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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Pumpe, insbesondere eine Verdrängerpumpe, mit einer derartigen Antriebsvorrichtung.
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Antriebsvorrichtungen dienen der Übertragung einer Kraft, insbesondere eines Momentes. Dabei weist die Antriebsvorrichtung eine Nabe und eine Welle auf, wobei die Welle in einer Öffnung der Nabe angeordnet ist und eine Außenkontur der Welle zumindest eine Wellenantriebsfläche aufweist, die eine Nabenantriebsfläche einer Innenkontur der Nabe kontaktiert. Die Wellenantriebsfläche und die Nabenantriebsfläche einer konventionellen Antriebsvorrichtung bilden bei einem quer zur Mittelachse der Welle verlaufenden Querschnitt durch die Öffnung zwei ebene Geraden. Eine Rotation der Welle wird nun über die Wellenantriebsfläche auf die Nabenantriebsfläche übertragen, wodurch ein Übertrag der Kraft bzw. des Momentes stattfindet. Die Welle und die Nabe und somit die Wellenantriebsfläche sowie die Nabenantriebsfläche weisen weiter produktions- und montagebedingt Toleranzen auf, die insbesondere zu einer Lücke zwischen der Wellenantriebsfläche und der Nabenantriebsfläche führen. Hierdurch kontaktiert die Wellenantriebsfläche die Nabenantriebsfläche bei einer entsprechenden Rotation der Welle nicht gänzlich. Vielmehr kontaktieren sich Wellenantriebsfläche und Nabenantriebsfläche linienartig in einer Linienkontaktzone, wobei bei der Übertragung der Kraft bzw. des Momentes zwischen der Wellenantriebsfläche und der Nabenantriebsfläche eine hohe mechanische Spannung in dieser Linienkontaktzone entsteht, die zu einer hohen Belastung der Welle und der Nabe führt und zu Beschädigungen und somit einer verkürzten Lebensdauer der Antriebsvorrichtung führen kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine reduzierte Belastung der Antriebsvorrichtung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Wellenantriebsfläche einer Welle einer Antriebsvorrichtung, die in einer Öffnung einer Nabe angeordnet ist, wobei die Wellenantriebsfläche an einer Außenkontur der Welle angeordnet ist und eine Nabenantriebsfläche der Nabe zur Übertragung einer Kraft oder eines Momentes kontaktiert, derart auszubilden, dass die Wellenantriebsfläche zur Nabenantriebsfläche hin konkav ausgebildet ist. Die Wellenantriebsfläche weist also hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche eine negative Krümmung auf. Alternativ oder zusätzlich ist die Nabenantriebsfläche hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche konvex ausgebildet und weist also eine positive Krümmung hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche auf. Dabei weisen vorzugsweise beide zugehörige Antriebsflächen eine derartige Krümmung auf. Die Erfindung nutzt dabei die Kenntnis, dass eine derartige Krümmung der Wellenantriebsfläche bzw. der Nabenantriebsfläche eher zu einem flächenartigen Kontakt zwischen der Wellenantriebsfläche und der Nabenantriebsfläche führt. Die Erfindung nutzt also die Kenntnis, dass ein derartiger flächenartiger Kontakt auch dann erhalten bleibt, wenn die Antriebsvorrichtung, insbesondere durch produktions- und montagebedingte Toleranzen, eine Lücke zwischen der Wellenantriebsfläche und der Nabenantriebsfläche aufweist.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Welleantriebsfläche der Welle eine hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche konkave Form auf. Die Wellenantriebsfläche ist also derart ausgebildet, dass sie hin zur Nabenantriebsfläche eine negative Krümmung aufweist. Dabei ist die negative Krümmung bzw. die konkave Ausbildung der Wellenantriebsfläche bezüglich eines Querschnitts definiert, der von einer Mittelachse der Welle senkrecht durchsetzt wird. Die konkave Ausbildung der Wellenantriebsfläche hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche verläuft also senkrecht zur Mittelachse der Welle.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Nabenantriebsfläche derart ausgebildet, dass sie hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche eine konvexe Form aufweist. Die Nabenantriebsfläche ist also derart ausgebildet, dass sie hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche eine positive Krümmung aufweist. Dabei bezieht sich diese Krümmung, wie bei der konkaven Ausbildung der Wellenantriebsfläche, auf einen Querschnitt der von der Mittelachse der Welle senkrecht durchsetzt wird. Die konkave Krümmung der Nabenantriebsfläche ist also ebenfalls senkrecht zur Mittelachse der Welle definiert. Dabei kann die konvex ausgebildete Nabenantriebsfläche mit einer zugehörigen Wellenantriebsfläche zusammenwirken, die eben ausgebildet ist oder eine konkave Krümmung hin zur Nabenantriebsfläche aufweist. Das heißt, es sind sowohl Ausführungsformen vorstellbar, bei denen die Nabenantriebsfläche oder die zugehörige Wellenantriebsfläche eine konvexe bzw. konkave Form aufweisen, aber auch Ausführungsformen, bei denen die Nabenantriebsfläche eine konkave Form aufweist und die zugehörige Wellenantriebsfläche eine konvexe Form aufweist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung mehrere Wellenantriebsflächen und/oder mehrere Nabenantriebsflächen auf, wobei die Anzahl der Wellenantriebsflächen zweckmäßig der Anzahl der Nabenantriebsflächen entspricht. Die Antriebsvorrichtung weist weiter zumindest eine Wellenantriebsfläche auf, die hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche konkav ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Antriebsvorrichtung zumindest eine Nabenantriebsfläche, vorzugsweise die zugehörige Nabenantriebsfläche, auf, die zur zugehörigen Wellenantriebsfläche hin konvex ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Antriebsvorrichtung weist zwei Wellenantriebsflächen und zwei zugehörige Nabenantriebsflächen auf, wobei die Wellenantriebsflächen jeweils hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche eine konkave Form aufweisen und die Nabenantriebsflächen jeweils hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche konvex ausgebildet sind. Weiter liegen sich die Wellenantriebsflächen und somit auch die zugehörigen Nabenantriebsflächen bevorzugt diametral gegenüber. Die diametrale Anordnung der Wellenantriebsflächen und der Nabenantriebsflächen sowie die entsprechende gekrümmte Form führen nun einerseits wegen des flächenartigen Kontakts zwischen Wellenantriebsflächen und Nabenantriebsflächen zur einer Reduzierung der mechanischen Spannung innerhalb der Welle bzw. der Nabe und sorgen andererseits für eine gleichmäßige Übertragung der Kraft bzw. des Momentes.
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Weisen die Wellenantriebsfläche und die zugehörige Nabenantriebsfläche eine konkave bzw. konvexe Form auf, so sind die Nabenantriebsfläche und die Wellenantriebsfläche derart ausgebildet, dass die entsprechenden Krümmungen komplementär sind. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind weiter die konkav ausgebildete Wellenantriebsfläche und die konvex ausgebildete zugehörige Nabenantriebsfläche derart ausgebildet, dass sie einen gleichen Krümmungsradius aufweisen. Die Wellenantriebsfläche weist also hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche eine negative Krümmung mit einem Krümmungsradius auf, die dem Krümmungsradius der zugehörigen und zur Wellenantriebsfläche hin positiv gekrümmten Nabenantriebsfläche entspricht.
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Dabei weisen nicht zwangsläufig alle Wellenantriebsflächen bzw. Nabenantriebsflächen der Antriebsvorrichtung die gleiche Krümmung bzw. identische Krümmungsradien auf. Es sind auch Ausführungsformen vorstellbar, bei denen jeweils zugehörige Wellenantriebsflächen von Nabenantriebsflächen eine komplementäre Krümmung und/oder die gleichen Krümmungsradien aufweisen und andere zugehörige Wellenantriebsflächen und Nabenantriebsflächen Krümmungen bzw. Krümmungsradien aufweisen, die sich hiervon unterscheiden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform jedoch weist die Antriebsvorrichtung mehrere Wellenantriebsflächen und zugehörige Nabenantriebsflächen auf, die spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind. Dabei kann die Spiegelebene einer Ebene entsprechen, in der die Mittelachse der Welle liegt. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform weist dabei diametral gegenüberliegende Wellenantriebsflächen und zugehörige Nabenantriebsflächen auf, wobei die gegenüberliegenden Wellenantriebsflächen bzw. die gegenüberliegenden Nabenantriebsflächen spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind. Dabei verläuft die entsprechende Spiegelebene durch die Mittelachse der Welle und wird senkrecht von der Normalen der Wellenantriebsflächen bzw. Nabenantriebsflächen durchsetzt. Es versteht sich, dass derartige spiegelbildlich abgebildete Wellenantriebsflächen bzw. Nabenantriebsflächen im Falle einer gekrümmten Ausbildung den gleichen Krümmungsradius aufweisen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass kleine Krümmungsradien der konkav ausgebildeten Wellenantriebsfläche bzw. der konvex ausgebildeten Nabenantriebsfläche im Sinne der Erfindung zielführend sind. Dabei weist ein zielführender Krümmungsradius insbesondere eine Abhängigkeit von der entsprechenden Lücke zwischen der zugehörigen Nabenantriebsfläche bzw. Wellenantriebsfläche auf. Je nach Toleranzen der Welle und der Nabe und somit der Lücke zwischen der Wellenantriebsfläche und der Nabenantriebsfläche kann der Krümmungsradius das 20-fache (???) des Wellenradius entsprechen. Es sei ferner vermerkt, dass der Erfindungsgedanke leicht auf eine Wellenantriebsfläche, die hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche konvex ausgebildet ist, und/oder eine Nabenantriebsfläche, die zur zugehörigen Wellenantriebsfläche hin konkav ausgebildet ist, übertragbar ist und ebenfalls zum gleichen Ergebnis führt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Außenkontur der Welle zumindest eine Wellenanliegefläche auf und die Innenkontur der Nabe zumindest eine Nabenanliegefläche auf. Dabei kontaktiert zumindest eine derselben Anliegeflächen insbesondere zum Zwecke des Zentrierens der Welle zur Nabe eine der Nabenanliegeflächen. Dies führt insbesondere zu einer zweckmäßigen koaxialen Anordnung der Welle und der Nabe. Eine derartige Zentrierung kann auch mit mehreren Wellenanliegeflächen und zugehörigen Nabenanliegeflächen, die sich entsprechend kontaktieren, realisiert werden. Dabei hat eine koaxiale Anordnung der Welle und der Nabe zur Folge, dass die Mittelachse der Welle durch den Mittelpunkt der Nabe verläuft. Die entsprechenden Krümmungen bezüglich der Mittelachse der Welle können in diesem Fall also auf den Mittelpunkt der Nabe übertragen werden.
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Die Wellenanliegeflächen und die Nabenanliegeflächen sind bei einer bevorzugten Ausführungsform diametral gegenüberliegend angeordnet. Die diametral gegenüberliegenden Welleanliegeflächen bzw. die diametral gegenüberliegenden Nabenanliegeflächen sind weiter vorzugsweise spiegelsymmetrisch ausgebildet. Dabei verläuft die entsprechende Spiegelebene durch die Mittelachse der Welle und wird senkrecht von der Normalen der entsprechenden Wellenanliegefläche bzw. Nabenanliegefläche durchsetzt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in einer Fördereinrichtung, insbesondere einer Pumpe angeordnet. Als Beispiele für derartige Pumpen sei auf Verdrängerpumpen hingewiesen, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug bzw. bei Kraftfahrzeuganwendungen, beispielsweise als Kühlmittelpumpe, Schwerölpumpe oder Kraftstoffpumpe, zum Einsatz kommen. Eine derartige Pumpe zeichnet sich insbesondere durch eine reduzierte Beanspruchung der zugehörigen Welle bzw. Nabe und somit durch eine erhöhte Lebensdauer aus.
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Es sei drauf hingewiesen, dass eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung nicht zwangsläufig der Übertragung einer Kraft bzw. eines Momentes durch die Welle auf die Nabe dient. Eine umgekehrte Übertragung, also eine Übertragung einer Kraft bzw. eines Moments durch die Nabe auf die Welle, ist ebenfalls vorstellbar und hat keinerlei direkte Auswirkungen auf den Erfindungsgedanken. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung auch Bestandteil anderer Vorrichtungen sein. Als Beispiele hierfür seien Elektromotoren, Lichtmaschinen und Generatoren erwähnt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 einen Querschnitt durch eine Pumpe mit einer Antriebsvorrichtung,
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2 und 3 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnitts aus 1, bei unterschiedlichen Zuständen der Antriebsvorrichtung.
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Wie in 1 gezeigt, weist eine Pumpe 1 eine Antriebsvorrichtung 2 auf, welche eine Nabe 3 und eine Welle 4 umfasst. Dabei ist die Welle 4 in einer Öffnung 5 der Nabe 2 angeordnet. Weiter ist eine koaxiale Anordnung der Nabe 3 und der Welle 4 durch Wellenanliegeflächen 6 einer Außenkontur 7 der Welle 4 gewährleistet, welche Nabenanliegeflächen 8 einer Innenkontur 9 der Nabe 3 kontaktieren. Dabei sind die Wellenanliegeflächen 6 und die Nabenanliegeflächen 8 diametral in der Öffnung 5 der Nabe 3 angeordnet. Weiter sind die Wellenanliegeflächen 6 sowie die Nabenanliegeflächen 8 jeweils spiegelbildlich bezüglich einer Spiegelebene 10 zueinander ausgebildet, die durch den Mittelpunkt der Öffnung 5 verläuft. Die Außenkontur 7 der Welle 4 weist weiter zwei Wellenantriebsflächen 11 auf, die zugehörige Nabenantriebsflächen 12 der Außenkontur 9 der Nabe 3 kontaktieren und mit diesen zusammenwirken. Dabei wird eine Kraft bzw. ein Moment der Welle 4 über die entsprechenden Wellenantriebsflächen 11 auf die Nabenantriebsflächen 12 und somit auf die Nabe übertragen. Die somit übertragene Kraft wird zum Antreiben der Pumpe 1 genutzt. Dazu weist die Nabe 3 an ihrer runden Außenkontur 13 Aussparungen 14 auf, in denen Drehschieber 15 eines Stators 16 beweglich angeordnet sind. Der Stator 16 der Pumpe 1 ist dabei ringförmig ausgebildet, wobei die entsprechenden Drehschieber 15 an ihre der Nabe 3 abgewandten Seite drehbar am Stator 16 angeordnet sind. Die Drehschieber 15 sind also bezüglich des ringförmig ausgebildeten Stators 16 nach innen ausgerichtet. Weiter weist die Nabe 3 einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Stators 16. Ein über die Welle 4 auf die Nabe 3 übertragenes Moment führt somit zu einem Rollen der Nabe 3 über die Außenkontur 13 der Nabe 3 entlang der Innenkontur 17 des Stators 16. Hierdurch entstehen sich öffnende und schließende Lücken zwischen der Nabe 3 und dem Stator 16, womit ein sich in den entsprechenden Lücken befindendes Fluid verdrängt wird.
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Die Wellenantriebsflächen 11 der Welle 4 sind dabei derart ausgebildet, dass sie hin zur zugehörigen Nabenantriebsfläche 12 eine negative Krümmung und somit eine konkave Form aufweisen. Weiter sind die Nabenantriebsflächen 12 derart ausgebildet, dass sie hin zur zugehörigen Wellenantriebsfläche 11 eine positive Krümmung aufweisen und somit konvex ausgebildet sind. Die entsprechende konvexe oder konkave Krümmung der Wellenantriebsflächen 11 bzw. der Nabenantriebsflächen 12 ist in 1 durch eine gekrümmte Linie 18 angedeutet. Dabei sind die zugehörigen Wellenantriebsflächen 11 und Nabenantriebsflächen 12 komplementär zueinander gekrümmt und weisen einen gleichen Krümmungsradius auf. Weiter sind die Wellenantriebsflächen 11 und die Nabenantriebsflächen 12 derart an der Außenkontur 7 der Welle 4 bzw. der Innenkontur der Nabe 3 angeordnet, dass sie sich diametral gegenüberliegen. Darüber hinaus weisen alle Wellenantriebsflächen 11 und alle Nabenantriebsflächen 12 den gleichen Krümmungsradius auf. Damit sind die Wellenantriebsflächen 11 und die Nabenantriebsflächen 12 jeweils spiegelbildlich bezüglich einer Spiegelebene 19 durch den Mittelpunkt der Öffnung 5 der Nabe 3 bzw. der Welle 4 ausgebildet.
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2 und 3 zeigen jeweils einen in 1 durch eine Ellipse angedeuteten Ausschnitt 20 der Antriebsvorrichtung 2. 2 zeigt diesen Ausschnitt 20 in einem Zustand, bei dem die Wellenantriebsfläche 11 keine Kraft bzw. kein Moment auf die Nabenantriebsfläche 12 überträgt. In diesem Zustand ist eine Lücke 21 zwischen der Wellenantriebsfläche 11 und der Nabenantriebsfläche 12 sichtbar, die ihren Ursprung insbesondere in produktionsbedingten bzw. montagebedingten Toleranzen hat.
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Überträgt nun die Welle ein durch den Pfeil 22 in 1 angedeutetes Moment auf die Nabe, so kontaktieren sich die Wellenantriebsfläche 11 und die Nabenantriebsfläche 12, wie in 3 gezeigt, flächenartig. Durch diesen flächenartigen Kontakt und somit eine flächenartige Übertragung des Momentes durch die Wellenantriebsfläche 11 auf die Nabenantriebsfläche 12 werden nun mechanische Spannungen im Bereich der Wellenantriebsfläche 11 und der Nabenantriebsfläche 12 reduziert, womit eine Belastung der Welle 4 und der Nabe 3 und somit der Antriebsvorrichtung 2 der Pumpe 1 reduziert ist.
