DE102013110351A1

DE102013110351A1 - Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE102013110351A1
Application number: DE102013110351.0A
Authority: DE
Inventors: Ingo Geue; Theodor Hüser; Dennis Marburg; Udo Schubert; Thomas Valeiras Fernandez
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19
Also published as: US20150078946A1; JP6489545B2; CN104454514A; US9765775B2; KR20150032637A; JP2015059572A; CN104454514B

Abstract

Flügelzellenpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (10), in dem ein Kurvenring (11) ausgebildet oder angeordnet ist, und wobei ein Rotor (12) vorgesehen ist, der im Kurvenring (11) um eine Rotationsachse (13) drehbar aufgenommen ist, wobei der Kurvenring (11) eine Innenkontur (14) mit einem variablen Radius (r) aufweist, der zwischen einem maximalen Radius (rmax) und einem minimalen Radius (rmin) in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (13) variiert, wobei im radialen Spalt zwischen der Innenkontur (14) und dem Rotor (12) eine Anzahl (n) von Hubsektionen (15) mit in diesen ausgebildeten Pumpenkammern (15’) ausgebildet ist, und wobei am Rotor (12) Flügelelemente (16) aufgenommen sind, die gegen die Innenkontur (14) des Kurvenringes (11) abgleiten und die Pumpenkammern (15’) in Umfangsrichtung begrenzen. Erfindungsgemäß variiert der Radius (r) der Innenkontur (14) um die Rotationsachse (13) gemäß der Funktion: r = r0 + a·sin(n·φ), mit r0 = (rmax + rmin)/2, a = (rmax – rmin)/2 und φ = Phasenwinkel des Radius (r) zwischen (rmin) und (rmax) in Drehrichtung des Rotors (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Pumpengehäuse, in dem ein Kurvenring ausgebildet oder angeordnet ist, und wobei ein Rotor vorgesehen ist, der im Kurvenring um eine Rotationsachse drehbar aufgenommen ist, wobei der Kurvenring eine Innenkontur mit einem variablen Radius aufweist, der zwischen einem maximalen Radius und einem minimalen Radius in Umfangsrichtung um die Rotationsachse variiert, wobei im radialen Spalt zwischen der Innenkontur und dem Rotor eine Anzahl von Hubsektionen mit in diesen ausgebildeten Pumpenkammern ausgebildet ist, die die sogenannten Flügelzellen bilden, und wobei am Rotor Flügelelemente aufgenommen sind, die gegen die Innenkontur des Kurvenringes abgleiten und die Pumpenkammern in Umfangsrichtung begrenzen.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2004 002 076 A1 ist eine Flügelzellenpumpe mit einem Pumpengehäuse bekannt, und im Pumpengehäuse ist ein Kurvenring aufgenommen. Im Kurvenring ist ein Rotor um eine Rotationsachse drehbar angeordnet, und der Kurvenring weist eine Innenkontur auf, gegen die am Rotor aufgenommene Flügelelemente bei Rotation des Rotors um die Rotationsachse abgleiten. Dadurch werden Hubsektionen mit mehreren Pumpenkammern pro Hubsektion gebildet, die durch die Flügelelemente in Umfangsrichtung begrenzt sind.
Der Kurvenring ist im Pumpengehäuse beweglich aufgenommen, so dass der Kurvenring aus einer konzentrischen Anordnung mit dem Rotor heraus bewegt werden kann, wodurch eine Hubsektion mit einem veränderlichen Volumen geschaffen werden kann, und wird der Rotor mit den Flügelelementen in Rotation versetzt, so vergrößert und verkleinert sich das Volumen jeder Hubsektion, die in Umfangsrichtung von den Flügelelementen zur Bildung einzelner Pumpenkammern unterteilt ist. Durch das Vergrößern und Verkleinern der Volumina der Pumpenkammern kann ein Fluid aus einer Saugöffnung, die mit einem Sauganschluss verbunden werden kann, angesaugt werden, und das Fluid kann nach einer Verdichtung durch entsprechende Verkleinerung der Pumpenkammern über einen Rotationswinkel des Rotors einer Drucköffnung zugeführt werden, so dass das Fluid verdichtet durch die Drucköffnung aus den Pumpenkammern wieder entweichen kann. Die Innenkontur des Kurvenringes entspricht dabei trotz der Verlagerung des Kurvenringes aus der Rotationsachse einer Kreisbahn.
Die GB 848,760 A zeigt eine Flügelzellenpumpe mit mehreren Hubsektionen, die sich zwischen einer Innenkontur eines Kurvenringes und einem Rotor erstrecken. Die Innenkontur des Kurvenringes weist mehrere Einbuchtungen auf, die eine Kontur nach Art eines Zylinderabschnittes umfassen. Über den Umfang verteilt sind damit sechs Hubsektionen geschaffen, die durch die Enden der federbelasteten Flügelelemente überstrichen werden.
Die DE 43 03 115 A1 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Flügelzellenpumpe mit einem Kurvenring, in dem ein Rotor um eine Rotationsachse drehbar aufgenommen ist, und die Innenkontur des Kurvenringes weist eine Ellipsenform auf. Die äußeren Enden der Flügelelemente, die am Rotor aufgenommen sind und mitrotieren, gleiten auf der Innenkontur ab, und es wird deutlich, dass durch die Ausgestaltung der Ellipsenform zur Bildung der äußeren Begrenzungen der Hubsektionen größere Pumpenkammervolumina geschaffen werden können als mit Hubsektionen, die mit einer Innenkontur eines Kurvenringes gebildet sind und die eine Zylinderform aufweisen.
Eine Ellipsenkontur führt nachteilhafterweise zu einem größeren Verschleiß der Flügelzellenpumpe, der unter Ausnutzung größerer Volumina der Pumpenkammern in Kauf genommen werden muss. Werden zylinderförmige Innenkonturen des Kurvenringes genutzt, um die Hubsektionen zu bilden, entstehen bei leicht geringerem Verschleiß nur vergleichsweise kleine Volumina der Pumpenkammern, so dass es wünschenswert ist, die Volumina der Pumpenkammern zu erhöhen, ohne dabei den Verschleiß der Flügelzellenpumpe zu verstärken.
Je größer die radiale Höhe der Hubsektionen über der Außenkontur des Rotors ist, desto stärker beschleunigen die Flügelelemente in ihrer Hubbewegung durch das Abgleiten gegen die stärker ausgeformte Innenkontur nach außen und wieder nach innen, wie diese beispielsweise bei einer Ellipsenform entsteht. Dieses Beschleunigungsverhalten führt neben einem verstärkten Verschleiß auch zu einer erhöhten Geräuschentwicklung, so dass es weiterhin wünschenswert ist, den Beschleunigungsverlauf der Flügelzellen beim Abgleiten gegen die Innenkontur bei einer minimalen Geräuschentwicklung zu optimieren.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bildung einer Flügelzellenpumpe mit einem geringen Verschleiß und einer geringen Geräuschentwicklung, wobei das Volumen der Pumpenkammern möglichst groß sein soll. Insbesondere soll die Flügelzellenpumpe geeignet sein zur Bremskraftunterstützung in einem Fahrzeug.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Radius der Innenkontur um die Rotationsachse variiert gemäß der Funktion: r = r₀ + a·sin(n·φ), mit r₀ = (r_max + r_min)/2, mit a = (r_max – r_min)/2 und mit φ = Phasenwinkel des Radius zwischen dem minimalen Radius und dem maximalen Radius in Drehrichtung des Rotors.
Mit der in Zylinderkoordinaten angegebenen Funktion zur Bildung der erfindungsgemäßen Innenkontur konnte festgestellt werden, dass das Beschleunigungsverhalten der Flügelelemente im Vergleich zu einer elliptischen Innenkontur des Kurvenringes verbessert ist, wobei ein geringerer Verschleiß und eine geringere Geräuschentwicklung festgestellt werden konnte. Wird die Innenkontur nach der erfindungsgemäßen Funktion ausgestaltet, so ergibt sich eine Innenkontur zur Bildung der Hubsektionen mit einem Radius, der größer ist als ein Radius, der durch eine Innenkontur des Kurvenringes gemäß einer Ellipsenfunktion um die Rotationsachse ausgebildet ist. Durch den größeren Radius entsteht ein verbessertes Verhalten der Kontaktlinie zwischen der Außenkante der Flügelelemente in Kontakt gegen die Innenkontur des Kurvenringes, da die Kontaktlinie im Vergleich zu einer Ellipsenform über der Kuppe der Außenkante veränderlich ist, wodurch der Verschleiß minimiert wird. Eine Verbesserung des Laufes der Flügelzellenpumpe entsteht insbesondere auch durch ein Abschwächen der Beschleunigungsspitzen der Flügelelemente.
Durch die erfindungsgemäße Funktion zur Ausgestaltung der Innenkontur kann diese durch einen Radius um die Rotationsachse bestimmt werden, der in seiner Größe mit einer trigonometrischen Funktion um den mittleren Radius variiert. Die Anzahl n der Hubsektionen kann mit mit n = 2, mit n = 3 oder mit n > 3 ausgebildet werden, wobei n aus der Menge der natürlichen Zahlen ausgewählt ist. Ist n beispielsweise mit 1 bestimmt, so ergibt sich die Funktion r = r₀·a·sin(φ).
Die erfindungsgemäße Funktion des Radius zur Bildung der Innenkontur des Kurvenringes ist in Zylinderkoordinaten angegeben, und selbstverständlich erstreckt sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Funktion zur Beschreibung der Innenkontor, die analog zu den Zylinderkoordinaten in kartesischen Koordinaten angegeben wird.
Der Radius der Innenkontur um die Rotationsachse fällt über einen Winkel von φ = 360° bei n = zwei Hubsektionen vier mal mit dem Rad ius der elliptischen Innenkontur des Kurvenringes zusammen. Eine Ellipsenkontur kann dabei beschrieben werden mit der Funktion r = (r_min·r_max)/[(r_min ²·(sin(φ))² + r_max ²·(cos(φ))²]^1/2, wobei r_min die Hauptachse und r_max die Nebenachse der Ellipse beschreibt.
Die Flügelzellenpumpe ist vorzugsweise zur Verwendung in einer Bremskraftunterstützung für Kraftfahrzeuge ausgebildet, und der Rotor kann beispielsweise mit einer Drehzahl von 1000 1/min bis 10.000 1/min, vorzugsweise von 3.000 1/min bis 8.000 1/min und besonders bevorzugt von 6.000 1/min rotieren. Die Flügelzellenpumpe kann mit besonderem Vorteil einen Elektromotor umfassen, der den Rotor antreibt.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht durch eine Flügelzellenpumpe mit einem Pumpengehäuse und mit einem Kurvenring, in dem ein Rotor rotiert, an dem Flügelelemente aufgenommen sind,
2 einen Ausschnitt A, wie in 1 gezeigt,
3 einen Verlauf einer Innenkontur gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Verlauf einer Innenkontur, wenn diese nach Art einer Ellipse ausgestaltet ist, wobei mit n = 2 zwei Hubsektionen gebildet sind und
4 einen Verlauf einer Innenkontur gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Verlauf einer Innenkontur, wenn diese nach Art einer Ellipse ausgestaltet ist, wobei mit n = 3 drei Hubsektionen gebildet sind.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Flügelzellenpumpe 1 mit einem Pumpengehäuse 10, und im Pumpengehäuse 10 ist ein Kurvenring 11 aufgenommen, der mit einer Innenkontur 14 ausgestaltet ist. Innerhalb des Kurvenringes 11 ist ein Rotor 12 um eine Rotationsachse 13 drehbar gelagert. Am Rotor 12 sind Flügelelemente 16 aufgenommen, die mit ihrer Außenseite gegen die Innenkontur 14 abgleiten, wenn der Rotor 12 um die Rotationsachse 13 in Rotation versetzt wird. Die Innenkontur 14 ist derart ausgestaltet, dass sich zwei Hubsektionen 15 mit in diesen ausgebildeten Pumpenakkern 15’ ausbilden, wobei sich die Hubsektionen 15 diametral gegenüberstehen und die Pumpenkammern 15’ bilden sogenannte Flügelzellen. Die Pumpenkammern 15’ sind durch die Flügelelemente 16 begrenzt, sodass aus dem Volumen einer Hubsektion 15 mehrere Pumpenkammern 15’ gebildet werden. In die erste Hubsektion 15 mündet eine Saugöffnung 17 und in die gegenüberliegende, zweite Hubsektion 15 mündet eine Drucköffnung 18, wobei die Saugöffnung 17 mit einem Sauganschluss 19 fluidisch in Verbindung steht. Zum Antrieb des Rotors 12 dient ein Elektromotor, der auf nicht näher gezeigte Weise im oder am Pumpengehäuse 10 angeordnet ist und über einen elektrischen Anschluss 20 mit elektrischer Energie betrieben werden kann.
Die Innenkontur 14 variiert zwischen einem minimalen Radius r_min und einem maximalen Radius r_max, wobei beispielhaft r_max bei einer 12-Uhr-Position erreicht ist, und wobei r_min bei einer 3-Uhr-Position erreicht ist, so dass der Winkel zwischen dem maximalen Radius r_max und dem minimalen Radius r_min 90° beträgt (0 < φ < π/2).
2 zeigt den Ausschnitt A, wie in 1 gezeigt, und die Innenkontur 14 des Kurvenringes 11 ist über ein Segment von etwa 90° g ezeigt. Der Radius r ist dabei eingezeichnet mit einem minimalen Radius r_min bei 0° und einem maximalen Radius r_max bei 90°. Gezeigt ist eine Innenkontur 14, die besti mmt ist mit der Funktion r = r₀ + a·sin(n·φ) gemäß der vorliegenden Erfindung, weiterhin ist vergleichsweise eine Innenkontur 21 gemäß einer Ellipsenfunktion eingezeichnet. Dabei ist erkennbar, dass der Radius der Innenkontur 14 bezogen auf die Rotorachse 13 größer ausfällt als eine Innenkontur 21, die gemäß einer Ellipsenfunktion ausgestaltet ist. Rotiert der Rotor 12 um die Rotationsachse 13, so gleiten die Außenkanten der Flügelelemente 16 auf der Innenkontur 14 ab. Durch die weiter ausladende Innenkontur 14, die gegenüber der Innenkontur 21 gemäß einer Ellipsenfunktion auch eine Vergrößerung der Hubsektionen 15 mit den Pumpenakmern 15’ erzeugt, fahren die Flügelelemente 16 beginnend bei r_min und einer Drehung des Rotors 12 gegen den Uhrzeigersinn weiter aus ihren Aufnahmetaschen 22 aus dem Rotor 12 heraus, so dass sich für die Hubbewegung der Flügelelemente 16 eine harmonischere Bewegung ergibt, und die Kontaktlinie zwischen der Außenseite der Flügelelemente 16 und der Innenkontur 14 wandert über der Kuppe der Flügelelemente 16 an der Außenseite periodisch hin und her, wodurch sich ein verminderter Verschleiß ergibt.
Die Innenkontur 14 ist bezogen auf die Rotationsachse 13 weiter ausladend als die Innenkontur 21 gemäß einer Ellipsenfunktion, und von einer Bewegung der Flügelelemente 16 in der Position r_min bis in die Position r_max werden die Flügelelemente 16 später gegen die Fliehkraft, die die Flügelelemente 16 gegen die Innenkontur 14 drückt, radial nach innen gedrückt, wodurch sich auch im weiteren Winkelverlauf ein verminderter Verschleiß ergibt.
Die 3 zeigt eine Innenkontur 14 bei einer Anzahl an Hubsektionen 15 im Vergleich mit einer Innenkontur 21 gemäß einer Ellipsenfunktion mit n ist = 2, und 4 zeigt eine Innenkontur 14 ebenfalls im Vergleich mit einer Innenkontur 21 gemäß einer Ellipsenfunktion mit einer Anzahl von Hubsektionen 15 mit n = 3.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten oder räumlichen Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Flügelzellenpumpe
10: Pumpengehäuse
11: Kurvenring
12: Rotor
13: Rotationsachse
14: Innenkontur
15: Hubsektion
15’: Pumpenkammer
16: Flügelelement
17: Saugöffnung
18: Drucköffnung
19: Sauganschluss
20: elektrischer Anschluss
21: Innenkontur gemäß einer Ellipsenfunktion
22: Aufnahmetasche
n: Anzahl der Hubsektionen
r_min: minimaler Radius
r_max: maximaler Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004002076 A1 [0002]
GB 848760 A [0004]
DE 4303115 A1 [0005]

Claims

Flügelzellenpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (10), in dem ein Kurvenring (11) ausgebildet oder angeordnet ist, und wobei ein Rotor (12) vorgesehen ist, der im Kurvenring (11) um eine Rotationsachse (13) drehbar aufgenommen ist, wobei der Kurvenring (11) eine Innenkontur (14) mit einem variablen Radius (r) aufweist, der zwischen einem maximalen Radius (r_max) und einem minimalen Radius (r_min) in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (13) variiert, wobei im radialen Spalt zwischen der Innenkontur (14) und dem Rotor (12) eine Anzahl (n) von Hubsektionen (15) mit in diesen ausgebildeten Pumpenkammern (15’) ausgebildet ist, und wobei am Rotor (12) Flügelelemente (16) aufgenommen sind, die gegen die Innenkontur (14) des Kurvenringes (11) abgleiten und die Pumpenkammern (15’) in Umfangsrichtung begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der Innenkontur (14) um die Rotationsachse (13) variiert gemäß der Funktion: r = r₀ + a·sin(n·φ), mit r₀ = (r_max + r_min)/2, a = (r_max – r_min)/2 und φ = Phasenwinkel des Radius (r) zwischen (r_min) und (r_max) in Drehrichtung des Rotors (12).
Flügelzellenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (14) zur Bildung einer Hubsektion (15) einen größeren Radius (r) aufweist als ein Radius, der durch eine Innenkontur (21) des Kurvenringes (11) gemäß einer Ellipsenfunktion um die Rotationsachse (13) ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (14) durch einen Radius (r) um die Rotationsachse (13) bestimmt ist, der in seiner Größe mit einer trigonometrischen Funktion um den mittleren Radius (r₀) variiert.
Flügelzellenpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Hubsektionen (15) mit n = 2, mit n = 3 oder mit n > 3 ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) mit einer Drehzahl von 1000 1/min bis 10.000 1/min, vorzugsweise von 3000 1/min bis 8000 1/min und besonders bevorzugt von 6000 1/min rotiert.
Flügelzellenpumpe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der Innenkontur (14) um die Rotationsachse (13) über einem Winkel φ von 360° bei einer Anzahl (n) der Hubsektionen (15) mit n = 2 vier mal mit dem Radius einer elliptischen Innenkontur des Kurvenringes (11) zusammenfällt.
Flügelzellenpumpe (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet zur Verwendung in einer Bremskraftunterstützungseinrichtung für Kraftfahrzeuge.