DE2835457C2 - - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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 ekr 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 ME 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 ME
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 ekr=1 mm beträgt.
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 ekr=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.
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 (ME) 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 (ME).
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 (ME) 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.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19782835457 DE2835457A1 (de) | 1978-08-12 | 1978-08-12 | Foerderaggregat fuer fluessigkeiten |
GB7927826A GB2028430B (en) | 1978-08-12 | 1979-08-09 | Rotary positive-displacement fluidmachines |
JP10141279A JPS5525599A (en) | 1978-08-12 | 1979-08-10 | Liquid conveyor |
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Publication Number | Publication Date |
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Family
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Family Applications (1)
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- 1979-08-10 JP JP10141279A patent/JPS5525599A/ja active Granted
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- 1985-01-14 US US06/691,355 patent/US4538977A/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |