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Die vorliegende Erfindung betrifft eine strömungsoptimierte Flügelzellenpumpe mit einer verringerten Pulsation eines Drucks in den Flügelzellen.
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Im Gegensatz zu Kreiselpumpen erzeugen umlaufende Verdrängerpumpen wie z.B. Flügelzellenpumpen prinzipiell eine Druckpulsation, die aus der Abfolge von Ansaug- und Verdrängungszyklen während einer Umdrehung der Pumpenwelle entsteht. Die Pulsation betrifft sowohl den Ausgangsdruck der Pumpe und das Strömungsverhalten beim Ladungswechsel des Förderstroms in und aus den Flügelzellen zum Ein- und Auslass, als auch einen Druck innerhalb der zwischenzeitlich schließenden Flügelzellen. Ein pulsierender Druck in geschlossenen Volumina oder Kreisläufen führt in einem hydraulischen System im Allgemeinen zu Problemstellungen wie einer verringerten Haltbarkeit von Dichtungsstellen oder einer Geräuschentwicklung mit wahrnehmbaren Resonanzen.
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Aus dem Stand der Technik sind Flügelzellenpumpen mit unterschiedlichen anwendungsspezifischen Geometrien bekannt, die auf eine Verringerung von Pulsationen abzielen. So beschreibt beispielsweise die
DE 11 2015 000 504 T5 eine Flügelzellenpumpe zur Verwendung in einer Servolenkung eines Fahrzeugs. Die Pumpenkammer nimmt eine Innenkontur mit zwei radialen Erhebungen ein. Die Ein- und Auslässe sind stirnseitig zu dem Rotor und den gleitend gelagerten Sperrflügeln angeordnet. Eine als Steuerspiegel dienende Seitenplatte weist an der dem Rotor
2 zugewandten Stirnseite eine Einkerbung entgegen der Drehrichtung auf, die einen früheren, graduell zunehmenden Öffnungsquerschnitt zum Auslass gewährt.
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Die genannte Druckschrift beschreibt demnach die Umsetzung einer statischen Vorsteuergeometrie, die an einem feststehenden Steuerspiegel der Pumpe eingebracht wird. Eine derartige Modifikation der Pumpengeometrie, die einen geöffneten Übergang der Flügelzelle zwischen Ansaugen und Verdrängen in jedem Arbeitshub bewirkt, kann die volumetrische Effizienz der Pumpe in nachteilhafter Weise beeinflussen.
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Die aus dem Stand der Technik genannte Maßnahme zielt auf die Vermeidung von Schwankungen im Pumpenauslass ab und dient der optimierten Bereitstellung eines möglichst konstanten Förderdrucks aus einer Flügelzellenpumpe, wie er beispielsweise für die präzise Ansteuerung von linearen, also nicht-rotatorischen hydraulischen Stellgliedern erwünscht ist.
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Es besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine alternative Optimierung der Pumpengeometrie zu schaffen, die auch eine Verringerung einer Pulsation innerhalb der Flügelzellen einer Flügelzellenpumpe bewirkt.
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Die Aufgabe wird durch eine Flügelzellenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Flügelzellenpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere von viskosen Ölen, weist auf: einen Rotor mit Gleitschlitzen, in denen verschiebbare Flügel aufgenommen und in Bezug zu einem Rotorradius versenkbar sind; ein Pumpengehäuse mit einer Pumpenkammer, die den Rotor umgibt und deren Innenkontur einen zu dem Rotorradius exzentrischen Hohlzylinder und/oder wenigstens eine radiale Erhebung zu dem Rotorradius in Umlaufrichtung des Rotors aufweist; sodass Flügelzellen, die jeweils ein umlaufendes Teilvolumen der Pumpenkammer zwischen zwei benachbarten Flügeln einnehmen, eine Volumenzunahme und Volumenabnahme in Abhängigkeit der radialen Innenkontur der Pumpenkammer durchlaufen; und ein Einlass im Drehwinkelbereich der Volumenzunahme und ein Auslass im Drehwinkelbereich der Volumenabnahme, die zu wenigstens einer Stirnseite des Rotors in die Pumpenkammer münden; wobei über den Umfang des Rotors radiale Erhebungen zu den Gleitschlitzen hervorstehen, die einen Rotorradius beiderseits der versenkbaren Flügel bilden, und zwischen den radialen Erhebungen radiale Taschen zum Rotorradius vertieft sind.
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Die Flügelzellenpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass innerhalb der radialen Erhebungen an der wenigstens einen Stirnseite des Rotors, zu welcher der Einlass und der Auslass münden, Ausnehmungen ausgebildet sind.
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Erfindungsgemäß wird erstmals an einer Flügelzellenpumpe eine dynamische Vorsteuergeometrie angewendet, die durch Modifikation eines rotierenden Steuerspiegels seitens des Rotors der Flügelzellenpumpe realisiert wird, wie nachstehend erläutert ist.
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Die Ausnehmungen an den Stirnseiten der radialen Erhebungen des Rotors bewirken in einem Drehwinkelbereich zwischen der Auslassöffnung und der Einlassöffnung, in dem sich die umlaufenden Flügelzellen geschlossen durch die Pumpenkammer bewegen, einen zeitlich verlängerten, größeren Verbindungsquerschnitt des Volumens der Flügelzellen zunächst zu der Auslassöffnung und anschließend zu der Einlassöffnung. Dadurch verkürzt sich bzw. entfällt eine vollständig geschlossene Volumenverschiebung, d.h. insbesondere eine geschlossene Volumenänderung, wodurch die Erzeugung von kurzzeitigen hohen Druckspitzen in umlaufenden Flügelzelle effektiv verringert wird.
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Auch wenn eine Distanz zwischen Einlass und Auslass auf das Maß einer dazwischenliegenden Flügelzelle gewählt wird, um die effektive Strecke einer geschlossenen Volumenverschiebung bzw. Volumenänderung einer Flügelzelle zu minimieren, verbleibt zu den gegebenenfalls simultanen Zeitpunkten eines Volumenabschlusses und einer Volumenöffnung der Flügelzelle durch die stirnseitigen Ausnehmungen im Rotor ein geringer Öffnungsquerschnitt, der einen Druckanstieg innerhalb der Flügelzelle begrenzt.
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Zugleich besteht in Abhängigkeit von der vorgesehenen Viskosität des Mediums und der Abmessung der Ausnehmungen eine ausreichende Dichtungswirkung an dem geringen Öffnungsquerschnitt der Ausnehmungen, sodass ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Einlass und Auslass während des Passierens der Flügelzelle verhindert wird, und eine Verschlechterung der volumetrischen Effizienz unterdrückt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Ausnehmungen in radialer Richtung wenigstens zwei benachbarte radiale Abschnitte aufweisen, die sich in Bezug zu einer Tiefe der Ausnehmung zur Oberfläche der Stirnseite des Rotors gegenseitig unterscheiden. Somit ist es möglich, unterschiedliche funktionale bzw. strömungswirksame Bereiche in den Ausnehmungen, insbesondere in Bezug auf eine Dichtungstrecke der Flügelzelle zu der Einlass- und Auslassöffnung einzurichten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein radialer Abschnitt der Ausnehmungen, der in Radialrichtung des Rotors weiter innen angeordnet ist, eine größere Tiefe aufweisen, und ein benachbarter radialer Abschnitt der Ausnehmungen, der in Radialrichtung des Rotors weiter außen angeordnet ist, kann eine geringere Tiefe aufweisen. Wie später erläutert wird, kann der Abschnitt mit größerer Tiefe die Funktion eines druckbegrenzenden Ausgleichkanals einnehmen und der Abschnitt mit geringerer Tiefe die Funktion eines Strömungswiderstands, der einen unteren Schwellenwert für einen Druckausgleich vorgibt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kontur der Ausnehmungen oder eines radialen Abschnitts der Ausnehmungen entlang der Umfangsrichtung des Rotors konstant sein. Somit verhält sich eine strömungswirksame Funktion der stirnseitigen Ausnehmungen neutral zum Drehwinkel des Rotors.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Ausnehmungen oder ein radialer Abschnitt der Ausnehmungen eine Nut mit einer rechteckigen, V-förmigen oder U-förmigen Kontur bilden. Derartige Konturen in rotationssymmetrischer Gestalt der Ausnehmung ermöglichen eine vereinfachte Fertigung des Rotors, wie z.B. anhand einer spanabhebende Bearbeitung der Ausnehmung am rotierenden Werkstück. Bei einer Fertigung durch einen Sinterprozess stellen die genannten Querschnittskonturen der Ausnehmungen sicher, dass ein Formwerkzeug ohne Hinterschnitte von der Rohteilkontur des Rotors gelöst werden kann. Insbesondere jedoch lässt sich durch Auswahl der genannten Querschnittskonturen der Ausnehmungen ein Strömungsverhalten geometrisch beeinflussen und somit beispielsweise auf eine Viskosität des Mediums abstimmen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Abstand zwischen einer Mündung des Einlasses und einer Mündung des Auslasses in die Pumpenkammer im Wesentlichen dem Abstand zwischen zwei Flügeln entsprechen. Somit wird eine Strecke, die durch ein abgeschlossenes Volumen einer Flügelzelle zurückgelegt wird, minimiert und eine effektive Arbeitsstreckecke der Flügelzellen maximiert. Infolgedessen wird eine Dauer einer geschlossenen Volumenänderung minimiert, sodass die Zeitpunkte eines Volumenabschluss und einer Volumenöffnung im Wesentlichen zusammenfallen. Durch den zusätzlichen druckausgleichenden Effekt der erfindungsgemäßen Ausnehmungen während einem im Wesentlichen simultanen Volumenabschluss und Volumenöffnung bei einer derartigen Anordnung der Mündungen von Einlass und Auslass kann eine Druckspitze unterdrückt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Hydraulikpumpe zum Erzeugen eines konstanten Drucks für hydraulische Stellglieder oder Antriebe die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe umfassen. Wie obenstehend erläutert, bewirken die Ausnehmungen eine Verringerung einer Pulsation des Drucks in den Flügelzellen, die selbst in Kombination mit einem Medium von höherer Viskosität als Wasser wie z.B. mit einem Hydrauliköl eintritt, und in geschlossenen Kreisläufen wie z.B. einem Hydrauliksystem eine Geräuschunterdrückung herbeiführt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine solche Hydraulikpumpe zum Erzeugen eines konstanten Drucks eine volumetrisch variable Pumpengeometrie aufweisen, wobei ein Abstand zwischen dem Rotorradius und der Innenkontur eines exzentrischen Hohlzylinders oder einer radialen Erhebung der Pumpenkammer mittels Stellglied einstellbar ist. Bei Typen von Verstellpumpen wirkt sich eine Pulsation des Drucks innerhalb der Flügelzellen nachteilig auf die Lebensdauer aus, da die Druckschwankungen über eine verstellbare Pumpenkammerwand direkt auf das Stellglied zur volumetrischen Verstellung der Pumpe übertragen werden. Somit bringt die Pulsation im Pumpenbetrieb eine ständige Schwingungsbelastung gegen die Stellkraft auf, wodurch eine Lagerung der verstellbaren Pumpengeometrie sowie das Stellglied selbst Vibrationen ausgesetzt werden. Da eine entsprechende Kinematik hohen Anforderungen bezüglich der Abdichtung unterliegt, und durch Vibrationen per se schneller als eine starre Geometrie verschleißt, profitiert eine volumetrisch verstellbare Flügelzellenpumpe in besonderem Maß von einer erfindungsgemäßen Modifikation zur Verringerung der Pulsation des Drucks innerhalb der Flügelzellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine solche Hydraulikpumpe als Antriebsquelle in einem hydraulischen Lenkhilfesystem für Fahrzeuge verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 eine geöffnete Draufsicht auf eine volumetrisch verstellbare Flügelzellenpumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Rotor mit einer Ausnehmung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine perspektivische Ansicht auf einen Rotor mit einer stirnseitigen Ausnehmung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine virtuelle Darstellung einer Simulation eines normierten Druckverlaufs in der Pumpenkammer während eines Volumenabschlusses einer Flügelzelle zwischen Auslass und Einlass;
- 5 eine virtuelle Darstellung einer Simulation eines normierten Strömungsverlaufs, der entsprechend dem Druckverlauf aus 6 resultiert; und
- 6 ein Diagramm eines normierten Pumpenausgangsdrucks in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors für eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe und eine herkömmliche Flügelzellenpumpe.
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Nachstehend wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
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1 zeigt eine Ansicht auf ein geöffnetes Pumpengehäuse 1 einer volumetrisch verstellbaren Flügelzellenpumpe, an der ein Pumpendeckel entfernt wurde. Um den geförderten Volumenstrom unabhängig von einer Drehzahl der Pumpe einstellen zu können, verfügt die Pumpe über eine variable Pumpengeometrie, die durch eine Verschiebung zwischen zwei Gehäuseteilen verstellt wird.
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Ein äußeres Gehäuseteil 1a bildet einen Hauptteil des Pumpengehäuses 1 und nimmt einen Einlass 5, einen Auslass 6 und ein Stellglied 7 mit einer Rückstellfeder 70 darin auf. Ferner ist ein Rotor 2 an dem äußeren Gehäuseteil 1a drehbar gelagert, so dass der Rotor 2 und das äußere Gehäuseteil 1a eine feststehende Komponente in Bezug auf die Verstellbewegung der variablen Pumpengeometrie definieren. Ein Hubring 1b, der die Pumpenkammer 10 umfasst, ist gemeinsam mit einem hierzu koaxial angeordneten Führungsring 13 als ein inneres Gehäuseteil in dem äußeren Gehäuseteil 1 a verschiebbar aufgenommen und bildet somit eine bewegliche Komponente in Bezug auf die Verstellbewegung der variablen Pumpengeometrie.
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Der Hubring 1b bildet eine Kammerwand der Pumpenkammer 10 in Form eines Hohlzylinders. Eine Innenkontur 12 der zylindrischen Pumpenkammer 10 verläuft exzentrisch in Bezug zu dem Rotor 2, wobei ein Maß der Exzentrizität bzw. ein Abstand der Mittelpunkte der Pumpenkammer 10 und des Rotors 2 in Abhängigkeit einer linearen Verschiebung des Hubrings 1b zu dem äußeren Gehäuse Teil 1a eingestellt werden kann. Die Verstellbewegung erfolgt durch Betätigung eines nicht weiter erläuterten Stellglieds 7, das eine Stellkraft entlang des Verstellwegs erzeugt und dabei die Rückstellfeder 70 zu einer reversiblen Stellbewegung vorspannt.
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Der Führungsring 13 ist beidseitig zu den axialen Enden des Rotors 2 und konzentrisch zu der Innenkontur 12 der Pumpenkammer 10 angeordnet. Der Führungsring 13 ist mit dem Hubring 1b fest verbunden, sodass er in einer beliebigen Position des Verstellwegs stets dieselbe Exzentrizität wie die Pumpenkammer 10 zu dem Rotor 2 aufweist. Auf der nicht dargestellten gegenüberliegenden axialen Seite des Rotors 2 ist dieselbe Anordnung eines Führungsrings 13 bereitgestellt.
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Der Rotor 2 weist Gleitschlitze 23 auf, in denen radial ausgerichtete Sperrflügel 3 verschiebbar gelagert aufgenommen sind. Eine radiale Erstreckung der Sperrflügel 3 entspricht einem Abstand zwischen dem Führungsring 13 und der Innenkontur 12 der Pumpenkammer 10, sodass die innenliegenden Enden der Sperrflügel 3 auf dem Führungsring 13 gleiten, und die außenliegenden Enden der Sperrflügel 3 in der Innenkontur 12 der Pumpenkammer 10 gleiten während die Sperrflügel 3 durch eine Rotation des Rotors 2 auf einer Kreisbahn durch die Pumpenkammer 10 geführt werden. Da der Führungsring 13 und die Innenkontur 12 exzentrisch zum Rotor 2 verlaufen, gleiten die Sperrflügel 3 zudem auch in der Radialrichtung in den Gleitschlitzen 23 ein und aus. Dabei sind die Sperrflügel 3 in Bezug zu einem Rotorradius r vollständig in den Gleitschlitzen 23 versenkbar.
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Ein maximaler Förderstrom der Pumpe wird erzielt, wenn der Hubring 1b gemeinsam mit Führungsring 13 zu einer maximalen Exzentrizität in Bezug zu dem Rotor 2 verschoben wird, sodass die Innenkontur 12 mit einem Rotorradius r des Rotors 2 nahezu in Kontakt gelangt. In einer solchen Stellung wird eine maximale Volumenänderung der Flügelzellen zwischen den Sperrflügeln 3 während einer Rotorumdrehung von 180° in der Pumpenkammer 10 erzielt. Demgegenüber wird ein minimaler Förderstrom der Pumpe erzielt, wenn entlang des Verstellwegs eine Position eingenommen wird, an der im Wesentlichen keine Exzentrizität mehr vorliegt, d.h. ein Mittelpunkt des Rotors 2 und ein Mittelpunkt des Führungsrings 13 koaxial angeordnet sind, so dass die umlaufenden Flügelzellen innerhalb der Pumpenkammer 10 keine Volumenänderung erfahren.
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In einem oberen Bereich der 1 verläuft in der stirnseitigen Kammerwand der Pumpenkammer 10 zu beiden axialen Enden des Rotors 2 jeweils eine sichelförmige Vertiefung, die eine Mündung des Auslasses 6 in die Pumpenkammer 10 bildet. Im Wesentlichen achsensymmetrisch hierzu verläuft in einem unteren Bereich der 1 ebenso zu den beiden axialen Enden des Rotors 2 jeweils eine sichelförmige Vertiefung, die ein Mündung des Einlasses 5 in die Pumpenkammer 10 bildet. Im Zusammenhang mit der eingezeichneten Drehrichtung des Rotors 2 entgegen dem Uhrzeigersinn, nimmt ein Volumen der Flügelzellen im oberen Drehwinkelbereich ab und ein einem unteren Drehwinkelbereich zu, wodurch ein Verdrängungs- und Ansaugvorgang zwischen den umlaufenden Flügelzellen und dem Auslass 6 bzw. Einlass 5 bewirkt wird.
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Zwischen einem Ende einer Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 und einem Anfang einer Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Einlasses 5 in Bezug zu der Drehrichtung besteht ein Abstand c. Innerhalb einer Umlaufstrecke des Abstands c steht die stirnseitige Kammerwand in Gleitkontakt zu den Sperrflügeln 3 und einer Stirnfläche 22 des Rotors 2.
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Der Rotor 2 weist am Umfang ferner zu den Gleitschlitzen 23 hin zulaufende radiale Erhebungen 21 auf, die den Rotorradius r des Rotors 2 an den Gleitschlitze 23 definieren. Zwischen den radialen Erhebungen 21 sind in dem Rotorradius r radiale Taschen 20 vertieft, die einen Totraum bilden, der ein Strömungsverhalten und eine Abdichtung des effektiven Arbeitsvolumen außerhalb des Rotorradius r in der Flügelzelle begünstigt.
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Wenn sich der Rotor 2 dreht und die Flügelzellen zwischen den Sperrflügeln 3 umlaufend durch die Pumpenkammer 10 geführt werden, nimmt das Volumen der Flügelzellen im Drehwinkelbereich der sichelförmigen Mündung des Einlasses 5 zu, sodass das Fördermedium bzw. Hydrauliköl in die Pumpenkammer 10 eingesaugt wird solange eine Verbindung zwischen Flügelzelle und Einlass 5 besteht. Im darauffolgenden Drehwinkelbereich der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 nimmt das Volumen der Flügelzellen ab, sodass das Hydrauliköl verdrängt bzw. ausgeschoben wird solange eine Verbindung zwischen Flügelzelle und Auslass 6 besteht. In einem Drehwinkel der Strecke c, die zwischen der Mündung des Auslasses 6 und der Mündung des Einlasses 5 liegt, ist das Volumen der Flügelzellen abgeschlossen, da zwischenzeitlich keine Verbindung zum Einlass 5 oder zum Auslass 6 besteht.
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Wenn der vorauslaufende Sperrflügel 3 einer Flügelzelle die Strecke c durchläuft und sich der nachlaufende Sperrflügel 3 dieser Flügelzelle auf das Ende einer Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 zu bewegt, erreicht zunächst eine Umfangssteigung der entsprechenden radialen Erhebung 21 eine Kante am Ende einer Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 in der stirnseitigen Kammerwand der Pumpenkammer 10. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Verbindungsquerschnitt, durch den das abnehmende Volumen der Flügelzelle vor dem nachlaufenden Sperrflügel 3 aus der Pumpenkammer 10 zum Auslass 6 ausgeschoben wird, erheblich verringert bzw bereits im Wesentlichen verschlossen, wenn sich eine Einstellposition der Pumpenkammer auf dem Verstellweg an einer Endposition zum Rotorradius r befindet. Anschließend überschreitet der Sperrflügel 3 das Ende der Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 und schließt eine Verbindung zwischen der Flügelzelle und dem Auslass 6 vollständig ab. Kurz danach oder im Wesentlichen zugleich überschreitet der voranlaufende Sperrflügel 3 eine Kante am Beginn einer Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Einlasses 5 in der stirnseitigen Kammerwand der Pumpenkammer 10 und das abgeschlossene Volumen der Flügelzelle wird zum Einlass 5 wieder geöffnet. Der kurzzeitige Abschluss des Volumens der Flügelzelle gewährleistet eine ständige Barriere zwischen den sichelförmigen Mündungen des Einlasses 5 und Auslasses 6, um einen hydraulischen Kurzschluss zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 6 auszuschließen.
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2 zeigt eine Ausnehmung 4 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Ausnehmung 4 erstreckt sich an einer Stirnseite des Rotors 2 von einer radialen Tasche 20 ausgehend über den radial hervorstehenden Querschnitt einer radialen Erhebung 21. Die Ausnehmung 4 ist in einen radial außenliegenden Abschnitt 40 und in einen radial innenliegenden Abschnitt 41 unterteilt, die sich durch eine unterschiedliche Tiefe der Ausnehmung 4 unterscheiden. Dabei sind die stirnseitigen Oberflächen sowohl von dem inneren Abschnitt 41 als auch dem äußeren Abschnitt 40 der Ausnehmung 4 in Bezug zu einer radial weiter einwärts liegenden Stirnfläche 22 des Rotors 2 vertieft.
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Wenn sich ein Sperrflügel 3 auf eine Kante am Ende der Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 zu bewegt, wobei der Sperrflügel im Gleitschlitz 23 eingeschoben bzw. versenkt wird, und der davorliegende Umfangsanstieg der radialen Erhebung 21 die Kante am Ende der Öffnungskontur bereits überschritten hat, verbleibt am Umfang des Rotors 2 im Wesentlichen kein Öffnungsquerschnitt, durch den das Fördermedium bzw. Hydrauliköl während der weiteren Volumenverringerung entfliehen kann. Allerdings verbleibt stirnseitig durch die vertieften Flächen der Ausnehmung 4 zu der Kammerwand der Pumpenkammer 10 noch ein geringer Öffnungsquerschnitt, wodurch noch ein späteres Entfliehen von Hydrauliköl ermöglicht wird, bevor der nachlaufende Sperrflügel 3 das Ende der Kante der Öffnungskontur der sichelförmigen Mündung des Auslasses 6 überschreitet und eine Verbindung zwischen dem Volumen der Flügelzelle und dem Auslass 6 endgültig trennt. Somit wird durch die Ausnehmungen 4 in der Stirnfläche des Rotors 2 eine verlängerte ausgleichende Strömung kurz vor dem Volumenabschluss der Flügelzellen ermöglicht, die einen Druckanstieg in den Flügelzellen begrenzt bzw. verringert.
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Innerhalb der Ausnehmung 4 übernimmt der innere Abschnitt 41 mit der größeren Tiefe die Funktion eines Kanals ein, der das Hydrauliköl aus dem Totraum der radialen Tasche 20 zuführt. Der äußere Abschnitt 40 mit der geringeren Tiefe bewirkt durch eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts in einer radialen Austrittrichtung einen definierten Strömungswiderstand. Somit kann anhand der Tiefe des äußeren Abschnitts 40 und der Geometrie der Ausnehmung 4 ein Strömungswiderstand zur Verhinderung eines potenziellen Leckagestroms gewählt werden, der aufgrund eines möglichst kurzen Abstands c und einer Druckdifferenz zwischen dem Auslass 5 und dem Auslass 6 kurzeitig durch die Flügelzellen hindurch auftreten kann.
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3 zeigt eine Ausnehmung 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch den inneren Abschnitt 42 der Ausnehmung 4. Anstelle der rechteckigen bzw. U-förmigen Kontur des inneren Abschnitts 41 der Ausnehmung 4 der ersten Ausführungsform, weist der innere Abschnitt 42 der Ausnehmung 4 der zweiten Ausführungsform eine V-förmige Kontur auf. Somit bildet die Ausnehmung 4 der zweiten Ausführungsform eine flachere Abstufung zwischen dem inneren Abschnitt 42 und dem äußeren Abschnitt 40 aus, wodurch ein größerer Strömungswiderstand entsteht. Eine Auswahl der Abstufung der Ausnehmung 4 gemäß der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform sowie der Tiefe kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Viskosität des vorgesehenen Fördermediums bzw. des Hydrauliköls in geeigneter Weise gewählt werden.
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4 zeigt als Ergebnis einer virtuellen Simulation des Pumpenbetriebs einen Druckverlauf der Flügelzellen in der Pumpenkammer 10 anhand unterschiedlich gekennzeichneter Bereiche.
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Auf der linken Seite in 4 ist eine Pumpengeometrie ohne die Ausnehmungen 4 simuliert. Dabei entsprechen die dargestellten Volumina der Flügelzellen in Bezug zu den darüber skizierten Öffnungskonturen der sichelförmigen Mündungen des Einlasses 5 und des Auslasses 6 derselben Drehwinkelposition des Rotors 2 wie in den 1 und 2. Aus der Simulation ist ersichtlich, dass in einer Flügelzelle unten links, welche die Strecke zwischen den Mündungen des Einlasses 5 und des Auslasses 6 passiert, eine Druckspitze durchläuft während das Volumen der Flügelzelle abgeschlossen ist. Wenn sich die Flügelzelle entgegen dem Uhrzeigersinn weiter bewegt, gelangt sie in einen Drehwinkelbereich des Einlasses 5, in dem ein Unterdruck in der Flügelzelle herrscht bis eine Volumenzunahme an einer Position endet, die dem Bereich der Druckspitze gegenüberliegt. Anschließend beginnt durch eine Volumenabnahme ein Druckanstieg in der Flügelzelle, welcher kurz vor einem Volumenabschluss in der beschriebenen Druckspitze endet.
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Auf der rechten Seite der 4 zeigt die Simulation eine erfindungsgemäße Pumpengeometrie mit Ausnehmungen 4 in den Stirnseiten der radialen Erhebungen 21 des Rotors 2. Wie aus der perspektivischen Darstellung der Hohlräume in der Pumpenkammer 10 ersichtlich ist, füllen die Volumina der Flügelzellen die Freiräume der Ausnehmungen 4 beidseitig zu den Sperrflügeln 3 stirnseitig auf. Im zeitlichen Verlauf der Rotordrehung stellen die aufgefüllten Freiräume im Zusammenhang mit den Öffnungskonturen der sichelförmigen Mündungen des Einlasses 5 und des Auslass 6 eine Verlängerung eines Öffnungsquerschnitts für eine ausgleichende Strömung dar. Wie aus der Abbildung hervorgeht, ergibt die auf der rechten Seite dargestellte virtuelle Simulation für die Pumpengeometrie mit den Ausnehmungen 4 eine wesentliche Reduzierung der Druckspitze bis auf einen Pegel, der im Wesentlichen demjenigen der zuvor durchlaufenen Verdrängungsphase entspricht, bei der eine vollständige Öffnung zur Mündung des Auslasses 6 besteht.
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5 zeigt eine Verteilung der druckausgleichenden Strömung aus einer Flügelzelle kurz vor dem Volumenabschluss, wobei die Drehwinkelposition wiederum derjenigen aus den 1 und 4 entspricht. Die Größe und Länge der dargestellten Vektorpfeile entspricht einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. einem Volumenstrom pro Flächeneinheit des Strömungsquerschnitts.
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In der linken Abbildung, die sich auf eine Pumpengeometrie ohne die Ausnehmungen 4 bezieht, sind die Vektorpfeile in der Mitte der Abbildung, die an der Kante der Öffnungskontur der Mündung des Auslasses 6 hervortreten, sehr viel größer als die Vektorpfeile in einem oberen Bereich der Abbildung, die eine Strömung der Ausschubphase der nachfolgenden Flügelzelle darstellen. Diese hohe Strömungsgeschwindigkeit resultiert aus dem geringen Öffnungsquerschnitt, der in einer Überschneidung der radialen Erhebung 21 mit der Öffnungskontur der Mündung des Auslasses 6 verbleibt.
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Demgegenüber verdeutlicht die rechte Abbildung der Pumpengeometrie mit den Ausnehmungen 4 den größeren verbleibenden Öffnungsquerschnitt zwischen der Flügelzelle und dem Auslass 6 nachdem die radiale Erhebung 21 die Öffnungskontur der Mündung des Auslasses 6 bereits teilweise passiert hat. Die nach oben weisenden Vektorpfeile zeigen, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem kritischen Bereich immer noch größer als diejenige in der Verdrängungsphase der nachfolgenden Flügelzelle ist. Allerdings lässt sich im Vergleich der linken Abbildung und der rechten Abbildung feststellen, dass eine Verringerung des Anstiegs in der Strömungsgeschwindigkeit durch die Ausnehmungen 4 erzielt wird.
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6 zeigt ein Diagramm eines ausgangsseitigen Förderdrucks der Pumpe in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors 2. Eine gestrichelte Linie gibt einen Druckverlauf für eine Pumpengeometrie ohne die Ausnehmungen 4 an, und eine durchgezogene Linie zeigt den Druckverlauf einer erfindungsgemäßen Pumpengeometrie mit Ausnehmungen 4 an. Der Druckverlauf und eine resultierende Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit, die mit den 4 und 5 erläutert wurden, breiten sich zu dem Auslass 6 der Pumpe aus und bewirken dementsprechend eine Schwankung des ausgangsseitigen Förderdrucks der Pumpen. Im Vergleich zu einem auf den Mittelwert normierten Förderdruck, der in 6 bei 1,00 [-] liegt, tritt bei einem herkömmlichen Rotor 2 bei jedem Passieren einer Flügelzelle eine Druckschwankung mit einem Differenzwert von 0,23 [-] auf, wohingegen die Druckschwankung durch die erfindungsgemäße Pumpengeometrie mit Ausnehmungen 4 auf eine Druckschwankung mit einem Differenzwert von 0,19 [-] gesenkt wird.
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Abgesehen von den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen kann die Flügelzellenpumpe zur Anwendung der Erfindung ebenso ein anderes Pumpengehäuse 1 aufweisen. Beispielsweise kann das Pumpengehäuse 1 eine andere Kinematik zur volumetrischen Verstellung aufweisen, bei der zwischen einer Innenkontur der Pumpenkammer 10 und dem Rotor 2 eine Schwenkbewegung anstatt einer linearen Verschiebung folgt, wie aus anderen Typen der Gattung von Verstellpumpen bekannt ist. Darüber hinaus kann die Pumpenkammer 10 eine andere Innenkontur 12 als diejenige eines exzentrischen Hohlzylinders aufweisen. Beispielsweise kann die Innenkontur 12 der Pumpenkammer 10 wenigstens eine nockenförmige Erhebung zu dem Rotorradius r aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112015000504 T5 [0003]
