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Pumpenaggregat mit zwei von einer gemeinsamen Antriebswelle angetriebenen
Drehkolbenpumpen Die Erfindung bezieht sich auf Pumpenaggregate, die aus zwei mit
geringem Abstand hintereinander angeordneten und von einer gemeinsamen Antriebswelle
angetriebenen Drehkolbenpumpen bestehen, von denen die eine mit pulsierender Strömungscharakteristik
arbeitet, wobei die angetriebenen Rotoren der beiden Pumpen durch ein Torsionswellenstück
gekuppelt sind, und betrifft die Schaffung einer einfachen und dabei weitgehend
bruchsicheren Antriebsverbindung zu und zwischen diesen beiden Pumpen.
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Bei Drehkolbenpumpen werden vielfach der Ein-und Auslaß des Arbeitsmittels
durch den Rotor gesteuert, der während seiner Umdrehung entsprechende Kanalöffnungen
überstreicht. Dadurch kann der Augenblickswert des Drehmomentes während des zeitgebundenen
Umlaufs der Antriebswelle erheblich schwanken. Insbesondere bei Zahnradpumpen mit
einem innenverzahnten Außenrand und einem außenverzahnten Innenrad geringer Zähnezahl,
die zur Förderung flüssiger Arbeitsmittel, z. B. als Öldruckpumpen in Kraftfahrzeugen,
Verwendung finden, kann das pulsierende An- und Abschwellen des innerhalb der Pumpe
erzeugten Druckes zu starken Drehmomentschwankungen führen, die stoßartig periodisch
auf die Antriebseinrichtung zurückwirken und die dazwischenliegenden Verbindungsmittel
beanspruchen, was häufig zu Ermüdungsbrüchen führt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Welle, welche die umlaufenden
Teile einer Drehkolbenpumpe trägt, hohl auszubilden und innerhalb derselben eine
zweite, elastische Welle anzuordnen, die mit dem vom angetriebenen Ende entfernt
liegenden Ende der Hohlwelle fest verbunden und somit in der Lage ist, bei stoßartigen
Änderungen des Drehmomentes Drehschwingungen vom treibenden oder getriebenen Teil
aufzunehmen und dadurch die Bruchgefahr zu vermindern.
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Es ist auch bereits bekannt, auf eine solche Hohlwelle mit axialem
Abstand zueinander je ein Zahnrad zweier Zahnradpumpen anzuordnen, deren andere
Zahnräder von einer gemeinsamen, parallel dazu verlaufenden Achse oder Welle durchsetzt
werden. Da Zahnradpumpen einen praktisch konstanten Drehmomentverlauf haben, genügt
dabei die verdrehungssteife Hohlwelle den mechanischen Anforderungen an das Verbindungselement
zwischen den Pumpen, während die in der Hohlwelle angeordnete Torsionswelle als
Energiespeicher wirkt und Ungleichförmigkeiten im Drehmoment der Antriebsmaschine
elastisch auffängt.
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Es wurde ferner für die Druckölversorgung eines Flugzeugmotors bereits
vorgeschlagen, die ineinandergreifenden Zahnräder zweier parallel geschalteter Zahnradpumpen
mit paarweise koaxialen, einzeln gelagerten Hohlwellen zu versehen, von denen ein
Hohlwellenpaar an den voneinander wegweisenden Lagerenden durch eine im übrigen
mit verjüngtem Querschnitt frei die Hohlwellen durchsetzende Zwischenwelle verbunden
ist. Während das antreibende Zahnrad der einen Pumpe über eine nicht drehelastische
Kupplungswelle mit einem Antriebsmotor verbunden ist, werden das antreibende Zahnrad
der zweiten Pumpe und ein mit diesem über ein Getriebezahnradpaar gekuppelter Kreiselpumpenläufer
über die Kupplungswelle und die Zwischenwelle mit verjüngtem Querschnitt vom Antriebsmotor
aus angetrieben. Die verjüngte Zwischenwelle wird dabei wegen des zu erwartenden
gleichförmigen Drehmomentbedarfs der Zahnradpumpen und des Kreiselpumpenläufers
wohl kaum auf Torsion beansprucht, es ist jedoch vorstellbar, daß sie in gewissen
Grenzen eine Ungleichförmigkeit in der Drehbewegung zwischen dem ersten Pumpenzahnrad
und den Getriebezahnrädern für den Kreiselpumpenläufer ausgleichen könnte.
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Ein besonderes Problem, das mit diesen vorbekannten Ausführungen nicht
lösbar ist, ergibt sich jedoch dann, wenn zwei Drehkolbenpumpen mit unterschiedlichem
zeitlichen Drehmomentverlauf durch eine gemeinsame Welle angetrieben werden sollen,
wobei insbesondere die dem Antriebsende der Welle näherliegende Pumpe stoßartig
arbeitet und
die beiden Pumpen in geringem Abstand zueinander angeordnet
sein sollen, während der Abstand zum Antriebsende der Antriebswelle verhältnismäßig
groß gewählt werden kann. Eine solche Pumpenanordnung tritt vor allem bei der Kombination
einer mit zwei Rädern im Inneneingriff arbeitenden Zahnradpumpe für die Druckölschmierung
eines Verbrennungsmotors mit dem vorzugsweise als Flügelzellenpumpe ausgebildeten
Vakuumerzeuger für die Betätigung des Scheibenwischersystems in einem Kraftfahrzeug
auf. Dabei ist es erwünscht, daß die Druckölpumpe näher am Antriebsende der Antriebswelle
sitzt als die Vakuumpumpe, damit ein von dem ungleichmäßigen Drehmomentverlauf der
beiden Pumpen herrührender Bruch der dazwischenliegenden Verbindungsmittel nicht
zum Ausfall der für den Verbrennungsmotor lebenswichtigen Druckölpumpe führt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
die gesamte aus dem Gehäuse des Pumpenaggregates weit herausragende Antriebswelle
als Torsionswelle ausgebildet ist, daß sie drehfest mit dem angetriebenen Rotor
der mit Bezug auf das Antriebsende der Welle hintenliegenden Pumpe verbunden ist
und da.ß sie dabei eine zentrisch im angetriebenen Rotor der vornliegenden Pumpe
vorgesehene Hohlwelle durchsetzt, welch letztere relativ weit, vorzugsweise um das
Eineinhalbfache der Länge des Rotors, zur Antriebsseite der Welle hin verlängert
ist und am freien Ende in drehfester Verbindung mit der Antriebswelle steht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles. Darin zeigt
F i g. 1 ein Pumpenaggregat mit einer Zahnradpumpe und einer Flügelzellenpumpe teils
im Längsschnitt, teils in Seitenansicht, F i g. 2 eine Draufsicht auf die Rotoren
der Zahnradpumpe, F i g. 3 einen Querschnitt durch die Flügelzellenpumpe nach der
Linie 111-11I in F i g. 1 und F i g. 4 eine Ansicht der Antriebswelle.
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Das in F i g. 1 dargestellte Pumpenaggregat besteht aus einer Zahnradpumpe
10 und einer Flügelzellenpumpe 11. Gemäß F i g. 3 weist die Flügelzellenpumpe einen
Einlaß 14 und einen Auslaß 15 auf. Der Einlaß und der Auslaß der Zahnradpumpe 10
sind in der Zeichnung nicht gezeigt.
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Wenn das Pumpenaggregat in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor
als kombinierte Z51- und Vakuumpumpe verwendet wird, sind der Einlaß der Zahnradpumpe
mit der Ölwanne des Motors verbunden, und der Auslaß an die Schmierölleitung des
Motors angeflanscht, während der Einlaß 14 der Flügelzellenpumpe mit dem
Scheibenwischersystem des Kraftfahrzeuges in Verbindung steht und der Auslaß 15
gegen die Atmosphäre offen ist.
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Die Zahnradpumpe 10 kann in üblicher Ausführung (F i g. 2) einen inneren
treibenden Rotor 16 und einen diesen umgebenden äußeren angetriebenen Rotor 17 aufweisen,
wobei der innere Rotor 16 einen Zahn weniger als der äußere Rotor 17 hat.
Der innere Rotor 16 ist ferner mit einer zentralen Bohrung 18 versehen, in welche
eine Hohlwelle 21 drehfest eingesetzt ist. Die Hohlwelle 21 hat ein verengtes
Kopfstück, das als Verbindungsstelle 22 mit der Antriebswelle 23 dient und im Inneren
einen Sechskantquerschnitt aufweist. Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß das die Verbindungsstelle
22 enthaltende Kopfstück verhältnismäßig weit über den Rotor 16 hinausragt und daß
der innere Durchmesser der Hohlwelle 21 unterhalb der Verbindungsstelle 22
größer ist als das Eckenmaß der im Querschnitt ebenfalls sechskantförmigen Antriebswelle
23, so daß der Rotor 16 von der Antriebswelle 23 nur an der Stelle angetrieben wird,
an der das Kopfstück der Hohlwelle 21 mit der Antriebswelle zusammenwirkt.
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Die Flügelzellenpumpe enthält einen Rotor 24 mit zwei plattenförmigen
Arbeitsschiebern oder Flügeln 25 und 26. Der Rotor 24 ist exzentrisch in einer Bohrung
28 des Pumpengehäuses 27 angeordnet. Die Schieber 25 und 26 sitzen radial verschiebbar
in Schlitzen 31 und 32 des Rotors 24. Die Stirnkanten der Schieber 25 und 26 werden
gegen die Wand der Bohrung 28 mittels einer schraubenförmigen Druckfeder 33 gedrückt,
die zwischen den Schiebern eingespannt und von einem Stift 34 geführt ist. Der Stift
34 erstreckt sich durch die Mittelachse des Rotors 24 nach beiden Seiten bis in
die Schieber hinein und verläuft in axialem Abstand zu einem Lagerzapfen 35, auf
welchem der Rotor 24 drehbar gelagert ist. Dieser Zapfen 35 ist im unteren Teil
des Pumpengehäuses 27 fest eingesetzt.
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Der Rotor 24 ist mit einem innen und außen sechskantförmigen
Einsatz versehen, der die Verbindungsstelle 37 mit der Antriebswelle 23 bildet.
Dieser Einsatz ist in den Rotor eingepreßt und erfaßt im Inneren das untere Ende
38 der Antriebswelle 23 (s. F i g. 1 und 3).
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Die in F i g. 4 für sich dargestellte Antriebswelle 23 hat einen den
Verbindungsstellen 22 und 37 entsprechenden durchgehenden Sechskantquerschnitt,
wobei das untere Ende 38 der Welle durch eine Einschnürung 42 von der übrigen Welle
getrennt ist. Der sich an die Einschnürung 42 anschließende Wellenabschnitt
41 ist im Abstand zur Einschnürung 42 mit einer weiteren Eindrehung
versehen, in welche ein ringförmiger Anschlag 43 mit sich im wesentlichen radial
nach einwärts erstreckenden Federansätzen eingeschnappt ist. Der Zweck dieser Maßnahmen
ergibt sich aus der späteren Beschreibung.
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Die Antriebswelle ist aus einem Material mit guten Torsionsfedereigenschaften
und von hoher Dauerfestigkeit hergestellt, z. B. aus einem härtbaren Stahl.
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Das Ende 38 der Antriebswelle 23 ist in die Verbindungsstelle
37 des Rotors 24 soweit eingeführt, daß die Einschnürung 42 gerade
außerhalb dieser Verbindungsstelle zu liegen kommt. Die Antriebswelle 23 erstreckt
sich daraufhin mit ihrem Abschnitt 41 durch die Hohlwelle 21 und wird
nur von der Verbindungsstelle 22 im Kopfteil der Hohlwelle erfaßt. Es ist somit
zu erkennen, daß die Antriebswelle mit dem inneren Rotor 16 der Zahnradpumpe
10 nur durch die Verbindungsstelle 22 in der Hohlwelle 21 und mit
dem Rotor 24 der Flügelzellenpumpe 11 nur durch die Verbindungsstelle 37
gekuppelt ist, wobei die zwei Verbindungsstellen verhältnismäßig weit auseinander
liegen. Die Antriebswelle 23 wird über das weit über den Kopfteil der Welle 21 hinausragende
Ende in geeigneter Weise angetrieben. Falls die Zahnradpumpe als öldruckpumpe für
einen Verbrennungsmotor und die Flügelzellenpumpe als Vakuumpumpe zur Betätigung
von Scheibenwischern benutzt wird, kann die Welle vorteilhaft durch das Verteilergetriebe
des Motors, auf welchem das Aggregat aufgesetzt und befestigt ist,
angetrieben
werden. Die dabei an ihrem Antriebsende im wesentlichen gleichförmig gedrehte Welle
treibt ihrerseits den inneren und äußeren Rotor 16 bzw. 17 der Zahnradpumpe 10 und
den Rotor 24 der Flügelzellenpumpe 11 an, wodurch ein flüssiges und ein gasförmiges
Arbeitsmittel durch die Einlässe und durch die Auslässe der Pumpen angesaugt bzw.
ausgedrückt werden. Dem gleichförmigen Antriebsdrehmoment an der Antriebswelle wirkt
dabei von der Zahnradpumpe über den inneren Rotor 16 her ein pulsierendes Lastmoment
entgegen, das durch die stoßartige Fördercharakteristik der Zahnradpumpe verursacht
wird. Die Flügelzellenpumpe hingegen ist durch eine relativ beständige Fördercharakteristik
gekennzeichnet, wenn sie als Vakuumpumpe für einen Scheibenwischerantrieb dient
und dabei Luft oder ein anderes verdichtbares Medium fördert.
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Diese unterschiedlichen Charakteristiken haben zur Folge, daß die
Antriebswelle in ihrem mittleren Bereich, in dem sie über die Lagerstelle 22 im
Kopfstück der Hohlwelle 21 mit dem inneren Rotor 16
der Zahnradpumpe
10 verbunden ist, zusätzliche Drehschwingungen ausführt, während die beiden Enden
der Antriebswelle sich nahezu gleichförmig entsprechend dem Antriebsdrehmoment bzw.
dem gleichförmigen Lastmoment der Flügelzellenpumpe drehen, ohne daß dadurch die
Gefahr eines Ermüdungsbruches besteht. Dies wird durch die gezeigte Ausbildung der
gesamten Antriebswelle als Torsionswelle und durch den beiderseitig großen Abstand
der Verbindungsstelle 22 zu den Enden der Antriebswelle erreicht, wodurch sich die
Antriebswelle in den dazwischenliegenden Bereichen unter fortwährender Energieaufnahme
und -abgebe elastisch verdreht.
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Die Einschnürung 42 der Antriebswelle 23 erbringt eine dahingehende
Sicherheit, daß, falls die Antriebswelle trotz der obergenannten Torsionsfähigkeit
bricht, der Bruch vorzugsweise an dieser Stelle des geringsten Querschnittes erfolgen
wird. Diese Sollbruchstelle sichert somit den Weiterbetrieb der Zahnradpumpe beim
Bruch der Welle, was vor allem dann wichtig ist, wenn die Zahnradpumpe als Öldruckpumpe
bei einem Verbrennungsmotor benutzt wird, da diese auch beim Ausfall der Vakuumpumpe
betriebsfähig bleiben muß.
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Durch die Ausbildung der Antriebswelle 23 als durchgehende Sechskantwelle
mit sich axial erstrekkenden Mitnehmerflächen, denen die Verbindungsstellen 22 und
37 angepaßt sind, wird eine Längsverschieblichkeit der Antriebswelle erzielt, die
im Fall eines Bruches eine besonders leichte Auswechselbarkeit der Welle durch Herausziehen
und Einführen einer Ersatzwelle ermöglicht. Dabei legt sich der ringförmige Anschlag
43 gegen das freie Stirnende der Hohlwelle 21 und verhindert, daß die Antriebswelle
die Feder 33 berührt und in ihrer funktionswichtigen Beweglichkeit behindert.