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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe, insbesondere einen Radialkolbenverdichter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Radialkolbenpumpe ist ein Element der Fluidtechnik. Bei dieser Pumpe ist mindestens eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination im Gegensatz zu einer Axialkolbenpumpe radial und senkrecht zur Antriebswelle angeordnet. Die Förder- bzw. Hubbewegung des Kolbens wird zumeist durch eine Exzenterwelle hervorgerufen. In der Regel umfasst die Radialkolbenpumpe mehrere Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen, die sich sternförmig und radial von der Antriebswelle, insbesondere Exzenterwelle, erstrecken.
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Radialkolbenpumpen finden beispielsweise als Radialkolbenverdichter für Kühlmittel in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, insbesondere auch in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Verwendung. Eine Radialkolbenpumpe, insbesondere Radialkolbenverdichter, kann auch als Pumpe bzw. Verdichter nach dem Radialkolbenprinzip angesprochen werden.
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Eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination umfasst im Wesentlichen einen Arbeitsraum, auch Zylinder genannt, und einen Kolben, der in dem Arbeitsraum auf und ab bewegt wird. Der Kolben weist eine mittige geometrische Kolbenachse auf, die mit der Verschieberichtung des Kolbens übereinstimmt. Bei einer Radialkolbenpumpe mit einer Exzenterwelle umfasst der Kolben auf seiner der Exzenterwelle zugewandten Seite eine Kontaktfläche, auf welche die Exzenterscheibe während der Drehung der Exzenterwelle auftrifft bzw. anliegt. Die Exzenterwelle weist eine Drehachse auf, um welche die Exzenterwelle gedreht wird. Mit dem Auftreffen des Exzenters auf die Kontaktfläche kommt es zu einer Kolbenaufwärtsbewegung und zur Verdichtung eines in dem Arbeitsraum befindlichen Mediums und somit zu einem Druck- und Kraftanstieg. Der quer zur Kolbenbewegung wirkende Kraftanteil an der Kontaktfläche erreicht dabei sein Maximum und muss über die Kolbenseitenkräfte zur Zylinderwand, auch Liner genannt, abgestützt werden. Insbesondere muss die Kolbenseitenwand die Kraft aufbringen. Es resultiert eine den Kolben belastende Kolbenseitenkraft.
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Die hohen wirkenden Seitenkräfte bei hohen Kolbengeschwindigkeiten während der Verdichtung wirken sich negativ bzgl. der mechanischen Reibverluste und des Verschleißverhaltens aus.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, eine verbessere Radialkolbenpumpe vorzuschlagen, insbesondere eine Radialkolbenpumpe vorzuschlagen, mit der die oben skizzierten Probleme abgestellt, mindestens aber gelindert werden können.
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Insbesondere soll eine Radialkolbenpumpe vorgeschlagen werden, bei der Kolbenseitenkräfte und/oder mechanische Verluste reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Radialkolbenpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kolbenachse nicht durch die Drehachse der Exzenterwelle verläuft. Hierdurch ergibt sich eine parallel zu einer senkrecht auf der Drehachse stehenden Referenzlinie versetzte Kolbenachse. Mit anderen Worten, wird bei einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe die Kolben-Arbeitsraum-Kombination im Vergleich zu einer Kolben-Arbeitsraum-Kombination einer Radialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik parallel versetzt. Es liegt demnach eine Schränkung vor. Dadurch kreuzt die Kolbenachse nicht länger die Drehachse der Exzenterwelle.
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Durch eine vorteilhaft gewählte Schränkung verschieben sich die Bereiche hoher Kolbenseitenkräfte in Bereiche niedriger Relativgeschwindigkeiten, wodurch der gewünschte Effekt einer Reduzierung der Reibungsleistung erzielt wird. Insbesondere eine Veränderung der Kinematik verändert die Winkellage des Kontaktkraftvektors (Kontaktfläche und Exzenter) zur Kolbenachse und somit den Nullpunkt der Kolbenseitenkräfte.
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Durch eine Reduzierung der Kolbenseitenkräfte während der Verdichtung, können Reibung, Kontaktpressung, Wärmeeintrag und letztendlich auch Verschleiß der Radialkolbenpumpe reduziert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
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Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
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Die verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder“ jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Radialkolbenpumpe mit mehreren, insbesondere vier, Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen ausgestattet ist, wobei deren Kolbenachsen nicht durch die Drehachse der Exzenterwelle verlaufen. Das Prinzip des Versatzes sollte vorzugsweise auf alle Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen der Radialkolbenpumpe angewendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Versatz zwischen der jeweiligen Kolbenachse und einer parallelen, senkrecht auf der Drehachse stehenden jeweiligen Referenzlinie vorgesehen ist. Bei dem Versatz handelt es sich vorzugsweise um einen parallelen Versatz, d.h. die Kolben-Arbeitsraum-Kombination wird vorzugsweise parallel zu der ursprünglichen Kolbenachse einer Kolben-Arbeitsraum-Kombination einer Radialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik verschoben. Zur Vermeidung von Verwechselungen wird diese hier Referenzlinie genannt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Versatz entgegen der Drehrichtung der Exzenterwelle vorgesehen ist. Ein derartiger Versatz soll nachfolgend als positiver Versatz angesprochen werden. Hierdurch kann ein Minimum der Reibungsleistung erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Versatz in Drehrichtung der Exzenterwelle vorgesehen ist.
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Ein derartiger Versatz soll nachfolgend als negativer Versatz angesprochen werden. Mit einem negativen Versatz ist eine Verbesserung des thermodynamischen Potentials des Verdichters durch Reduzierung der Wandwärmeverluste und Drosselverluste möglich.
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Für einen anderen Arbeitsprozess, z.B. Expander/Luftdruckmotor ergibt sich in negativer Richtung der Vorteil der Reibungsreduzierung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Radialkolbenpumpe, insbesondere eines Radialkolbenverdichters, gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe, insbesondere eines Radialkolbenverdichters;
- 3 eine schematische Darstellung einer Kolben-Exzenter-Kombination zur Verdeutlichung eines positiven bzw. negativen Versatzes;
- 4 Darstellung der auftretenden Kräfte ohne Versatz;
- 5 Darstellung der auftretenden Kräfte mit Versatz;
- 6 Darstellung der betragsmäßigen Summe der Kolbenseitenkräfte eines Kolbens und der dazugehörigen Relativgeschwindigkeit am Kontakt zwischen Kolben und Liner für eine Umdrehung ohne Versatz und mit positivem Versatz bei Optimum aus 5;
- 7 eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe, insbesondere Radialkolbenverdichter, in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung.
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Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
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- MT
- Drehachse (der Exzenterwelle)
- ME
- Mittelpunkt der Exzenterscheibe
- B(a-d)
- Kolbenachse
- BV(a-d)
- versetzte Kolbenachse
- D
- Drehrichtung
- E
- Exzentrität
- Fa
- Kontaktkraft außen, ohne Versatz
- FaV
- Kontaktkraft außen, mit Versatz
- FME
- Kraft durch Exzentermittelpunkt
- Fi
- Kontaktkraft innen, ohne Versatz
- FiV
- Kontaktkraft innen, mit Versatz
- FK
- Kolbenkraft
- Fq
- Kolbenquerkraft
- G
- Geschwindigkeit Kolben ohne Versatz
- GV
- Geschwindigkeit Kolben mit Versatz
- R(a-d)
- Referenzlinie
- V(+,-)
- Versatz
- 1
- Exzenterwelle
- 2 (a-d)
- Kolben-Arbeitsraum-Kombination
- 11
- Tragwelle
- 12
- Exzenterscheibe
- 21
- Arbeitsraum
- 22
- Kolben
- 221
- Kontaktfläche
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Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.
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Eine Radialkolbenpumpe, insbesondere Radialkolbenverdichter, umfasst im Wesentlichen eine Exzenterwelle 1, sowie mindestens eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination 2. Denkbar sind auch Varianten mit zwei, drei, fünf, sechs oder acht Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von vier Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen 2a bis 2d beschrieben.
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Die Exzenterwelle 1 umfasst im Wesentlichen eine Tragwelle 11, sowie eine hierauf angeordnete Exzenterscheibe 12. In der Regel ist die Exzenterscheibe 12 als separates Teil auf die Tragwelle 11 gefügt. Grundsätzlich können Tragwelle 11 und Exzenterscheibe 12 aber auch einstückig ausgeführt sein. Die Exzenterwelle 1, insbesondere die Tragwelle 11, weist eine Drehachse MT auf. Die Exzenterwelle 1, insbesondere Tragwelle 11, dreht sich entsprechend um diese Drehachse MT. Es ist ferner ein Mittelpunkt ME der Exzenterscheibe 12 eingezeichnet, der aber entsprechend nicht mit der Drehachse MT zusammenfällt.
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Radial um diese Exzenterwelle 1 herum sind die Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen 2a bis 2d angeordnet. Eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination umfasst im Wesentlichen einen Arbeitsraum 21, auch Zylinder genannt, und einen Kolben 22. Der Kolben 22 bzw. der Arbeitsraum 21 weist in der Regel einen kreiszylinderförmigen Querschnitt auf. Der Kolben 22 weist eine Kolbenachse B auf, die mittig durch den Kolben 22 und in Verschieberichtung des Kolbens 22 verläuft. Der Kolben 22 weist auf seinem der Exzenterwelle zugewandten Ende eine Kontaktfläche 221 auf. Die den jeweiligen Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen zugeordneten Kolbenachsen sind entsprechend mit den Indizes als B, Bb, Bc und Bd gekennzeichnet. Die Kontaktfläche 221 kann einteilig mit dem Kolben oder auch als separates Element ausgestaltet sein. Grundsätzlich kann die Kontaktfläche 221 ein für den Kolben-Exzenter-Kontakt ausgebildeter Teilbereich des Kolbens, eine Kontaktfläche/Gleitfläche oder ein separates Element sein.
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Bei Drehung der Exzenterwelle 1 trifft die Exzenterscheibe 12 auf die Kontaktfläche 221 und verschiebt den Kolben 22 entlang der jeweiligen Kolbenachse B in dem Arbeitsraum, wodurch in dem Arbeitsraum 21 befindliches Fluid komprimiert bzw. gefördert werden kann. Vorzugsweise liegt die Kontaktfläche stets am Exzenter an. Die Arbeitsweise einer Radialkolbenpumpe ist dem Fachmann hinreichend bekannt, auch umfasst die Kolben-Arbeitsraum-Kombination weitere, hier nicht dargestellte, dem Fachmann aber bekannte Komponenten, wie beispielsweise einen Zylinderkopf, Ventil, Fluideinlass, Fluidauslass, etc. die hier nicht dargestellt sind, aber keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
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Sowohl bei der Drehachse MT, als auch bei der Kolbenachse B handelt es sich um geometrische Achsen.
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In einer Radialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik kreuzen die Kolbenachsen B a-d die Drehachse MT der Exzenterwelle 1, wie beispielsweise in der 1 dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist, wie beispielsweise in der 2 bzw. 3 dargestellt, vorgesehen, dass versetzte Kolbenachsen BVa-d die Drehachse MT der Exzenterwelle 1 nicht kreuzen. 2 zeigt schematisch vier Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen mit versetzten Kolben 22Va, 22Vb, 22Vc, 22Vd, während 3 zu illustrativen Zwecken jeweils einen nicht versetzten Kolben 22 und jeweils einen in V(-) und einen entgegen Drehrichtung V(+) versetzten Kolben 22V zeigt. Die entsprechend zugehörigen versetzten Kolbenachsen sind entsprechend mit BV(+) bzw. BV(-) beschriftet.
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Es ist entsprechend ein Versatz V, insbesondere paralleler Versatz, zwischen der Kolbenachse BV der jeweiligen Kolben-Arbeitsraum-Kombination und der Drehachse MT der Exzenterwelle 1 vorgesehen.
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Eine bevorzugte Größenordnung des Versatzes V hängt insbesondere von den kinematischen Größen und der Verdichtercharakteristik ab. Eine bevorzugte Größenordnung des Versatzes V liegt im Bereich 25-75% vom Kolbenhub.
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Der jeweilige Versatz V der zugeordneten Kolben-Arbeitsraum-Kombination ist in der 2 erkennbar und jeweils mit dem Bezugszeichen Va, Vb, Vc und Vd gekennzeichnet. Der Versatz V ist jeweils zwischen der versetzten Kolbenachse BVa, BVb, BVc bzw. BVd und einer parallelen, die Drehachse MT kreuzenden jeweiligen Referenzlinie Ra, Rb, Rc bzw. Rd vorgesehen. Die jeweilige Referenzlinie ist letztendlich deckungsgleich mit der oben skizzierten jeweiligen Kolbenachse Ba, Bb, Bc bzw. Bd einer Radialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik, welche gemäß dem Stand der Technik die Drehachse MT schneidet.
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Durch den, auch als Schränkung anzusprechenden, Versatz V, insbesondere tangentialen Versatz bzw. Versatz der Kolbenachse zur Drehachse in Querrichtung, der Kolbenachse BV wird während der Verdichtungsphase die Querkraft am Stösselkontakt und somit die Kolbenseitenkräfte deutlich reduziert.
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Der Versatz V kann letztendlich in zwei Richtungen im Hinblick auf die Referenzlinie und die Drehrichtung der Exzenterwelle erfolgen, in positiver, als auch in negativer Richtung. In der 3 ist hierzu schematisch die Drehrichtung D und der sich hieraus ergebende Versatz V(+) und V(-) bzw. die sich ergebenden Kolbenachsen BV(+) bzw. BV(-) skizziert. Entsprechend soll ein entgegen der Drehrichtung D bestehender Versatz V(+) als positiver Versatz und ein in Drehrichtung vorgenommener Versatz als negativer Versatz V(-) angesprochen werden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ein positiver Versatz V(+) erwiesen. In einem Berechnungsmodell wurde die durch die Kolbenseitenkräfte verursachte Reibungsleistung in Abhängigkeit der Schränkung ermittelt. Wie in 4 zu erkennen ist, ist ein Minimum der Reibungsleistung bei einer positiven Schränkung vorhanden. Die Leistung reduziert sich bei dem ermittelten Optimum deutlich gegenüber einer Bauweise ohne Schränkung. Der Grund dafür ist in 4 ersichtlich. Durch die optimale Schränkung verschieben sich die Bereiche hoher Kolbenseitenkräfte in Bereiche niedriger Relativgeschwindigkeiten, wodurch der gewünschte Effekt einer Reduzierung der Reibungsleistung erzielt wird.
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Weiter vorzugsweise sollte für einen geforderten Kolbenhub die Exzentrizität E zwischen Drehachse MT der Exzenterwelle 1 und Mittelpunkt ME der Exzenterscheibe 12 an den Versatz V angepasst werden, da sich bei gleichbleibender Exzentrizität mit einem Versatz der Kolbenhub vergrößert.
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Vorzugsweise sollte die Größenordnung des positiven Versatzes V(+) an die geometrischen Verhältnisse und Funktionsanforderungen angepasst werden. Bei einem Expander gilt dies insbesondere für den negativen Versatz V(-).
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Mit einem negativen Versatz V(-) ist eine Verbesserung des thermodynamischen Potentials des Verdichters durch Reduzierung der Wandwärmeverluste und Drosselverluste möglich.
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Bei einer negativen Schränkung ergibt sich insbesondere ein Verdichten und Ausstoßen schneller als Dekompression und Ansaugen. Bei einer positive Schränkung ergibt sich insbesondere ein Verdichten und Ausstoßen langsamer als Dekompression und Ansaugen.
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Bei einer positiven Schränkung ergibt ich insbesondere eine Verringerung der Summe aller Reibleistungen und/oder eine Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrades.
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Bei einer negativen Schränkung ergibt sich insbesondere ein schnelles verdichten und ausstoßen, geringere Wandwärmeverluste, ein langsames dekomprimieren und ansaugen, eine Füllung des Zylinderraums mit größerer Gasmasse und/oder eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades.
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In den 4 und 5 sind beispielhaft die auftretenden und die resultierenden Kräfte am Kolben bzw. am Zylinderdargestellt, wobei 4 die Kräfte ohne Versatz des Kolbens und die 5 die Kräfte mit positivem Versatz des Kolbens zeigt. Entsprechend sind die Bezugszeichen Fa für eine Kontaktkraft außen ohne Versatz bzw. Bezugszeichen FaV für eine Kontaktkraft außen mit Versatz, Bezugszeichen Fi für eine Kontaktkraft innen ohne Versatz bzw. Bezugszeichen FiV für eine Kontaktkraft innen mit Versatz.
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Wie in den Figuren dargestellt, bewirken die Exzentrizität und die damit wirkenden Hebel ein kippen des Kolben bzw. eine ungleiche Anlage des Kolbens am Zylinder und damit zwischen Kolben und Zylinder auftretende Kräfte, die Kontaktkräfte. Die Kontaktkraft außen Fa und die Kontaktkraft innen Fi deuten diese Schrägstellung bzw. das Verkippen des Kolbens an. In graphischer Zusammenschau der Kolbenkraft FK, deren Kraftverlauf entlang der Kolbenachse liegt und der abgetragenen Kraft FME und deren Kraftverlauf durch den Exzenterdrehpunkt ergibt sich die resultierende Kolbenquerkraft Fq. Ein Vergleich der 4 und 5 zeigt deutlich, dass bei einem Versatz der Kolbenachse die Kolbenquerkraft bzw. die Kontakträfte FaV und FiV reduziert sind.
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In dem in 6 gezeigten Diagramm sind die Kräfte ohne Schränkung bzw. ohne Versatz (gestrichelte Linie) sowie mit optimierter positiver Schränkung bzw. optimiertem positivem Versatz (durchgezogene Linie) jeweils die Kontaktkraft sowie die Kolbengeschwindigkeit G bzw. GV im Prinzip dargestellt. Die Horizontale Achse zeigt den Drehwinkel bzw. den Antriebswinkel 4> der Exzenterwelle in Grad und senkrecht ist die Kraft sowie die Geschwindigkeit dargestellt. Wie in der Figur erkennbar, verschieben sich der Drehwinkel der maximal Kraft sowie die Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Schränkung bzw. dem Versatz.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe, insbesondere Radialkolbenverdichter, in einer perspektivischen Ansicht im Längsschnitt.
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Bevorzugt findet die Radialkolbenpumpe als Radialkolbenverdichter für Kühlmittel in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, insbesondere auch in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Verwendung.
