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Beschreibung betreffend Flügelzellenpumpe axialer Bauart.
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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe axialer Bauart mit an
einem Rotor axial verschiebbar gelagerten Flügeln, die stirnseitig unter Federwirkung
an eine ortsfeste ringförmige Nockenfläche angedrückt sind.
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Derartige Flügelzellenpumpen werden beispielsweise als Schmiermittelpumpen,
Förderpumpen für verschiedene Medien und Mittel- oder Hochdruckpumpen in der Ölhydraulik
verwendet. Sie erfordern einen nur vergleic-hslfeise- geringen Herstellungsaufwand
und zeichnen sich durch Geräuscharmut aus.
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Flügelzellenpumpen der eingangs genannten Art, bei denen die Flügel
unter Federwirkung stehen, sind bereits bekannt (Dt. PS 131 35; US PS 2 646 753).
Hier sind wie bei Pumpen, deren Flügel nicht unter Federwirkung stehen, zwei ringförmige
Nockenflächen an den beiden Stirnseiten des Rotors vorgesehen, die parallel und
in einem der Flügellänge entsprechenden Abstand zueinander verlaufen und mit der
einen bzw. der anderen Stirnseite der Flügel zusammenwirken. Dementsprechend sind
an beiden Stirnseiten des Rotors Arbeitszellen oder -kammern vorhanden, was doppelte
Saug- und Druckanschlüsse erforderlich macht. insbesondere aber fallen vom Tierstellungsauf.çand
her die beiden parallelen
Nockenflächen ins Gewicht, die mit hoher
Präzision gefertigt werden müssen. Das gilt insbesondere im Falle von Hochdruck-Flügelzellenpumpen.
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Die Federwirkung wird bei den bekannten Ausführungen dadurch erreicht,
daß die Flügel zweiteilig oder gar dreiteilig ausgeführt sind, wobei zwischen den
beiden Stirnteilen eine Druckfeder eingesetzt ist. Diese in den Flügel integrierte
Feder, die den Flügel komplizierter macht, dient jedoch nur der Vorspannung bzw.
Spreizung des Flügels auf die vorgegebene Länge, wobei die Feder sich während des
Betriebs axial mit dem Flügel verlagert, ohne zusammengedrückt zu werden oder sich
zu längen. Zwar kann mit Hilfe der Feder die Abdichtungswirkung an den Nockenflächen
verbessert werden, die Anforderungen an die Präzision der-Nockenflächen wird dadurch
jedoch nicht herabgesetzt. Neben der Komplizierung ergibt sich wegen der auftretenden
Massenkräfte ein enger Anwendungsbereich der bekannten Pumpen.
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Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die bekannte
Flügelzellenpumpe der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und für
einen weiten Einsatzbereich vorzusehen, indem die Voraussetzungen für einen dem
jeweiligen Betriebsdruckbereich entsprechenden hydrostatischen Druckausgleich geschaffen
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Flügelzellenpumpe erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß nur eine am Deckel des Pumpengehäuses angeordnete Nockenfläche
vorgesehen ist und an den dieser Nockenfläche abgewandten Stirnseiten der Flügel
Federn angreifen, die in einer gemeinsamen Radialebene des Rotors abgestützt sind.
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Bei dieser Ausbildung mit nur einer Nockenfläche entfallt eine genaue
Anpassung der Nockenfläche an eine entsprechende
Fläche. Dadurch
sinken die Präzisionsanforderungen. Die Anordnung der einzigen Nockenfläche sowie
der zugehörigen Pumpenanschlüsse im Gehäusedeckel führt zu einer einfachen und gut
zugänglichen Konstruktion. Die Flügel werden nicht mehr zwischen zwei parallelen
Nockenflächen durch abwechselndes Auflaufen ihrer Stirnseiten verlagert sondern
durch in den Rotorkörper integrierte Federn gesteuert, die sich im Betrieb dem Verlauf
der~Nockenfläche entsprechend längen. Auf diese Weise wird den durch auftretende
Massenkräfte entstehenden Schwierigkeiten begegnet und zugleich wird eine gute Abdichtung
zwischen den Flügeln und der Nockenfläche erhalten. Insbesondere aber bietet die
erfindungsgemäße Ausbildung die Möglichkeit, auf der der Nockenfläche abgewandten
Stirnseite des Rotors, auf der sich keine Arbeitskammern befinden, in einer dem
jeweils gen Einsatzbereich bzw. den Betriebsbedingungen angepaßten Weise einen hydrostatischen
Gegendruck aufzubauen, um einen teilweisen oder gar vollständigen hydrostatischen
Druckausgleich in axialer Richtung zu erhalten. Dementsprechend läßt sich die Flügelzellenpumpe
als Hochdruckpumpe mit Druckausgleich weiterentwickeln, wobei Betriebsdrücke erzielbar
sind, die bisher mit den bekannten Flügelzellenpumpen nicht erreichbar waren. Ferner
bietet sich die Möglichkeit, das auf die Rückseite des Rotors geleitete Druckmittel
hinter die Flügel zu leiten und dadurch die Federwirkung zu unterstützen sowie die
Abdichtung zwischen den Flügeln oad der Nockenfläche den jeweiligen Erfordernissen'bzw.
den Betriebsverhältnissen anzupassen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die an Ihren Flachseiten
und an ihrer radial inneren Schmalseite an Rotorflächen geführten Flügel auch an
ihrer radial äußeren Schmalseite durch eine mit dem Rotor fest verbundene Mantelbüchse
geführt. In diesem Falle sind die Flügel keiner Rotationsreibung am Innenumfang
des Pumpengehäuses unterworfen. Die herabgesetzte Gleitreibung an der äußeren
Schmalseite
der Flügel, die nur infolge der Axialbewegungauftritt, führt zu einer Leistungssteigerung
und erhöht die Trockenlaufeigenschaft. Ggf. kann die Mantelbüchse gleichzeitig der
Lagerung des Rotors an seinem wellenfernen Ende dienen.
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Bei der vorgenannten Ausführungsform kann die der Nockenfläche abgewandten
Stirnseite der Flügel über den Ringspalt zwischen der Mantelbüchse und dem Pumpengehäuse
an die Saugöffnung im Gehäusedeckel angeschlossen sein. Auf diese Weise läßt sich
ohne ins Gewicht fallenden zusätzlichen Aufwand die Leckflüssigkeit zur Saugseite
der Pumpe zurückführen, und ggf. kann Leckflüssigkeit zur Lagerschmierung herangezogen
werden.
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Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung, die sich insbesondere für eine
Mitteldruckpumpe eignet, sind auf der der Nockenfläche abgewandten Stirnseite des
Rotors durch axial vorspringende und in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Trennwände
Gegendruckkammern gebildet, die über axiale Druckausgleichskanäle im Rotor an die
Flügelzellen angeschlossen sind. Auf diese Weise wird ein Druckausgleich zwischen
den Stirnseiten des Rotors herbeigeführt.
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Diese Weiterbildung läßt sich mit Vorteil dadurch verwirklichen, daß
die Trennwände von den Flügeln zugeordneten und jeweils durch eine gemeinsame Feder
vorgespannten Abdichtungsplatten gebildet sind, die im Rotor axial verschiebbar
geführt sind. In diesem Falle dienen die Flügelfedern zugleich der Abdichtung der
Gegendruckkammern ohne daß ein wesentlich erhöhter Aufwand erforderlich ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform, die sich gleichfalls für eine Mitteldruckpumpe
(Druckbereich oberhalb etwa 30 bar) eignet, ist in der dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden
Gehäusewand eine ringförmige Aussparung vorgesehen, die über eine Gehäusebohrung
an die Drucköffnung
im Gehäusedeckel angeschlossen ist und mit den
der Nockenfläche abgewandten Stirnseiten der Flügel in Verbindung steht. Auch diese
Maßnahme dient dazu, auf der Rückseite des Rotors Druckkräfte zu erzeugen und dadurch
einen Axialschubausgleich zu bewirken. Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform
wird jedoch einheitlich mit dem Betriebsdruck auf der Rückseite des Rotors gearbeitet,
wobei die wirksame Gegendruckfläche den Erfordernissen entsprechend bemessen werden
kann.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung, die sich insbesondere
als Hochdruckpumpe eignet, sind in der dem Gehäusedeckel gegenüberliegenden Gehäusewand
im Winkelbereich der Saugöffnung eine über eine Bohrung an die Saugöffnung angeschlossene
Aussparung sowie eine über eine Gehäusebohrung an die Drucköffnung angeschlossene
Aussparung vorgesehen, wobei die beiden Aussparungen in Umfangsrichtung hintereinander
auf einem Durchmesser angeordnet sind, auf dem in einer die Aussparungen abdeckenden
Rotorscheibe Bohrungen angeordnet sind, die zu den der Nockenfläche abgewandten
Stirnseiten der Flügel führen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Flügel,
wenn sie den Saugbereich durchwandern, auf ihrer Rückseite gleichfalls vom Saugdruck
beaufschlagt sind, während die Flügel beim Durchlaufen des Druckbereichs auf ihrer
Rückseite vom Betriebsdruck beaufschlagt sind. Auf diese Weise werden die Flügel
in Anpassung an ihre jeweilige Stellung an die Nockenfläche angedrückt, und darüber
hinaus wird ein in Umfangsrichtung sich ändernder Gegendruck zur Anwendung gebracht,
um einen möglichst guten Axialdruckausgleich zu erhalten.
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Die letztgenannte Weiterbildung läßt sich noch dadurch in vorteilhafter
Weise ausgestalten, daß die an die Drucköffnung angeschlossene Aussparung sich nur
über den Winkelbereich der Drucköffnung erstreckt und in den zwischen der
Drucköffnung
und der Saugöffnung liegenden Winkelbereichen Aussparungen vorgesehen sind, die
über ein Druckminderungs ventil, das den Druck im Verhältnis von etwa 2 : 1 herabsetzt,
an die Drucköffnung angeschlossen und auf einem Durchmesser angeordnet sind, auf
dem in der Rotorscheibe Bohrungen angeordnet sind, die zu den der Nockenfläche abgewandten
Stirnseiten der Flügel führen. Auf diese Weise läßt sich ein nahezu vollständiger
Ausgleich der hydrostatischen Kräfte erreichen, wobei berücksichtigt ist, daß im
Zwischenbereich zwischen der Saugöffnung und der Drucköffnung die mit der Nockenfläche
zusammenwirkenden vorderen Stirnseiten der Flügel nur auf ihrer der Drucköffnung
zugewandten Stirnflächenhälfte vom Betriebsdruck beaufschlagt sind. Wegen der exakten
Anpassung des Gegendrucks auf der Rückseite des Rotors bzw. der-Plügel lassen sich
hohe Betriebsdrücke bis hinauf zu etwa 500 bar erzielen.
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Bei den letztgenannten Weiterbildungen mit Gegendruck-Aussparungen
auf der Rückseite des Rotors ist es zweckmäßig, wenn diese Aussparungen in einer
in das Pumpengehäuse eingebauten Drckverteilerplatte ausgebildet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitt eine Niederdruck-Flügelzellenpumpe
sowie die zugehörige Abwicklung im Arbeitsbereich; Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig.
1 abgewandelte Ausführung mit einer am Rotor vorgesehenen Mantelbüchse; Fig. 3 zeigt
eine Mitteldruck-Flügelzellenpumpe mit den Flügelzellen zugeordneten Gegendruckkammern;
Fig.
4 zeigt eine andere Mitteldruck-Flügelzellenpumpe, bei der anstelle der einzelnen
Gegendruckkammern eine ringförmige Aussparung zur Erzielung eines Gegendrucks vorgesehen
ist; Fig. 5 zeigt eine Hochdruck-Flügelzellenpumpe mit einer vom Saugdrudc beaufschlagten
Gegendruckaussparung und einer vom Förderdruck beaufschlagten Gegendruckaussparung;
Fig. 6 zeigt eine gegenüber Fig. 5 abgewandelte Ausführung mit verbessertem Axialdruckausgleich;
Fig. 7 zeigt die gemäß Fig. 6 verwendete Druckverteilerplatte in Draufsicht sowie
im Schnitt.
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Die Pumpe gemäß Fig. 1 weist ebenso wie die übrigen Ausführungsformen,
die mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, axial verschiebbare Flügel 1 auf,
die eine hintere Stirnkante 1' sowie eine vordere Stirnkante 1 besitzen, die an
eine am Pumpendeckel 2 vorgesehene ringförmige Noc!cenfläche 2' angedrückt sind.
Zur Erzielung eines Anlagedrucks sind im Rotor 3, der Nuten 3' aufweist, in denen
die Flügel 1 axial geführt sind, Druckfedern 4 angeordnet, die jeweils einem der
in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Flügel 1 zugeordnet sind. Die Federn 4
greifen an der hinteren Stirnseite 1t der Flügel 1 an und stützen sich an einer
gemeinsamen Radialfläche 3" des Rotors 3 ab. Die Flügel 1 gleiten mit ihrer radial
nach außen weisenden Schmalseite über die Innenumfangsfläche 5' des Pumpengehäuses5.
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Am hinteren, dem Pumpendeckel 2 abgewandten Ende des Pumpengehäuses
5 ist in dieses ein Wellenlager 6 eingebaut, das in axialer Richtung wirkende Druckkräfte
aufnimmt. Ferner ist einvordererLagerträger 7 vorgesehen, der mittels einer Feder
8 an die vordere Stirnfläche des
Rotors 3 angedrückt ist. Der Rotor
3 ist mit Axialspiel auf die Pumpenwelle 9 aufgekeilt.
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Die Flügelzellenpumpe gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführung
gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß eine Mantelbüchse 10 mit dem Rotor 3 fest
verbunden ist, deren Innenumfangsfläche eine Anlagefläche für die radial äußere
Schmalseite der Flügel 1 bildet. Das vordere Ende der Mantelbüchse 10 ist zugleich
auf einer Zylinderfläche2 " des Deckels 2 gelagert. Dieser ist ferner mit einer
Bohrung 2"' versehen, welche die Saugöffnung im Pumpendekkel 2 mit dem Ringspalt
zwischen der Mantelbüchse 10 und dem Pumpengehäuse verbindet. Dieser Ringspalt steht
ferner über eine Bohrung mit dem hinteren Lager 6 in Verbindung, das auf diese Weise
vom Leckölstrom geschmiert wird.
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Anstelle des in Wegfall gekommenen vorderen Lagers gemäß Fig. 1 ist
ein Überdruckventil 11 in--den Pumpendeckel 2 eingebaut.
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Bei der Pumpe gemäß Fig. 3 sind auf der hinteren Seite des Rotors
3 in dessen Nuten 3' axial verschiebbare Abdichtungsplatten 12 gelagert, an deren
innerer Stirnseite sich die Federn 4 abstützen. Die äußeren Stirnseiten der Abdichtungsplatten
12 liegen an einer in das Gehäuse'5 eingesetzten Dichtscheibe 13 an. Zwischen benachbarten
Abdichtungsplatten sind Gegendruckkammern a gebildet, die über Axialbohrungen b
mit den Arbeitskammern zwischen den vorderen Enden der Flügel 1 verbunden sind.
Auf diese Weise wird ein vollständiger axialer Ausgleich der auf den Rotor 3 wirkenden
Druckkräfte erzielt. Eine in der Rotorwelle 9 vorgesehene und an die Saugöffnung
im Pumpendeckel 2 angeschlossene Saugbohrung c entlastet die Wellendichtung 15 und
führt das Lecköl zur Saugseite der Pumpe zurück. Ferner ist eine an die Drucköffnung
im Pumpendeckel 2 angeschlossene Druckbohrung d vorgesehen, die über einen
in
der Innenumfangsfläche 5' des Pumpengehäuses 5 vorgesehene Ringnut Öl unter Betriebsdruck
in die Nuten 3' des Rotors 3 zwischen die Flügel 1 und die Abdichtungsplatten 12
führt, wodurch die Wirkung der Federn 4 unterstützt wird.
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Die Mitteldruck-Flügelzellenpumpe gem. Fig. 4 ist demgegenüber ohne
Abdichtungsplatten und die dadurch gebildeten in Umfangsrichtung hintereinander
angeordneten und voneinander getrennten Abdichtungskammern auf der hinteren Seite
des Rotors ausgebildet. Vielmehr ist am Boden des Pumpengehäuses 5 eineringförmige
Aussparung e vorgesehen, die über eine Gehäusebohrung f an die Drucköffnung im Deckel
2 angeschlossen ist. Der Rotor 3 ist mit einer Rotorscheibe 16 versehen, welche
diese Aussparung e abdeckt, jedoch einen etwas verringerten Durchmesser besitzt,
so daß der in der Aussparung e vorhandene Druck auch auf die Rückseiten der Flügel
1 wirkt und dadurch die Wirkung der Federn 4 unterstützt, die sich an der Rotorscheibe
16 abstützen. Die Fläche der Rotorscheibe 16, welche die Aussparung e überdeckt,
ist etwas kleiner als die vom Betriebsdruck beaufschlagte vordere Stirnseite des
Rotors 3.
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Bei der Hochdruck-Flügelzellenpumpe gemäß Fig. 5 ist eine Abwandlung
gegenüber der Ausbildung gemäß Fig. 4 vorgenommen, wobei die ringförmige Aussparung
e mit unterschiedlicher Breite ausgeführt ist. In dem Winkelbereich, welcher der
Drucköffnung im Deckel 2 gegenüber liegt, besitzt die Aussparung e ihre größte Breite,
während sie in dem diametral gegenüberliegenden, der Saugöffnung zugeordneten Bereich
ihre kleinste Breite besitzt. In diesem der Saugöffnung gegenüberliegenden Winkelbereich
ist eine weitere Aussparung e' vorgesehen, di-e über eine Gehäusebohrung h sowie
eine Wellenbohrung an die Saugöffnung im Deckel 2 angeschlossen ist. Jeder Nut 3
zur Aufnahme eines Flügels 1 ist eine Axialbohrung g in der Rotorscheibe 16 zugeordnet,
die
auf einem solchen Durchmesser liegt, daß sie wie in Fig.5 dargestellt im Saugbereich
die Nuten 3' mit der Aussparung e' verbindet, während außerhalb des Saugbereichs
eine Verbindung mit der Aussparung e vorhanden ist. Auf diese Weise wird erreicht,
daß die Flügel 1 an ihrer hinteren Stirnseite 1' im Saugbereich nur von der Feder
4 und dem Saugdruck belastet sind, während im übrigen Bereich und insbesondere im
Druckbereich neben der Feder 4 der volle Betriebsdruck auf die Stirnseite 1' der
Flügel wirksam ist.
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Die Hochdruck-Flügelzellenpumpe gemäß Fig. 6 ist dadurch gegenüber
der Ausführung nach Fig. 5 weiter abgewandelt, daß ein Druckminderungsventil 17
vorgesehen ist, das den in nicht dargestellter Weise angeschlossenen Betriebsdruck
im Verhältnis von 2 : 1 herabsetzt. Ferner ist am Boden des Pumpengehäuses 5 in
dieses eine Druckverteilerplatte 18 eingebaut, deren Ausbildung insbesondere aus
Fig. 7=zu ersehen ist.
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Auch in der Druckverteilerplatte 18 ist eine ringförmige Aussparung
e vorgesehen, die ständig unter Betriebsdruck steht. Über einen in der Druckverteilerplatte
18 vorgesehenen Kanal i sowie durch auf entsprechendem Durchmesser angeordnete Axialbohrungen
j in der Rotorscheibe 16 kann der Betriebsdruck auf die Rückseite der Flügel 1 gelangen,
um die Wirkung der Federn 4 zu unterstützen. Der Kanal i in der Druckverteilerplatte
18 ist jedoch so angeordnet, daß diese Verbindung nur in dem Winkelbereich besteht,
welcher der Drucköffnung im Deckel 2 zugeordnet ist.
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Ferner sind in der Druckverteil-erplatte 18 Kanäle k vorgesehen, die
über eine Ringnut an das Druckminderungsventil 17 angeschlossen sind und deswegen
ständig unter dem halben Betriebsdruck stehen. Mit diesen Kanälen k wirken Axialbohrungen
1 in der Rotorscheibe 16 zusammen, die auf einem anderen Durchmesser als die Axialbohrungen
j angeordnet sind. Die beiden Kanäle k in der Druckverteilerplatte 18 erstrecken
sich
gemäß Fig. 7 in den beiden Winkelbereichen zwischen dem Saugbereich und dem Druckbereich.
Aus diesem Grunde sind die Flügel 1 auf ihren hinteren Stirnseiten 1' in diesen
Zwischenbereichen mit dem halben Betriebsdruck beaufschlagt.
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Damit die Flügel 1 auch im Saugbereich in der richtigen Weise hydraulisch
entlastet sind, ist in der Druckverteilerplatte 18 ein Kanal m vorgesehen, der sich
über den Saugbereich erstreckt und über eine Gehäusebohrung n vom Saugdruck beaufschlagt
ist. Der Kanal m ist auf dem selben Durchmesser wie der Kanal i angeordnet, so daß
er im Saugbereich mit den Bohrungen j der Rotorscheibe 16 zusammenwirkt, um im Saugbereich
die hintere Stirnseite 1' der Flügel 1 an Saugdruck anzuschließen.
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Ferner ist gemäß Fig. 6 im Pumpendeckel 2 eine Bohrung o vorgesehen,
welche die Drucköffnung der Pumpe mit einer Druckkammer p verbindet, die durch eine
besondere Dichtung 19 begrenzt ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die
Teile der Pumpe in axialer Richtung im ausreichenden Maße zusammengedrückt sind
und so die erforderliche Abdichtung der Pumpe in axialer Richtung gewährleistet
ist.
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Wie ferner aus Fig. 6 zu ersehen ist, wird über die Deckelbohrung
o der Betriebsdruck auch der Gehäusebohrung f und damit der Aussparung e in der
Druckverteilerplatte 18 zugeführt, die gemäß Fig. 7 auch so ausgebildet sein kann,
daß sie zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Einzelaussparungen umfaßt.
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Bei der Ausführungsform gem. Fig. 6 und 7 wird neben der drehwinkelabhängigen
Druckentlastung der Flügel 1 auch noch erreicht, daß die Leckölverluste durch die
in axialer Richtung vorhandenen Spalte nahezu ausgeschlossen sind, was die Notwendigkeit
sehr enger Fertigungstoleranzen überflüssig macht. Ferner wird im Saugbereich infolge
der Verlagerung
der Flügel 1 in den Nuten 3t des Rotors 3 auf
der Rückseite der Flügel Öl aufgenommen, das im Auslaßbereich zur Druckseite der
Pumpe zurückgeschoben wird. Daraus resultiert eine sekundäre Förderung, die von
der Flügel stärke und dem Flügelhub abhängig ist. Diese sekundäre Förderung sichert
nicht nur eine vollständige Kompensierung aller volumetrischen Verluste sondern
kann darüber hinaus noch einen Förderüberschuß ergeben, so daß die theoretisch berechnete
Förderleistung überschritten wird.
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- Ansprüche -