DE2419855A1

DE2419855A1 - Zahnradpumpe

Info

Publication number: DE2419855A1
Application number: DE2419855A
Authority: DE
Inventors: Delbert Saxton Oliver
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1973-04-27
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1974-11-07
Also published as: ZA742498B; ES425962A1; AR200316A1; FR2227444A1; FR2227444B1; NL7405394A; JPS5013909A; IT1010023B; BR7403265D0

Description

Zahnradpumpe

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe.

Bei den bekannten Zahnradpumpen sind zwei miteinander kämmende Zahnräder in einer entsprechend angepaßten, profilierten Kammer eines Pumpengehäuses angeordnet. Im Betrieb erzeugen die beiden Zahnräder Hochdruck- und Niederdruckfluidumbereiche im Pumpengehäuse, wobei verschiedene Dichtungen zur Aufrechterhaltung des Fluidumdrucks vorgesehen sind. Eine kritische Abdichtungsstelle besteht an den axialen Stirnflächen der miteinander kämmenden Zahnräder. Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnradpumpe, bei welcher an den axialen Zahnradflächen Dichtmittel vorgesehen sind.

Bei Pluidum- oder Strömungsmittel-Zahnradpumpen dieser Art treten zahlreiche Abdichtprol)leme auf. Da die Druckwerte an der Hochdruckseite der Pumpe ein Vielfaches der Druckwerte an ihrer Niederdruckseite betragen, ist die Abdichtung der axialen Seiten- oder Stirnflächen der miteinander kämmenden' Zahnräder schwierig. Wenn eine mechanische Dichtung anfänglich gegen die Seitenflächen der Zahnräder gedrängt wird, so daß die im Betrieb bei voller Drehzahl auftretenden , hohen Druckkräfte durch mechanische Kräfte abgedichtet werden, ist die Anfangsbelastung so groß, daß übermäßige Reibung zwischen den Dichtmitteln und den Zahnrad-Seitenflächen auf-

Hz/Bl/hö

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tritt. Hierdurch erhöhen sich selbstverständlich Verschleiß und Leckverluste, wodurch die Betriebslebensdauer der Pumpe verkürzt und ihr Wirkungsgrad vermindert wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher in erster Linie die Schaffung einer verbesserten Zahnradpumpe, bei welcher diese Nachteile vermieden werden und welche eine verlängerte Betriebslebensdauer und einen erhöhten Wirkungsgrad gewährleistet.

- Diese Aufgabe wird bei einer Zahnradpumpe mit einem einen Fluidumeinlaß und einen Fluidumauslaß aufweisenden Gehäuse, das einen profilierten Innenraum festlegt, mit miteinander kämmenden Zahnrädern, die auf im Gehäuse gelagerten Wellen montiert sind und axial voneinander entfernte Seiten- oder Stirnflächen auf v/eisen, mit einer an mindestens einer dieser Stirnflächen angeordneten Druckplatte, die zusammen mit dem Gehäuse an der Hochdruckseite der Pumpe sichelförmige Durchlässe festlegt, und mit einer neben der Druckplatte der genannten Stirnfläche gegenüberliegend angeordneten Vorbelastungsanordnung, welche die Druckplatte anfänglich in Dichtberührung mit der genannten Stirnfläche hält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckplatte von den Zahnrad-Wellen durchsetzte Öffnungen mit größerem Durchmesser als dem der Wellen aufweist und daß die Druckplatte innerhalb des Innenraums in einer senkrecht zur Drehachse der Wellen verlaufenden Ebene frei bewegbar ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ϊ einen Querschnitt durch eine Zahnradpumpe mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. Λ, Mg. 3 einen Teilsehnitt längs der Linie 3-3 in. Pig. 1,

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Fig. 4- einen schematischen Schnitt durch die miteinander kämmenden Zahnräder zur Veranschaulichung des proportionalen Druckanstiegs zwischen Einlaß- und Auslaß der Pumpe,

Fig. 5 eine perspektivische !Darstellung einer Druckplatte mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer mechanischen Vor-■ belastungsanordnung gemäß der Erfindung,

i"ig. 7 eine in gewisser Weise Fig. 4- ähnelnde schematische Darstellung zur Veranschaulichung des bei einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe unter Last auftretenden Druckgefälles und

Fig. 8 eine Fig. 2 ähnelnde Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Zahnradpumpe reversibel betreibbar ist.

Die in Fig. 1 dargestellte, allgemein mit 1o bezeichnete erfindungsgemäße Zahnradpumpe weist ein profiliertes bzw. Formguß-Gehäuse 11 auf, das aus einem Mittelteil 12 und Endteilen 13 und 14- besteht. Die Gehäuseteile 12 - 14- sind durch Justierstifte

15 relativ zueinander ausgerichtet und mit Hilfe von Schraubbolzen

16 miteinander verbunden. Das Gehäuse 11 bildet eine profilierte Innenkammer 17 zur Aufnahme von zwei miteinander kämmenden Zahnrädern 18 und 19.

Das Zahnrad 18 ist auf einer angetriebenen Welle 2o montiert, die in zwei Lagerbüchsen 21 und 22 gelagert ist. Auf ähnliche Weise sitzt das Zahnrad 19 auf einer leerlaufenden Welle 23, die in zwei Lagerbüchsen 24 und 25 läuft. Zwischen den betreffenden Gehäuseteilen 12 - 14- sind O-Dichtringe 26 angeordnet, während zwischen der Antriebswelle 2o und dem Gehäuse-Endteil 13 eine Wellendichtung

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27 angeordnet ist. Die miteinander kämmenden Zahnräder 18 und 19 weisen Jeweils axiale Seiten-, d.h. Stirnflächen 28 und 29 auf, und an den axialen Stirnflächen 28 der Zahnräder 18 und 19 ist eine Druckplatte 3o (Fig. 3) angeordnet. Ebenso ist eine axiale Druckplatte 31 an den axialen Stirnflächen 29 der Zahnräder 18 und 19 vorgesehen. Selbstverständlich kann in gewissen Fällen eine der Druckplatten weggelassen werden, so daß nur eine einzige Druckplatte neben einer der axial voneinander entfernten Stirnflächen der Zahnräder angeordnet ist.

In E¹Ig. 5 ist die Druckplatte in perspektivischer Darstellung veranschaulicht. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Druckplatte 3o aus einer Stahlplatte mit einer Bronze-Lagerschicht 32 an der Seite, welche den. axialen Stirnflächen 28 der Zahnräder 18 und 19 zugewandt ist. Außerdem ist die Druckplatte 3o mit einem Ölkanal 33 versehen, der mit einem Nutsystem (Fig. 3) im Gehäuse-Endteil 13 kommuniziert.

Ein bedeutsames Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die in der Druckplatte vorgesehenen Bohrungen oder Ausnehmungen 4o, 41, welche von den Wellen 2o, 23 durchsetzt werden, wesentlich größeren Durchmesser besitzen als diese Wellen, so daß die Druckplatten innerhalb des Gehäuses in einer senkrecht zur Drehachse der Wellen verlaufenden Ebene frei bewegbar sind. Wie noch näher erläutert werden wird, wird durch diese Konstruktion eine genaue maschinelle Bearbeitung der Umfangsränder der Druckplatten vermieden und außerdem die Ausbildung einer reversiblen Zahnradpumpe ermöglicht, die in beiden Drehrichtungen mit gleichem Wirkungsgrad arbeitet.

Gemäß den Pig. 2 und· 6 ist eine Vorbelastungsanordnung 34- im G_ehäuse-Endteil 14 an der Rückseite der Druckplatte 31 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsforia besteht diese Vorbelastungsanordnung 34 aus einem ersten Element 35» das aus Gummi o.dgl. gefertigt und in eine komplementäre, durch den Endteil 14 festgelegte Nut 36 (Fig. 1) eingesetzt ist. Außerdem weist die Vorbe-

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1astungsanordnung 34- ein zweites, sich an das erste Element 35 anschließendes Element 37 auf, das aus einem hochverschleißfesten Material, wie dem unter dem Warenzeichen "Nylatron" vertriebenen Werkstoff besteht. Das zweite Element 37 liegt an der Rückseite der Druckplatte 31 an. Bein der Montage der Zahnradpumpe 1o drängt die Vorbelastungsanordnung 34- die Druckplatten 3o und 31 in Axialrichtung in enge Anlage gegen die Stirnflächen der kämmenden Zahnräder 18 und 19.

An der Hochdruckseite der Zahnradpumpe 1o (H¹Ig. 2) bilden die Druckplatte 31 und das Gehäuse 11 zwischen letzterem und den Rändern 39 der Druckplatten 3o und 31 sichelförmige Durchlässe 38. Bei der dargestellten Ausführungsform ist zwischen dem profilierten Innenraum.17 und den Rändern 39 der Druckplatten 3o und 31 ein Nennspiel von etwa o,25 - o,5o mm vorhanden, so daß sich im Betrieb mit Druck die profilierten Durchlässe 38 bilden. Dieses Nennspiel kann aber je nach der Drehzahl, den Druckverhältnissen, den Temperaturbedingungen und den Flüssigkeitsviskositäten, die im Betrieb der betreffenden Zahnradpumpe im Spiel sind, variiert werden. Dieses Spiel liegt jedoch normalerweise im allgemeinen Bereich von etwa o,13 - 1,3 mm.

Das Niederdrucköl strömt über einen Einlaß 4-2 in die Zahnradpumpe 1o ein. Im Betrieb werden die miteinander kämmenden Zahnräder 18 und 19 in die in Fig. 2 durch die Pfeile angedeutete Richtung in Drehung versetzt, wobei sich der Druck des Öls erhöht, während es durch die Zahnräder 18 und 19 in Richtung auf einen Auslaß 4-3 gefördert wird. Pig. 4- veranschaulicht schematisch den Druckanstieg des Öls bei seiner Förderung durch die Zahnräder 18 und 19 in Richtung auf den Auslaß 4-3, wobei der Auslaßdruck mit P bezeichnet ist. Der in Fig. 7 schematisch dargestellte, bekannte Druckgefälle-Effekt ist variabel und hängt von Veränderlichen, wie der Betriebsdrehzahl, der Flüssigkeitsviskosität, der Temperatur und den Fertigungstoleranzen der Bauteile der Zahnradpumpe ab. Ersichtlicherweise stellen die Druckgefälle gemäß .Fig. 7 ^un(1 die Relativdrücke gemäß Fig. 4- daher lediglich zur Veranschaulichung gewählte Beispiele dar.

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Der am Pumpenauslaß herrschende Druck P beaufschlagt die benachbarten Ränder der Druckplatten 3o, 31 und drängt letztere infolge ihrer freibeweglichen bzw. "schwimmenden" Anordnung gegenüber den Zahnrädern 18, 19 und dem Gehäuse 12 in einer senkrecht zur Drehachse der Zahnräder liegenden Ebene in Richtung auf die Einlaßseite der Pumpe, so daß die erforderlichen sichelförmigen Durchlässe 38 gebildet werden. Die Endposition der Druckplatten und die tatsächliche Form der gebildeten Durchlässe variieren somit in Abhängigkeit von den Veränderlichen im Pumpenbetrieb, und die Druckplatten verlagern sich dabei in eine Position, in welcher ein Leckverlust um den Umfang der Druckplatten von der Hochdruck- zur Niederdruckseite der Pumpe weitgehend vermindert wird. Die Druckplatten sind mithin selbsteinstellend, und sie verlagern sich selbsttätig in eine Position, in welcher die Pumpe mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, während gleichzeitig die Notwendigkeit für eine genaue Bearbeitung der Umfangsränder der Druckplatten zur Gewährleistung einer optimalen Form der sichelförmigen Durchlässe 38 entfällt.

Gemäß Fig. 6 weist die Vorbelastungsanordnung 34 radiale Ansätze 44, 45, 46 und 47 am Oberteil und ähnliche Ansätze 48, 49, 5o und 51 am Unterteil auf. Die Ansätze 47 und 5I wirken dabei lediglich als Abstandstücke und nicht als Druckschranken.

Die Ansätze 44, 45 und 46 wirken dagegen als Druckschranken oder -barrieren, und sie bilden· an der Rückseite der Druckplatte 31 vorbestimmte Druckbelastungsbereiche, die mit/LA j^2 und LA^/3 bezeichnet sind. Ähnliche Belastungsbereiche sind auch am Unterteil der Anordnung vorhanden, und die folgende Beschreibung des Oberteils gilt daher gleichermaßen auch für den Unterteil.

Die Vorbelastungsanordnung 34 drängt die Druckplatten 5o und 31 anfänglich gegen dLe axialen Stirnflächen 28 und 29 der miteinander kämmenden Zahnräder 18 und 19- Im Betrieb strömt das unter Druck stehende Fluidum bzw. Strömungsmittel durch die sichelförmigen Durchlässe 38 und beaufschlagt die Druckbelastungsbereiche an der Rückseite der Druckplatte 31, so daß es zusätzlich zu der durch

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J-) LA Hj\j'

die Vorbelastungsanordnung 34- aufgebrachten mechanischen Vorbelastung eine axiale Schub- oder Druckbelastungskraft erzeugt. Da die dynamischen Druckkräfte gemäß Fig. 4 um den Umfang der miteinander kämmenden Zahnräder herum variieren, müssen auf die Rückseiten der Druckplatten 3o, 31 ausreichend große ausgleichende Belastungskräfte ausgeübt werden, um zu gewährleisten, daß der Bronzebelag 32 der Druckplatte 31.mit den axialen Stirnflächen 29 der Zahnräder 18, 19 in Berührung gehalten wird. Die auf die Rückseite der Druckplatte 31 wirkende Axialbelastung muß etwas großer sein als die durch die zusammenwirkenden Zahnräder 18 und 19 erzeugte hydraulische Belastung (Fig. 4-), welche bestrebt ist, die Druckplatte 31 von den betreffenden Zahnrad-Stirnflächen 29 wegzudrängen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Flächen der Bereiche LA/^1, LA/M2 und LA/^3 etwas größer gewählt werden als die Flächen, welche durch die Zahnradzähne festgelegt werden und welche an der den axialen Stirnflächen 29 der Zahnräder 18 und 19 zugewandten Seite der Druckplatte 31 dem Öldruck ausgesetzt sind.

Da die im Zahnradabschnitt herrschenden Drücke über die sichel- . förmigen Durchlässe 38 zwangsläufig mit den Druckbelastungsbereihen LA^1 - LA/^3 usw. kommunizieren, kann der durch die Druckplatten Jo und 31 gegen die betreffenden Zahnrad-Stirnflächen 28 und 29 ausgeübte Überlastdruck oder -schub auf die für die Gewährleistung optimaler Leistung und Betriebslebensdauer erforderlichen engen Grenzwerte festgelegt werden. Die Druckplatten 3o und 31 sind daher vollständig frei beweglich und keiner Durchbiegung oder Verformung unterworfen. Ein Teil des durch die Zähne der Zahnräder in Umfangsrichtung geförderten Strömungsmittels wird daher seitlich zu den Rändern der Druckplatten gerichtet, so(kß es den mechanischen Axialdruck gegen die Druckplatten und gegen die Stirnflächen der Zahnräder unterstützt, während die Größe der zusätzlich erforderlichen Kraft von den Projektionsflächen der Zähne und der Fläche der Zwischenräume zwischen ihnen abhängt.

Ersichtlicherweise kann die Vorbelastungsanordnung 34· auf zahlreich unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann sie im Gegensatz zur beschriebenen, zweiteiligen Konstruktion eine ein-

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teilige' Konstruktion sein. Wenn zudem eine weitere mechanische " Vorbelastung erfordedich ist, können Federn o.dgl. mechanische Elemente verwendet werden, um die Druckplatten 3o und 31 anfänglich gegen die betreffenden axialen Stirnflächen 28 bzw. 29 zu drängen.

In Fig. 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei bildet ein nicht dargestelltes Gehäuse einen profilierten Innenraum 6o, in den nicht dargestellte, miteinander kämmende Zahnräder eingesetzt sind. In das Gehäuse sind Druckplatten 61 mit etwas kleinerem Umriß als dem des Innenraums 6o eingesetzt, und diese Druckplatten 61 sind mit kreisförmigen Bohrungen 62 und 63 versehen, deren Durchmesser diejenigen der zugeordneten Wellen 64 und 65 übersteigen. Auf diese Weise sind die Druckplatten innerhalb des Gehäuses in einer senkrecht zur Drehachse der Zahnräder verlaufenden Ebene frei beweglich. Die Rückseiten 66 der Druckplatten 61 liegen an einer Druck-Vorbelastungsanordnung 67 an, die, wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform, radial abstehende Ansätze 68 aufweist, welche zwischen sich jeweils getrennte, vorbestimmte Belastungsbereiche oder -flächen festlegen.-Diese abgewandelte Ausführungsform richtet sich auf eine in beiden Drehrichtungen antreibbare Zahnradpumpe, weshalb die Belastungsbereiche symmetrisch um eine durch die Zahnradmittelpunkte hindurch verlaufende lotrechte Linie herum verteilt sind. Die Druckplatten 61 sind frei beweglich und werden automatisch in Richtung auf einen Zulaß 69 oder einen Zulaß 7o verschoben, je nachdem, welche Seite als Einlaßseite wirkt. Die Druckplatten 61 werden dabei durch den an der Hochdruckseite der Pumpe herrschenden Drück ständig in Richtung auf den Einlaß verlagert. Auf diese Weise werden zwischen dem Rand der Druckplatten 61 und dem Gehäuse-Innenraum 6o sichelförmige Durchlässe festgelegt.

Bei der in beiden Drehrichtungen umlaufenden Konstruktion gemäß Fig. 8 ist ein an sich bekanntes Rückschlagventilsystem zur Steuerung des Dichtungskammerdrucks und des Drucks an den eingeschlossenen Zahnradenden erforderlich.

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Claims

Patentansprüche

JΛ. !Zahnradpumpe mit einem einen Fluidumeinlaß und einen ITuidumauslaß auf v/eisenden Gehäuse, das einen profilierten Innenraum festlegt, mit miteinander-kämmenden Zahnrädern, die auf im Gehäuse gelagerten Wellen montiert sind und axial voneinander entfernte Seiten- oder Stirnflächen aufweisen, mit einer an mindestens einer dieser Stirnflächen angeordneten Druckplatte, die zusammen mit dem Gehäuse an der Hochdruckseite der Pumpe sichelförmige Durchlässe festlegt, und mit einer neben der Druckplatte der genannten Stirnfläche gegenüberliegend angeordneten Vorbelastungsanordnung, welche die Druckplatte anfänglich in Dichtberührung mit der genannten Stirnfläche hält, dadurch gekennz eichnet, daß die Druckplatte (3o; 31) von den Zahnrad-Wellen (2o, 23) durchsetzte Öffnungen (4o, 4-1) mit größerem Durchmesser als dem der Wellei aufweist und daß die Druckplatte innerhalb des Innenraums in einer senkrecht zur Drehachse der Wellen verlaufenden Ebene frei bewegbar ist.
2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte im profilierten Innenraum in einer quer zur Drehachse der Zahnräder liegenden Ebene frei bewegbar ist, so daß sie durch den an der Hochdruckseite der Pumpe herrschenden Druck inRichtung auf die Niederdruckseite verlagerbar ist und dabei unabhängig von der Drehrichtung der Pumpe die sichelförmigen Durchlässe an der Hochdruckseite der Pumpe festlegt, so daß die Pumpe reversibel ist.
3. Zahnradpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswellen der Zahnräder die Öffnungen in der Druckplatte durchsetzen und daß die öffnungen so' groß sind, daß sie die freie Verschiebung der Druckplatte in beiden Eichtungen zwischen der Hochdruckund der Niederdruckseite der Pumpe zulassen.
4-. Zahnradpumpe nach Anspruch 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsanordnung radial abstehende Ansätze aufweist,

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die vorbestimmte Belastungsbereiche festlegen, welche symmetrisch zu beiden Seiten einer durch die Drehachse der Zahnräder hindurch verlaufenden Ebene angeordnet sind.
5- Zahnradpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte an' ihrer den Stirnflächen der zusammenwirkenden Zahnräder zugewandten Seite mit einer Lagermaterialschicht versehen ist.
6. Zahnradpumpe nach Anspruch 5y dadurch gekennzeichnet, daß das Lagermaterial eine Bronzeschicht ist.
7. Zahnradpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsanordnung ein zwischen dem Gehäuse und der Rückseite der Druckplatte angeordnetes, elastisches oder federndes Element aufweist, das eine mechanische axiale Vorbelastung und eine Fluidumdruckabdichtung zwischen einer Anzahl von an der Rückseite der Druckplatte festgelegten Belastungsbereichen gewährleistet.
8. Zahnradpumpe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsanordnung zwei komplementäre Elemente aufweist, von denen das erste aus einem federnden Werkstoff und das andere aus einem hoch verschleißfesten Werkstoff gefertigt ist.
9. Zahnradpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsanordnung radial abstehende Ansätze aufweist, die yorbestimmte Belastungsbereiche an der Rückseite der Druckplatte festlegen.
10. Zahnradpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckplatte biegefrei ist, so daß sie unter wechselnden Lastbedingungen eine volle Flächenberührung mit den axial voneinander entfernten Stirnflächen aufrechterhält.
11. Zahnradpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß sie ein profiliertes Gehäuse mit IFluidumeinlaß und -auslaß aufweist, das einen profilierten Innenraum festlegt, in welchem zwei miteinander kämmende, drehbare Zahnräder eingesetzt sind, die jeweils axial voneinander entfernte Seiten- oder Stirnflächen aufweisen, daß zwei Druckplatten mit öffnungen, welche von den Zahnrad-Wellen durchsetzt v/erden und die einen größeren Durchmesser besitzen als die Wellen, und mit dem profilierten Innenraum komplementärem Umriß, aber etwas kleineren Abmessungen als der Innenraum in das Gehäuse eingesetzt sind, wobei die Druckplatten und das Gehäuse an der Hochdruckseite der Pumpe sichelförmige Durchlässe festlegen, und daß an der Rückseite mindestens einer Druckplatte eine Vorbelastungsanordnung angeordnet ist, welche die betreffende Druckplatte anfänglich in Anlage gegen die genannten Stirnflächen hält und welche eine Anzahl von nach außen ragenden Ansätzen but Festlegung einer Anzahl von vorbestimmten Belastungsbereichen an der Rückseite der benachbarten Druckplatte aufweist, so daß im Betrieb der Pumpe durch die sichelförmigen Durchlässe ein Ifluidumverbindungspfad zur Beaufschlagung der vorbestimmten Belastungsbereiche und zur Verlagerung der Druckplatten gegen die genannten Stirnflächen gebildet wird.

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