DE2835457C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Förderaggregat für Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Förderaggregat dieser Art (US 12 71 585), bei dem ebenfalls eine Vielzahl einzelner Pumpkörper, sogenannter Rollen, in Nuten einer angetriebenen Läuferscheibe gehalten sind und bei Drehung der Läuferscheibe sich längs einer exzentrisch angeordneten Rollenlaufbahn bewegen, setzt sich diese Rollenlaufbahn oder Innenlaufbahn aus insgesamt zwei Kreissegmenten und aus zwei Teilsegmenten aus zwei Ellipsen zusammen, wobei diese Segmente sämtlich einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, der darüber hinaus auch der Drehmittelpunkt der Läuferscheibe ist. Durch die Verwendung echter Kreis- und Ellipsenabschnitte für den Aufbau der Innenlaufbahn mit gemeinsamem Mittelpunkt ergibt sich eine Vielzahl von Nahtstellen zwischen den jeweils verwendeten Kreisbogenstücken und Ellipsenausschnitten. Dies führt dazu, daß zwar die Kurventangente in den jeweiligen Nahtstellen gleich ist, die Krümmung jedoch wechselt, was zu erheblichen Beschleunigungssprüngen auf die Rollen und zu entsprechend unerwünschten Trägheitskraftauswirkungen führt. Dieser Effekt tritt bei diesen bekannten Förderaggregaten zweimal in der hochbelasteten Zone zwischen Druck- und Saugseite auf, so daß mit erhöhtem Verschleiß und Geräusch gerechnet werden muß.

Allgemein sind eine Vielzahl von Förderaggregaten vergleichbaren Aufbaus bekannt, die jedoch nur im engsten Spaltbereich Kreisausformungen aufweisen mit Übergangskonturen konvexer Form. So läßt sich dem DE-GM 18 78 888 eine volumetrische Drehkolbenmaschine mit einem zylindrischen Statorhohlraum entnehmen, in welchem ein zylindrischer Rotor mit kleinerem Durchmesser exzentrisch angeordnet ist, der seinerseits in radialen Nuten gleitverschieblich Schaufeln aufnimmt, die bei Drehbewegung des Rotors längs der Innenwand des Statorhohlraumes gleiten. Diese Innenlufbahn setzt sich aus zwei unterschiedlichen Kreisbögen zusammen, die im Übergangsbereich durch Zwischenkurvenstücke verbunden sind, die entweder gerade sind oder in nicht genau definierter Form etwa ausgebuchtet konvex verlaufen.

Dem Aufbau dieser Innenlaufbahn vergleichbar ist die Innenlaufbahn einer bekannten Vakuumdrehschieberpumpe (CH-PS 4 45 006), bei der der Übergang zwischen zwei die Innenlaufbahn bildenden Kreisteilbögen einer hyperbolischen Kosinusfunktion folgend ausgebildet ist. Auch dies muß notwendigerweise zu Sprüngen in den Übergangsbereichen führen, da sich in diesen starke Änderungen der Krümmung aufbauen.

Ferner ist es bei einer Rollenzellenpumpe bekannt (US 27 37 121), die Innenlaufbahn aus zwei Kreisbögen aufzubauen, die mit gleichen Radien aneinanderstoßen, mit der Maßgabe, daß die Radiusmittelpunkte sich um einen Abstand unterscheiden, der kleiner als der Radius der Rollen ist. Und schließlich ist ein ähnlicher Aufbau ausschließlich aus Kreisbögen bei einem Kraftstofförderaggregat bekannt (US 23 59 903), bei dem jeweils unterschiedliche kreisförmige zylindrische Bögen so tangential aneinanderstoßen, daß sich eine vollständig elliptisch verlaufende Innenlaufbahn ergibt, die bezüglich der Ellipsenhaupt- und -nebenachse symmetrisch ausgebildet ist. Bei diesem Förderaggregat für Flüssigkeiten ist der Rotor stark exzentrisch zum Schnittpunkt von Haupt- und Nebenachse der Ellipse angeordnet und lagert durchgängig einen Schieber, der den Pumpeninnenraum in zwei ihre Volumen jeweils gegenläufig ändernde Hälften unterteilt.

Im folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung anhand der Fig. 1, 2a bis 2c sowie 3a bis 3e zunächst auf eine bekannte Ausführungsform eines Förderaggregats für Flüssigkeiten, und zwar speziell einer Kraftstoff unter Druck fördernden Rollenzellenpumpe auch detailliert eingegangen. Dies ist notwendig, da sich so die Erfindung in ihren wesentlichen Unterschieden besser verstehen läßt und bei deren späterer Erläuterung bekannte Einzelheiten bei solchen Rollen- oder Flügelzellenpumpen keiner weiteren Erläuterung mehr bedürfen.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 1 enthält eine Läuferscheibe oder Nutscheibe 1 über ihren Umfang verteilt in Aufnahmenuten 2 Verdrängerkörper 3, die üblicherweise als Rollen ausgebildet sind. Diese Rollen sind in Nuten 2 geführt und liegen an einer äußeren Rollenlaufbahn 4 an, die üblicherweise, wie auch der Umfang der Nutscheibe 1, kreisförmig ausgebildet ist. Der Mittelpunkt der Rollenlaufbahn 4 ist zu dem Mittelpunkt der Nutscheibe um einen vorgegebenen Abstand exzentrisch versetzt, so daß sich sichelförmige Pumpenarbeitsräume ergeben, die bei einer Rotordrehbewegung um den Umfang des Systems wandern und angesaugte Flüssigkeit, beispielsweise Kraftstoff einer äußeren und - über das Spiel zwischen Rolle und Aufnahmeelement - einer inneren Drucknut 10 zuführen, wobei die die Flüssigkeit fördernde Läuferscheibe sich in ihrer exzentrischen Versetzung zur Rollenlufbahn 4 entlang dem Pfeil A dreht. Aufgrund der Exzentrizität ergibt sich ein weitester Spalt WS zwischen der Rollenlaufbahn 4 und der Mantelfläche der Läuferscheibe sowie ein engster Spalt ES, die bei der Drehung der angetriebenen Läuferscheibe jeweils periodisch von den Rollen 3 in ihren Nuten überlaufen werden.

Im folgenden wird anhand der Darstellung der Fig. 2a bis 2c sowie der Fig. 3a bis 3e und den in diesen Figuren dargestellten einzelnen Arbeitsphasen der Funktionsablauf einer bekannten Rollenzellenpumpe in etwa erläutert, auch um so die bisherigen Nachteile zu verdeutlichen.

Bei der Darstellung der Fig. 1 sind noch folgende Bezeichnungen angegeben, die auch bei den Arbeitsphasen der Fig. 2 und 3 auftreten. Mit V1 und V2 ist bezeichnet jeweils der Raum unter der Rolle 3₁ bzw. der Rolle 3₂; der Sichelraum zwischen der Rolle 3₃ bzw. zwischen der Rolle 3₂ und 3₃ ist jeweils mit V3 bzw. V5 bezeichnet. Die Druckseite, die sich jeweils von der obersten Rolle ausgehend, die den weitesten Spalt WS passiert hat, nach unten auf der linken Seite des in Fig. 1 gezeigten Systems erstreckt, ist mit D bezeichnet; die Saugseite mit S.

Zunächst wird anhand der Darstellung der Fig. 2a bis 2c der Druckaufbau am weitesten Spalt WS in verschiedenen Arbeitsphasen dargestellt, wobei zur Vereinfachung ein blasenfreies Fördermittel, beispielsweise also Kraftstoff, angenommen wird. In Fig. 2a trennt die Rolle 3₁ den Saugraum S, in welchem Saugdruck herrscht, von dem Raum V1 unter der Rolle 3₁ und dem Sichelraum V3 zwischen den Rollen 3₁ und 3₂. Ein Druckaufbau hat in den Räumen V1 und V3 noch nicht stattgefunden, daher herrscht in diesen Räumen ebenfalls Saugdruck. Die vorderste Kante 8 des Raumes V1 hat noch nicht den Überdeckungsbereich des vorgestülpten Teilraumes 9 der inneren Drucknut 10 erreicht, in welcher, ebenso wie im Druckraum 11 sowie im vor der Rolle 3₂ liegenden Sichelraum V5, Betriebsdruck herrscht. Der Abstand der Vorderkante 8 zum vorgestülpten Bereich 9 der Drucknut 10 beläuft sich auf ca. 10°, wie angegeben.

Innerhalb der nächsten 3°, also im Abstand von 7° der beiden Teile 8 und 9, ergibt sich im abgeschlossenen Raum V1 und V3 ein erheblicher Druckaufbau (Kompression), und zwar durch die Volumenverkleinerung des Raumes V3 (Fig. 2b). Innerhalb dieser 3° kann in diesem Raum V1+V3 eine erhebliche Druckspitze von über 10 bar entstehen, wodurch die Rolle 3₂ von ihrer bisherigen Anlage an der in Drehrichtung hinteren Nutflanke abhebt. Hierdurch ergibt sich eine Verbindung des Sichelraumes V3 und des Raumes V1 zum Druckraum über den Bereich, in welchem sich der Pfeil B erstreckt. Der Raum V1 unter der Rolle 3₁ ist, wie ersichtlich, noch immer nicht direkt mit der Drucknut verbunden.

Erst in der in Fig. 2c dargestellten Arbeitsphase ist sowohl der Sichelraum V3 als auch der Raum V1 über die Drucknut 10 mit dem Druckraum 11 verbunden, wobei die aus dem Raum V3 verdrängte Flüssigkeit entsprechend den Pfeilen B und B′ an den Rollen 3₁ und 3₂ vorbei in den Druckraum einströmt.

Die in den Fig. 3a bis 3e dargestellten Arbeitsphasen zeigen die Druckverhältnisse und die Abdichtung am engsten Spalt ES bei inzwischen in Drehrichtung weitergewanderten Pumpkörpern oder Rollen 3₁, 3₂ und 3₃. Wie ersichtlich, erstreckt sich der Saugraum bzw. die Saugniere 12 bis nahe an den engsten Spalt ES heran und ist in der in Fig. 3a gezeigten Arbeitsphase schon mit dem Raum im Bereich der Rolle 3₃ verbunden. Der weiter vorn schon erwähnte Sichelraum V3 erfährt soeben eine Verbindung über den Pfeil C mit einer äußeren Drucknut 13, wobei die aus dem Sichelraum V3 verdrängte Flüssigkeit über die äußere Drucknut sowie entsprechend dem Pfeil E an der Rolle 3₂ vorbei über die innere Drucknut 10 in den Druckraum 11 einströmt. Die Spaltweite am engsten Spalt ES bestimmt die aus dem zwischen den Rollen 3₃ und 3₂ gebildeten Sichelraum V5 in den Saugraum überströmende Leckmenge. Im Sichelraum V5 herrscht der Betriebsdruck.

In der Arbeitsphase der Fig. 3b ist die Verbindung des Raumes V2 unter der Rolle 3₂ über die innere Drucknut 10 zum Druckraum 11 unterbrochen, denn der Nutgrundbereich 14 wandert soeben aus der inneren Drucknut 10 aus. Die aus dem Raum V2 und dem immer enger werdenden Sichelraum V3 verdrängte Flüssigkeit strömt über die außenliegende Drucknut 13 entsprechend Pfeil F in den Druckraum, wobei der Raum V5 noch über die äußere Drucknut 13 mit dem Druckraum verbunden ist und Leckmenge weiter in den Saugraumbereich überströmt.

Erst in der Arbeitsphase der Fig. 3c wird der Raum V5 durch die Rolle 3₂ von der äußeren Drucknut 13 abgetrennt, wobei sich der Druck in dem Raum V5 durch die Überströmmenge über den engsten Spalt ES rasch abbaut. Die Rolle 3₂ wird durch den Betriebsdruck in dem Raum V2 und dem Sichelraum V3 an die vordere Nutflanke gedrückt, wie bei 15 angegeben, und dichtet so die Räume V2 und V3 gegen den Raum V5 ab. Ab diesem Zeitpunkt bestimmt sich die Leckmenge am engsten Spalt nicht mehr durch die Spaltweite oder den Spaltabstand, sondern durch das Restvolumen des Raumes V5, wobei die aus den Räumen V2 und V3 weiter verdrängte Flüssigkeit über die äußere Drucknut 13 in den Druckraum 11 einströmt, zwischen denen eine nicht dargestellte Verbindung existiert.

In der Arbeitsphase der Fig. 3d dichtet dann die Rolle 3₂ die Räume V2 und V3 gegen den Saugraum am engsten Spalt ab, da die Rolle 3₂ weiter an der vorderen Nutflanke anliegt. Von jetzt an vergrößert sich wieder der Raum V2 unter der Rolle, da die Rolle 3₂ mit sich von der Läuferscheibe zunehmend entfernender Rollenlaufbahn aus ihrer Nut immer mehr heraustritt. Gleichzeitig nimmt der Spalt 16 zwischen hinterer Nutkante und der Laufbahn immer mehr ab und erreicht schließlich den durch den engsten Spalt ES vorgegebenen Spaltabstand.

Der im Raum V2 vorhandene Betriebsdruck nimmt dann ebenfalls ab, und zwar, wenn die vom Raum V3 nach dem Raum V2 strömende Menge kleiner als die sich durch das Weiterdrehen der Läuferscheibe ergebende Volumenzunahme des Raumes V2 ist.

In der Arbeitsphase 3e steht die hintere Nutkante am engsten Spalt ES; der Spalt zwischen Nutkante 17 und Laufbahn hat sein Minimum erreicht. Sobald die über den engsten Spalt ES fließende Leckmenge kleiner als die Volumenvergrößerung des Raumes V2 ist, hebt die Rolle 3₂ von der vorderen Nutkante bei 18 ab, und der Druck im Raum V2 sinkt praktisch schlagartig auf bzw. unter den geringeren Saugdruck ab. Die Differenz zwischen dem jeweiligen Nutvolumen und dem Rollenvolumen jeweils beim Durchlauf einer Rolle am engsten Spalt ES ist das sogenannte Totvolumen, welches beim Übergang über den engsten Spalt ES vom Betriebsdruck auf den Saugdruck entspannt wird.

Bei einer solchen Förderpumpe für Flüssigkeiten mit einer exzentrischen, kreisförmigen Rollenlaufbahn können sich zum Teil erhebliche Schwierigkeiten durch die mangelnde Abdichtung am engsten Spalt sowie durch ungünstige Expansions- und Kompressionsverhältnisse nach dem engsten Spalt ES und vor dem weitesten Radialspalt WS ergeben, und zwar, bezogen auf eine Kraftstofförderpumpe, speziell im sogenannten Heißbenzinbetrieb.

Da die Dichtstelle zwischen dem Druckraum D und dem Saugraum S nur durch eine Mantellinie mit dem gewünschten Radialspiel (ES) von wenigen µm gebildet wird und sich, wie erläutert, der Abstand zwischen dem Läufer und der Rollenlaufbahn mit wachsender Entfernung vom engsten Spalt ES rasch vergrößert, kann speziell im Heißbenzinbetrieb eine beträchtliche Kraftstoffmenge von der Druck- zur Saugseite zurückströmen und führt dann dort infolge von Verdampfung zu Funktionsstörungen.

Der Beginn der Saugniere 12 darf auch nicht zu nahe an den engsten Spalt ES herangeführt werden, da es sonst zu einer direkten Verbindung zwischen Druck- und Saugseite durch Kurzschluß über die Rollennut in der Läuferscheibe kommen kann. Dies hat aber zur Folge, daß es nach dem engsten Spalt zu einer Expansion des abgeschlossenen Kammervolumens kommt, was bis zur Ansteuerung der Saugniere, also bis zum Erreichen der Saugniere 12 zu beträchtlichen Unterdrücken führen kann, so daß die Kraftstoffrückströmung und die Verdampfung noch weiter gefördert wird.

Außerdem ergibt sich bei der Absteuerung der Saugniere 12 vor dem weitesten Spalt WS (siehe Fig. 2a bis 2c), d. h., beim Heraustreten eines jeweiligen Rollenbereiches aus dem Saugnierenbereich, schon eine Kompressionsphase für das äußere Teilkammervolumen zwischen Läufer und Laufbahn, wohingegen das innere Teilkammervolumen in der Rollennut sich noch weiter vergrößert, was ebenfalls zu unerwünschten Auswirkungen führen kann. Ferner ist eine gewisse Geräuschbildung insbesondere bei Alterung kaum vermeidbar.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Grundprinzip einer Rollen- oder Flügelzellenpumpe aufgebautes Förderaggregat für Flüssigkeiten zu schaffen, welches unter Vermeidung der soeben geschilderten Nachteil der bekannten exzentrischen kreisförmigen Rollenlaufbahn die Dichtwirkung des Radialspaltes vergrößert und die Expansions- und Kompressionsphasen den An- und Absteuerverhältnissen der Saug- und Drucknieren in besonders vorteilhafter Weise anpaßt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß ds durch Verschiebung der Zwischenplatte, die in einer inneren Bohrung die Rollenlaufbahn bildet, einstellbare Radialspiel zwischen der Rollenlaufbahn und der Nutscheibe - bzw. allgemein ausgedrückt das durch eine Relativverschiebung zwischen Zwischenplatte und Läuferscheibe oder Nutscheibe einstellbare Radialspiel - bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rollenlaufbahn in einem großen Winkelbereich vor und nach dem engsten Spalt konstant gehalten werden kann, und zwar um etwa ±20° vor und nach dem engsten Spalt. Dadurch läßt sich eine erheblich bessere Dichtwirkung erzielen, verglichen mit der Dichtwirkung bei einer exzentrischen, kreisförmigen Laufbahn, bei der sich das Radialspiel vom engsten Spalt weg progressiv vergrößert.

Durch den Übergang der Rollenlaufbahn in eine zum Mittelpunkt des Läufers bzw. der Nutscheibe konzentrische Kreiskontur läßt sich die Kompressionsphase der Pumpenkammer schon weit vor dem engsten Spalt beenden. Die Absteuerung der Drucknut kann dann früher erfolgen, wobei analog dazu die Expansion der (jeweiligen) Pumpenkammer nach dem engsten Spalt später einsetzt und daher die Saugnut auch dementsprechend später angesteuert werden kann.

Von besonderem Vorteil ist, daß sich die stark ausgeprägte Unterdruckbildung bei der Expansion des Kammervolumens nach dem engsten Spalt vor der Ansteuerung der Saugnut weitgehend vermeiden läßt.

Am weitesten Spalt, also beim Übergang von der Saug- zur Druckseite bewirkt die ebenfalls zum Läufermittelpunkt konzentrische Kreisbahn der Rollenlaufbahn, daß die Saugniere dann abgesteuert werden kann, wenn sowohl das äußere Teilkammervolumen als auch das unter der Rolle liegende ihre Expansionsphase schon abgeschlossen haben. Daher läßt sich der zeitliche Verlauf der Kompression im Bereich der negativen Überdeckung, d. h., wenn Sichelraum V3 und Raum V1 unter der Rolle weder mit der Druck- noch mit der Saugseite Verbindung haben, mit sanfterem Übergang gestalten.

Außerdem ergibt sich auch eine sanftere Gestaltung der Kompression im weiteren Verlauf der Pumpendrehung.

Die weiter vorn erwähnten, relativ hohen Druckspitzen durch Kompression der Flüssigkeit in dem über einen Drehwinkel von 10° (siehe Fig. 2a bis 2c) völlig abgeschlossenen Kammervolumen können durch entsprechende Lage der Steuerkanten völlig unterbunden werden, indem man diesen 10°- Bereich so legt, daß er mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem keine oder eine extrem geringe Kompression stattfindet. Auch kann hieraus eine Geräuschreduzierung resultieren, da die zu einem Schwingungsverhalten des Fördermediums Anlaß gebenden starken Druckschwankungen abgebaut werden.

Außerdem ergibt sich speziell für eine Rollenzellenpumpe eine zusätzliche Sicherheit gegen Druckspitzen, auch wenn diese schon durch entsprechende Rollenbewegungen bis zu einem gewissen Grad selbsttätig abgebaut werden.

Bei Flügelzellpumpen, wo eine solche Selbstregelfunktion nicht vorhanden ist und wo bisher solche Druckspitzen lediglich über Quetschöl-Nuten oder Quetschöl-Bohrungen abgebaut werden konnten, bedeutet dieser Effekt einer "gebremsten" Kompression eine entscheidende Verbesserung.

Der Grund für alle dies erheblichen Verbesserungen beim Förderaggregat nach vorliegender Erfindung liegt darin, daß der Nutscheibendrehpunkt mit den beiden Kopfkreismittelpunkten der Ellipsenhälften zusammenfällt, aus denen sich die Innenlaufbahn zusammensetzt. Dabei sind aber andererseits die geometrischen Mittelpunkte der beiden Ellipsenhälften nicht identisch mit dem Drehpunkt der Nutscheibe. So ist die Form der Innenlaufbahn elliptisch bezüglich ihre seigenen Mittelpunktes Me, jedoch nicht bezüglich des Mittelpunktes M der Nutscheibe. Für diesen Mittelpunkt ist die Innenlaufbahn definiert durch Radiusvektoren ρ1 und ρ2, die sich aus der Ellipsenform bezüglich des gemeinsamen Mittelpunktes Me herleiten lassen.

Dabei ist die aus den beiden Ellipsenhälften zusammengesetzte Laufbahn im Übergang zwischen der "Kreisform" und der Ellipse absolut kontinuierlich, da der Kopfkreis Bestandteil der Ellipsenkontur ist. Ein Wechsel der Kurvenkrümmung erfolgt daher nur zweimal an den Übergangsstellen der beiden Ellipsenhälftenin Zonen, in dene die Rollen absolut druckausgeglichen sind.

Die weiter vorn schon getroffene Bereichsangabe für den im technisch-praktischen Sinn jedenfalls kreisförmigen Verlauf der Innenlaufbahn bezüglich des Nutscheibenittelpunktes M von ca. ±20° ist daher keine gewollte Festlegung, sondern ergibt sich aus dem Wesen der Ellipsen- Kopfkreise.

Der Erfindung gelingt es daher, in diesem Winkelbereich um den engsten und weitesten Spalt die Rollenlaufbahn auf eine zum Läufermittelpunkt konzentrische Kreisbahn zu legen - jedenfalls wird diese Forderung außerordentlich gut erfüllt, da die jeweiligen Hauptkrümmungskreise die Ellipsenform um die Scheitelpunkte herum praktisch identisch darstellen. Hierbei ist vom technischen Gesichtspunkt noch zu beachten, daß die beiden Halbachsen der beiden Ellipsen ohnehin nicht allzusehr voneinander differieren, so daß die Abweichungen der Rollenlaufbahn von einem Kreis in den beiden Scheitelbereichen derart gering sind, daß dies in der technischen Realisierungsform keine Rolle mehr spielt - diese Scheitelabschnitte können daher als Kreisbogenstücke oder als einem Kreisbogenstück äquidistant bezeichnet werden. Schließlich ergibt sich durch die getroffenen Maßnahmen auch eine signifikante Geräuschreduzierung um ca. 70% oder noch darüber, verglichen mit üblichen Rollenzellenpumpen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 sowie 2a bis 2c und 3a bis 3e verschiedene Arbeisphasen bei einer bekannten Rollenzellenpumpe, und zwar bezüglich der Fig. 2a, 2b und 2c die Funktion und den Druckaufbau einer Rollenzellenpumpe am weitestens Spalt in einer schematischen Draufsicht auf Läufer, in Nuten desselben gelagerte Rollen und die Rollenlaufbahn, während die Fig. 3a bis 3e die Druckverhältnisse und die Abdichtung am engsten Spalt beschreiben;

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Rollenlaufbahn für eine nach dem Grundprinzip einer Rollenzellenpumpe arbeitende Förderpumpe für Flüssigkeiten mit nicht kreisförmiger Kontur.

Beschreibung der Erfindungsbeispiele

Der Grundgedanke beruht darauf, eine Funktionsverbesserung von Förderpumpen insbesondere im Heißbetrieb des zu fördernden Mediums, bei einer Kraftstofförderpumpe also im Heißbenzinbetrieb, druch eine neue Gestaltung der exzentrisch zum Läufer angeordneten Rollenlaufbahn zu erzielen, die so ausgebildet ist, daß diese nahezu und im praktischen Bereich absolut identisch ist mit einer Kreisbahn, die in einem bestimmten Winkelbereich um den engsten und weitesten Spalt herum konzentrisch um den Läufermittelpunkt, also um den Mittelpunkt der Nutscheibe bzw. der Läuferscheibe verläuft, die in Nuten die Pumpkörper oder Rollen aufnimmt.

In der Darstellung der Fig. 4 ist der Läufer- oder Nutscheibenmittelpunkt mit M bezeichnet; von diesem Mittelpunkt geht der Radius R2 aus, der die Mantellinie der Nutscheibe umlaufend um den Mittelpunkt M definiert, die in Fig. 4 in gestrichelter Linienführung gezeigt und mit 20 bezeichnet ist.

Bei der bekannten Rollenzellenpumpe befindet sich dann im Abstand e_kr und damit exzentrisch zum Mittelpunkt M angeordnet der Mittelpunkt M′ der exzentrischen Kreiskontur der bekannten Rollenlaufbahn 21 mit dem Radius R1, die sich als Kreis in dünner Linienführung um den Mittelpunkt M′ erstreckt.

Von diesem System weicht die Erfindung dadurch ab, daß sie zur Bildung der erfindungsgemäßen Rollenlaufbahn diese, die in Fig. 4 in dick durchgezogener Linienführung dargestellt und mit 22 bezeichnet ist, in zwei Hälften aufteilt, nämlich eine obere Hälfte 22a, die etwas weniger als einen "Halbkreis" bildet und bei 23 und 24 in eine untere Hälfte 22b übergeht, die etwas größer als ein "Halbkreis" ist und die jeweils gebildet sind von um den Mittelpunkt M der Nutscheibe laufenden Radiusvektoren ρ1 (bezüglich der oberne Hälfte 22a) bzw. ρ2 (bezüglich der unteren Hälfte 22b), deren Länge eine Funktion des Winkels ϕ ist.

Im speziellen Ausführungsbeispiel ist die Ausbildung bei beiden Rollenlaufbahn-Hälften 22a und 22b so, daß sie gebildet sind von zwei Ellipsenhälften, die zusammengesetzt mit Übergängen bei 23 und 24 die erfindungsgemäßen Rollenlaufbahn bilden. Da sich die Ellipsenform um die Scheitelpunkte herum durch ihre Hauptkrümmungskreise nahezu vollkommen annähern läßt, erfüllt dieses Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rollenlaufbahn den Grundgedanken vorliegender Erfindung, wie er weiter vorn schon definiert und im folgenden nochmals wiederholt wird, nämlich in einem bestimmten Winkelbereich um den engsten und weitesten Spalt mit einer konzentrischen Kreisbahn um den Läufermittelpunkt identisch zu sein, außerordentlich gut.

Die Mittelpunkte der beiden Ellipsenhälften sind identisch und in der Darstellung der Fig. 4 als ein Mittelpunkt M_E bezeichnet; der Läufermittelpunkt M ist identisch mit den Mittelpunkten der jeweiligen Hauptkrümmungskreise, die die Ellipsenform um die Scheitelpunkte herum praktisch identisch darstellen.

Es ergibt sich ein Abstand S2 des Ellipsenmittelpunktes M_E vom Läufermittelpunkt M, der auf die Notwendigkeit einer ausreichenden Überdeckung der Nutflanke zur anliegenden Rollenmantellinie zurückzuführen ist.

Die große Halbachse a₁ der oberen Ellipsenhälfte ist identisch mit der kleinen Halbachse b₂ der unteren Ellipsenhälfte. Der (konstante) Radius des Hauptkrümmungskreises der unteren Ellipsenhälfte 22b entspricht dem konstanten Radius R2 der Läuferscheibe, für die obere Hälfte 22a ist der Krümmungskreisradius gleich dem Läuferradius R2+der Mittelpunktverschiebung S2, wie ohne weiteres anhand der im folgenden angegebenen Gleichungen für die Rollenlaufbahn, in Polarkoordinaten ausgedrückt, nachgeprüft werden kann. Für den vom Winkel ϕ abhängigen und daher veränderlichen Radius ρ1 ergibt sich die folgende Gleichung:

Die Gleichung für die untere Laufbahn- bzw. Ellipsenhälfte 22b ergibt sich zu

Die beiden vom Winkel ϕ abhängigen Radien ρ1 und ρ2 sind identisch jeweils an den Übergangspunkten 23 und 24, wie sich durch Einsetzen von Größen in die beiden Gleichungen (1) und (2) leicht feststellen läßt, so daß sich eine Rollenlaufbahn mit kontinuierlichem Übergang ergibt.

Die folgende Tabelle I zeigt die berechneten, sich in Abhängigkeit zum Winkel ϕ ändernden Radien beider Rollenlaufbahnhälften 22a, 22b als Ausführungsbeispiel, wobei es sich versteht, daß die Erfindung selbstverständlich hierauf nicht beschränkt ist. Die ausgerechneten Werte zeigen aber besonders gut die Vorteile, die sich beim praktischen Betrieb einer Rollenzellenpumpe oder eines vergleichbaren Aggregats auf der Basis der erfindungsgemäßen Rollenlaufbahn ergeben.

Der Berechnung zugrundegelegt sind folgende Werte:
R2 = 15 mm,
S2 =  2 mm,
wobei in der Zeichnung der Fig. 4 im gleichen Bezugsmaßstab R1 einen Wert von 16 mm aufweist und der exzentrische Abstand e_kr=1 mm beträgt.

Der Tabelle I läßt sich in Abhängigkeit der die beiden unterschiedlichen Ellipsenhälften definierenden Radiusvektoren ρ1 und ρ2 vom Winkel ϕ jeweils in Sprüngen von 2 Winkelgraden entnehmen, wobei sich beim Winkel ϕ=82,86° die Identität des Radiusvektors ρ1 zum Radiusvektor ρ2 ergibt. Man geht daher dann vom Winkel 82,86° vom Radius ρ1 über auf den Radius ρ2 und läßt den Winkel ϕ2 für die untere Ellipsenhälfte 22b von 82,86° bis zu 277,14° weiterlaufen, entsprechend dem Umfangspunkt 24, an welchem dann der Radius ρ2 entsprechend der Tabelle I mit einem numerischen Wert von 16,094 wieder übergeht in den Radius ρ1 der oberen Ellipsenhälfte 22a.

Aus der Tabelle I erkennt man, daß ρ1 praktisch auf vier Stellen konstant ist für einen Winkel ϕ1=±20° um ϕ1=0 herum; das gleiche trifft erkennbar zu für den numerischen Wrt von 15,00 für ρ2 im Bereich 180°±20°. Ein solcher Verlauf der Rollenlaufbahn 22 um den weitesten Spalt WS und den engsten Spalt ES ist besonders vorteilhaft, wie ein Vergleich der sich mit hoher Steilheit in Richtung auf den engsten Spalt ES verengenden und von diesem wieder ausgehenden erweiternden Verläufe der Kreisbahnen von Läuferscheibe 20 und kreisförmiger Rollenlaufbahnkontur 21 (gestrichelte und dünne Linienführung; bekannte Ausführungsformen) mit den Verhältnissen ergibt, die nahezu eine Identität der erfindungsgemäßen Rollenlaufbahn schon mehr als 20° vor dem engsten Spalt und mehr als 20° hinter dem engsten Spalt mit Bezug auf die Kreisform der Läuferscheibe ermöglichen. Es ergibt sich praktisch in diesem Bereich vor und hinter dem engsten Spalt ES (und analog angewendet mit Bezug auf den weitesten Spalt WS) keine merkliche Volumenänderung mehr zwischen der Rollenlaufbahn und dem Nutscheiben- oder Läufermantel, so daß auch hier keine zu extremen Arbeitsbedingungen Anlaß gebende Volumenverschiebungen mehr auftreten können. Dennoch verfügt die erfindungsgemäße Rollenlaufbahn über praktisch die gleichen, wenn auch verlagerten Volumen-Abstandsbeziehungen zur Läuferscheibe, denn was beispielsweise als sehr schmaler Sichelraum 25 im dritten Quadranten (erste vordere Hälfte der unteren Ellipsenhälfte 22b) fehlt, ergibt sich als zusätzlicher Raum bei 25′ im zweiten Quadranten, wobei die Annäherung der Rollenlaufbahn an die Mantefläche der Läuferscheibe etwa im Bereich 26 amgrößten ist und wesentlich steiler verläuft als bei einer konzentrischen bekannten kreisförmigen Rollenlaufbahn. Diese "Kompressionsphase" ist aber dann schon weit vor dem engsten Spalt beendet; entsprechende Verhältnisse ergeben sich an allen, weiter vorn ausführlich geschilderten kritischen Übergangsbereichen, so daß sich insgesamt ein wesentlich weicherer sanfter Betrieb, eine gebremste Kompression und eine Sicherheit gegen Druckspitzen, aber auch gegen durch diese bewirkte erhöhte Abnutzungs- und gegebenenfalls Schwingungserscheinungen ergibt.

Tabelle I

Claims (6)

1. Förderaggregat für Flüssigkeiten, insbesondere Kraftstofförderpumpe, in Form einer Rollen- oder Flügelzellenpumpe, die zusammen mit einem antreibenden Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist, mit einer Vielzahl von einzelnen Pumpkörpern (Rollen), die in Nuten einer angetriebenen Läuferscheibe gehalten sind und an einer hierzu exzentrisch angeordneten, mindestens Ellipsenstücke enthaltenden Rollenlaufbahn anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenlaufbahn (22) aus insgesamt lediglich zwei unterschiedlichen Ellipsenhälften (22a, 22b) zusammengesetzt ist, deren jeweilige Radien (ρ1, ρ2) als Funktion des Umlaufwinkels (ϕ) an den beiden Übergangsstellen (23, 24) identisch sind und ihren Mittelpunkt im Mittelpunkt der Läuferscheibe (M) haben, wodurch die Ellipsenform der Rollenlaufbahn (22) in einem bestimmten Winkelbereich (±20°) um die Scheitelpunkte entsprechend den Bereichen des engsten und weitesten Spaltabstandes (ES, WS) der Pumpe durch deren Hauptkrümmungskreise nahezu vollkommen angenähert ist infolge der praktischen Identität in dem bestimmten Winkelbereich mit jeweils einer konzentrischen Kreisbahn um den Mittelpunkt (M) der Läufer- oder Nutscheibe.

2. Förderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte (M_E) beider Ellipsenhälften (22a, 22b) identisch sind, zum Mittelpunkt (M) der Nutscheibe einen Abstand (S2) aufweisen und daß die Mittelpunkte der jeweiligen Hauptkrümmungskreise der beiden Ellipsenhälften identisch sind mit dem Mittelpunkt (M) der Läufer- oder Nutscheibe.

3. Förderaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die große Halbachse der oberen Ellipsenhälfte (22a) identisch ist mit der kleinen Halbachse der unteren Ellipsenhälfte.

4. Förderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Hauptkrümmungskreises der unteren Ellipsenhälfte dem Radius (R2) der Nutscheibe entspricht und daß der Radius des Hauptkrümmungskreises der oberen Ellipsenhälfte (22a) gleich ist dem Radius (R2) der Nutscheibe zuzüglich der Mittelpunktverschiebung (S2) zwischen Mittelpunkt (M) der Läuferscheibe und dem Ellipsenhälftenmittelpunkt (M_E).

5. Förderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Polarkoordinaten ausgedrückten Radien (ρ1, ρ2) der sich aus den beiden Ellipsenhälften zusammensetzenden Rollenlaufbahn folgenden Gleichungen gehorchen: wobei R2 der konstante Radius der Läuferscheibe und S2 der Abstand des Ellipsenmittelpunktes (M_E) zum Läuferscheibenmittelpunkt (M) ist.

6. Förderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Identität der beiden Radien (ρ1, ρ2) an den Übergangsstellen (23, 24) auch die Steigungen, d. h., die ersten Ableitungen der die Kurve darstellenden Funktionen, an den Übergangsstellen (23, 24) gleich sind.