DE4325502C2 - Von einem Elektromotor angetriebene Verdrängerpumpe - Google Patents

Description

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

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

Bei einer bekannten Verdrängerpumpe der eingangs genannten Art (DE-C2 28 43 635) ist zur Verminderung des Geräuschproblems am Beispiel einer Pumpe mit fünf Verdrängerkörpern (Pumpenelementen) und eines Ankers mit zwölf Polschuhen eine Lösung beschrieben, bei der zum Zeitpunkt des Feldwechsels des Gleich­ stromelektromotors sich kein Pumpenelement in oberer Totpunktlage befinden soll. Dies setzt eine relativ kom­ plizierte Abstimmung der Lage der Pumpenelemente zu der Lage der Polschuhe des Elektromotors voraus.

Aus dem Buch "Autoelektrik Autoelektronik am Ottomotor" von Bosch, VDI- Verlag, 1987, Seite 187 ist eine Elektrokraftstoffpumpe bekannt, deren Motoranker zehn Nuten und deren Rollenzellenpumpe fünf Verdränger Rollen aufweist. Über die gegenseitige Winkellage der Anker Nuten und der Rollen der Pumpe finden sich keine Aussagen, auch nicht über die Möglich­ keit durch die richtige winkelmäßige Zuordnung der Nuten und der Rollen eine Geräuschminderung zu erhalten. Die Geräuschminderung wäre bei zehn Anker Nuten und fünf Rollen auch nur unvollständig erreichbar, da al­ lenfalls jede zweite durch Drehmomentschwankungen des Ankers verur­ sachte Druck Pulsation durch entsprechende phasenmäßige Verschiebung der Pulsation der Rollen der Pumpe ausgleichbar wäre.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine von einem Elektromotor angetriebene Verdrängerpum­ pe bereitzustellen, mit der auf relativ einfache Weise eine Geräuschreduzierung möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In dem Unteran­ spruch ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beschrieben.

Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde.

Die Elektromotoren der Kraftstoffpumpen für Ein­ spritzanlagen weisen einen Trommelanker aus einem auf die Ankerwelle aufgepreßten Blechpaket auf, das z. B. mit acht oder zehn um den Trommelumfang gleich­ mäßig 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 Zahnrad­ pumpe die Zähne des Zahnrads.

Die Zahl der Zähne des von der Ankerwelle angetrie­ benen Zahnrads einer Zahnradpumpe kann unter­ schiedlich sein, desgleichen die Zahl der axial verschieb­ baren Absperrorgane einer Zellenpumpe. So werden als Kraftstoffpumpen für Einspritzanlagen von Kraftfahr­ zeugen meistens fünfzellige Rollenpumpen verwendet Ferner kommen Innenzahnrad-Kraftstoffpumpen zur Anwendung, also Zahnradpumpen, die ein von der An­ kerwelle direkt oder über einen Mitnehmer angetriebe­ nes Zahnrad mit einer Außenverzahnung aufweisen, so­ wie einen drehbar gelagerten Zahnkranz mit einer In­ nenverzahnung, in der das Zahnrad kämmt. Die Zähne­ zahl 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 Drehmo­ ment, das durch das Magnetfeld der Magnetpole und das Ankermagnetfeld auf die Anker ausgeübt wird, in Abhängigkeit von der Lage der Ankernuten zu den Ma­ gnetpolen. Beim Umlauf des Ankers tritt dann ein sich periodisch änderndes Drehmoment in Form einer Si­ nusschwingung auf. Diese mechanische Schwingung hat die Erzeugung entsprechender Schallwellen zur Folge.

Bei Zahnradpumpen, Zellenpumpen oder anderen Verdrängerpumpen wird die Flüssigkeit oder das sonsti­ ge Fördermedium von dem von dem Elektromotor an­ getriebenen Verdrängerkörper in abgetrennten Men­ gen in Druckstößen gefördert. Dadurch entstehen peri­ odische 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 Schall­ schwingungen stochastisch zu Oberschwingungen sum­ mieren, die ein Geräusch so hoher Intensität und mit einem so hohen Belästigungsgrad erzeugen, daß die be­ treffende, in Serie eingebaute Pumpe wieder ausgebaut werden muß.

Andererseits läßt sich durch gegenseitige Phasenver­ schiebung der von dem Elektromotor erzeugten Schall­ schwingungen und der von der Pumpe erzeugten Schall­ schwingungen die Intensität und der Belästigungsgrad des Geräuschs auch minimieren, also eine geräuscharme Oberschwingung mit geringer Schallintensität und ge­ ringem Belästigungsgrad erzielen. Diese Phasenver­ schiebung wird erfindungsgemäß durch das Ausrichten der Winkellage der Nuten des Ankers und der Absper­ rungen des Verdrängerkörpers der Verdrängerpumpe oder allgemein der Winkellage des Verdrängerkörpers aufeinander zustandegebracht.

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

Wenn die Verdrängerpumpe als Drehkolbenpumpe ausgebildet ist, also einen rotierenden Verdrängerkör­ per mit um den Umfang gleichmäßig verteilten Absper­ rungen aufweist, entspricht die Zahl der Nuten des Ankers der Zahl der Absperrungen des Verdrängerkörpers.

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 erzeug­ ten Schallschwingungen und die von der Pumpe erzeug­ ten Schallschwingungen die gleiche Frequenz, so daß bei entsprechender Einstel­ lung der gegenseitigen Winkellage der Ankernuten zu den Absperrorganen der Zellenpumpe bzw. den Zähnen des Zahnrades mit der Außenverzahnung der Innen­ zahnradpumpe eine im wesentlichen geräuschlose Oberschwingung erhalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird also durch eine definierte Kopplung von Elektromotor und Verdrängerkörper ei­ ne gleichbleibend optimale Auslegung des Geräuschs in Serie gewährleistet. Mit anderen Worten, erfindungsge­ mäß ist die Auslegung des Elektromotors und des Ver­ drängerkörpers mit gleicher Anzahl von Drehmoment­ sprüngen und Druckspitzen je Umdrehung der Anker­ welle sowie durch Winkelversatz von Ankes und Ver­ drängerkörper zueinander so gestaltet, daß das Ge­ räusch 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 kosten­ günstig 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 aufge­ preßten Blechpaket mit zehn gleichmäßig verteilten Nuten 3, 4, 5, . . ., in welche die nicht dargestellte Anker­ wicklung eingelegt ist.

Auf die Ankerwelle 2 ist ein Ring mit einem Innen­ sechskant 6 aufgekeilt, der zur drehfesten Verbindung der Ankerwelle 2 mit dem Zahnrad 7 der Innenzahnrad­ pumpe 8 gemäß Fig. 3 mit dem in Fig. 2a und 2b darge­ stellten 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 Außenver­ zahnung 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 Zahn­ lücken 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 Außenver­ zahnung 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 Au­ ßensechskant 25 des Mitnehmers 9 in den Innensechs­ kant 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 er­ gibt sich eine bestimmte Winkellage zwischen den Nu­ ten 3, 4, 5, . . . des Ankers 2 und den Zähnen 13, 14, 15, . . . des Zahnrades 7, wenn der Mitnehmer 9 mit seinen 65 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 ge­ steckt wird.

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

Fig. 4 stellt das Schwingungsdiagramm einer her­ kömmlichen Innenzahnradpumpe mit einem Zahnrad mit einer Außenverzahnung mit neun Zähnen dar, die von einem Elektromotor mit zwölf Ankernuten ange­ trieben wird. Die sinusförmigen Schallschwingungen des Elektromotors, die durch die periodischen Drehmo­ mentänderungen des Ankers während des Umlaufs her­ vorgerufen werden, und die sinusförmigen Schall­ schwingungen der Pumpe, die durch die Druckpulsatio­ nen hervorgerufen werden, sind gestrichelt (Elektromo­ tor) bzw. strichpunktiert (Pumpe) in Fig. 4 dargestellt, und die Oberschwingung aus der Summe der beiden Schwingungen als durchgezogene Linie. Es ist ersicht­ lich, daß die Oberschwingung wechselnde Amplituden und Phasen aufweist, also die typische Schallschwin­ gung 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 Belä­ stigungsgrad summieren.

In Fig. 5 ist das Schwingungsdiagramm der Pumpe nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 dargestellt. Die durch den Elektromotor her­ vorgerufenen Schallschwingungen, die durch die Pumpe 8 hervorgerufenen Schallschwingungen sowie die Ober­ schwingung sind wiederum gestrichelt, punktiert bzw. als durchgezogene Linie wiedergegeben. Es ist ersicht­ lich, daß die Oberschwingung eine gleichmäßige, gerin­ ge 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 Kraftfahrzeugen, bei der die Winkellage der Nuten (3, 4, 5, . . .) des Ankers (1) des Elektromotors und die Winkellage des von der Ankerwelle (2) angetriebenen, rotierenden und mit um den Umfang gleich­ mäßig verteilten Absperrungen (Zähne 13, 14, 15, . . .) versehenen Verdrän­ gerkörpers (Zahnrad 7) der Pumpe (8) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Nuten (3, 4, 5, . . .) des Ankers (1) gleich der Zahl der Absperrungen (Zähne 13, 14, 15, . . .) des Verdränger­ körpers (Zahnrad 7) ist und die gegenseitige Winkellage der Nuten und Ab­ sperrungen so ausgerichtet ist, daß eine geräuscharme Oberschwingung aus den Drehmomentschwingungen des Ankers (1) und den durch den Verdrängerkörper (Zahnrad 7) erzeugten Pulsationen entsteht.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Übertragung des Drehmoments der Ankerwelle (2) auf den Verdrängerkörper (Zahn­ rad 7) ein Mitnehmer (9) mit einer Markierung (30) zur Festlegung der gegenseitigen Winkellage der Nuten (3, 4, 5, . . . ) des Ankers (2) und des Verdrän­ gerkörpes (Zahnrad 7) vorgesehen ist.