenpumpe ist das Verhältnis zwischen Führungslänge und Führungsbreite des Hubrings im Pumpengehäuse nicht sehr günstig. Je kleiner diese Verhältnis ist, desto größer ist die Gefahr des Verklemmens. Dies hängt mit der Hebellänge zusammen, die Reibkräften zur Verfügung steht.
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Angesichts dieser Sachlage ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, generell sogenannte Tribo-Kontaktstellen so zu gestalten, dass die Reibkräfte gering gehalten werden. Insbesondere soll eine Vergrößerung der Reibkräfte während des Betriebs aufgrund von adhäsivem und abrasivem Verschleiß aufweisen sowie aufgrund übermäßigen Wärmeeintrags gering gehalten werden. Ein besonderes Ziel der Erfindung ist es, bei einer Flügelzellenpumpe die Tribo-Kontakstellen eines Hubrings und seines Gleitpartners so zu verbessern, dass die Reibkräfte und damit die Gefahr eines Klemmens des Hubrings gering gehalten werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spülanordnung für Tribokontaktflächen insbesondere am Hubring einer Flügelzellenpumpe und dessen Gleitpartnern gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung sieht demzufolge eine Spülanordnung von Tribokontaktflächen vor, bestehend aus zwei aneinander abgleitenden Tribokontaktflächen, wobei in zumindest einer der Tribokontaktflächen eine Anzahl von Nuten oder Nutabschnitten ausgebildet ist. Erfindungsgemäß bildet die Oberflächenkontur eine Anzahl von langgestreckten Nuten oder Nutabschnitten aus, deren Spalthöhen bezüglich jeweils zweier benachbarter Nuten vorzugsweise unterschiedlich sind. Alternativ oder zusätzlich können sich die Nuten in Labyrinthform erstrecken, wobei die Generalausrichtung der Nuten jedoch grundsätzlich in Bewegungsrichtung der oberflächenstrukturierten Kontaktfläche verlaufen sollte.
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Besonders zweckmäßig erscheint eine Ausführung, bei der Nuten zwischen den unterschiedlichen Druckpotentialen in Zick-Zack- oder Wellenform verlaufen. Dabei sind die in einem Winkel zur Bewegungsrichtung verlaufenden Nutabschnitte besonders hilfreich, da bei einer Verstellbewegung Fluid aus den Nuten in zwischen die Kontaktbereiche der Tribokontaktflächen eingeschleppt wird. Vorzugsweise alterniert dabei die Nuttiefe von Nut zu Nut.
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Durch die Nuten, die als Spalte wirken, werden zumindest zwei unterschiedliche Schmiermittel-Druckpotentiale, die in Bewegungsrichtung der Tribokontaktflächen voneinander beabstandet sind, miteinander verbunden. Dadurch entsteht längs der Tribokontaktflächen eine Druckdifferenz bzw. Druckgefälle. Dieser Effekt kann nunmehr ausgenutzt werden, indem die Nuten derart ausgeführt und/oder ausgerichtet sind, dass das Druckgefälle quasi ein Überspringen des Schmiermittels über die zwischen den Nuten sich ausbildenden Trennstege bewirkt, wodurch an den Stegoberflächen (Aufstandsflächenabschnitte zur gegenüberliegenden Kontaktfläche) anhaftende abrasive Partikel sowie Schmutzpartikel aus dem Fluid abgespült und außerdem die Stege gekühlt und geschmiert werden. Bezüglich der Ausführung und/oder Ausrichtung der Nuten werden mehrere Möglichkeiten vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination miteinander angewandt werden können:
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1. Unterschiedliche Spalthöhen jeweils benachbarter (aneinander grenzender) Nuten
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Der Durchfluss durch die Spalte ist proportional zur 3. Potenz der jeweiligen Spalthöhe. Hingegen ist der Nutenquerschnitt lediglich proportional zur 1. Potenz der Spalthöhe. Aus diesem Grund ist der Quotient aus Durchfluss zu Nutenquerschnitt (also die Schmiermittel-Geschwindigkeit) zur jeweils benachbarten Nut sehr unterschiedlich. Der statische Druck des ruhenden Schmiermittels (Flüssigkeit) am höheren Druckpotential reduziert sich in den Nuten um den dynamischen Druckanteil, der wiederum proportional zur 2. Potenz der zuvor definierten Schmiermittel-Geschwindigkeit ist. Es resultieren demnach erhebliche statische Druckdifferenzen zur jeweils benachbarten Nut.
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Die Trenn- bzw. Dichtstege zwischen den jeweils benachbarten Nuten werden folglich durch die von den Druckdifferenzen zwischen benachbarten Nuten ausgelösten Volumenströmen überströmt und somit geschmiert, gekühlt und auch gereinigt. Hierdurch wird sowohl der primäre adhäsive als auch der sekundäre abrasive Verschleiß (unter anderem auch durch das Ausschwemmen von Schmutzpartikeln oder Abbauprodukten des Schmiermittels (z. B. Verkokungen, etc.)) vermieden oder zumindest verbessert.
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Die Tiefe der Nuten sowie die Tiefendifferenz richten sich nach den Anforderungen an die volumetrischen Verluste und an die Kühlung/Schmierung in Abhängigkeit des Energieeintrags und der Neigung zum Trockenlauf.
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2. Verringerung der Nutenabstände auf ein Minimum in Abhängigkeit der maximal zulässigen Flächenpressung
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Vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl von Nuten bis zu einem Grenzwert (resultierend aus einem nicht überschreitbaren Flächenpressungswert) gesteigert wird, um die Schmierung/Kühlung gleichmäßig sowie fein verteilt zu installieren. Zudem wird über die hieraus resultierenden dünnen Dichtstege/Rippen zwischen den Nuten mehr Schmiermittel zur Kühlung/Schmierung fließen (auslecken).
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3. Nutenverlauf zumindest abschnittsweise quer zur Bewegungsrichtung
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Verlauf der Nuten nicht bzw. nicht überall in Bewegungsrichtung der Tribokontaktflächen ausgerichtet ist (obgleich dies prinzipiell natürlich auch möglich ist). So können die Nuten eine Wellenform, Zick-Zack-Form, Diagonalerstreckung, etc. aufweisen. Hierdurch wird allein schon durch die Relativbewegung Schmiermittel über die Tragstege hinweg gefördert und darüber hinaus wird der Gegenlaufpartner (d. h. die gegenüberliegende Kontaktfläche) nicht ständig an derselben Stelle überdeckt. Auch tritt hier eine geringe Überströmung über den Steg von einem Nutabschnitt zu einem folgenden Nutabschnitt derselben Nut auf, da zwischen aufeinanderfolgenden Nutabschnitten derselben Nut aufgrund des Druckgefälles über die gesamte Länge der Nut ein Druckgefälle herrscht.
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4. Nutenverlauf in Labyrinthform
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Bei dieser Verlaufsvariante der Nuten resultiert allein durch den Druckabfall beim jeweiligen Durchfließen der Nut eine Druckdifferenz bzw. ein Druckgefälle längs jedes Nutabschnitts infolge des durch die Nut bewirkten hydraulischen Widerstands. Da hierdurch Nutenabschnitte unterschiedlicher Druckniveaus jeweils aneinander grenzen, kommt es zu der vorstehend genannten Überströmung der Tragstege zwischen den aneinander grenzenden Nutenabschnitten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Ansicht in axialer Richtung auf den sich in einem Gehäuse befindlichen Hubring einer Flügelzellenpumpe, dessen Lagerflächen (Tribokontaktflächen) zur Spülung erfindungsgemäß mit Nuten versehen sind,
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2 eine Draufsicht auf eine Tribokontaktfläche mit einem Oberflächenprofil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Draufsicht auf eine Tribokontaktfläche mit einem ein Oberflächenprofil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Draufsicht auf eine Tribokontaktfläche mit einem ein Oberflächenprofil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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5 zeigt eine bevorzugte Querschnittsform für Nuten, welche an der Tribokontaktfläche gemäß der 2 bis 4 ausgeformt sind, und
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6 den Hubring aus 1 mit Sichtbarkeit einer der beiden Lagerflächen.
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Gemäß 1 sind zwei an gegenüberliegenden Seiten eines Hubrings 6 einer Flügelzellenpumpe sowie einer länglichen Ausnehmung 12 eines Gehäuses 10, in der sich der Hubring befindet, zueinander korrespondierender Führungsbereiche 8 und 9 am Hubring und Führungsbereiche 14 und 15 am Gehäuse vorhanden. Das Gehäuse 10 hat einen Saugkanal 21, der in eine Saugniere 22 mündet, und einen Druckkanal 23, der von einer Druckniere 24 ausgeht. Die Führungsbereiche 8 und 9 am Hubring werden durch am Außenumfang befindliche Lagerflächen (Tribokontaktflächen) gebildet, die parallel zueinander sowie parallel zu einer Verschiebachse 16 des Hubrings 6 verlaufen und sich in derselben Richtung wie die beiden Nieren 22 und 24 einander diametral gegenüberliegen. Entsprechend sind die Führungsbereiche 14 und 15 am Gehäuse Lagerflächen (Tribokontaktflächen), wobei diese Lagerflächen in Richtung der Verschiebeachse eine größere Erstreckung als die Lagerflächen am Hubring haben, so dass die Lagerflächen des Hubrings im voll aufliegen. Um das Fördervolumen der Flügelzellenpumpe zu verstellen, wird auf den Hubring 6 eine radial von außen angelegte Kraft in Richtung der Verschiebeachse 16 aufgebracht, wodurch sich der Abstand der Achse des Hubrings 6 zur Achse 18 des in 1 nicht sichtbaren Rotors der Flügelzellenpumpe verändert. Bei einer Verstellung gleiten die Lagerflächen 8 und 9 des Hubrings 6 an den sich gegenüberliegenden Führungsbereichen 14 und 15 am Gehäuse 10 entlang. Stärker belastet sind dabei die Lagerflächen 9 und 15, da sich diese außerhalb der Druckniere 24 befindet und der Hubring 6 im Bereich der Druckniere 24 von innen mit dem Pumpendruck beaufschlagt ist.
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Gemäß der 2 hat ganz allgemein eine Tribokontaktfläche, die im Ausführungsbeispiel nach 1 die Lagerfläche 9 sei, eine Anzahl von parallel beabstandeten Nuten 2, die sich grundsätzlich längs einer vorgesehenen Bewegungsrichtung der Tribokontaktfläche 9 erstrecken. Zwischen den Nuten 2 bilden sich Trag- oder Dichtstege 4, die an ihrer freien oberen Kante eine Auflagefläche(-Linie) definieren, welche mit einem in 1 nicht weiter gezeigten Gegenlaufpartner (gegenüberliegende Tribokontaktfläche) in Gleitkontakt stehen. Zur Verminderung der Reibung zwischen den Kontaktflächen ist ein vorzugsweise flüssiges Schmiermittel, beispielsweise ein Öl vorgesehen, das auf die Kontaktflächen aufgetragen oder in diese eingepresst wird.
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Dabei sei davon ausgegangen, dass in Bewegungsrichtung der Tribokontaktfläche 9 gesehen an der einen Seite der Tribokontaktfläche 9 das Schmiermittel unter höherem Druck steht als auf der anderen Seite der Tribokontaktfläche 9. In Bewegungsrichtung herrscht über die Tribokontaktfläche hinweg also ein Druckgefälle.
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Gemäß der 2 sind die Nuten 2 in einer solchen Längserstreckungsform ausgebildet, dass sich Nutenabschnitte ergeben, die sich quer bzw. unter einem Winkel zur Bewegungsrichtung erstrecken. Im Konkreten weisen die Nuten gemäß der 1 eine Zick-Zack-Form längs der Bewegungsrichtung auf.
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Durch diese Formgebung grenzen Nutenabschnitte zweier unmittelbar benachbarter Nuten 2 aneinander, die in Bewegungsrichtung gesehen hintereinander liegen und damit unterschiedliche partielle Druckniveaus aufweisen. Diese unterschiedlichen Druckniveaus bewirken ein Überströmen der die Nuten 2 trennenden Dichtstege 4, wodurch daran anhaftende Partikel abgespült und die Aufstandsflächen geschmiert und gekühlt werden. Ein Überströmen findet dabei zwischen benachbarten Nuten, aber auch zwischen in Richtung vom höheren zum niedrigeren Druckpotential hintereinander liegenden und im Winkel zueinander verlaufenden Nutabschnitten derselben Nut statt, da zwischen diesen Nutabschnitten ein Druckgefälle besteht.
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Vorzugsweise sind unmittelbar benachbarte Nuten 2 mit zueinander unterschiedlicher Nutentiefe ausgeformt. In der einfachsten Variante sind zwei unterschiedliche Tiefenwerte vorgesehen, die sich alternierend auf die jeweils benachbarten Nuten verteilen und vorzugsweise über die gesamte Nutenlänge im Wesentlichen konstant sind. Dabei sei aber auch darauf hingewiesen, dass sich die jeweiligen Nutentiefen längs der Nut verändern (beispielsweise zu- oder abnehmen) kann.
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Bei der Ausführungsform nach 3 sind die Nuten 2 gerade sowie parallel zueinander längs der vorgesehenen Bewegungsrichtung der jeweiligen Tribokontaktfläche 9 ausgebildet. Da sich in diesem Fall das Druckgefälle längs der Kontaktfläche 9 in allen Nuten 2 gleichmäßig ausbildet, ergibt sich zunächst keine Druckdifferenz zwischen zwei Nuten 2 (90°) quer zur Bewegungsrichtung. In diesem Fall sind jedoch die jeweils benachbarten Nuten 2 notwendiger Weise mit zueinander unterschiedlichen Nutentiefen entsprechend der optionalen Ausbildung gemäß 1 ausgebildet, wodurch sich jeweils eine Druckdifferenz in (90°) Querrichtung zur Bewegungsrichtung lokal einstellt. Der Effekt ist der Gleiche wie im ersten Ausführungsbeispiel.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 zeigt die Kontur der der Tribokontaktfläche 9 ein Labyrinthprofil bestehend aus einer Nut 2, die sich vorliegend unter Ausbildung von rechtwinkligen Abbiegungen parallel zueinander verlaufenden Abschnitten über die Tribokontaktfläche 9 erstreckt. Demnach ergeben sich vergleichbar zum ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Bewegungsrichtung gesehen unmittelbar hintereinander zu liegen kommende Nutabschnitte bei einer jeweils unterschiedlichen Abschnittslänge bis zum bezüglich der Tribokontaktfläche 9 vorderen Bereich mit höherem Druckpotential. Eine Druckdifferenz zwischen verschiedenen Nutabschnitten besteht allerdings, weil die Nutabschnitte von den Seiten mit höherem und niedrigerem Druckpotential unterschiedlich weit entfernt sind. Ein Druckgefälle ergibt zwischen benachbarten Nutabschnitten ergibt sich auch in Folge der unterschiedlichen Länge benachbarter Nutabschnitte und damit unterschiedlicher Spaltlängen. Ein Überströmen von Spülfluid (Schmierfluid) findet also sowohl zwischen den senkrecht als auch zwischen den parallel zur Bewegungsrichtung verlaufenden Nutabschnitten statt.
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Infolge dessen sind in Bewegungsrichtung gesehen unmittelbar hintereinander liegende benachbarte Nutenabschnitte mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagt, sodass der gleiche Effekt erzielbar ist, wie er bereits vorstehend anhand des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist. Darüber hinaus können im Fall von mehreren Nuten diese mit unterschiedlichen Nutentiefen ausgeformt sein.
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Diesbezüglich sei an dieser Stelle auf die 5 hingewiesen, in der zwei unmittelbar benachbarte Nuten gemäß vorstehender Beschreibung im Querschnitt dargestellt sind. Wie hieraus zu entnehmen ist, sind beide Nuten im Teilkreisprofil ausgeführt, wobei beide Teilkreise den gleichen Radius aufzeigen. Indessen ist der Teilkreisausschnitt der einen Nut größer als der Teilkreisausschnitt der unmittelbar benachbarten Nut. Dies führt dazu, dass die Nutentiefe und in diesem Fall auch die Nutenbreite der beiden Nuten unterschiedlich zueinander sind. Dabei beträgt die Tiefe der tieferen Nut 0,15 mm und die Tiefe der weniger tiefen Nut 0,10 mm. Die Tiefe der einen Nut beträgt also nur 2/3 der anderen Nut. Im Durchflussquerschnitt unterscheiden sich die Nuten um den Faktor 3 bis 5.
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Alternativ hierzu ist es natürlich auch möglich, die Nuten mit unterschiedlichen Radien oder sogar mit unterschiedlichen Querschnittsformen auszubilden, wobei letztes gegebenenfalls zu unterschiedlichen hydraulischen Widerständen der Nutenformen führt.
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Schließlich ist in 6 ein bloßer Hubring 6 als eine praktische Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Spülanordnung gezeigt, wie er insbesondere in Flügelzellenpumpen beispielsweise gemäß der 1 eingesetzt ist. An den zwei sich diametral gegenüberliegende Abflachungen 8 und 9 ist der Hubring zwischen den Lagerflächen 14 und 15 des Gehäuses 10 (siehe 1) geführt. Die beiden Abflachungen stellen zwei Tribokontaktflächen dar. Die Abflachung 9, also die Abflachung im Druckbereich ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 ausgebildet. Natürlich sind auch Ausbildungen gemäß 3 oder 4 möglich. Ebenso kann auch die Abflachung 8 mit einer Spülanordnung zur Verbesserung der Kühlung und Schmierung versehen sein.
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Gemäß 6 sind die Lagerflächen am Hubring mit der Spülanordnung gemäß einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele ausgestattet. Es kann aber grundsätzlich auch der Gegenlaufpartner auf Seiten des Pumpengehäuses ausschließlich oder in Kombination mit dem Hubring 6 eine Spülanordnung gemäß der Erfindung aufweisen.
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Die Profilierung in einer Tribokontaktfläche kann durch Prägen, Pressen, Zerspanen oder auch durch Lasern eingebracht werden. Die Tiefe der Profilierung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,20 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007032103 A1 [0004, 0006]
