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Flügelzellenpumpe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Flügelzellenpumpen für Fahrzeug-Klimaanlagen werden zumeist vom Fahrzeugmotor
angetrieben. Dabei entsteht das Problem, daß die Klimaanlage auch im Leerlaufbetrieb
des Motors wirksam sein muß.
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Um aber bei der Leerlaufdrehzahl des Motors eine ausreichende Pumpen-Förderleistung
zu erzielen, ist aufgrund der im allgemeinen mangelhaften Dichtheit eine entsprechende
Übersetzung für den Antrieb einer derartigen Flügelzellenpumpe notwendig. Eine solche
Maßnahme hat jedoch bei höherer Drehzahl eine verhältnismäßig hohe Leistungsaufnahme
und somit eine unwirtschaftliche Arbeitsweise zur Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenpumpe nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, welche auch bei niedrigeren
Drehzahlen eine hohe Förderleistung gewährleistet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches
1 gelöst.
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Durch die vorgeschlagene Anordnung von Dichtelementen und deren Ausbildung
kann eine besonders gute Dichtheit einer Flügelzellenpumpe erzielt werden, so daß
es möglich ist, auch bei niedrigeren Drehzahlen eine verhältnismäßig hohe, den Bedarf
einer Fahrzeug-Klimaanlage deckende Förderleistung zu erreichen, die mindestens
so groß ist wie die Leistung einer Hubkolbenpumpe mit gleichem Wirkungsgrad. Hierbei
wird durch die konvexe Krümmung der Grundseite einerseits einer verlängerte radiale
Führung für den Kolbenschieb.er erreicht, die eine lange radiale Kolbenschieberbewegung
ermöglicht und zusätzlich eine einwandfreie Führung sicherstellt, und andererstets
die Möglichkeit geschaffen, an einer oder beiden Läuferstirnseiten axiale Dichtelemente
anzuordnen, die mit den Kolbenschiebern in dichtender Berührung stehen. Durch diese
axialen Dichtelemente wird eine wesentliche Verbessung, der Abdichtung zwischen
den
Arbeitskammern erzielt, wobei die Kolbenschieber zusammen mit
den Ringbolzen und den Ringsegmenten in jeder Stellung stets eine geschlossene Dichtgrenze
für jede Arbeitskammer bilden. Dadurch, daß die Ringbolzen nicht in kreisförmigen,
sondern in ringförmigen Aussparungen angeordnet sind, sind die Kolbenschieber selbst
an ihren Enden geführt, so daß ein Kippen der Kolbenschieber innerhalb ihrer Nut
vermieden wird.
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Die Ringnut ist vorzugsweise exzentrisch zur Läuferdrehachse angeordnet.
Dadurch wird der Bereich, der von den Dichtstreifensegmenten auf dem benachbarten
Gehäuse seitenteil während der Drehung des Läufers bestrichen wird, vergrößert und
somit die Lebensdauer wesentlich verbessert.
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Um die Dichtwirkung der Kolbenschieber zu verbessern, wird in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Kolbenschieber aus zwei entlang
einer schräg zur Längsrichtung verlaufenden Trennfuge aneinanderliegenden Teilen
mit einer längeren und einer kürzeren Kuppe bestehen. Zumindest die Kuppe des Kolbenschieberteiles
mit der längeren Kuppe kann aus einem verschleißfesteren Werkstoff bestehen als
das Kolbenschieberteil mit der kürzeren Kuppe. Dadurch wird erreicht, daß das Teil
mit der kürzeren Kuppe, das mit Ubermaß eingebaut wird, aufgrund seines weicheren
Werkstoffes sehr schnell an der Innenfläche des Mantels abgeschliffen wird, bis
auch das Teil mit der längeren Kuppe an der Mantel innenfläche anliegt, so daß sich
nach kurzer Einlaufzeit eine dichtende Anlage beider Teile des Kolbenschiebers sowohl
gegenüber der Innenfläche des Gehäusemantels als auch gegenüber den Seitenteilen
einstellt.
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Die Innenfläche des Mantels kann von einer Nickelschicht mit eingelagerten
Hartstoffteilchen gebildet werden, während das Kolbenschieberteil mit der längeren
Kuppe aus einem Werkstoff mit einer Brinellhärte von etwa 220 HB und das Kolbenschieberteil
mit der kurzeren Kuppe aus einem Werkstoff mit einer BrinellEtärke von etwa 160
HB bestehen kann. Durch diese Werkstoffpaarung können die Verschleißwerte
der
Innenfläche des Gehäuses sowie der mit der Innenfläche zusammenwirkenden Kolbenschieber
äußerst gering gehalten werden.
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Es ist zum Erzielen niedrigerer Verschleißwerte aber auch möglich,
daß zumindest die Innenfläche des Mantels aus einem Grauguß mit perlitischem oder
ferritischem Grundgefüge und freiem Graphit besteht, der durch elektrochemisches
Wegätzen des nach der Fertigbearbeitung auf die Graphitpartikel aufgeschmierten
Grundgefüges freigelegt ist und daß zumindest die Kuppen der Kolbenschieber aus
einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehen. Bei dieser Werkstoffpaarung
wird das Einlaufen der Gehäuseinnenflächen durch das Wegätzen vorweggenommen, so
daß von Anfang an eine voll belastbare Gleitfläche für die Kolbenschieber bzw. Dichtelemente
zur Verfügung steht, während die für die Kolbenschieber vorgeschlagene Legierung
aufgrund ihres geringen Gewichtes den Verschleiß verringert.
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Bei einem Dichtsystem, bei dem nur auf einer Stirnseite des Läufers
aus Ringbolzen und Dichtstreifensegmenten bestehende axiale Dichtelemente angeordnet
sind, kann der Läufer auf der Welle längsverschiebbar aufgenommen sein. Dadurch
kann sich der Läufer durch den Druck dds geförderten Mediums mit seiner anderen,
von Axialdichtungen freien Stirnseite an das benachbarte Gehäuseseitenteil dichtend
anlegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine
Flügelzellenpumpe gemäß Linie I-I in Fig. 2, und Fig. 2 einen Querschnitt durch
die Flügelzellenpumpe nach Fig. 1 mit einer Seitenansicht des Läufers.
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Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Flügelzellenpumpe für eine Fahrzeug-Klimaanlage
weist ein Gehäuse auf, das im wesentlichen aus
einem Mantel 1 mit
einer elliptischen inneren Mantelfläche 2 und zwei parallelen Seitenteilen 3 und
4 zusammengesetzt ist.
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Das Gehäuse ist senkrecht zu den Seitenteilen 3 und 4 von einer Antriebswelle
5 durchsetzt, die in Gleitlagern 6 in den Seitenteilen 3 und 4 drehbar gelagert
ist und sich über schematisch dargestellte Kugellager 7 in axialer Richtung gegen
die Seitenteile 3 und 4 abstützt. Zwischen den Lagerstellen der Welle 5 ist auf
einer Keilverzahnung 8 ein Läufer 9 drehfest aufgenommen. Der Läufer 9 ist auf seiner
Umfangsfläche mit Nuten 12 versehen, in denen radialbeweglich geführte Kolbenschieber
13 angeordnet sind, die auf ihrer Unterseite 13c zur Erzielung einer möglichst langen
Führung konvex gekrümmt sind, während der Boden 12a der Nuten 12 entsprechend der
Unterseite der Kolbenschieber 13 in Richtung auf die Welle 5 zu konkav ausgebildet
ist. Bei Umlauf des Kolbens 9 in Pfeilrichtung D gleiten die den Fliehkräften ausgesetzten
Kolbenschieber 13 mit ihren Kuppen 14 ständig an der inneren Mantelfläche 2 entlang,
wobei vier Arbeitskammern 10, lOas11 und lla gebildet werden, die ihr Volumen beim
Umlauf des Läufers 9 verändern. Im Mantel 1 sind Einlaßöffnungen 15 und Auslaßöffnungen
16 angeordnet, die von den Kolbenschiebern 13 überschliffen werden. In der dargestellten
Stellung findet in den Arbeitskammern 10 und 11a ein Ansaugtakt statt, während in
den Arbeitskammern 10a und 11 der Ausschubtakt erfolgt.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Kolbenschieber 13 durch eine
schräg verlaufende Trennfuge 17 in ein Teil 13a mit einer längeren Kuppe 14a und
ein Teil 13b mit einer kürzeren Kuppe 14b geteilt. Diese Lage der Trennfuge 17 bewirkt,
daß sich die unter Fliehkrafteinfluß in dichte Anlage an die Mantelfläche 2 gebrachten
Teile 13a und 13b des Kolbenschiebers 13 auf dieser als schiefe Ebene wirkende Fläche
17 gegenseitig abstützen und somit auch in dichtende Anlage an die Innenflächen
18 und 19 der Seitenteile 3 und 4 gebracht werden. Die Trennfuge 17 ist dabei derart
angeordnet, daß die senkrechte Projektion des Schwerpunktes S des Teiles 13b die
Kuppe 14b schneidet, wodurch ein Kippen dieses Teiles auf
der Mantelfläche
2 vermieden und eine dichte Anlage des Kolbenschiebers 13 an der Innenfläche des
Mantels 1 gesichert ist. Durch diese Ausbildung wird auch bei einem Verschleiß der
Kolbenschieber 13 das Entstehen von Spalten zwischen den Kolbenschiebern 13 und
der Innenfläche des Gehäuses verhindert. Wenn die Kolbenschieber 13 beispielsweise
aus einer Gußeisenlegierung bestehen, wie sie für Kolbenringe verwendet wird, und
das Teil 13a eine Brinellhärte von 220 HB und das Teil 13b eine Brinellhärte von
160 HB aufweist, wird das aus einem relativ weichen Werkstoff bestehende Teil 13b,
das mit Übermaß eingebaut wird, schnell auf die Höhe des Teiles 13a abgeschliffen,
so daß nach kurzer Einlaufzeit die Teile 13a und 13b stets über die gesamte Breite
an der beispielsweise eine Nickelschicht mit Hartstoffteilchen aufweisenden Mantelfläche
2 und an den seitlichen Innenflächen 18 und 19 anliegen.
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Um ein Übertreten des zu fördernden Mediums von einer Arbeitskammer
über die seitliche Innenfläche 19 des Seitenteiles 4 in die Jeweils benachbarte
Arbeitskammer zu verhindern, sind in der in der Fig. 1 rechten Stirnseite 20 des
Läufers 9 ringförmige Aussparungen 21 vorgesehen, die das seitliche Ende Jeder Nut
12 unter Belassung von kreisförmigen Füllflächen 22 umgeben und in denen je ein
geschlitzter Ringbolzen 23 angeordnet ist, der mit seinem Schlitz 24 an den Flanken
des Kolbenschiebers 13 über dessen gesamten Hubbereich dichtend anliegt. Zwischen
den ringförmigen Aussparungen 21 ist eine kreisförmige Ringnut 25 angeordnet, die
sich abschnittweise zwischen den ringförmigen Aussparungen 21 erstreckt und Jeweils
in diese mündet. In der Ringnut 25 sind zwischen benachbarten Ringbolzen 23 Dichtstreifen-Ringsegmente
26 aufgenommen, die mit ihren Enden stumpf und dichtend an den Ringbolzen 23 anliegen.
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Die Ringbolzen 23 und die Dichtstreifen 26, die axialbeweglich in
der Stirnseite2Odes Läufers 9 angeordnet sind, werden von nicht dargestellten Federelementen
federnd gegen die Innenfläche 19 des Seitenteiles 4 gedrückt und bilden gemeinsam
mit den Kolbenschiebern 13 eine geschlossene Dichtgrenze für jede Arbeitskammer
10, lOa, 11 und ila. Die Fü1Pfläche 22 bewirkt, daß die seitliche Anlagefläche des
Kolbenschiebers 13 in der Nut 12 nicht verkleinert wird.
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Die kreisförmige Ringnut 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit
ihrem Mittelpunkt M gegenüber der Drehachse K des Läufers 9 exzentrisch angeordnet,
wobei der Versatz des Mittelpunktes M gegenüber der Läuferdrehachse K beispielsweise
1 mm beträgt.
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Infolge der exzentrischen Anordnung wird die Innenfläche 19 des Seitenteiles
4 von den Dichtstreifen 26 nicht auf einer Kreislinie, sondern auf einer relativ
breiten kreisringförmigen Fläche überschliffen, so daß eine Verschleißminderung
erreicht und die Lebensdauer der Abdichtung erhöht wird.
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Während die seitliche Abdichtung zwischen dem Läufer 9 und der Innenfläche
19 des Seitenteiles 4 mittels der in der Läuferstirnseite 20 angeordneten Dichtstreifen
26 und Ringbolzen 23 erfolgt, weist die andere Läuferstirnseite 27 einen ans. der
benachbarten Innenfläche 18 des Seitenteiles 3 gleitend anliegenden Dichtrand 28
auf, der parallel zur Kontur der äußeren Umfangswand des Läufers 9 verläuft und
von der Läuferstirnseite 27 vorsteht.
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Die Anlage der Dichtelemente an der Innenfläche 19 erfolgt - wie schon
erwähnt - durch Federelemente, die bewirken, daß auch der Dichtrand 28 auf der Läuferstirnseite
27 dichtend an die Innenfläche 18 gedrückt wird, wodurch eine gleichmäßige, die
einzelnen Arbeitskammern abdichtende Anlage auf beiden Seiten des Läufers 9 gebildet
wird. Eine eventuelle Axialverschiebung des Läufers 9 ist durch die Keilverzahnung
8 auf der Antriebswelle 5 möglich.
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Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe ist so dicht, daß auch bei
niedrigen Drehzahlen, wie z. B. im Leerlauf des Fahrzeugmotors, ohne eine zusätzliche
Übersetzung eine für die Versorgung der FahrzeugsKlimaanzage völlig ausreichende
Fördermenge geliefert wird.
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Dadurch wird auch bei einer hohen Drehzahl eine unnötige Leistungsaufnahme
vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Baugröße und der Raumbedarf
der Pumpe verhältnismäßig klein gehalten werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So kann z. B. anstelle der auf der linken Läuferstirnwand
27 vonddem
Dichtrand 28 gebildeten Abdichtung gegenüber der Innenfläche 19 ebenfalls eine aus
Ringbolzen 23 und Dichtstreifen 26 bestehende Axialdichtung vorgesehen werden. Anstelle
von vier Kolbenschiebern 13 kann eine andere Anzahl, z. B. fünf oder sechs Kolbenschieber,
am Umfang des Kolbens 9 angeordnet sein.
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Ebenso ist es möglich, daß der Mantel eine kreisförmige innere Mantelfläche
aufweist und der Läufer zur Mitte des Gehäuses versetzt umläuft.
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