DE4325502C1 - Von einem Elektromotor angetriebene Verdrängerpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine von einem Elektromo­ tor angetriebene Verdrängerpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Wenn solche Kraftstoffpumpen in Serie in Kraftfahrzeuge eingebaut werden, treten öfters Geräuschprobleme auf, die dazu führen, daß die betreffende Pumpe ausgebaut und durch eine neue ersetzt werden muß.

Bei einer bekannten Verdrängerpumpe der eingangs genann­ ten Art (DE-C2 28 43 635) ist zur Verminderung des Ge­ räuschproblems am Beispiel einer Pumpe mit fünf Verdrän­ gerkörpern (Pumpenelementen) und eines Ankers mit zwölf Polschuhen eine Lösung beschrieben, bei der zum Zeitpunkt des Feldwechsels des Gleichstromelektromotors sich kein Pumpenelement in oberer Totpunktlage befinden soll. Dies setzt eine relativ komplizierte Abstimmung der Lage der Pumpenelemente zu der Lage der Polschuhe des Elektromo­ tors voraus.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine von einem Elektromotor angetriebene Verdrängerpumpe bereitzustel­ len, mit der auf relativ einfache Weise eine Geräuschre­ duzierung möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angege­ benen Maßnahmen gelöst. In dem Unteranspruch ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beschrieben.

Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde.

Die Elektromotoren der Kraftstoffpumpen für Einspritzan­ lagen weisen einen Trommelanker aus einem auf die Anker­ welle aufgepreßten Blechpaket auf, das z. B. mit acht oder zehn um den Trommelumfang gleichmäßig verteilten Nuten versehen ist.

Als Kraftstoffpumpen werden im allgemeinen Zellen- oder Zahnradpumpen verwendet. Das heißt, sie weisen einen rotierenden Verdrängerkörper auf, um dessen Umfang gleichmäßig verteilt Absperrungen vorgesehen sind, wobei die Absperrungen bei einer Zellenpumpe beispielsweise axial verschiebbare Flügel, Rollen oder sonstige Absperrorgane sind, und bei einer Zahnradpumpe die Zähne des Zahnrads.

Die Zahl der Zähne des von der Ankerwelle angetriebenen Zahnrads einer Zahnradpumpe kann unterschiedlich sein, desgleichen die Zahl der axial verschiebbaren Absperrorgane einer Zellenpumpe. So werden als Kraftstoffpumpen für Einspritzanlagen von Kraftfahrzeugen meistens fünfzellige Rollenpumpen verwendet. Ferner kommen Innenzahnrad- Kraftstoffpumpen zur Anwendung, also Zahnradpumpen, die ein von der Ankerwelle direkt oder über einen Mitnehmer angetriebenes Zahnrad mit einer Außenverzahnung aufweisen, sowie einen drehbar gelagerten Zahnkranz mit einer Innenverzahnung, in der das Zahnrad kämmt. Die Zähnezahl des Zahnrades beträgt dabei meist 9 oder 10, und die Zähnezahl des Zahnkranzes ist um 1 höher, also 10 bzw. 11.

Bei einem Elektromotor ändert sich das Drehmoment, das durch das Magnetfeld der Magnetpole und das Ankermagnetfeld auf die Anker ausgeübt wird, in Abhängigkeit von der Lage der Ankernuten zu den Magnetpolen. Beim Umlauf des Ankers tritt dann ein sich periodisch änderndes Drehmoment in Form einer Sinusschwingung auf. Diese mechanische Schwingung hat die Erzeugung entsprechender Schallwellen zur Folge.

Bei Zahnradpumpen, Zellenpumpen oder anderen Verdrängerpumpen wird die Flüssigkeit oder das sonstige Fördermedium von dem von dem Elektromotor angetriebenen Verdrängerkörper in abgetrennten Mengen in Druckstößen gefördert. Dadurch entstehen periodische Druckpulsationen, die ihrerseits Schallwellen zur Folge haben.

Die durch den Elektromotor und durch die Pumpe erzeugten Schallschwingungen summieren sich zu einer Oberschwingung, d. h. es entsteht ein Geräusch.

Bei den bekannten Pumpen können sich diese Schallschwingungen stochastisch zu Oberschwingungen summieren, die ein Geräusch so hoher Intensität und mit einem so hohen Belästigungsgrad erzeugen, daß die betreffende, in Serie eingebaute Pumpe wieder ausgebaut werden muß.

Andererseits läßt sich durch gegenseitige Phasenverschiebung der von dem Elektromotor erzeugten Schallschwingungen und der von der Pumpe erzeugten Schallschwingungen die Intensität und der Belästigungsgrad des Geräuschs auch minimieren, also eine geräuscharme Oberschwingung mit geringer Schallintensität und geringem Belästigungsgrad erzielen. Diese Phasenverschiebung wird erfindungsgemäß durch das Ausrichten der Winkellage der Nuten des Ankers und der Absperrungen des Verdrängerkörpers der Verdrängerpumpe oder allgemein der Winkellage des Verdrängerkörpers aufeinander zustandegebracht.

Die optimale Winkellage zwischen den Nuten des Ankers und dem Verdrängerkörper kann z. B. empirisch ermittelt werden.

Wenn die Verdrängerpumpe als Drehkolbenpumpe ausgebildet ist, also einen rotierenden Verdrängerkörper mit um den Umfang gleichmäßig verteilten Absperrungen aufweist, stehen vorteilhafterweise die Zahl der Nuten des Ankers und die Zahl der Absperrungen des Verdrängerkörpers in einem einfachen ganzzahligen Verhältnis zueinander.

Das heißt, bei einer Zellenpumpe mit beispielsweise fünf Zellen oder Absperrorganen weist der Trommelanker vorteilhafterweise z. B. 10 Nuten auf. Wenn ein Elektromotor mit beispielsweise 10 Nuten im Anker zum Antrieb einer Innenzahnradpumpe verwendet wird, besitzt das von der Ankerwelle angetriebene Zahnrad mit der Außenverzahnung z. B. 10 Zähne.

Dadurch besitzen die von dem Elektromotor erzeugten Schallschwingungen und die von der Pumpe erzeugten Schallschwingungen die gleiche Frequenz bzw. diese Frequenzen stehen damit in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander, so daß bei entsprechender Einstellung der gegenseitigen Winkellage der Ankernuten zu den Absperrorganen der Zellenpumpe bzw. den Zähnen des Zahnrades mit der Außenverzahnung der Innenzahnradpumpe eine im wesentlichen geräuschlose Oberschwingung erhalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird also durch eine definierte Kopplung von Elektromotor und Verdrängerkörper eine gleichbleibend optimale Auslegung des Geräuschs in Serie gewährleistet. Mit anderen Worten, erfindungsgemäß ist die Auslegung des Elektromotors und des Verdrängerkörpers mit gleicher Anzahl von Drehmomentsprüngen und Druckspitzen je Umdrehung der Ankerwelle sowie durch Winkelversatz von Anker und Verdrängerkörper zueinander so gestaltet, daß das Geräusch auf ein Minimum eingestellt wird. Zugleich wird dadurch der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht.

Dabei ist erfindungsgemäß keine Änderung der Teile der Pumpe oder des Elektromotors erforderlich. Das heißt, die Erfindung läßt sich außerordentlich kostengünstig verwirklichen. Hinzu kommt, daß es nunmehr möglich ist, dem Pumpenhersteller Grenzwerte für das Geräusch vorzugeben, damit laute Pumpen bereits beim Hersteller aussortiert werden können und erst gar nicht beim Kraftfahrzeughersteller in Serie gelangen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ankers;

Fig. 2a und 2b die eine bzw. andere Stirnseite eines Mitnehmers;

Fig. 3 eine Innenzahnradpumpe;

Fig. 4 ein Schwingungsdiagramm einer Pumpe nach dem Stand der Technik; und

Fig. 5 ein Schwingungsdiagramm der Pumpe nach Fig. 1 bis 3.

Gemäß Fig. 1 besteht der Trommelanker 1 eines Elektromotors aus einem auf die Ankerwelle 2 aufgepreßten Blechpaket mit zehn gleichmäßig verteilten Nuten 3, 4, 5, . . ., in welche die nicht dargestellte Ankerwicklung eingelegt ist.

Auf die Ankerwelle 2 ist ein Ring mit einem Innensechskant 6 aufgekeilt, der zur drehfesten Verbindung der Ankerwelle 2 mit dem Zahnrad 7 der Innenzahnradpumpe 8 gemäß Fig. 3 mit dem in Fig. 2a und 2b dargestellten Mitnehmer 9 dient.

Gemäß Fig. 3 kämmt das Zahnrad 7 der Pumpe 8 mit seiner Außenverzahnung in der Innenverzahnung des in einem Gehäusering 10 gelagerten Zahnkranzes 11. Das Zahnrad 7 ist mit der Drehachse 12 exzentrisch zur Drehachse des Zahnkranzes 11 gelagert. Die Außenverzahnung des Zahnrades 7 weist zehn Zähne 13, 14, 15, . . . auf, und die Innenverzahnung des Zahnkranzes 11 elf Zähne 16, 17, 18, . . .

Die Förderung kommt dadurch zustande, daß die Flüssigkeit in den sich bildenden Zahnlücken zwischen den Zähnen 13, 14, 15, . . . des Zahnrades 7 und den Zähnen 16, 17, 18, . . . des Zahnkranzes 11 gemäß dem Pfeil 19 eintritt, in der Drehrichtung des Zahnrades 7 und des Zahnkranzes 11 gemäß den Pfeilen 20 wandert und durch den gegenseitigen Eingriff der Zähne 13, 14, 15, . . . und 16, 17, 18, . . . aus den sich schließenden Zahnlücken gemäß dem Pfeil 21 wieder herausgequetscht wird.

Das Zahnrad 7 weist um seine Drehachse 11 verteilt zehn auf die zehn Zähne 13, 14, 15, . . . seiner Außenverzahnung ausgerichtete Radialnuten 22, 23, 24, . . . auf, die zur drehfesten Verbindung des Zahnrades 7 mit der Ankerwelle 2 über den in Fig. 2a und 2b dargestellten Mitnehmer 9 vorgesehen sind.

Der Mitnehmer 9 besteht aus einer Scheibe, die auf einer Seite mit einem Außensechskant 25 und auf der anderen Seite mit koaxial angeordneten, gleichmäßig verteilten, sich radial erstreckten Vorsprüngen 26, 27, 28, . . . versehen ist. Zur Verbindung der Ankerwelle mit dem Zahnrad 7 durch den Mitnehmer 9 greift der Außensechskant 25 des Mitnehmers 9 in den Innensechskant 6 auf der Ankerwelle 2 ein, und die Vorsprünge 26, 27, 28, . . . des Mitnehmers 9 stecken in den Radialnuten 22, 23, 24, . . . des Zahnrades 7 der Pumpe 8.

Der Innensechskant 6 und der Außensechskant 25 sind gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2a mit einer durch den Pfeil 29 bzw. 30 dargestellten Markierung versehen. Wenn der Mitnehmer 9 mit dem Außensechskant 25 in den Innensechskant 6 auf der Ankerwelle 2 so gesteckt wird, daß die Markierungen 29, 30 zusammenkommen, so ergibt sich eine bestimmte Winkellage zwischen den Nuten 3, 4, 5, . . . des Ankers 2 und den Zähnen 13, 14, 15, . . . des Zahnrades 7, wenn der Mitnehmer 9 mit seinen Vorsprüngen 26, 27, 28, . . . in die Radialausnehmungen 22, 23, 24, . . . des Zahnrades 7 eingreift.

Die Mitnehmerscheibe 9 weist eine zentrale Bohrung 31 auf, mit der die Scheibe 9 auf die Ankerwelle 2 gesteckt wird.

Zugleich ragt die Antriebswelle 2 durch die zentrale Bohrung 32 in dem Zahnrad 7 hindurch.

Fig. 4 stellt das Schwingungsdiagramm einer herkömmlichen Innenzahnradpumpe mit einem Zahnrad mit einer Außenverzahnung mit neun Zähnen dar, die von einem Elektromotor mit zwölf Ankernuten angetrieben wird. Die sinusförmigen Schallschwingungen des Elektromotors, die durch die periodischen Drehmomentänderungen des Ankers während des Umlaufs hervorgerufen werden, und die sinusförmigen Schallschwingungen der Pumpe, die durch die Druckpulsationen hervorgerufen werden, sind gestrichelt (Elektromotor) bzw. strichpunktiert (Pumpe) in Fig. 4 dargestellt, und die Oberschwingung aus der Summe der beiden Schwingungen als durchgezogene Linie. Es ist ersichtlich, daß die Oberschwingung wechselnde Amplituden und Phasen aufweist, also die typische Schallschwingung eines Geräusch darstellt. Das heißt, die beiden Teilschwingungen können sich bei einer solchen Pumpe nach dem Stand der Technik zu einem Geräusch mit gegebenenfalls hoher Schallintensität und hohem Belästigungsgrad summieren.

In Fig. 5 ist das Schwingungsdiagramm der Pumpe nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 dargestellt. Die durch den Elektromotor hervorgerufenen Schallschwingungen, die durch die Pumpe 8 hervorgerufenen Schallschwingungen sowie die Oberschwingung sind wiederum gestrichelt, punktiert bzw. als durchgezogene Linie wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß die Oberschwingung eine gleichmäßige, geringe Amplitude und eine gleichmäßige Phase aufweist, d. h. die Pumpe praktisch geräuschlos ist.

Claims (2)

1. Von einem Elektromotor angetriebene Verdrängerpumpe, insbesondere für Einspritzanlagen von Kraftfahrzeu­ gen, bei der die Winkellage der Nuten (3, 4, 5, . . .) des Ankers (1) des Elektromotors und die Winkellage des von der Ankerwelle (2) angetriebenen, rotieren­ den und mit um den Umfang gleichmäßig verteilten Ab­ sperrungen (Zähne 13, 14, 15, . . .) versehenen Ver­ drängerkörpers (Zahnrad 7) der Pumpe (8) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer ge­ räuscharmen Oberschwingung aus den Drehmomentschwin­ gungen des Ankers (1) und den durch den Verdränger­ körper (Zahnrad 7) erzeugten Pulsationen die Zahl der Nuten (3, 4, 5, . . .) des Ankers (1) und die Zahl der Absperrungen (Zähne 13, 14, 15, . . .) des Ver­ drängerkörpers (Zahnrad 7) in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Drehmoments der Ankerwelle (2) auf den Verdrängerkörper (Zahnrad 7) ein Mitnehmer (9) mit einer Markierung (30) zur Festlegung der ge­ genseitigen Winkellage der Nuten (3, 4, 5, . . .) des Ankers (2) und des Verdrängerkörpers (Zahnrad 7) vorgesehen ist.