EP1756426B1 - Pumpe - Google Patents

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EP1756426B1
EP1756426B1 EP05746325.9A EP05746325A EP1756426B1 EP 1756426 B1 EP1756426 B1 EP 1756426B1 EP 05746325 A EP05746325 A EP 05746325A EP 1756426 B1 EP1756426 B1 EP 1756426B1
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EP
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teeth
pump
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shaft
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Viktor Refenius
Hans Jürgen LAUTH
Bernd Schneider
Bernd Gebhard
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Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
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Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0057Driving elements, brakes, couplings, transmission specially adapted for machines or pumps
    • F04C15/0076Fixing rotors on shafts, e.g. by clamping together hub and shaft
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/30Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F04C2/34Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members
    • F04C2/344Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member
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    • Y10T403/70Interfitted members
    • Y10T403/7026Longitudinally splined or fluted rod
    • Y10T403/7035Specific angle or shape of rib, key, groove, or shoulder

Definitions

  • From the DE 10011065 A1 is a coupling between two waves known, wherein a number of lateral surfaces cooperate with contact surfaces of a cavity.
  • the EP 0458449 A1 shows a driving tool that creates one and has concave and convex surfaces, with no skewing is compensated.
  • a rotary piston machine in which the power transmission is produced by a splined connection. It is a pump in which a pinion is rotated in a ring gear, thereby forming a plurality of displacement cells. The pump is moved via a cardan shaft, which carries spherical outer splines. This is engaged with the pinion. In such a pump arrangement, no centering is provided. Also the US 3606598 A shows a rotary pump with a propeller shaft. Again, there is no centering of the drive between PTO and pinion. From the state oftechnik for example, the clutch Atlas, Schalitz, AGT Verlag Georg Thun, January 1, 1969, page 9 It is known that in toothed couplings different types of support of the sleeve relative to the hub are used.
  • a pump in which the toothing can be additionally acted upon by a transverse force.
  • Another feature of the toothing according to the invention is that between the teeth 7 of the rotor and the teeth 19 of the shaft results in a game, which may include an angular range of 3 ° to 12 °, preferably 6 °.
  • This game has the advantage that at low torsional shocks of the shaft within this range of play, the torsional impacts are not transmitted to the rotor form-fitting manner.
  • the friction forces occurring between the outer diameter 23 of the shaft toothing 19 and the inner diameter 11 of the rotor toothing 7 act as damping forces between the two movements of the rotor and shaft.
  • the inventive solution of this gearing is therefore the combination of the advantages of an outer diameter-centered spline connection, a spline connection with involute flanks, the crown of the teeth in the axial direction for intercepting angular errors between rotor and shaft and increased clearance between the tooth flanks.
  • the invention is particularly useful for pumps which are stressed by their installation location with torsional vibrations, such as. As in Dieselvor constitupumpen in which the diesel engine causes corresponding vibrations on the drive shaft.
  • the axial crowning of the toothing serves to compensate for the possible misalignment of the rotor relative to the drive shaft, which is fastened, for example, to a camshaft of the internal combustion engine.
  • the external diameter centering of the toothing on the shaft supports the transverse forces during operation.
  • the invention can be used mutatis mutandis for other pumps in which the torque entrainment between the drive shaft and the driven by the shaft gear is also acted upon with corresponding transverse forces. But also for not querkraftbeetzmannte pumps such. B. saubige vane pumps, this gearing is advantageous because the outer diameter centering of the shaft teeth and the inner diameter centering of the rotor for a better centering of the shaft as known gears. Again, a possible skewing of the rotor relative to the shaft by the axial crowning of this toothing according to the invention can be compensated.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Flügelzellenpumpe oder Rollenzellenpumpe, mit einer Rotationsgruppe, welche unter anderem einen Rotor mit radial verschiebbaren Flügeln oder Rollen aufweist, und mit einer Antriebswelle, wobei die Antriebswelle und der Rotor durch eine Verzahnung an der Antriebswelle und am Rotor zur Drehmitnahme miteinander verbunden sind.
  • Derartige Pumpen sind bekannt. Dabei weisen die Pumpen beispielsweise Zahnwellen-Verbindungen mit Evolventenflanken nach DIN 5480 oder Keilwellen-Verbindungen mit geraden Flanken nach DIN 5463 auf. Beide Arten von Verbindungen verfügen nicht über eine axiale Balligkeit an der Verzahnung, so dass es nicht möglich ist, eine Schiefstellung zwischen den Antriebspartnern auszugleichen. Durch das geringe Spiel zwischen den Zahnflanken werden außerdem Torsionsstöße aus der Antriebswelle ungedämpft an die Antriebspartner weitergeleitet, so dass der Verschleiß an den Antriebspartnern begünstigt wird.
    Aus der US 4231727B1 ist eine Flügelzellenpumpe bekannt, bei der Antriebswelle und Rotor über eine Verzahnung miteinander verbunden sind. Die Kopplung ist dabei so ausgelegt, dass die beiden Elemente miteinander fluchten und Winkelfehler ausgeschlossen sind.
    Aus der DE 10011065 A1 ist eine Kupplung zwischen zwei Wellen bekannt, wobei eine Anzahl von Mantelflächen mit Kontaktflächen eines Hohlraums zusammenwirken.
    Die EP 0458449 A1 zeigt ein Antriebswerkzeug, das einen schafft und konkave und konvexe Oberflächen aufweist, wobei keine Schiefstellung ausgeglichen wird.
  • Aus der DE 2849994A1 ist eine Rotation-Kolbenmaschine bekannt, bei der die Kraftübertragung durch eine Keilzahnverbindung hergestellt wird. Es handelt sich dabei um eine Pumpe, bei der ein Ritzel in einem Hohlrad gedreht wird, wodurch sich eine Mehrzahl von Verdrängerzellen bilden. Bewegt wird die Pumpe über eine Gelenkwelle, die ballige Außenkeilzähne trägt. Diese steht in Eingriff mit dem Ritzel. In einer solchen Pumpenanordnung ist keine Zentrierung vorgesehen.
    Auch die US 3606598 A zeigt eine Rotationspumpe mit einer Gelenkwelle. Auch hier findet keine Zentrierung des Antriebs zwischen Gelenkwelle und Ritzel statt.
    Aus dem Stand der Technik beispielsweise dem, Kupplungsatlas, Schalitz, AGT Verlag Georg Thun, 1. Januar 1969, Seite 9 ist bekannt, dass bei Zahnkupplungen verschiedene Arten der Abstützung der Hülse gegenüber der Nabe eingesetzt werden.
  • Eine Lösung mit einer außenzentrierten Verzahnung eines Pumpenrads wird in der DE 10235279 A1 vorgestellt.
  • Keine der vorgestellten Lösung erlaubt es eine Pumpe zu betreiben, wobei die Schiefstellung zwischen Antriebswelle und Rotor auf effiziente Weise ausgeglichen wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe darzustellen, die Schiefstellungen effizient auch unter schwierigen Bedingungen ausgleichen kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe, insbesondere eine Flügetzellenpumpe oder Rollenzellenpumpe, mit einer Rotationsgruppe, welche unter anderem einen Rotor mit radial verschiebbaren Flügeln oder Rollen aufweist, und mit einer Antriebswelle, wobei die Antriebswelle und der Rotor durch eine Verzahnung an der Antriebswelle und am Rotor zur Drehmitnahme miteinander verbunden sind, wobei erfindungsgemäß die Verzahnung axial ballig und radial außenzentriert ausgeführt ist.
  • Die Außenzentrierung hat den Vorteil, dass sie Querkräfte abstützen kann. Bei zweihübigen Flügelzellenpumpen sorgt die Außenzentrierung für eine bessere Zentrierung.
  • Bevorzugt wird eine Pumpe, bei welcher die Verzahnung zusätzlich ein Umfangsspiel zwischen den Zahnflanken aufweist. Eine erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass das Umfangsspiel einen Winkelbereich von 3° bis 12°, vorzugsweise 6° umfasst.
  • Bevorzugt wird auch eine Pumpe, bei welcher die Verzahnung zusätzlich mit einer Querkraft beaufschlagbar ist.
  • Eine erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Querkraft an den Außenzentrierflächen tangentiale Reibungskräfte zwischen der Antriebswelle und dem Rotor bzw. dem Zahnrad erzeugt. Das hat den Vorteil, dass durch das Umfangsspiel und die Reibungskräfte Torsionsstöße gedämpft werden können. Bevorzugt wird weiterhin eine Pumpe, bei welcher die Zahnflanken der Verzahnung die Form einer Evolventenverzahnung aufweisen. Auch wird eine Pumpe bevorzugt, bei welcher die Flanken in axialer Richtung ballig ausgeführt sein können.
  • Eine erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Zähne der Welle breiter ausgeführt sind als die Zähne des Rotors. Das hat den Vorteil, dass die Zähne der Welle, welche die Querkraft aufnehmen und das Reibungsmoment erzeugen müssen, dafür eine entsprechend höhere Festigkeit aufweisen können. Bevorzugt wird auch eine Pumpe, bei welcher die Zähne der Welle mehr als doppelt so breit sind wie die Zähne des Rotors.
  • Die Pumpe wird nun anhand der Figuren beschrieben.
  • Figur 1
    zeigt in Aufsicht einen Rotor mit einer erfindungsgemäßen Verzahnung.
    Figur 2
    zeigt eine Vergrößerung der Rotorverzahnung.
    Figur 3
    zeigt ein Ende einer Antriebswelle mit der erfindungsgemäßen Verzahnung.
    Figur 4
    zeigt vergrößert im Querschnitt die Verzahnung der Antriebswelle.
    Figur 5
    zeigt in Aufsicht den Zusammenbau einer Flügelzellenpumpe mit der erfindungsgemäßen Verzahnung zwischen Antriebswelle und Rotor.
  • In Figur 1 ist ein Rotor 1 einer sechsflügeligen Flügelzellenpumpe mit einer erfindungsgemäßen Innenverzahnung dargestellt. Der Rotor enthält sechs Schlitze 3, in welchen hier nicht dargestellte Flügel radial verschieblich gelagert sind, welche mit ihren Flügelköpfen an einer entsprechenden Hubringkontur der Flügelzellenpumpe entlang gleiten. Der Rotor enthält in seiner Mitte eine Verzahnung mit vier Zähnen 7, welche vom Rotor nach innen mit einer Fase dargestellt sind.
  • In Figur 2 ist die Rotorverzahnung vergrößert dargestellt. Die vier Zähne 7 weisen Flanken 9 auf, welche in ihrer Form als Evolventenverzahnung ausgeführt sind. Die Zahnfüße 13 münden in einen Fußkreisdurchmesser 11, welcher als Außenzentrierkreis zwischen der Rotorverzahnung und der Wellenverzahnung dient.
  • In Figur 3 ist das verzahnte Ende 15 einer Antriebswelle 17 dargestellt. Das verzahnte Wellenende 15 weist vier Zähne 19 auf, welche in axialer Richtung an ihren Zahnköpfen 21 leicht ballig ausgeführt sind, was in der Darstellung schwer zu erkennen ist. Das Wellenende 15 läuft in einer Zentrier- und Montagespitze 22 aus, wodurch das Montieren der Welle in den Rotor entsprechend erleichtert wird. Die Zähne 19 weisen eine entsprechend große Breite auf, wie in Figur 4 besser zu erkennen ist.
  • In Figur 4 ist die Verzahnung der Welle im Querschnitt dargestellt. Die vier Zähne 19 weisen eine relativ große Breite mit einer Zahnkopfoberfläche 24 auf, wobei diese Oberfläche einen kreisförmigen Außendurchmesser darstellt, welcher für die Zentrierung des Rotors auf der Welle sorgt. Der kreisförmige Außendurchmesser 23 der Wellenverzahnung geht in den Punkten 25 in eine Evolventenzahnflanke 27 über, welche dann in einen Fußkreis 29 der Verzahnung übergeht. Es ist klar erkennbar, dass die Breite der Wellenzähne 19 entschieden größer ist als die Breite der Rotorzähne 7. Das ist erfindungsgemäß so gewollt, da die Wellenverzahnung festigkeitsmäßig sowohl die Querkräfte, welche auf den Rotor wirken, aufnehmen muss, als auch das Antriebsmoment von der Welle in den Rotor einbringen muss. Dazu bedarf es eines entsprechenden Materialquerschnitts der Welle, insbesondere der Wellenverzahnung. Bekannte Verzahnungen haben gerade bei der Aufnahme von Querkräften hier entsprechende Probleme.
  • In Figur 5 ist der Zusammenbau einer entsprechenden Flügelzellenpumpe 31 dargestellt. Innerhalb eines Pumpengehäuses 33 ist ein Hubkonturring 35 gelagert, welcher innerhalb des Gehäuses durch einen Stift 39 in einer Rundlochbohrung und mittels eines weiteren Stiftes 37 in einer Langlochbohrung gelagert ist. Der Hubkonturring 35 enthält eine Hubkontur 41, welche in diesem Fall kreisförmig ist, in anderen Fällen, beispielsweise bei zweihübigen Flügelzellenpumpen, aber auch beliebige andere Konturen aufweisen kann. Sechs Flügel 43, welche radial gleitend in den Schlitzen des Rotors 1 gelagert sind, gleiten mit ihren Flügelköpfen an der Hubkontur 41 entlang und erzeugen somit Ansaug- und Verdrängerräume. Die Funktion einer derartigen Flügelzellenpumpe ist bekannt und bedarf hier keiner weiteren Erläuterung. Für die Funktion der Pumpe wichtig ist in diesem Falle, dass die Pumpe als einhubige Flügelzellenpumpe durch die Position ihrer mit Druck beaufschlagten Zelle, beispielsweise der Zelle 45, eine Radialkraft 47, hier durch einen Pfeil dargestellt, auf den Rotor erzeugt, welche durch die Rotorverzahnung auf die Welle übertragen wird und von der Welle 17 aufgefangen werden muss. Dabei wird die Radialkraft über die kreisförmige Verzahnungsoberfläche 11 des Rotors auf die kreisförmige Verzahnungsoberfläche 24 der Welle übertragen, wobei diese beiden Anteile der Verzahnungsform eine Außendurchmesserzentrierung auf der Welle darstellen.
  • Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Verzahnung ist, dass sich zwischen den Zähnen 7 des Rotors und den Zähnen 19 der Welle ein Spiel ergibt, welches einen Winkelbereich von 3° bis 12°, vorzugsweise von 6° umfassen kann. Dieses Spiel hat den Vorteil, dass bei geringen Torsionsstößen der Welle innerhalb dieses Spielbereiches die Torsionsstöße nicht formschlüssig auf den Rotor übertragen werden. Die zwischen dem Außendurchmesser 23 der Wellenverzahnung 19 und dem Innendurchmesser 11 der Rotorverzahnung 7 auftretenden Reibungskräfte wirken dabei als dämpfende Kräfte zwischen den beiden Bewegungen von Rotor und Welle. Die erfinderische Lösung dieser Verzahnung besteht also in der Kombination der Vorteile einer außendurchmesserzentrierten Keilwellen-Verbindung, einer Zahnwellenverbindung mit Evolventenflanken, der Balligkeit der Verzahnung in axialer Richtung zum Abfangen von Winkelfehlern zwischen Rotor und Welle und einem erhöhten Spiel zwischen den Zahnflanken. Die Erfindung ist insbesondere nützlich für Pumpen, welche durch ihren Einbauort mit Torsionsschwingungen beansprucht werden, wie z. B. bei Dieselvorförderpumpen, bei welchen der Dieselmotor entsprechende Schwingungen an der Antriebswelle verursacht. Die axiale Balligkeit der Verzahnung dient zum Ausgleich der möglichen Schiefstellungen des Rotors gegenüber der Antriebswelle, welche beispielsweise an einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors befestigt ist. Die Außendurchmesserzentrierung der Verzahnung auf der Welle stützt im Betrieb die Querkräfte ab. Damit wird eine Relativbewegung der Antriebspartner entlang der Verzahnungsflanken verhindert und damit der Verschleiß der Verzahnung gegenüber einer herkömmlichen Verzahnung - reduziert. Zugleich wird die Reibung an der Außendurchmesserzentrierung der Verzahnung der Antriebspartner zur Dämpfung der Torsionsschwingungen verwendet. Durch das erhöhte Spiel zwischen den Zahnflanken wird den Antriebspartnern die Möglichkeit gegeben, sich relativ zueinander zu verdrehen und mit der Reibung an der Außendurchmesserzentrierung die Einwirkungen der Torsionsschwingungen zu dämpfen. Dadurch werden die Kontaktstöße an den Zahnflanken aufgrund von Torsionsschwingungen minimiert oder aufgehoben, was zur Minimierung des Verschleißes führt.
  • Die Erfindung kann sinngemäß auch für andere Pumpen verwendet werden, bei welchen die Drehmomentmitnahme zwischen der Antriebswelle und dem durch die Welle angetriebenen Zahnrad auch mit entsprechenden Querkräften beaufschlagt ist. Aber auch für nicht querkraftbeaufschlagte Pumpen wie z. B. zweihübige Flügelzellenpumpen ist diese Verzahnung von Vorteil, da die Außendurchmesserzentrierung der Wellenverzahnung und die Innendurchmesserzentrierung des Rotors für eine bessere Zentrierung der Welle sorgt als bekannte Verzahnungen. Auch hier ist eine evtl. Schiefstellung des Rotors gegenüber der Welle durch die axiale Balligkeit dieser erfindungsgemäßen Verzahnung kompensierbar.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Rotor
    3
    Schlitze
    7
    Zähne der Rotorverzahnung
    9
    Zahnflanken der Rotorverzahnung
    11
    Fußkreisdurchmesser der Rotorverzahnung
    13
    Zahnfuß der Rotorverzahnung
    15
    Verzahntes Ende der Antriebswelle
    17
    Antriebswelle
    19
    Zähne der Antriebswelle
    21
    Zahnköpfe der Antriebswelle
    22
    Montagespitze der Antriebswelle
    23
    Außendurchmesser der Wellenverzahnung
    24
    Zahnkopfoberfläche der Antriebswelle
    25
    Übergang der Wellenverzahnung in Evolventenzahnflanke
    27
    Evolventenzahnflanke der Wellenverzahnung
    29
    Fußkreis der Wellenverzahnung
    31
    Flügelzellenpumpe
    33
    Pumpengehäuse
    35
    Hubkonturring
    37
    Stift für Hubkonturring
    39
    Stift für Hubkonturring
    41
    Hubkontur des Hubkonturringes
    43
    Flügel
    45
    Zelle der Flügelzellenpumpe
    47
    Radialkraft auf den Rotor

Claims (8)

  1. Pumpe, insbesondere Flügelzellenpumpe oder Rollenzellenpumpe, mit einer Rotationsgruppe, welche unter anderem einen Rotor (1) mit radial verschieblichen Flügeln (43) oder Rollen aufweist, und mit einer Antriebswelle (17), wobei die Antriebswelle (17) und der Rotor (1) durch eine Verzahnung an der Antriebswelle und am Rotor zur Drehmitnahme miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung mit Rotorzähnen (7) und Zähne der Antriebswelle (19) axial ballig und radial außenzentriert ausgeführt ist, wobei die Zähne der Antriebswelle (19) eine Breite aufweisen, die größer ist als die Breite der Rotorzähne (7).
  2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (7, 19) zusätzlich ein Umfangsspiel zwischen den Zahnflanken aufweist.
  3. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umfangsspiel einen Winkelbereich von 3° bis 12°, bevorzugt 6° umfasst.
  4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (7, 19) zusätzlich mit einer Querkraft (47) beaufschlagbar ist.
  5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkraft (47) an den Außenzentrierflächen (11, 24) tangentiale Reibungskräfte zwischen der Antriebswelle und dem Rotor erzeugt.
  6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnflanken (9, 27) der Verzahnung (7, 19) die Form einer Evolventenverzahnung aufweisen.
  7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnflanken (9, 27) auch in axialer Richtung ballig ausgeführt sein können.
  8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (19) der Welle (17) mehr als doppelt so breit ausgeführt sind wie die Zähne (7) des Rotors (1).
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EP1756426A1 EP1756426A1 (de) 2007-02-28
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