DE112010001701B4

DE112010001701B4 - Flügelzellenpumpe mit verbessertem Rotor und Drehschiebererweiterungsring

Info

Publication number: DE112010001701B4
Application number: DE112010001701.8T
Authority: DE
Inventors: Douglas G. Hunter
Original assignee: SLW Automotive Inc
Current assignee: SLW Automotive Inc
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: CN102459815A; US8672658B2; US20120034125A1; CN102459815B; WO2010123556A2; WO2010123556A3; DE112010001701T5

Abstract

Flügelzellenpumpe, umfassend: ein ein Steuervolumen bereitstellendes Gehäuse (44, 44') mit einem Einlass (58) und einem Auslass (60); einen Rotor (10) mit einer drehbaren Achse (38) und mehreren radial beweglichen Drehschiebern (76), die gleitend mit dem Rotor (10) verbunden und von einer zylindrischen Wand (50) eingefasst sind, wobei die zylindrische Wand (50) gegenüber der Drehachse (38) exzentrisch angeordnet ist, eine Außendurchmesserfläche des Rotors (10) entlang einer axialen Länge des Rotors (10) radial angeschrägt ist, um sich nach einem Innerdurchmesser des Gehäuseeinlasses (58) auszurichten, wobei der Innendurchmesser kleiner ist als der größte Rotordurchmesser; einen einzelnen, innerhalb einer axialen Ausnehmung (22) des Rotors positionierten Drehschieberring (84), der eine axiale Länge von mindestens 50 Prozent der axialen Länge der mehreren Drehschieber (76) aufweist, wobei der Rotor (10) Rippen (30) zwischen einer inneren (27) und äußeren (29) radialen Wand aufweist und der Drehschieberring (84) axiale Schlitze (88) aufweist, um die Rippen (30) des Rotors (10) aufzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Flügelzellenpumpen für Fluids, insbesondere für Druckschmierung von Verbrennungskraftmaschinen.
Praktisch alle Verbrennungskraftmaschinen weisen dieselbe Art von Überdruckschmiersystemen auf. Um den Druckölstrom im Schmiersystem bereitzustellen, haben sich viele Fahrzeugverbrennungsmotoren auf eine Art Gerotorpumpe verlassen. Obwohl Gerotorpumpen sich als sehr zuverlässig erwiesen haben ist es wünschenswert eine verstellbare Flügelzellenpumpe bereitzustellen, die weniger Leistung vom Motor erfordert, um dadurch den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Die DE 11 2007 000 514 T5 beschreibt eine Flügelzellenpumpe, umfassend ein Gehäuse mit Ein- und Auslass, einem Rotor und mehreren Drehschiebern, die gleitend mit dem Rotor verbunden und von einer gegenüber der Drehachse exzentrisch angeordneten, zylindrischen Wand eingefasst sind. Aus den Druckschriften DE 32 37 380 A1 , US 6 280 150 B1 und WO 2006/047 986 A1 sind ferner Rotoren mit axialer Anschrägung bekannt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Flügelzellenpumpe vor, die ein Gehäuse mit einem im Allgemeinen zylinderförmig bewandeten Steuervolumen umfasst, wobei das Steuervolumen einen Einlass und einen Auslass aufweist. Innerhalb der zylindrischen Wand des Steuervolumens ist ein Rotor mit einer Drehachse vorgesehen. Der Rotor nimmt mehrere bewegliche Drehschieber auf, die mit der zylindrischen Wand wirkverbunden sind. Es ist ein einzelner Drehschieberring vorgesehen, der mit dem Rotor wirkverbunden ist, welcher eine äußere radiale Fläche aufweist, die mit den inneren radialen Kanten der Drehschieber in Kontakt steht. Der Rotor weist Rippen zwischen einer inneren und äußeren radialen Wand auf und der Drehschieberring weist axiale Schlitze auf, um die Rippen des Rotors aufzunehmen.
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden durch die ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, wobei
1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Flügelzellenpumpe;
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Flügelzellenpumpe des Stands der Technik;
3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
4 zeigt eine Unteransicht eines Rotors einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
5 zeigt eine Seitenansicht eines Rotors einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
6 zeigt eine Draufsicht eines Rotors einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
7 zeigt eine perspektivische Ansicht von oben auf den in den 4–6 gezeigten Rotor;
8 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 von 4;
9 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 von 6;
10 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 von 6;
11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in der Flügelzellenpumpe der vorliegenden Erfindung eingesetzten Drehschieberrings; und
12 zeigt eine Schnittansicht entsprechend der Schnittansicht entlang der Linie 9-9 von 6, wobei die Schnittansicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Betrachtet man die 1 und 3, dann weist eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe zur Motorenschmierung ein Pumpengehäuse oder Gehäuse 44, 44' sowie einen im Allgemeinen senkrechten zylindrischen Rotor 10 auf. Das Gehäuse 44, 44' ist aus zwei Teilen bestehend dargestellt, jedoch kann abhängig von der besonderen Anwendung auch eine größere oder geringere Anzahl von Teilen eingesetzt werden. Der Rotor 10 weist einen inneren Durchmesser mit zwei gegenüberliegenden Abflachungen 12 auf, die zu dessen Verbindung mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind. Obwohl hier gegenüberliegende Abflachungen 12 beschrieben werden, können auch andere Arten von Verbindungen mit der Kurbelwelle verwendet werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt eine Verbindung mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors; mögliche alternative Antriebswellen umfassen jedoch eine Ausgleichswelle, Nockenwelle, über Kette oder Getriebe angetriebene Pumpenwelle und andere geeignete Verbindungen zwischen einer Pumpe und einem Verbrennungsmotor, die Kettenräder oder Keilwellen umfassen. Der Rotor 10 wird üblicherweise aus Pulvermetall oder anderen geeigneten Werkstoffen hergestellt oder aus einer massiven Stange bearbeitet.
Betrachtet man nun die Figuren im Allgemeinen, weist der Rotor 10 mehrere radiale Schlitze 14 auf. Die radialen Schlitze 14 münden jeweils in einem Hohlraum 16. Der Rotor 10 weist eine im Allgemeinen einmalige und auf einer Seite des Rotors befindliche Ausnehmung 22 auf. Die Ausnehmung 22 befindet sich zwischen einer inneren radialen Wand 27 und einer äußeren radialen Wand 29 und trennt diese teilweise voneinander und sorgt, für einen Arbeitsraum für einen Drehschieberring 84. Die innere radiale Wand 27 des Rotors 10 weist eine äußere radiale Fläche 26 und eine innere Fläche 23 auf. Die äußere radiale Wand 29 weist eine innere radiale Fläche 28 und eine schräge Außenfläche 31 auf. Über die axiale Ausnehmung 22 hinweg, zwischen der inneren radialen Oberfläche 26 und der äußeren radialen Fläche 28 erstreckt sich eine Reihe von axialen Rippen 30, die der Struktur des Rotors 10 zusätzliche Steifigkeit verleihen. Die axialen Rippen 30 weisen ein äußerstes Ende 32 auf, das sich nur teilweise in die Länge der Ausnehmung 22 erstreckt und damit Platz lässt für den Drehschieberring 84. An den radialen Schlitz 14 angrenzend weist der Rotor 10 Drehschieberabstützungen 34 auf. Der Rotor besitzt eine Drehachse 38. Eine durch einen Exzenterring 42 bereitgestellte, im Allgemeinen zylindrische Wand 50 ist gegenüber der Drehachse 38 exzentrisch positioniert. Der Exzenterring 42 ist innerhalb des Gehäuses 44, 44' verstellbar gelagert positioniert. Eine weitere Erklärung des Systems zur Positionseinstellung des Exzenterrings 42 innerhalb des Gehäuses 44, 44' wird in den US-Patentschriften US 6,896,489 B2 bzw. US 6,790,013 B2 bzw. US 7,018,178 B2 bzw. US 7,396,214 B2 bzw. US 7,674,095 B2 bzw. der veröffentlichten US-Patentanmeldung US 2006/0 104 823 A1 und der veröffentlichten PCT-Anmeldung WO 2008/005 631 A2 dargelegt.
Ein Steuervolumen wird definiert durch einen inneren Durchmesser 50, Rotor 10 und axial beabstandete erste und zweite Gehäuseflächen 52, 54. Das Steuervolumen wird ferner durch die Drehschieber 76 in einzelne variable Pumpenkammern unterteilt. Das Steuervolumen nimmt Fluid auf und gibt es ab durch einen bogenförmigen Einlass 58, beziehungsweise einen bogenförmigen Auslass 60 in dem Gehäuse 44, 44'. Wie in 1 gezeigt, dreht der Rotor 10 im Uhrzeigersinn. Der Einlass 58 weitet sich auch radial in Drehrichtung des Rotors 10. In einer im Allgemeinen umgekehrten Weise verjüngt sich der Auslass 60 in der Drehrichtung.
Der Einlass weist eine Primärseite 72 mit einer optionalen Sekundärseite 74 auf. Der Rotor 10 weist einen zusammengesetzten radialen Kegel 70 entlang der äußeren abgeschrägten Fläche 31 der äußeren radialen Wand 29 auf, wobei der Kegel 70 einen kleineren Rotordurchmesser 71 an der der Gehäuseeinlassöffnung 72 benachbarten Rotorfläche erzeugt. Der Kegel 70 ermöglicht der Innenkante der primären Öffnung 72 einen kleineren Radius aufzuweisen, um damit Öl mit einer niedrigeren tangentialen Geschwindigkeit zu dem Steuervolumen zuzulassen. In jedem Schlitz 14 des Rotors befindet sich ein entsprechender radial beweglicher Drehschieber 76. Die Drehschieber sind im Allgemeinen rechtwinklig geformt, wobei deren äußeres radiales Ende 78 mit dem inneren Durchmesser 50 des Exzenterrings wirkverbunden ist. Die Drehschieber 76 weisen ebenfalls eine innere radiale Kante 80 auf, die mit einer äußeren radialen Kante 82 eines Drehschieberrings 84 in Kontakt steht. Der Drehschieberring 84 hat ein Verhältnis von axialer Länge zu radialer Dicke von mindestens 200%. Bei maximaler Länge erstreckt sich der Drehschieberring 84 entlang eines Großteils der axialen Länge des im Allgemeinen rechtwinkligen Drehschiebers und erstreckt sich über mindestens 50% der axialen Länge des Drehschiebers. Die axiale Länge ist in 3 als mit „Y” gekennzeichnetem Doppelpfeil dargestellt, während die radiale Dicke als mit „X” gekennzeichnetem Doppelpfeil dargestellt ist. Der Drehschieberring 84 weist eine Reihe von axialen Schlitzen 88 auf, die über die axialen Rippen 30 angelegt werden.
Die den Rotor 10 einsetzende Flügelzellenpumpe ist aus mehreren Gründen vorteilhaft gegenüber Flügelzellenpumpen des Stands der Technik. Der Kegel 70 sorgt für einen größeren Fluid-Gesamtaufnahmebereich für den Einlass. Der Kegel 70 am Rotor 10 ermöglicht ebenfalls, dass mehr Fluid aus dem Einlassbereich 72 in die Pumpe an einer radial weiter innen liegenden Position eintritt. Im Vergleich zu dem Einlass 71 einer in 2 gezeigten Pumpe des Stands der Technik reduziert diese radial innere Position Kavitation indem die Geschwindigkeit des benötigten Fluids der Geschwindigkeit des Rotors und der Drehschieber angepasst wird, wenn der Rotor bei höheren Drehzahlen dreht; beispielsweise oberhalb 3000 U/min.
Der Rotor 10 weist ebenfalls die eingangs erwähnte tiefere einzelne Ausnehmung 22 auf, die bewirkt, dass der Rotor 10 leichter ist als der bisherige Rotor 11 mit seinen vielen flachen Ausnehmungen 13 (2). Darüber hinaus erfordert der Rotor 11 des Stands der Technik zwei Ausnehmungen 13 mit zwei darin befindlichen Drehschieberringen 15. Da die Drehschieberringe 15 eine im Allgemeinen kurze Länge aufwiesen, musste deren radiale Dicke erhöht werden, um die Steifigkeit zum Abstützen der Drehschieber 43 bereitzustellen. Die radiale Dicke der Drehschieberringe 15 erhöht den Durchmesser des Rotors und die zur Vermeidung von Kavitation notwendige Fluidgeschwindigkeit oder, für einen gegebenen Außendurchmesser des Rotors 11, reduziert die radiale Dicke der äußeren und/oder inneren radialen Enden 17 und 19 im Vergleich zu den inneren and äußeren radialen Enden 90, 92. Die zusätzliche radiale Dicke verbessert die Fluidabdichtung zwischen den Hoch- und Niederdruckzonen der Pumpe.
Der Vergleich der vorliegenden Erfindung mit dem in 2 gezeigten Stand der Technik zeigt, dass die axiale Länge des Drehschieberrings 84 radial dünner sein kann als der Drehschieberring 15, aber dennoch die erforderliche Steifigkeit aufweist. Aufgrund der radialen Dünne des Drehschieberrings 84 darf der Rotor 10 eine erhöhte radiale Dicke der inneren und äußeren radialen Enden (axialen Flächen) 90, 92 im selben radialen Zwischenraum aufweisen. Da der Rotor 10 mit nur einem Drehschieberring 84 verwendet wird, entfällt eine der Ausnehmungen 13 des Rotors 11 des Stands der Technik und es ergibt damit eine gesamte Dichtungsendenlänge 96 für den Rotor 10, die wiederum die Dichtfähigkeit und den Wirkungsgrad der Pumpe erhöht. Durch Wegfall der Blindmontage einer der zwei Drehschieberringe 15 des Stands der Technik wird ebenfalls die Komplexität der Montage reduziert.
Ein Pfad 104 im Gehäuse vom Auslass kommend ist mit dem an den Hohlräumen 16 angrenzenden Bereich des Rotors durch einen Pfad 102 verbunden damit die Drehschieber in einer auswärtsgerichteten Richtung mit Druck beaufschlagt werden können. Optionale Wände 34 bieten weitere Auskragabstützung für die Drehschieber 76 und können in einigen Anwendungen die Abdichtung zwischen den durch die Drehschieber getrennten Pumpenkammern begünstigen und können ebenfalls der Struktur des Rotors 10 zusätzliche Steifigkeit verleihen.
12 stellt eine alternative Ausführungsform der Erfindung dar. Es wird ein Rotor 500 mit einer Ausnehmung 502 gezeigt, die nur eine einzige äußere radiale Wand 504 und keine innere Wand aufweist. Der Einsatz der alternativen Ausnehmung 502 sorgt für beträchtliche Kostenersparnisse und Materialeinsparungen und stellt zusätzlichen Arbeitsraum für den Drehschieberring bereit oder ermöglicht eine Reduzierung des Rotordurchmessers oder eine Erhöhung der äußeren radialen Wanddicke, wenn es nicht erforderlich ist, den Ausnehmungsbereich 502 vom Antriebswellenbereich hydraulisch zu trennen.

Claims

Flügelzellenpumpe, umfassend: ein ein Steuervolumen bereitstellendes Gehäuse (44, 44') mit einem Einlass (58) und einem Auslass (60); einen Rotor (10) mit einer drehbaren Achse (38) und mehreren radial beweglichen Drehschiebern (76), die gleitend mit dem Rotor (10) verbunden und von einer zylindrischen Wand (50) eingefasst sind, wobei die zylindrische Wand (50) gegenüber der Drehachse (38) exzentrisch angeordnet ist, eine Außendurchmesserfläche des Rotors (10) entlang einer axialen Länge des Rotors (10) radial angeschrägt ist, um sich nach einem Innerdurchmesser des Gehäuseeinlasses (58) auszurichten, wobei der Innendurchmesser kleiner ist als der größte Rotordurchmesser; einen einzelnen, innerhalb einer axialen Ausnehmung (22) des Rotors positionierten Drehschieberring (84), der eine axiale Länge von mindestens 50 Prozent der axialen Länge der mehreren Drehschieber (76) aufweist, wobei der Rotor (10) Rippen (30) zwischen einer inneren (27) und äußeren (29) radialen Wand aufweist und der Drehschieberring (84) axiale Schlitze (88) aufweist, um die Rippen (30) des Rotors (10) aufzunehmen.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, wobei die Pumpe eine Schmierpumpe für einen Motor ist und wobei der Rotor (10) mit einer Motorkurbelwelle verbunden ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Exzenterring (42), der den Rotor (10) zumindest teilweise umgreift und beweglich innerhalb des Gehäuses (44, 44') zwischen dem Rotor (10) und dem Gehäuse (44, 44') positioniert ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, wobei der Drehschieberring (84) ein Verhältnis von Länge zu radialer Dicke von mindestens 200% aufweist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, wobei der Rotor (10) radial einwärts eines radialen Endes der Drehschieber (76) Hohlräume (16) aufweist und wobei die Hohlräume (16) und die axiale Ausnehmung (22) durch einen mit dem Auslass (60) in Fluidverbindung stehendem Durchgang druckbeaufschlagt sind.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, wobei der Rotor (10) benachbart zu den Drehschiebern (76) vorstehende Stützwände (34) aufweist, die in einen Kegel (70) vorstehen.
Flügelzellenpumpe, umfassend: ein ein Steuervolumen bereitstellendes Gehäuse (44, 44') mit einem Einlass (58) und einem Auslass (60); einen Rotor (10) mit einer drehbaren Achse (38) und mehreren radial beweglichen Drehschiebern (76), die mit dem Rotor verbindbar sind und eine zylindrische Wand (50), die gegenüber der drehbaren Achse (38) exzentrisch angeordnet ist, wobei der Rotor (10) entlang einer an den Einlass (58) des Gehäuses angrenzenden axialen Länge radial angeschrägt ist; eine einzelne axiale Ausnehmung (22), die auf einer Fläche des Rotors zwischen einer inneren radialen Wand (27) und einer äußeren radialen Wand (29) ausgebildet ist; und einen einzelnen Drehschieberring (84), der zwischen der axialen Ausnehmung (22) und dem Rotor (10) positioniert ist, wobei der Rotor (10) Rippen (30) zwischen der inneren (27) und äußeren (29) radialen Wand aufweist und der Drehschieberring (84) axiale Schlitze (88) aufweist, um die Rippen (30) des Rotors (10) aufzunehmen.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, wobei der einzelne Drehschieberring (84) eine axiale Länge von mindestens 50% der axialen Länge der mehreren Drehschieber (76) aufweist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, wobei die Pumpe eine Schmierpumpe für einen Motor ist und wobei der Rotor (10) mit einer Motorkurbelwelle verbunden ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Exzenterring (42), der den Rotor (10) mindestens teilweise umgreift und beweglich in dem Gehäuse (44, 44') zwischen dem Rotor (10) und dem Gehäuse (44, 44') positioniert ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, wobei der Drehschieberring (84) ein Verhältnis von axialer Länge zu radialer Dicke von mindestens 200% aufweist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, wobei der Rotor (10) radial einwärts eines radialen Endes der Drehschieber (76) Hohlräume (16) aufweist und wobei die Hohlräume (16) und die axiale Ausnehmung (22) durch einen mit dem Auslass (60) in Fluidverbindung stehendem Durchgang druckbeaufschlagt sind.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, wobei der Rotor (10) benachbart zu den Drehschiebern (76) vorstehende Stützwände (34) aufweist, die in einen Kegel (70) vorstehen.