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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vom Markt her bekannt sind Flügelzellenpumpen, welche beispielsweise als Kraftstoffförderpumpe in einem Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine verwendet werden. Insbesondere kann eine Flügelzellenpumpe so ausgeführt sein, dass sie mechanisch in ihrer Förderleistung regelbar ist. Bei einer mechanisch angetriebenen Flügelzellenpumpe ist die maximale Förderleistung von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig. Daher ist bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise beim Start der Brennkraftmaschine bzw. eines Kraftfahrzeugs, die Förderleistung entsprechend klein. Eine weitere Verminderung der Förderleistung kann durch Leckströme verursacht sein, welche sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen vergleichsweise stark auf den Betrieb der Flügelzellenpumpe auswirken können. Zur Umgehung dieses Problems ist es bekannt, Kraftstoffförderpumpen und damit auch Flügelzellenpumpen in ihrer Leistung überzudimensionieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass Leckströme einer mechanisch regelbaren Flügelzellenpumpe insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen vermindert werden können. Dadurch kann eine wirksame Förderleistung der Flügelzellenpumpe erhöht werden, so dass die Flügelzellenpumpe gegebenenfalls nicht oder nur vergleichsweise wenig überdimensioniert werden muss. Wenn die Drehzahl einen Schwellwert überschreitet, dann kann die Flügelzellenpumpe – beispielsweise selbsttätig – mechanisch regeln, wobei ein Stator der Flügelzellenpumpe nahezu verschleißfrei verschoben werden kann und die Regelung nicht durch zusätzliche Reibkräfte beeinflusst wird.
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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Gehäuse, dem verschiebbaren Stator, und einem innerhalb von dem Stator drehbaren Rotor, wobei der Stator in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse des Rotors im Gehäuse verschiebbar ist und dabei mindestens an einer Stelle fluiddicht im Gehäuse geführt ist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Stator und dem Gehäuse ein Kontaktbereich ausgebildet, wobei der Stator in einer Endstellung gegen einen Kontaktabschnitt des Gehäuses beaufschlagt wird, und wobei der Kontaktbereich so ausgebildet und/oder der Kontaktabschnitt relativ zum Stator so angeordnet ist, dass hierdurch eine quer zur Verschieberichtung auf den Stator wirkende Kraft und/oder ein um die Drehachse auf den Stator wirkendes zusätzliches Moment erzeugt wird. Die Flügelzellenpumpe ist derart ausgebildet, dass die quer zur Verschieberichtung auf den Stator wirkende Kraft bzw. das zusätzliche Moment in der Flügelzellenpumpe vorhandene Dichtspalte oder Dichtbereiche verengen kann. Beispielsweise können drei an verschiedenen Abschnitten der Flügelzellenpumpe angeordnete Dichtspalte bzw. Dichtbereiche mittels der erzeugten Kraft oder dem erzeugten Moment verengt werden. Dadurch wird in der Endstellung des Stators die Dichtheit zwischen einem Druckbereich und einem Saugbereich verbessert und somit können Leckagen, welche die Förderleistung beeinträchtigen, minimiert werden.
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Eine Ausgestaltung der Flügelzellenpumpe sieht vor, dass der Kontaktbereich in Verschieberichtung gesehen seitlich von einem kombinierten Führungs- und Dichtabschnitt des Stators angeordnet ist. Dadurch ist es besonders einfach, die quer zur Verschieberichtung auf den Stator wirkende Kraft bzw. das zusätzliche Moment zu erzeugen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der kombinierte Führungs- und Dichtabschnitt mit dem Stator über einen Verbindungsbereich verbunden ist, der gegenüber dem Führungs- und Dichtabschnitt eine verringerte Steifigkeit aufweist. Sofern die Flügelzellenpumpe zwei solcher kombinierter Führungs- und Dichtabschnitte umfasst, können entsprechend auch zwei in ihrer Steifigkeit verminderte Verbindungsbereiche vorgesehen sein. Damit können beispielsweise mechanische Toleranzen ausgeglichen werden und Dichtabschnitte des Stators können sich an zugehörige Dichtabschnitte des Gehäuses sozusagen "anschmiegen".
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Ergänzend ist vorgesehen, dass der Verbindungsbereich eine geringere Querabmessung als der Führungs- und Dichtabschnitt aufweist, wobei die geringere Querabmessung vorzugsweise durch mindestens eine Ausnehmung hergestellt ist. Dadurch ist es besonders einfach, eine definierte Verringerung der Steifigkeit des Verbindungsbereichs zu erzeugen.
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Die Dichtheit zwischen dem Druckbereich und dem Saugbereich wird weiter verbessert, wenn der Kontaktabschnitt des Gehäuses, wenn er den Stator beaufschlagt, einen ersten radial äußeren Abschnitt des Stators gegen einen zweiten radial äußeren Abschnitt des Stators dichtet. Damit wird in der Endstellung des Stators der Kontaktbereich selbst zu einem zusätzlichen Dichtbereich.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Kontaktbereich linienförmig ausgebildet ist, wobei die Linie parallel zu einer Achse des Rotors verläuft. Durch die linienförmige Ausbildung des Kontaktbereichs ergibt sich eine hohe lokale Pressung und damit eine besonders gute Dichtheit.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Kontaktbereich eine parallel zur Drehachse angeordnete und zur Verschieberichtung schräge Fläche umfasst.
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Dadurch ist der Kontaktbereich besonders robust ausgeführt und kann vergleichsweise große Kräfte übertragen.
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Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe ist besonders nützlich, wenn sie eine Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine ist. Damit kann bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, wie sie insbesondere beim Anlassen der Brennkraftmaschine bzw. beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs vorkommen, die Förderung von Kraftstoff verbessert und der Betrieb des Kraftfahrzeugs sicherer gemacht werden.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine axiale Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Flügelzellenpumpe;
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2 eine axiale Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Flügelzellenpumpe; und
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3 eine axiale Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Flügelzellenpumpe.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt einen Schnitt senkrecht zu einer Antriebsachse einer ersten Ausführungsform einer Flügelzellenpumpe 10. Die Flügelzellenpumpe 10 ist beispielsweise eine Kraftstoffförderpumpe für eine Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Die Flügelzellenpumpe 10 umfasst ein Gehäuse 12, einem in dem Gehäuse 12 parallel zu einer Achse 14 verschiebbar geführten Stator 16 und einen in einer Ausnehmung (Wandfläche 17) des Stators 16 aufgenommenen Rotor 18. Eine Verschieberichtung des Stators 16 in dem Gehäuse 12 ist durch einen Doppelpfeil 20 angedeutet. Der Rotor 18 ist auf einer zur Blattebene senkrechten Drehachse 22 angeordnet, welche im Gehäuse 12 auf nicht dargestellte Art und Weise drehbar so gelagert ist, dass sie im Uhrzeigersinn entsprechend einem Pfeil 24 rotieren kann. Die Verschieberichtung 20 und die Drehachse 22 stehen also senkrecht aufeinander.
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Der Stator 16 umfasst in einem in der Zeichnung oberen Bereich einen ersten kombinierten Führungs- und Dichtabschnitt 26. Der erste Führungs- und Dichtabschnitt 26 weist zum Gehäuse 12 hin eine Ausnehmung 28 auf, welche einen ersten Endabschnitt einer auf Druck beanspruchten Schraubenfeder 30 aufnimmt. Ein zweiter Endabschnitt der Schraubenfeder 30 ist in einer Bohrung des Gehäuses 12 aufgenommen und wird an einem äußeren Endbereich von einem gehäusefesten Federanschlag (ohne Bezugszeichen) in Richtung der Achse 14 axial beaufschlagt. Der erste Führungs- und Dichtabschnitt 26 ist in einer Ausnehmung 32 des Gehäuses 12 in der Verschieberichtung 20 verschiebbar geführt. Dabei wird in der Zeichnung links und rechts jeweils ein flächiger Dichtbereich 33a und 33b zwischen dem ersten Führungs- und Dichtabschnitt 26 und einem zugehörigen Abschnitt des Gehäuses 12 gebildet.
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In einem in der Zeichnung unteren Bereich umfasst der Stator 16 einen zweiten kombinierten Führungs- und Dichtabschnitt 34, welcher in vergleichbarer Weise in einer Ausnehmung 36 des Gehäuses 12 in der Verschieberichtung 20 verschiebbar geführt ist. In der Zeichnung links und rechts des zweiten Führungs- und Dichtabschnitts 34 ist jeweils ein flächiger Dichtbereich 37a und 37b zu dem Gehäuse 12 hin gebildet. Die Ausnehmung 36 ist – anders als die Ausnehmung 32 – zur Achse 14 seitlich und in der Figur nach rechts versetzt angeordnet. Zwischen der Ausnehmung 36 und dem zweiten kombinierten Führungs- und Dichtabschnitt 34 ist eine hydraulische Druckkammer 38 gebildet. Vorliegend ist der Stator 16 zusammen mit dem ersten und dem zweiten Führungs- und Dichtabschnitt 26 und 34 einstückig hergestellt.
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Der Stator 16 weist einen in etwa kreisringscheibenartigen Mittelabschnitt 39 auf. In der Zeichnung links und rechts des kreisringscheibenartigen Mittelabschnitts 39 sind zwischen radial äußeren Abschnitten des Stators 16 und einem in etwa kreisförmigen radial inneren Abschnitt des Gehäuses 12 jeweils eine erste Fluidkammer 40 (in der Figur links) und eine zweite Fluidkammer 42 (in der Figur rechts) gebildet. Die erste Fluidkammer 40 und die zweite Fluidkammer 42 sind zu der Achse 14 spiegelbildlich angeordnet. In einem Verbindungsbereich 48 bzw. 54 zwischen dem Mittelabschnitt 39 und den beiden Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 sind links und rechts jeweils Ausnehmungen in Form von Einstichen 44 vorhanden, wodurch der jeweilige Verbindungsbereich 48 und 54 gegenüber den jeweiligen Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 eine verringerte Steifigkeit aufweist. Alternativ oder ergänzend kann die Steifigkeit der Verbindungsbereiche 48 und/oder 54 durch eine jeweilige Materialauswahl verändert werden. Beide seitlichen Einstiche 44 sind vorzugsweise – jedoch nicht zwingend – gleichartig ausgeführt. In einer ersten Variante entspricht die Ausführung dem rechten Einstich 44 und in einer zweiten Variante entspricht die Ausführung dem in der 1 gestrichelt gezeichneten Verlauf des linken Einstichs 44.
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Die Flügelzellenpumpe 10 weist in 1 rechts von dem zweiten Führungs- und Dichtabschnitt 34 einen – durch ein gestricheltes Quadrat grob umrandeten – Kontaktbereich 56 auf. Der Kontaktbereich 56 umfasst einen ersten Kontaktabschnitt 58 an einer radial äußeren Umfangsfläche des Stators 16 und einen zweiten Kontaktabschnitt 60 an einer radial inneren Umfangsfläche des Gehäuses 12. Der Kontaktbereich 56 ist in der 1 linienförmig ausgebildet und verläuft parallel zu der Drehachse 22. Er trennt bei aneinander liegenden Kontaktabschnitten 58 und 60 zwei radial außerhalb vom Stator 16 gebildete Fluidbereiche 62 und 64.
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Die Kontaktabschnitte 58 und 60 können auf verschiedenartige Weise für sich und/oder zueinander gestaltet sein. Beispielsweise können sie als Fläche oder als Rundung oder als Kante ausgeführt sein. Vorliegend ist in der 1 der Kontaktabschnitt 58 des Stators 16 als Rundung und der Kontaktabschnitt 60 des Gehäuses 12 als ebene Fläche ausgeführt.
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Der Rotor 18 umfasst vorliegend (beispielsweise) fünf an seinem Umfang gleichmäßig angeordnete und radial ausgerichtete verschiebliche Flügel 66. Die Flügel 66 werden teils mittels Fliehkraft, teils durch hydraulischen Druck, welcher über in der Zeichnung nicht sichtbare Drucknuten aus einem Druckbereich zugeführt wird, und gegebenenfalls zusätzlich mittels (nicht dargestellter) Druckfedern radial nach außen gedrückt und können somit gegen die radial innere Wandfläche 17 des Stators 16 hydraulisch dichten. Ein äußerer Durchmesser des Rotors 18 ist geringer als ein Durchmesser der besagten Wandfläche 17. Dadurch werden in an sich bekannter Weise jeweils ein nierenförmiger Druckbereich und ein nierenförmiger Saugbereich (ohne Bezugszeichen) in der Zeichnung links bzw. rechts von dem Rotor 18 gebildet. An den Druckbereich und den Saugbereich angeschlossene Förderkanäle sind in der vorliegenden Schnittansicht nicht sichtbar. Ein als radiale Bohrung ausgeführter Kanal 68 ermöglicht eine hydraulische Verbindung zwischen dem Druckbereich und der ersten Fluidkammer 40.
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Im Betrieb der Flügelzellenpumpe 10 drehen die Drehachse 22 und damit der Rotor 18 entsprechend dem Pfeil 24 im Uhrzeigersinn. Dabei wird Fluid – beispielsweise Kraftstoff – von dem Saugbereich zu dem Druckbereich gefördert. Durch eine Verschiebung des Stators 16 in der Verschieberichtung 20 kann die Förderleistung der Flügelzellenpumpe 10 variabel eingestellt werden. In der in 1 gezeigten unteren Endstellung des Stators 16 ist die mögliche Förderleistung maximal, in der nicht gezeigten oberen Endstellung ist die Förderleistung im Wesentlichen gleich Null. Allgemein erfolgt eine "selbsttätige" Verschiebung des Stators 16 insbesondere in Abhängigkeit von einem durch hydraulische Drücke in der ersten Fluidkammer 40 und der Druckkammer 38 sowie der Kraft der Schraubenfeder 30 bedingten Kräfteverhältnis. Dabei ist es eine Aufgabe der beiden Fluidkammern 40 und 42, Platz für die Verschiebung des Stators 16 bereitzustellen.
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Die flächigen Dichtbereiche 33a, 33b, 37a und 37b können in dem innerhalb des Gehäuses 12 möglichen Verschiebungsbereich des Stators 16 die erste Fluidkammer 40 bzw. die Druckkammer 38 bzw. den Druckbereich hydraulisch gegen die zweite Fluidkammer 42 bzw. eine durch die Ausnehmung 32 gebildete Kammer bzw. den Saugbereich ("Tankbereich") abdichten.
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Bei geringer oder verschwindender Drehzahl des Rotors 18, entsprechend einem "Startfall" der Flügelzellenpumpe 10, wird der Stator 16 mittels der Schraubenfeder 30 – wie in der Zeichnung dargestellt – nach unten in die Endstellung gedrückt. Dabei wird der Kontaktabschnitt 58 des Stators 16 gegen den Kontaktabschnitt 60 des Gehäuses 12 gedrückt, so dass der Kontaktbereich 56 zu einer Dichtstelle zwischen den beiden Fluidbereichen 62 und 64 wird.
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Durch die in der 1 dargestellte Ausgestaltung des Kontaktbereichs 56 kann zwischen den Kontaktabschnitten 58 und 60 kein Drehmoment übertragen werden. Durch die seitliche Anordnung des Kontaktbereichs 56 relativ zu den beiden Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 wird jedoch eine exzentrische Kraft in den Stator 16 eingeleitet, welche ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn erzeugt. Dies ist durch einen Drehpfeil (ohne Bezugszeichen) am Kontaktbereich 56 gekennzeichnet.
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Dieses Drehmoment erzeugt entsprechende und durch Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutete Kräfte zwischen den beiden Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 und dem Gehäuse 12. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Flächenpressung zwischen dem ersten Führungs- und Dichtabschnitt 26 und dem Dichtbereich 33a, und eine erhöhte Flächenpressung zwischen dem zweiten Führungs- und Dichtabschnitt 34 und dem Dichtbereich 37b. Diese wiederum verbessert dort die Abdichtung.
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Diese verbesserte Abdichtung wird dadurch unterstützt, dass die Verbindungsbereiche 48 und 54 gegenüber den Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 als Folge der Einstiche 44 eine verringerte Steifigkeit aufweisen, so dass sich die beiden Führungs- und Dichtabschnitte 26 und 34 gegenüber dem Mittelabschnitt 39 des Stators 16 leichter verbiegen können, wodurch ein Verkanten der beiden Führungs- und Dichtabschnitte 26 und 34 gegenüber dem Gehäuse 12 verhindert wird.
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2 zeigt eine zu der 1 ähnliche zweite Ausführungsform der Flügelzellenpumpe 10. Im Unterschied zu der 1 weist die Flügelzellenpumpe 10 der 2 eine andere Ausgestaltung des Kontaktbereichs 56 auf. In 2 umfasst der Kontaktbereich 56 eine parallel zu der Drehachse 22 angeordnete und zur Verschieberichtung 20 schräge Fläche. In der 2 ist diese Fläche eben, also nicht gekrümmt. Entsprechend sind der Kontaktabschnitt 58 des Stators 16 sowie der zugehörige Kontaktabschnitt 60 des Gehäuses 12 jeweils als ebene Fläche ausgebildet, welche im Wesentlichen parallel zueinander liegen.
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Bei geringer oder verschwindender Drehzahl des Rotors 18 kann die Schraubenfeder 30 den Stator 16 soweit in der Zeichnung nach unten verschieben, dass die Kontaktabschnitte 58 und 60 eine Kraft aufeinander ausüben. Dadurch entsteht wegen der zur Verschieberichtung 20 schrägen Kontaktabschnitte 58 und 60 eine Querkraft und daraus wiederum eine durch einen Pfeil (ohne Bezugszeichen) gekennzeichnete resultierende Kraft, welche den Stator 16 in der Zeichnung (auch) nach links drückt. Diese erzeugt entsprechende in der Zeichnung durch Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutete Kräfte zwischen den beiden Führungs- und Dichtabschnitten 26 und 34 und dem Gehäuse 12, welche wiederum in der bereits oben beschriebenen Art und Weise die Flächenpressung und somit die Abdichtung an den Dichtbereichen 33a und 37a erhöhen.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Flügelzellenpumpe 10. Die dritte Ausführungsform weist zu der zweiten Ausführungsform nach 2 eine im Wesentlichen gleiche Geometrie auf, jedoch eine andere Ausgestaltung des Kontaktbereichs 56. Durch die im Kontaktbereich 56 auf den Stator 16 übertragene Kraft wird der Stator 16 zusätzlich auf Biegung beansprucht. Bei einer vorausgesetzt verminderten Steifigkeit des Stators 16 kann der zweite Führungs- und Dichtabschnitt 34 ähnlich zu der 1 in der Zeichnung in Richtung des Pfeils nach rechts gedrückt werden. Entsprechend ergibt sich auch im Dichtbereich 37b eine verbesserte Dichtheit. Ein von dem Kontaktbereich 56 ausgehender Winkelpfeil sowie eine gepunktete Kurve zeigen die Richtung von Kräften an.
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Für die Ausführungsformen der Flügelzellenpumpe 10 nach den 1 bis 3 gilt gemeinsam: Wenn die Drehzahl des Rotors 18 einen bestimmten Schwellwert überschreitet, so wird der Stator 16 entgegen der Kraft der Schraubenfeder 30 in Verschieberichtung 20 in der Zeichnung nach oben verschoben. Dabei werden die Kontaktabschnitte 58 und 60 voneinander entfernt, so dass im Kontaktbereich 56 keine Kräfte mehr übertragen und kein den Stator 16 beaufschlagendes Drehmoment gebildet werden. Somit kann der Stator 16 ohne die Einwirkung zusätzlicher Flächenpressungen und somit zusätzlicher Reibkräfte in der Verschieberichtung 20 weiter verschoben werden.
