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"Druckölschmierung für eine Vakuumpumpe"
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Bag. 1170 Ausscheidung aus P 28 33 167.1 (= Bag. 1084)
Die
Erfindung bezieht sich auf die Ölschmierung für eine Vakuumpumpe, insbesondere Flügelzellenvakuumpumpe
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Brennkraftmaschinen, insbesondere solche, die nach dem 4-Takt-System
arbeiten, weisen eine sogenannte "Druckumlaufschmierung" auf. Hierbei wird das Schmieröl
aus einer l.vanne durch eine Ölpumpe, insbesondere Zahnradpumpe, zu den einzelnen
Schmierstellen geführt (Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 12. Auflage, Band
II, S. 206).
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Kraftfahrzeuge weisen häufig auch einen Bremskraftverstärker auf.
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Derartige Bremskraftverstärker enthalten ein pneumatisches Kolben-bzw.
Membransystem, das durch ein Vakuum betätigt wird, welches von einem durch die Brennkraftmaschine
des Kraftfahrzeugs angetriebenen Aggregat erzeugt wird. Zur Erzeugung des Vakuums
werden in zunehmendem Maß Vakuumpumpen eingesetzt, die vorzugsweise als Flügelzellenpumpen
ausgeführt sind.
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Eine Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist
beispielsweise aus den US-PSen 2 924 903 oder 2 801 791 bekannt.
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Bei diesen Flügelzellenpumpen wird der Ölstrom zum Abdichten der radial
beweglichen Flügel gegenüber dem Rotor und dem Gehäuse kontinuierlich unter hohem
Druck zugeführt, und zwar von der Seite der Hohlwelle her, die der Antriebsseite
gegenüberliegt und daher mechanisch geringer beansprucht ist. Bei diesen bekannten
Flügelzellenpumpen werden die Flügel bei der Drehung des Rotors durch die Zentrifugalkraft
und zusätzlich durch die hydraulische Wirkung des in die Flügelfußräume gepreßten
Schmieröls ausgefahren. Dies bedingt einerseits einen hohen mechanischen Verschleiß
an den Flügelspitzen, insbesondere bei hohen Drehzahlen, und andererseits einen
erhöhten Energiebedarf für die Vakuumpumpe, da die radial ausgefahrenen Flügel bei
der Drehung des Rotors gegen den in den Flügelüßräumen aufgebauten Öldruck zurückgeschoben
werden müssen.
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Weiterhin ist in dem DE-Gbm 77 07 853 eine Flügelzellenpumpe vorgeschlagen
worden, bei der die Schmiermittelzufuhrleitung in der Pumpenantriebswelle angeordnet
und durch eine starre Zuleitung, die eine flexible Kupplung dberbrUckt, axial bis
in die Hohlwelle der Pumpe verlängert ist. Bei dieser Anordnung läuft das von der
Ölpumpe gelieferte überschüssige Ol im wesentlichen drucklos aus der Hohlwelle ab
und wird in die Ölwanne zurückgeführt. Bei einem solchen offenen Schmiersystem für
die Flügelzellenpumpe wird das Öl beim Ausfahren der Flügel in die Flügelfußräume
eingesaugt und beim Einfahren der Flügel wieder aus diesen verdrängt, ohne daß hierbei
eine erhöhte Leistungsaufnahme auftritt. Unterstützt wird dies dadurch1 daß bei
hohen Rotordrehzahlen das Öl wegen der mit hoher Geschwindigkeit hin- und herbewegten
Koppelstifte der Flügel aufschäumt und in diesem Zustand wesentlich leichter komprimiert
werden kann.
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Nachteilig bei dem offenen Schmiersystem nach dem DE-Gbm 77 07 853
ist es, daß zur Schmierung der Lager stellen und zum Abdichten der bewegten Flügel
im Rotor bzw. im Gehäuse ein relativ großer Teilstrom aus dem durch die Ölpumpe
geförderten Druckölatrom abgezweigt werden muß, der die erforderliche Ölmenge weit
übertrifft. Eine Beschränkung des ölstromes würde aber dazu führen, daß bei steigenden
Öltemperaturen und abnehmender Viskosität des Schmieröls die Ölversorgung der Vakuumpumpe
nicht immer gesichert ist, so daß unter ungünstigen Verhältnissen die Höhe des erreichbaren
Vakuums zurückgeht. Nachteilig ist weiterhin auch ein erhöhter Leistungsbedarf an
der Zahnradpulpe.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckölschmierung
für eine Vakuumpumpe zur Verfügung zu stellen, die die geschilderten Nachteile vermeidet
und bei der - zur Vermeidung von Verstopfungen durch Verunreinigungen - bei hinreichend
großen Leitungsquerschnitton nur gerade Bo viel Schmieröl in die Hohlwelle der Vakuumpumpe
geliefert wird, wie zur Schmierung erforderlich ist, und wobei sich
in
der Hohlwelle nur ein geringer, steuerbarer Druck des Schmieröls aufbaut.
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Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, daß der von der
ölpumpe, insbesondere Zahnradpumpe unter Uberdruck konstant gelieferte Schmierölatrom
als pulsierender, vorzugsweise intermittierender Strom in das Innere der Hohlwelle
weitergeleitet wird.
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Durch die angegebene Maßnahme wird der konstant gelieferte Schmierölstrom
dosiert und als zeitlich nicht konstanter Strom in die Hohlwelle weitergeleitet.
Einem konstanten ersten Strom kann dabei ein bezüglich Druck und Menge steuerbarer
zweiter Strom überlagert werden. Bevorzugt ist es jedoch, daß der Schmierölstrom
zeitlich nicht konstant fließt. indem die Durchflußverbindung zum Zuführen des Schmieröls
in die Hohlwelle zeitweilig gänzlich unterbrochen wird, so daß eine intermittierende
Ölzufuhr erfolgt.
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Die Ölmenge läßt sich hierbei nach der Erfindung beispielsweise durch
Wahl der Durchflußquerschnitte, die Häufigkeit und die Dauer der hergestellten Durchflußverbindungen
steuern. Bevorzugt wird von diesen Möglichkeiten die Dosierung des ölstromes in
Abhängigkeit von der Drehzahl der ölpumpe oder der Drehzahl der Hohlwelle des Pumpenrotors,
insbesondere in Verbindung mit einer Abstimmung der Querschnitte der Durchflußverbindung,
angewandt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druckölschmierung
und verschiedene konstruktive Ausführungen geeigneter Kanalsysteme für eine pulsierende
und/oder intermittierende Druckölversorgung einer solchen Vakuumpumpe sind in den
Ansprüchen 3 bis 21 angegeben und anhand der Beschreibung der lediglich ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
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Die Dosierung der Schmierölmenge für die Flügelzellenpumpe kann hierbei
auch durch Drosselung und/oder durch Kombination mehrerer der beschriebenen Maßnahmen
erfolgen, die je nach den praktischen
Gegebenheiten einzeln oder
in Verbindung miteinander anwendbar sind.
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Bei den in den abhängigen Ansprüchen vorgeechlagenen Maßnahmen beruht
das allgemeine Wirkprinzip einmal darauf, daß die Druckseite der Ölpumpe durch ein
ortsfestes Kanalsystem, welches in dem die Hohlwelle der Pumpe umschließenden Gehäuse
angeordnet ist, ständig angezapft wird und daß dieses Kanalsystem periodisch in
Abhfängigkeit von der Drehung der Hohlwelle mit dem Inneren der Hohlwelle und damit
mit der zu schmierenden Vakuumpumpe verbunden ist. Die Dosierung erfolgt dabei einerseits
durch die Wahl der Querschnitte des Kanalsystems und andererseits durch die Anzahl
der in dem Hohlwellenmantel angebrachten Radialbohrungen.
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Zum anderen erfolgt die intermittierende nlzufuhr dadurch, daß der
radiale Stichkanal in einem Zahnr der Ölpumpe ausgeführt ist, so daß die Druckseite
der Ölpumpe inf rmittiercnd abgezapft wird.
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In sämtlichen Fällen sollten die Radialbohrungen des Hohlwellenmantels
jedoch so dimensioniert sein, daß ein Druckaufbau, der die Hohlwelle zusätzlich
belastet, vermieden wird.
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Schließlich sieht eine weitere Lösung für das Dosierproblem an der
Vakuumpumpe vor, daß eine kontinuierliche Ölzufuhr von der Druckseite der Ölpumpe
zu der Hohlwelle derart erfolgt, daß der Gehäusekanal in einen die Hohlwelle umgebenden
Ringraum mündet, der seinerseits auch mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist,
so daß in dem Ringraum ein Druckgeflille vorhanden ist. Bei Rotation der Hohlwelle
führt dies zu einem pulsierenden und im Bereich des Saugkanals intermittierenden
Öl fluß in das Innere der Hohlwelle.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Aus führungsbei spielen
beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ) eine Baueinheit aus Ölpumpe und Vakuumpumpe; Fig.
1a ) Fig. 2 ) konstruktive Lösungen für die Öl-Impulsschmie Fig. 3 ) rung der Vakuumpumpe
durch speielle Kanal-Fig. 4 ) Systeme; Fig. 5 ) ein modifiziertes System der Clzuführung.
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Fig. 5a ) Die in Fig. 1 dargestellte, in der Wanne eines Brennkraftmotors
untergebrachte Baueinheit ist gegenüber der Horizontalen, welche insbesondere durch
den Ölspiegel 7 v angezeigt ist, ein wenig geneigt. Sie besteht aus der Ölpumpe
1 mit den Zahnrädern 2 und 3, welche miteinander kämmen und in einem Gehäuse 4 gelagert
sind. Die Ansaugöffnung der Ölpumpe ist in Fi6. la mit A bezeichnet. Der Auslaßstutzen
ist mit 5 bezeichnet und ist mit der Druckseite D der Ölpumpe 1 verbunden.
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Die Vakuumpumpe 6 ist als Flügelzellenpumpe ausgeführt und besteht
aus vier Flügeln 7, von denen im Bilde lediglich zwei zu sehen sind. Diese Flügel
können in dem Rotor 8 eine radiale Bewegung ausführen. Der Rotor ist in dem Gehäuse
9 exzentrisch gelagert, so daß die Flügel mit dem Rotor 8 und dem Pumpengehäuse
9 Kammern bilden, welche sich bei Rotation in ihrem Volumen ändern. Zur Führung
der Flügel 7 dienen die Stifte 10. Der Vakuumstutzen ist mit 11 bezeichnet. Die
Öl- und Luftaulaßöffnung 12 mündet ebenfalls in der Ölwanne und zwar über dem Ölspie
gel und mit im wesentlichen horizontaler Richtung, so daß weder Öltropfen noch Schmutz
in die Öffnung fallen können. Das Zahnrad 2 und der Rotor 8 sind auf einer gemeinsamen
Hohlwelle 13 gelagert.
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Die Hohlwelle 13 ist durch einen Sechskant mit der Antriebswelle 14
gekuppelt und durch die Brennkraftmaschine angetrieben. Das Zahnrad 3 ist fliegend
auf der Welle 15 gelagert. Das Zahnrad 3 wird
durch Zahnrad 2 mit
angetrieben. Die Ölpumpe und die Vakuumpumpe sind voneinander durch die gemeinsame
Zwischenplatte 16 getrennt.
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Ölpumpengehäuse 4 und Vakuumpumpengehäuse 9 sind fest miteinander
verbunden. Die Hohlwelle 13 ist endseitig in Drucköl geschmierten Gleitlagern gelagert.
Zur Öl schmierung der Vakuumpumpe ist auf der Saugseite der Pumpe, d.h. im Bereich
des in Fig. 1a gezeigten Winkels cm in der Zwischenplatte 16 - also unter dem minimalen
Ölepiegel - ein Ölkanal 17 angebracht, der zunächst radial gerichtet ist, sodann
in axialer Richtung verläuft und vor einer Stirnfläche des Rotors 8 der Vakuumpumpe
6 mündet. In dem Rotor 8 befindet sich eine Radialnut 20, welche sich an die Mündung
des Olkanals 17 anschließt und sich bis zum Umfang des Rotors erstreckt.
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Der Ölkanal 17 wird durch den Käfig 18 überdeckt. Der Käfig 18 ist
nach oben hin verschlossen und wird nach unten hin durch ein Sieb 19 begrenzt. Durch
Käfig und Sieb wird vermieden, daß Schmutz in den Kanal 17 gelangt.
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Durch den Ölkanal 17 und die Radialnut 20 wird infolge des in der
Vakuumkammer herrschenden Vakuums ein diskontinuierlicher Ölstrom in die Vakuumpumpe
gesaugt. Die Frequenz und Impulsdauer der Ölzufuhr hängt neben der Drehzahl der
Hohlwelle 13 auch von der Anzahl der Radialnuten 20 in dem Rotor 8 ab. Als selbstverständlich
sei erwähnt, daß auch mehrere Ölkanäle 17 auf der Vakuumseite der Vakuumpumpe vorhanden
sein können. Durch Größe und Anzahl der Ölkanäle 17 bzw. Radialnuten 20 läßt sich
die zugeführte Ölmenge dosieren, womit ein OIüberschuß in der Vakuumpumpe verhindert
wird.
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Um auch der Druck- bzw. Auslaßseite der Vakuumpumpe Öl zuzuführen,
kann zwischen dem Auslaßstutzen 5 der Ölpumpe und der Vakuumpumpe ein Ölüberströmkanal
21 vorgesehen sein. Es handelt sich hierbei um eine Maßnahme, die allein oder zusätzlich
zu dem Ölkanal 17 mit Radialnut 20 vorgesehen sein kann.
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Zur Schmierung der Flügel 7 sowie der Lager der Hohlwelle 13 ist nach
Fig. 1 das im folgenden beschriebene Ölkanalsystem vorgesehen. Das Zahnrad 2 weist
auf seiner der Zwischenplatte 16 benachbarten Stirnseite die Zahnradstirnflächennut
22 auf, die sich vom Umfang der Stirnfläche aus in radialer Richtung erstreckt und
irgendwo auf der Stirnfläche endet. Die radiale Nut 23 in der Zwischenplatte 16
bildet mit der Zahnradstirnflächennut 22 bei Rotation des Zahnrades 2 einen intermittierend
geöffneten bzw. geschlossenen Kanal, welcher in den Ringraum 24 mündet. In diesem
Ringraum 24 wiederum mündet die Radialbohrung 25 des Hohlwellenmantels. In Fig.
1a ist dargestellt, daß die Nut 23 in der Zwischenplatte 16 im Bereich des Winkels
liegt, also im Druckbereich der Zahnradpumpe. Es wird demnach über Stirnflächennut
221 Zwischenplattennut 23, Ringraum 24 und Radialbohrung 25 ein intermittierender
Ölstrom in das Innere der Hohlwelle 13 geleitet. Die Hohlwelle nun ist durch die
Antriebswelle 14 einerseits und durch einen Stopfen 26 andererseits verschlossen.
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Um Schnutzansammlungen auf dem Grunde der Hohlwelle 13 zu vermeiden,
besitzt der Stopfen 26 eine kleine Bohrung 27, so daß ein Teil des in die Hohlwelle
geleiteten Ölstroms mit den absinkenden Verschmutzungen durch diese Bohrung geleitet
wird. Im übrigen gelangt der Schmierölstrom vom Hohlwelleninneren durch die Schmierölbohrungen
28 sowie die Führungen 29 der Stifte 10 in die Fußräume 30 der Flügel 7.
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Bei der radialen Bewegung der Flügel 7 bildet das Öl einen Ölfilm
zu beiden Seiten der Flügel. Um zu vermeiden, daß durch die Bohrungen 28 bzw. die
Führungen 29 bei schneller Bewegung der Flügel, d.h. bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
bzw. bei kaltem und daher hoch viskosem Öl, nicht genügend Öl in die Flügelfußräume
30 gelangt bzw. sich das Öl in den Flügelfußräumen staut und dadurch die freie radiale
Beweglichkeit der Flügel gehindert wird, besitzen die Flügelfußräume die Fußraumöffnung
bzw. Fußraumöffnungen 37, Die Fußraumöffnungen 31 sind vorzugsweise auf der Saugseite
der Vakuumpumpe, d.h. im Bereich des Winkels « nach Fig. 1a angeordnet.
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Um zu verhindern, daß in diese Saugöffnungen Öl oder Verschmutzungen
eindringen, sind die Mündungen der Saugöffnung oberhalb des %spiegels in einer Rippe
32 angeordnet und zwar auf der Seite der Rippe 32, welche von der senkrechten Axialebene
33 der Motorwelle (nicht dargestellt) abgewandt ist. Hierdurch wird gewährleistet,
daß auch durch die Pleuelbewegung 34 aufgewühltes Spritzöl nicht in die Mündungen
der Fußraumöffnungen 31 gelangt.
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In Fig. 2 ist eine andere Möglichkeit der Ölzufuhr zur Vakuumpumpe
und insbesondere zur Schmierung der Lager der Hohlwelle und der Flügel gezeigt.
Diese Möglichkeit kann die bisher gezeigten Lösungen ersetzen oder im Bedarfsfall
neben diese bisher gezeigten Lösungen treten. Es handelt sich auch hierbei um die
Ausbildung einer intermittierenden Ölzufuhr. In dem Ölpumpengehäuse 4 ist eine Radialnut
35 angebracht, welche sich auf der Druckseite der Pumpe (siehe Winkels in Fig. 1a)
vom Umfang des Zahnrades 2 bis auf den Außenmantel der Hohlwelle 13 erstreckt. Dort
setzt sich die Radialnut 35 in einer Axialnut 36 fort. Im Bereich dieser Axialnut
36 liegt die Radialbohrung 37 des Hohlwellenmantels. Durch die Anzahl und Größe
der Radialbohrung 37 bzw. Größe der Radial-und Axialnut 36 kann die in das Hohlwelleninnere
geförderte Olmenge dosiert werden. Um zu verhindern, daß infolge der Ölleitung durch
die Radialnut 35, Axialnut 36 und Radialbohrung 37 ein eu großer Druckabfall im
Bereich des Auslaßstutzens 5 der Zahnradpumpe eintritt, wird das Innere der Hohlwelle
13 mit einer Drosselung versehen. Diese Drosselung kann - wie in Fig. 2 dargestellt
- aus einem Innengewinde 38 bestehen, welches bei der vorgegebenen Drehrichtung
(siehe Fig. la) eine Förderwirkung in Richtung des Stopfens 26 hat. Der Stopfen
26 besitzt wiederum eine Bohrung 27, welche einerseits klein genug ist, um einen
Druckabfall zu verhindern, andererseits aber den Auslaß von Verunreinigungen zu
gewShrleisten.
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Fig. 2 stellt im übrigen lediglich einen Teilabschnitt der auch in
Fig. 1 dargestellten Baueinheit dar, so daß im übrigen auf die Beschreibung zu Fig.
1 und Fig. la verwiesen werden kann.
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Der Teilschnitt in Fig. 3 zeigt eine weitere Lösung, die insbesondere
die Lösung nach Fig. 2 ersetzt und wahlweise neben alle anderen gezeigten Lösungen
treten kann oder auch allein zur Lösung des Ölschmierproblems der Vakuumpumpe 6
ausreichen mag.
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Nach Fig. 3 ist in dem Ölpumpengehäuse 4 ein Ölkanal 39 vorgesehen,
der sich mit einem axialen und einem radialen T;- vom Umfang des Zahnrades 2 bis
auf den Mantel der Hohlwelle 13 erstreckt. Der Ölkanal 39 liegt in der gleichen
Radialebene wie die Radialbohrung 40 im Hohlwellenmantel, so daß bei einer Drehung
der Hohlwelle 39 ein intermittierender Ölfluß entsteht.
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Die Hohlwelle ist wiederum durch einen Stopfen 26 am unteren Ende
abgeschlossen. Zur Drosselung dient in Fig. 3, anstelle des in Fig. 2 gezeigten
Gewindes 38, ein Drosselstopfen 41 mit Drosselbohrung 42, welche einen zu starken
Druckabfall auf der Druckseite der Ölpumpe verhindern.
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In dem Teilschnitt nach Fig. 4 ist wiederum eine Lösung dargestellt,
welche die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigte Lösung zu ersetzen vermag und wahlweise
neben alle anderen Lösungen oder an die Stelle aller anderen Lösungen treten kann.
Hier besteht die Ölkanalführung aus einer radialen Stirnflächennut 43 im Zahnrad
2 und einer Axialnut 44 im Ölpumpengehäuse 4. Im Bereich der Stirnflächennut 44
liegt die Radialbohrung 45 des Hohlwellenmantels.
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Alle übrigen Einzelheiten sind bereits beschrieben.
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Die Möglichkeit der Drosselung ist in Fig. 4 durch Bezugszeichen 46
symbolisch angedeutet und entspricht im einzelnen den bereits gezeigten Lösungsmöglichkeiten.
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In Fig. 5 und Fig. 5a ist eine Baueinheit dargestellt, die im wesentlichen
der in Fig. 1 und Fig. la gezeigten Baueinheit entspricht. Abweichend hiervon wird
jedoch der Ringkanal 24 bzw. die Radialbohrung 25 durch eine in der Zwischenplatte
16 angeordnete Radialnut 48 verbunden. Diese Radialnut 48 erstreckt sich in einem
Zuge von der Druckseite der Ölpumpe 1 (Winkel P in Fig. 5a) bis zu dem Ringraum
24, so daß der Ringraum 24 mit einem kontinuierlichen Ölstrom beschickt wird. Auf
der von der Radialnut 48 abgewandten Seite des Ringraums 24 ist der im wesentlichen
radiale Saugkanal 47 angeschlossen, welcher den Ringraum mit der Saugseite A der
Ölpumpe 1 verbindet. Dadurch entsteht in dem Ringraum 24 ein Druckgefälle zwischen
der Mündung der Radialnut 48 und der Mündung des Saugkanals 47. Demgemäß fließt
ein Ölstrom durch die Radialbohrung 25 des Hohlwellenmantela in das Innere der Hohlwelle
13, dessen Förderstrormenge entsprechend der Druckverteilung im Ringraum 24 ständig
pulsiert.
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Der Vorteil der intermittierenden Ölzufuhr wie auch der Ölzufuhr aus
der Ölwanne direkt in die Vakuumpumpe 6 besteht darin, daß einerseits kein Absinken
des von der Ölpumpe erzeugten Öldrucks in einem schädlichen Ausmaß zu befürchten
ist, andererseits aber die Ölkanäle zur Vakuumpumpe 6 so groß ausgeführt werden
können, daß die in der Ölwanne unvermeidlichen Verunreinigungen nicht zum Verstopfen
führen.