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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gerotorpumpe zum Betreiben eines hydraulischen Kreislaufs und ein Herstellungsverfahren für eine Gerotorpumpe.
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Gerotorpumpen, auch Zahnradpumpen genannt, werden im Allgemeinen als Pumpen für hydraulische Anwendungen eingesetzt und sind als Ölpumpen oder Servopumpen für eine Lenkunterstützung im Fahrzeugbau weit verbreitet. Sie gelten als relativ verschleißarm, dementsprechend zuverlässig und können in bestimmten Ausführungen auch mit kompakten Abmessungen gebaut werden. Für kleine Gerotorpumpen hat sich überwiegend ein Gerotortyp durchgesetzt, bei dem sich ein angetriebener Innenrotor und mitgeschleppter Außenrotor in gleicher Richtung drehen, wobei in einer umlaufenden endlosen Abfolge sichelförmiger Arbeitskammern in der Verzahnung eine Verdrängung bewirkt wird.
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Darüber hinaus ist ein Gerotortyp mit einem feststehenden Rotoraußenelement bekannt. Dieser Gerotortyp weist üblicherweise einen komplexeren Aufbau auf, da aufgrund eines fehlenden Umlaufs der Arbeitskammern, für jede Arbeitskammer ein separater Austritt mit Rückschlagventil bzw. Druckventil erforderlich ist.
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Dieser Umstand hat andererseits den Vorteil, dass im Ruhezustand der Gerotorpumpe ein Rückfluss verhindert und ein auslassseitiger Druck aufrechterhalten wird. Aufgrund dieser Eigenschaft und des komplexeren Aufbaus wird dieser Gerotorpumpentyp überwiegend in großdimensionierten hydraulischen Antrieben oder sonstigen hydraulischen Anwendungen in hohen Leistungsklassen eingesetzt.
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Ein Beispiel für eine solche Gerotorpumpe beschreibt die
EP 0 475 109 A1 , bei der zu jeder Arbeitskammer der Innenverzahnung ein radial gerichtetes Rückschlagventil zur Außenseite des Gerotoraußenelements bereitgestellt ist. Eine Pumpenwelle ist einerseits des Gerotors durch eine Wellenlagerung und andererseits des Gerotors durch einen feststehenden Lagerzapfen, der in einen exzentrischen Wellenabschnitt innerhalb des Gerotors eingreift, gelagert.
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Eine weitere Gerotorpumpe, die kompakter ausgestaltet und für den Einsatz als Servopumpe einer Lenkunterstützung in einem Fahrzeug ausgelegt ist, wird in der
DE 37 16 960 A1 beschrieben. Bei dieser Gerotorpumpen sind für die einzelnen Arbeitskammern der Innenverzahnung jeweils Rückschlagventile in einer axialen Richtung, d.h. parallel zur Pumpenwelle verlaufend, bereitgestellt. Die Pumpenwelle ist beiderseits des Gerotors in dem Gehäuse gelagert aufgenommen.
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Die im Stand der Technik bekannten Konstruktionen des Gerotortyps mit feststehendem Gerotoraußenelement haben sich aufgrund des komplexeren Aufbaus weder in Anwendungen einer mittleren Leistungsklasse und kompakter Bauform wirtschaftlich durchgesetzt, noch in Anwendungen einer unteren Leistungsklasse und einer dementsprechenden Miniaturisierung der Bauform Einzug gehalten.
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Demnach besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Gerotorpumpe mit feststehendem Gerotoraußenelement zu schaffen, die einen Pumpenaufbau mit geringen Abmessungen für mittlere und untere Leistungsklassen bereitstellt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen vereinfachten Pumpenaufbau einer Gerotorpumpe mit feststehendem Gerotoraußenelement zu schaffen, der im Vergleich zu Bauformen aus dem Stand der Technik eine günstigere Herstellung ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Gerotorpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für eine Gerotorpumpe mit den Schritten des Anspruchs 18 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Gerotorpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der exzentrische Abschnitt der Welle, auf dem das Gerotorinnenelement umlaufend geführt und drehbar gelagert ist, als exzentrischer Fortsatz an einem freien Ende der Welle ausgebildet ist.
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Die Erfindung sieht somit erstmals eine einseitige Wellenlagerung an einer umlaufenden Verdrängerpumpe bzw. an einer Gerotorpumpe, insbesondere an einer solchen mit feststehendem Gerotoraußenelement vor. Der erfindungsgemäße Aufbau der Gerotorpumpe schlägt damit eine anwendungsspezifische Optimierung dieses Gerotortyps vor, die einer unteren und mittleren hydraulischen Leistungsklasse bis z.B. 1,5 kW Rechnung trägt.
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Darüber hinaus ermöglicht die Konstruktion eine geringere axiale Abmessung des Pumpenaufbaus, die auf der gegenüberliegenden Seite der Wellenlagerung erzielt wird. Nach diesem Prinzip kann daher auch eine Ausführungsform geschaffen werden, bei welcher eine axiale Abmessung des Pumpenaufbaus mit einer stirnseitigen Abgrenzung des Gerotors direkt endet.
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Der Wegfall einer zweiten Lagerung des Gerotors geht ferner mit einer geringeren Gesamtzahl an Bauteilen einher, was sich hinsichtlich einer Fertigung großer Stückzahlen in einer Kostenoptimierung bezüglich der Materialkosten, der Arbeitsschritte zur Fertigung der Bauteile sowie dem Montageaufwand derselben und schließlich der erforderlichen Produktionszeit positiv auswirkt.
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Des Weiteren ist der erfindungsgemäße Pumpenaufbau auch in einer Größe von beispielsweise 30-40 mm Gehäusedurchmesser in wirtschaftlicher Weise realisierbar. Durch eine derartige Miniaturisierung ergeben sich neuartige Anwendungsmöglichkeiten durch die Integration der Gerotorpumpe in bestehende Systeme. So kann die nachstehend beschriebene Gerotorpumpe aufgrund der geringen Abmessungen in dem Gehäuse einer Verbrennungsmaschine integriert werden, was Pumpen des Gerotortyps mit feststehendem Gerotoraußenelement bislang vorenthalten war.
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Vorteilhafte Weiterbildungen, die eine anwendungsspezifische oder fertigungstechnische Optimierung der Gerotorpumpe begünstigen, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Lagerung der Welle im Gehäuse in einem einzigen axialen Wellenabschnitt angeordnet sein und die Lagerung wenigstens zwei Wälzkörperreihen aufweisen.
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Die Wellenlagerung weist zwei axial benachbarte Wälzkörperreihen auf, wodurch Kippmomente zwischen einer links abgebildeten Antriebsseite und einer rechts abgebildeten Pumpenseite aufgenommen und an das Pumpengehäuse abgeleitet werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Verbindungsstrecke zwischen dem Einlass und der wenigstens einen Einlasskammer durch Wälzkörper einer Lagerung der Welle hindurch führen.
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Hierdurch wird zugleich eine Schmierung der Wälzkörper durch das angesaugte Fördermedium erzielt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine zweite Einlasskammer, die in einer der zwei Kammerwände auf einer Stirnseite zu dem Gerotorinnenelement angeordnet ist, die der wenigstens einen Einlasskammer gegenüberliegt, im Wesentlichen die radiale Erstreckung der wenigstens einen Einlasskammer aufweisen und mit dem Einlass in Verbindung stehen.
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Hierdurch wird eine beidseitige Befüllung, also eine Verdoppelung des Strömungsquerschnitts zur Einsaugung in die Arbeitskammern geschaffen, ohne in ein Verhältnis des Außendurchmessers der Einlasskammer einzugreifen, der einen kritischen Faktor der Pumpengeometrie darstellt, wie später erläutert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können in dem Gerotorinnenelement Überströmkanäle ausgebildet sein, die sich zwischen den Stirnseiten desselben erstrecken und eine Verbindung zwischen den zwei Einlasskammern bereitstellen.
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Diese Variante ermöglicht auch dann eine beidseitige Befüllung des Gerotors durch zwei Einlasskammern, wenn lediglich eine Einlasskammer in direkter Verbindung mit dem Einlass steht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Druckventile durch Austrittsöffnungen gebildet werden, die durch wenigstens ein Blechbiegeteil auslassseitig abgedeckt sind.
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Diese Ausgestaltung stellt eine fertigungstechnisch vorteilhafte und dennoch funktionale Umsetzung zur Herstellung einer Anordnung mehrerer Druckventile bzw. Rückschlagventile dar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Druckventile durch radiale Öffnungsschlitze im Gerotoraußenelement gebildet werden, die durch spangenförmige Blechbiegeteile mit einem Wendeabschnitt, zu einer ringförmigen Auslasskammer um das Gerotoraußenelement abgedeckt sind.
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Durch diese Konstruktion wird eine Bauform mit radial austretenden Verdrängungsströmen aus den Arbeitskammern geschaffen, die eine Variante der fertigungstechnisch vorteilhaften Ventile umsetzt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kammerwand ein offenes axiales Ende des Pumpengehäuses abschließen und eine Mündung des Einlasses und/oder des Auslasses aufnehmen.
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Bei dieser Ausgestaltung wird eine Bauform mit besonders kurzer axialer Abmessung und geringer Anzahl von Bauteilen geschaffen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Druckventile durch axiale Öffnungskanäle in einer Kammerwand gebildet werden, die durch wenigstens ein sternförmiges Blechbiegeteil zu einer axialen Auslasskammer abgedeckt sind.
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Durch diese Konstruktion wird eine Bauform mit axial austretenden Verdrängungsströmen aus den Arbeitskammern geschaffen, die eine andere Variante der fertigungstechnisch vorteilhaften Ventile umsetzt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Blechbiegeteil in der axialen Auslasskammer durch eine Feder gegen die Kammerwand mit den axialen Öffnungen beaufschlagt werden.
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Durch die Feder kann insbesondere bei der Auslegung der Pumpe auf höhere Druckbereiche bzw. höhere Drehzahlen, ein definierter Gegendruck an den elastischen Abschnitten der Ventile sichergestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein vorbestimmter maximaler Volumenstrom des Fördermediums, der bei einer Drehzahl der Welle erreicht wird, die unterhalb einer maximalen Drehzahl eines Betriebsbereichs liegt, oberhalb dieser Drehzahl durch einen Strömungsdurchmesser auf einer Verbindungsstrecke von dem Einlass bis zur Innenverzahnung des Gerotoraußenelements begrenzt werden.
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Durch diese konstruktive Maßnahme wird in der Gerotorpumpe eine hydraulische Phasenanschnittsteuerung zur Erzielung eines spezifischen Betriebspunkts bezüglich eines hydrostatischen Ausgangsdrucks erzielt, wie später erläutert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein vorbestimmter maximaler Volumenstrom des Fördermediums durch einen Querschnitt eines Kanals zwischen dem Einlass und der wenigstens einen Einlasskammer begrenzt werden.
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Diese Variante stellt eine alternative Umsetzung zur Erlangung der hydraulischen Phasenanschnittsteuerung in der Gerotorpumpe dar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein vorbestimmter maximaler Volumenstrom des Fördermediums durch eine radiale Abmessung der wenigstens einen Einlasskammer oder der zwei Einlasskammern begrenzt werden.
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Diese Variante stellt ebenfalls eine alternative Umsetzung zur Erlangung der hydraulischen Phasenanschnittsteuerung in der Gerotorpumpe dar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein vorbestimmter maximaler Volumenstrom des Fördermediums durch eine axiale Abmessung der wenigstens einen Einlasskammer oder der zwei Einlasskammern begrenzt werden.
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Diese Variante stellt eine weitere alternative Umsetzung zur Erlangung der hydraulischen Phasenanschnittsteuerung in der Gerotorpumpe dar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann auf dem anderen freien Ende der Welle, das sich gegenüberliegend zu dem exzentrischen Fortsatz aus einer axialen Öffnung des Pumpengehäuses erstreckt, ein Antriebsritzel angeordnet sein.
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Das Antriebsritzel bietet eine bevorzugte Antriebsmöglichkeit für den Anwendungsfall einer Integration der Gerotorpumpe in eine Verbrennungsmaschine.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kammerwände an den Stirnflächen, die dem Gerotor zugewandt sind, eine mit regelmäßigem Muster oder unregelmäßig eingebrachte Oberflächenstruktur mit einer Tiefe von vorzugsweise 1 bis 2 µm aufweisen.
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Durch das Einbringen einer Mikrostruktur in die Oberfläche der Kammerwände mittels Lasereinstrahlung oder elektro-chemischer Behandlung, werden die tribometrischen Eigenschaften und somit die Effizienz verbessert. Die Mikrostrukturierung bewirkt eine verbesserte Anlagerung der langkettigen Ölmoleküle an der Materialoberfläche und sorgt für eine bessere Anhaftung eines verbleibenden Schmierfilms zwischen den Gleitflächen unter Druckspitzen, wie sie beispielsweise verstärkt unter einwirkenden Querkräften auf das Gerotorinnenelement partiell entstehen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Pumpengehäuses an einer Innenseite axiale Abschnitte mit zylindrischen Mantelflächen aufweisen, die fixierende Passungen zu einem zylindrischen Außenumfangsabschnitt einer Wellendichtung, einer Lagerung der Welle, zumindest einer der zwei Kammerwände und des Gerotoraußenelements bereitstellen.
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Durch die Bereitstellung von Presspassungen zwischen dem Pumpengehäuse und sämtlichen innenliegenden Komponenten entfallen Dichtungen zwischen denselben sowie Schraubverbindungen bzw. Befestigungsmittel wie Schrauben oder dergleichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Gerotorpumpe zeichnet sich insbesondere durch die nachfolgenden Schritte aus: Einpressen einer Wellendichtung, einer Wellenlagerung einschließlich einer Welle, einer ersten stirnseitigen Kammerwand und eines feststehenden Gerotoraußenelements in ein Pumpengehäuse in dieser axialen Reihenfolge; ein vorheriges, zwischenzeitliches oder darauffolgendes Einpressen einer Lagerung in ein Gerotorinnenelement und Aufschieben auf einen exzentrischen Fortsatz der Welle; sowie ein abschließendes Fixieren einer zweiten stirnseitigen Kammerwand in dem Pumpengehäuse durch Einpressen oder Verschweißen, oder ein Beaufschlagen einer zweiten stirnseitigen Kammerwand gegen den Gerotor über ein elastisch vorgespanntes Element und ein Einpressen oder Verschweißen eines Pumpendeckels in dem Pumpengehäuse.
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Durch das Zusammensetzen und Fixieren sämtlicher Bauteile durch Einpressvorgänge entfallen der Fertigungsaufwand zum Schneiden von Gewinden und zum Einbringen von Aufnahmenuten für Dichtungen sowie der Montageaufwand für Schraubverbindungen, Schrauben und Dichtungen. Bei einer Auslegung der Gerotorpumpe für eine untere Leistungsklasse kann die Festigkeit und Abdichtung einer Presspassung an einer auslassseitigen Kammerwand oder einem auslassseitigen Pumpendeckel ausreichend sein. Im Falle einer Auslegung der Gerotorpumpe für mittlere Leistungsklassen, wie z.B. von 20 bis 150 bar, kann es erforderlich sein, eine andere Verbindungstechnik, wie eine Schweißverbindung, zwischen dem Pumpengehäuse und einer auslassseitigen Kammerwand oder einem auslassseitigen Pumpendeckel anzuwenden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe;
- 2 eine Längsschnittansicht der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe;
- 3 eine Querschnittansicht auf den Gerotor der ersten Ausführungsform, die einer Schnittebene A aus 2 entnommen ist;
- 4 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe; und
- 5 eine Querschnittsansicht durch den Gerotor der zweiten Ausführungsform, die einer Schnittebene B aus 4 entnommen ist.
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Nachstehend wird der Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
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In den 1 und 2, denen die einzelnen Komponenten in freigestellter und in zusammengefügter Darstellung zu entnehmen sind, umfasst die die Gerotorpumpe der ersten Ausführungsform ein Pumpengehäuse 1 mit einem Gehäuseboden und einer offenen Seite, die durch einen Pumpendeckel 10 abgeschlossen wird. Durch den Gehäuseboden tritt eine Antriebswelle 2 aus dem Pumpengehäuse 1 heraus, wobei ein Spalt am Austritt der Welle 2 aus dem Pumpengehäuse 1 durch eine Wellendichtung 12 abgedichtet ist. An dem freien Ende der Welle 2, das aus dem Pumpengehäuse 1 heraussteht, ist ein Antriebsritzel 20 fixiert. In das Antriebsritzel 20 kann ein nicht dargestelltes Kraftübertragungselement, wie beispielsweise eine Kette, eingreifen, die mit einer drehenden Kraftmaschine, wie beispielsweise einer Verbrennungsmaschine, als Antriebsquelle in Verbindung steht.
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An einem axialen Abschnitt der Welle 2, der in dem von Pumpengehäuse 1 aufgenommen ist, ist eine Wellenlagerung 21 zwischen dem Wellenumfang und einer Innenseite einer Gehäusemantelfläche angeordnet. Die Wellenlagerung 21 entspricht dem Typ einer Wasserpumpenlagerung, die aus dem Einsatz an Kreiselpumpen bekannt ist. Die Wellenlagerung 21 umfasst zwei axial benachbarte Wälzkörperreihen 24 und 25. Eine Wälzkörperreihe 24 mit kugelförmigen Wälzkörpern, die zwischen zwei gegenüberliegenden gerundeten Nuten in der Welle 2 und dem Mantel der Lagerung 21 umlaufend geführt sind, nimmt radiale und axiale Kräfte an der Welle 2 auf. Eine Wälzkörperreihe 25 mit zylindrischen Wälzkörpern, wie sie einem Nadellager entsprechen, nimmt radial Kräfte auf und stellt trotz geringer axialer Distanz der Lagerungspositionen eine ausreichende Aufnahme von Kippmomenten an der Wellenachse sicher.
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An einem freien Ende der Welle 2 hinter dem Wellenlager 21 erstreckt sich in axialer Richtung weiter in das Pumpengehäuse 1 hinein ein exzentrischer Wellenfortsatz 23, der einen kleineren Kreisumfang als den Wellenumfang aufweist und dessen Mittelachse des Kreisumfangs zu einer Wellenachse exzentrisch versetzt ist. In einem axialen Erstreckungsabschnitt des Wellenfortsatzes 23 ist zwischen demselben und dem Pumpengehäuse 1 die Baugruppe eines Gerotors 3 aufgenommen.
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Der Gerotor 3 umfasst ein Gerotoraußenelement 31 und ein Gerotorinnenelement 30. Das Gerotoraußenelement 31 ist feststehend in einem Mantel des im Wesentlichen zylindrischen Pumpengehäuses 1 fixiert und weist eine Innenverzahnung 33a auf. Innerhalb des Gerotoraußenelements 31 ist das Gerotorinnenelement 30, das eine Außenverzahnung 33b aufweist, auf dem exzentrischen Wellenfortsatz 23 angeordnet. Das Gerotorinnenelement 30 ist durch ein Gleitlager 32 auf dem exzentrischen Wellenfortsatz 23 drehbar gelagert und wird bei einer Drehung der Welle 2 durch den exzentrischen Versatz des Wellenfortsatzes 23 zu der Wellenachse, d.h. Drehachse der Welle 2 auf einer Kreisbahn innerhalb des feststehenden Gerotoraußenelements 31 umlaufend geführt. Dabei stehen das Gerotorinnenelement 30 und das Gerotoraußenelement 31 in einem für Gerotortypen charakteristischen Kämmeingriff.
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Der Gerotor 3 ist axial durch zwei Kammerwände 13a und 13b eingegrenzt, wie in 2 dargestellt ist. In einem radialen Bereich des feststehenden Gerotoraußenelements 31, in dem sich die sichelförmigen Arbeitskammern der Innenverzahnung 33a befinden, stehen die Kammerwände 13a und 13b mit den Stirnflächen des Gerotoraußenelements 31 in einem feststehenden Flächenkontakt. Zugleich stehen die Kammerwände 13a und 13b in demselben radialen Bereich mit den Stirnflächen des Gerotorinnenelements 30 in einem Gleitkontakt. Dadurch wird das Fördermedium zwischen der Innenverzahnung 33a und der Außenverzahnung 33b an der axialen Begrenzung eingeschlossen.
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Auf der exzentrisch geführten Kreisbahn des Gerotorinnenelements 30 erfolgt eine Abrollbewegung desselben anhand der Außenverzahnung 33b, die mit der Bewegungsabfolge eines Spirographs für Malstifte vergleichbar ist. Zugleich findet in den sichelförmigen Arbeitskammern, die in den Fußabschnitten der Innenverzahnung 33a des Gerotoraußenelements 31 gebildet werden, im Bereich des Kämmeingriffs eine umlaufende endlose Abfolge von allmählich eingreifenden und wieder freigegebenen Verdrängungsvorgängen statt. Unter Bereitstellung eines nachfolgend beschriebenen Eintritts und Austritts des Fördermediums in und aus jeder Arbeitskammer, wird das Wirkungsprinzip eines umlaufenden Verdrängers erzeugt.
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In den beiden Kammerwänden 13a und 13b sind zu den Stirnseite des Gerotorinnenelements 30 Einlasskammern 15a und 15b ausgenommen, um einen Eintritt des Fördermediums zwischen der Innenverzahnung 33a und der Außenverzahnung 33b zu ermöglichen. Hierzu ist die Einlasskammer 15a im Bereich der Kammerwand 13a durch einen mantelförmigen Hohlraum, der den Umfang der Welle 2 mit geringem radialen Maß umgibt, und im Bereich des Wellenlagers 21 durch einen Innenraum desselben, mit dem Pumpeneinlass 14 verbunden. Der Pumpeneinlasses 14 mündet in einen ringförmigen Einlasskanal, der durch einen Innenraum des Wellenlagers 21 zwischen den Wälzkörperreihen 24 und 25 gebildet wird. Durch diese Konfiguration der Verbindungsstrecke zwischen dem Pumpeneinlass 14 und der Einlasskammer 15a wird zusammen mit einer bevorzugten schmierfähigen Eigenschaft des Fördermediums, wie einem Schmieröl oder Hydrauliköl, eine aktive Schmierung der Wälzkörper des Wellenlagers 21 erzielt.
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In einem radial innenliegenden Umfangsbereich des Gerotorinnenelements 30, der an das Gleitlager 32 zum exzentrischen Wellenfortsatz 23 angrenzt, sind nutförmige Überströmkanäle 35 ausgebildet. Die Überströmkanäle 35 stellen in ihrer Gesamtheit eine Verbindung zwischen der Einlasskammer 15a und der Einlasskammer 15b her. Das Fördermedium, das durch den Pumpeneinlass 14 zu der Einlasskammer 15a angesaugt wird, wird demnach durch die Verbindung der Überströmkanäle 35 ebenfalls in die Einlasskammer 15b angesaugt, um anschließend den Gerotor 3 beiderseits zu befüllen.
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Die Einlasskammern 15a und 15b weisen denselben Außendurchmesser auf. Wie in 3 gezeigt, ist der Außendurchmesser der Einlasskammern 15a und 15b groß genug gewählt, dass er einen Fußkreis des Gerotorinnenelements 30 bezüglich eines innenliegenden Winkelabschnitts, der einem außenliegenden Winkelabschnitt des Kämmeingriffs gegenüberliegt, überdeckt. Dadurch kann durch umlaufend zeitweise auftretende sichelförmige Schnittflächen zwischen dem Außenumfang der Einlasskammern 15a und 15b sowie den inneren Fußabschnitten der Außenverzahnung 33b, das Fördermedium beidseitig aus den Einlasskammern 15a und 15b in den Gerotor 3 eingesaugt werden.
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Ferner ist der Außendurchmesser der Einlasskanal 15a und 15b derart gewählt, dass eine ausreichende axiale Abgrenzung der sichelförmigen Arbeitskammern in den Fußabschnitten der Innenverzahnung 33a des Gerotoraußenelements 31, d.h. ein effektives Verdrängungsvolumen der Kammern verbleibt. Von der Wahl des Außendurchmessers der Einlasskanäle 15a und 15b hängt folglich auch die volumetrische Effizienz der Pumpe ab.
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Um einen Austritt des verdrängten Volumens aus den Arbeitskammern der Innenverzahnung 33a des feststehenden Gerotoraußenelements zu gewährleisten, sind gemäß der ersten Ausführungsform der Gerotorpumpe Öffnungskanäle 41' in der Kammerwand 13b' ausgebildet, die eine axiale Begrenzung der Arbeitskammern im Bereich der untersten Fußpunkte der Innenverzahnung 33a aufheben. Die Öffnungskanäle 41' erstrecken sich durch die Kammerwand 13b' und weisen einen sichelförmigen Querschnitt auf, dessen Kontur und Position abschnittsweise der Kontur der Innenverzahnung 33a im Bereich des zugeordneten Fußpunktes entsprechen. Durch diese Formgebung stellen die Öffnungskanäle 41' trotz einer stirnseitigen Mündung in die Arbeitskammern, einen Austritt des verdrängten Fördermediums bis zum vollständigen Eingriff sicher.
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Die zuvor beschriebenen Öffnungskanäle 41' sind Bestandteil einer Mehrzahl von Rückschlagventilen bzw. Druckventilen 4, deren Anzahl derjenigen der Arbeitskammern der Innenverzahnung 33a entspricht. Die Druckventile 4 werden in allgemeiner Ausführung durch Austrittsöffnungen 41 und einem oder mehreren federelastischen Blechbiegeteilen 40 gebildet. Ein Blechbiegeteil 40 deckt hierbei die auslassseitige Mündung der Austrittsöffnungen 41 ab und kann durch einen vorbestimmten Druck in jeder Austrittsöffnungen 41 aus einer Auflageposition über der Mündung zurückgedrängt werden.
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In der ersten Ausführungsform, die in den 1 und 2 dargestellt ist, wird eine elastische Abdeckung der Öffnungskanäle 41' im Sinne eines einseitig eingespannten Biegebalkens bzw. Cantilevers durch ein sternförmiges Bliegeblechteil 40' erzielt, das durch einen Bolzen 42 und eine Buchse 43 im Mittelpunkt der Sternform an der Kammerwand 13b befestigt ist. Darüber hinaus ist eine Spiralfeder 44 zwischen dem Pumpendeckel 10 und dem sternförmigen Bliegeblechteil 40' angeordnet, sodass letzteres gegen die Außenseite der Kammerwand 13b beaufschlagt wird.
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Bei einer Variante der Druckventile 4 der ersten Ausführungsform, die in 1 abgebildet ist, sind zwei sternförmige Bliegeblechteile 40'a und 40'b mit unterschiedlichen Austrittsbreiten der Auskragungen im Sinne einer laminaren Blattfeder übereinandergelegt. In einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist ein einfaches sternförmiges Bliegeblechteil 40' vorgesehen.
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Nach einem Überwinden des Gegendrucks der Druckventile 4 strömt das verdrängte Fördermedium aus den Öffnungskanälen 41' in eine axial angrenzende Auslasskammer 16 zwischen der Kammerwand 13b' und dem Pumpendeckel 10, in der die zuvor beschriebenen elastisch wirksamen Teile der Druckventile 4 angebracht sind. Die Auslasskammer 16 sammelt die umlaufend austretenden Verdrängungsströme und führt zu einer zentralen Öffnung des Pumpenauslasses 18 in dem Pumpendeckel 10.
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Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.
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Der Aufbau der zweiten Ausführungsform entspricht in einer axialen Reihenfolge der Komponenten, von der Welle 2 mit Antriebsritzel 20 über die Wellendichtung 12, dem Wellenlager 21 samt Wälzkörperreihen 24 und 25 bis hin zu der Kammerwand 13a, weitgehend der ersten Ausführungsform, jedoch ohne eine Einlassführung, die zwischen den Wälzkörperreihen 24 und 25 entlang der Welle 2 verläuft, wie nachstehend beschrieben wird.
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Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, unterscheidet sich die zweite Ausführungsform maßgeblich dadurch, dass die Austrittsöffnungen 41 der Druckventile 4 nicht wie bei der ersten Ausführungsform, als axial verlaufende Öffnungskanäle 41', die stirnseitig aus den Kammern austreten, sondern als radiale Öffnungsschlitze 41", die aus den Fußpunkten der Innenverzahnung 33a austreten, bereitgestellt sind.
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Ferner werden in der zweiten Ausführungsform die Druckventile 4 zusammen mit einer Mehrzahl von Blechbiegeteilen 40" hergestellt, die im Querschnitt einen Wendeabschnitt zur Bildung einer doppellagigen Spangenform aufweisen. Genau genommen weisen die Blechbiegeteile 40" ferner im Querschnitt eine Ausbauchung in einer Blechlage auf, um eine Beabstandung der freien Enden der doppellagigen Spangenform zu schaffen, die eine elastische Vorspannung entsprechend einem Biegebalken bzw. Cantilevers gegen die Austrittsmündung eines Öffnungsschlitzes 41" bewirkt.
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Jedes Blechbiegeteile 40" deckt im Bereich der freien Enden, d.h. gegenüberliegend von dem Wendeabschnitt, jeweils einen Öffnungsschlitz 41" ab und ist in einer ringförmigen Austrittskammer 17 federnd eingespreizt. Darüber hinaus sind die Blechbiegeteile 40" anhand eines formschlüssigen Eingriffs zwischen einer Erhebung des Wendeabschnitts und einer entsprechenden Ausnehmung im Umfang des Gerotoraußenelements 31" gegen eine Umspülung des Fördermediums in Umfangsrichtung fixiert.
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Die ringförmige Austrittskammer 17, wird durch einen Außenumfang oder eine Umfangsstufe des Gerotoraußenelements 31" und einen inneren Mantelabschnitt des Pumpengehäuses 1, oder eines hierfür zugeordneten Ringabschnitt des Gerotoraußenelements 31" gebildet, und dient in gleicher Weise wie die Austrittskammer 16 der ersten Ausführungsform dazu, die umlaufend austretenden Verdrängungsströme zu sammeln und einer Öffnung des Pumpenauslass 18 zu zuführen.
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In der zweiten Ausführungsform entfällt ein Pumpendeckel 10, der durch die Kammerwand 13b" ersetzt wird. Die Kammerwand 13b" nimmt sowohl den Pumpenauslass 18 als auch den Pumpeneinlass 14 auf. Der Pumpeneinlass 14 führt direkt in die Einlasskammer 15b. Ferner ist die Einlasskammer 15b wieder in zuvor beschriebener Weise durch die Überströmkanäle 35 mit der Einlasskammer 15a verbunden, sodass in dieser Ausführungsform ebenfalls ein beidseitiges Ansaugen des Fördermediums in den Gerotor 3 ermöglicht wird.
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Nachstehend wird eine erfindungsgemäße konstruktive Maßnahme zur Bewirkung einer hydraulischen Phasenanschnittsteuerung in der Gerotorpumpe beschrieben.
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Wie zuvor bezüglich des Außendurchmessers der Einlasskammern 15a und 15b erläutert wurde, hängt ein Fördervolumen der Pumpe anhand der einzelnen Ansaugvorgänge der Arbeitskammern von dem Strömungsquerschnitt der zeitweise auftretenden sichelförmigen Schnittflächen zwischen dem Außenumfang der Einlasskammern 15a und 15b sowie den inneren Fußabschnitten der Außenverzahnung 33b ab. Darüber hinaus hängen die Dauern der einzelnen Ansaugvorgänge der Arbeitskammern von der Wellendrehzahl ab.
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Infolgedessen ist eine hydraulische Phasenanschnittsteuerung durch geeignete Auswahl eines einlassseitig begrenzenden Strömungsquerschnitts umsetzbar. Die hydraulische Phasenanschnittsteuerung bewirkt, dass oberhalb einer vorbestimmten Drehzahl, die in Abhängigkeit des begrenzten Strömungsquerschnitts innerhalb eines zulässigen Betriebsbereich der Drehzahl festgelegt ist, die Arbeitskammern nicht mehr vollständig bzw. immer weniger befüllt werden. Somit steigt das Fördervolumen ab der vorbestimmten Drehzahl nicht mehr weiter an.
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Dieser Betriebspunkt, der drehzahlunabhängig oberhalb der vorbestimmten Drehzahl wird, kann anwendungsbezogen optimiert auf einen spezifischen hydrostatischen Druck für Lasten, wie hydraulische Antriebe, in einem Hydraulikkreislauf festgelegt werden, der durch die Gerotorpumpe betrieben wird.
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Im Falle von Schmieröl oder Hydrauliköl wird ein antriebsseitig erzwungenermaßen expandiertes Volumen der Arbeitskammern, das nicht mehr durch angesaugtes Fördervolumen gefüllt werden kann, durch Dämpfe gefüllt, die bei Unterdruck kurzzeitig ausdiffundieren und wieder einkondensieren. Eine Blindleistung der hierzu verrichteten physikalischen Arbeit sowie eine Vermeidung von Kavitationen in den Kammern sind bei Verwendung geeigneter handelsüblicher Öle und entsprechender Auslegung des Betriebsbereichs beherrschbar.
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Eine Begrenzung des einlassseitigen Strömungsquerschnitts kann sowohl anhand des Außendurchmessers der Einlasskammern 15a und 15b, als auch anderer Dimensionierungen, wie der axialen Tiefe derselben, oder einem Kanaldurchmesser in der Einlassführung erzielt werden.
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In nicht dargestellten alternativen Ausgestaltungen der Gerotorpumpe können die Einlassführung der ersten Ausführungsform, die durch die Wälzkörper des Wellenlagers 1 zur Einlasskammer 15a verläuft, und die Einlassführung der zweiten Ausführungsform, die durch die Kammerwand 13b direkt in die Einlasskammer 15b führt, ebenso in der jeweils anderen Ausführungsform umgesetzt sein. Dabei Verläuft gegebenenfalls ein Einlasskanal durch den Pumpendeckel 10 und die Kammerwand 13b in die Einlasskammer 15b.
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Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Gerotorpumpe beschrieben.
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Wie aus den 1 und 2 nachvollziehbar ist, kann der gesamte Pumpenaufbau ohne eine Schraubverbindung realisiert werden. Hierzu werden die einzelnen Komponenten durch die offene Seite des Pumpengehäuses 1 in axialer Reihenfolge von der Wellendichtung 12, über die Welle 2 samt Wellenlager 21, die Kammerwand 13a und das Gerotoraußenelement 31 in das Pumpengehäuse 1 eingepresst, das hierfür entsprechend maßhaltige Presspassungen durch abgestufte zylindrische Mantelinnenflächen bereitstellt. Außerdem wird bereits vorher, währenddessen oder danach ein Gleitlager 32 in das Gerotorinnenelement 30 eingepresst und als Loslagerstelle mit Spielpassung auf den exzentrischen Wellenfortsatz 23 aufgeschoben. Abschließend wird je nach Ausführungsform die Kammerwand 13b" eingepresst oder verschweißt, oder die Kammerwand 13b' verschiebbar eingesetzt und über das Blechbiegebleichteil 40' samt vorgespannter Feder 44 und Befestigungsmitteln 42 und 43 mit dem eingepressten oder verschweißten Pumpendeckel 10 gegen das Gerotoraußenelement 31' beaufschlagt. Danach wird bei den abgebildeten Ausführungsformen das Antriebsritzel 20 auf das heraustretende Ende der Welle 2 aufgepresst.
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Der Bolzen 42 und die Buchse 43 weisen eine Verbindung mit Hinterschnitt auf, die durch ein elastisches Einrasten oder einen verformenden Fügevorgang in Formschluss gelangt. Da eine axiale Tiefe der Einlasskammer 15b aus erläutertem Grund gering sein kann, ist in der dargestellten Ausführungsform eine Ausnehmung in dem exzentrischen Wellenfortsatz 23 vorgesehen, um einen Kontakt zwischen dem freien Ende der Welle 2 und dem Bolzen 42 zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0475109 A1 [0005]
- DE 3716960 A1 [0006]
