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Dokumentenidentifikation DE19504775A1 09.05.1996
Titel Ringkontur eines Hubringes für eine Flügelzellenpumpe
Anmelder LuK Fahrzeug-Hydraulik GmbH & Co KG, 61352 Bad Homburg, DE
Erfinder Körtge, Randolf, 61250 Usingen, DE
Vertreter Gleiss & Große, Patentanwaltskanzlei, 70469 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 14.02.1995
DE-Aktenzeichen 19504775
Offenlegungstag 09.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.05.1996
IPC-Hauptklasse F04C 2/34
IPC-Nebenklasse F04C 29/06   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Ringkontur eines Hubringes für eine Flügelzellenpumpe mit einem von einem Kleinkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Druck- und einem Saugraum, einem von einem Großkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Saugraum und einem Druckraum sowie jeweils einen den Kleinkreis mit dem Großkreis und umgekehrt verbindenden Konturabschnitt.
Es ist vorgesehen, daß die Konturabschnitte (28, 29) und deren Übergänge in den Kleinkreis (24) bzw. den Großkreis (26) derart ausgebildet sind, daß keine Beschleunigungssprünge eines an der Ringkontur (10) entlanggeführten Flügels (16) der Flügelzellenpumpe auftreten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Ringkontur eines Hubringes für eine Flügelzellenpumpe mit einem von einem Kleinkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Druck- und einem Saugraum, einem von einem Großkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Saug- und einem Druckraum sowie jeweils einen den Kleinkreis mit dem Großkreis und umgekehrt verbindenden Konturabschnitt.

Flügelzellenpumpen, die eine derartige Ringkontur aufweisen, sind bekannt. Die Flügelzellenpumpen besitzen einen innerhalb des die Ringkontur aufweisenden Hubrings angeordneten Rotor, der in radial angeordneten Schlitzen radial bewegliche Flügel aufweist. Im Pumpenbetrieb werden die Flügel an der Ringkontur entlanggeführt und üben so die allgemein bekannte Funktion des Ansaugens und Wegpumpens eines beliebigen Mediums aus. Bei bekannten Ringkonturen besitzen die den Kleinkreis mit dem Großkreis und umgekehrt verbindenden Konturabschnitte eine parabelartige Veränderung. Durch eine mathematische Beschreibung dieser bekannten Konturabschnitte sind in den Übergangsbereichen zwischen dem Kleinkreis und dem Konturabschnitt bzw. dem Konturabschnitt und dem Großkreis Unstetigkeitsstellen in der Beschleunigung der an der Ringkontur entlanggeführten Flügel zu verzeichnen. Diese Unstetigkeitsstellen wirken sich auf die Flügelbewegung aus, indem die Flügel von der Kontur abheben und hierdurch einen Leckspalt erzeugen können. Hierdurch kommt es einerseits zu einer erhöhten Leckage und andererseits zu einer erhöhten Geräuschentwicklung durch das Abheben und das anschließende Wiederauftreffen der Flügel auf die Ringkontur. Bei der Herstellung der Ringkonturen, die üblicherweise mit Hilfe einer rotierenden Schleifscheibe erfolgt, unterliegt die Schleifscheibe in den Übergangsbereichen zwischen dem Kleinkreis und dem Großkreis denselben Beschleunigungssprüngen wie die Flügel, so daß nur ein langsames Schleifen der Ringkontur erfolgen kann, um den Beschleunigungssprüngen Rechnung zu tragen. Darüber hinaus treten bei den bekannten Ringkonturen hohe Förderstrompulsationen auf. Die Förderstrompulsation bildet eine Funktion von der Änderung des Volumens nach dem Winkel dV/dPhi und der Überlagerung der phasenversetzten Volumenströmen. Hierdurch ergibt sich eine hohe Bandbreite der Förderstrompulsation zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert, so daß ebenfalls eine erhöhte Druckpulsation und damit ein erhöhter Geräuschpegel auftritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ringkontur der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der eine niedrige kinematische Förderstrompulsation erzielt wird und somit eine Geräuschentwicklung der Flügelzellenpumpe minimiert wird. Desweiteren besteht die Aufgabe gleichzeitig darin, eine Schleifbarkeit, das heißt die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Schleifens der Ringkontur zu erhöhen, sowie eine höhere Lebensdauer der verwendeten Schleifmaschinen zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Dadurch, daß die Konturabschnitte und deren Übergänge und somit die gesamte Ringkontur derart ausgebildet sind, daß keine Beschleunigungssprünge eines an der Ringkontur entlanggeführten Flügels der Flügelzellenpumpe auftreten, wird sehr vorteilhaft die Gefahr vermindert, daß während des Betriebes der Flügelzellenpumpe die Flügel von der Ringkontur abheben. Hierdurch kommt es zu einer Verringerung der Geräuschentwicklung der Flügelzellenpumpen und zu einer Verbesserung der Volumetrie. Gleichzeitig ist damit der Vorteil einer verbesserten Förderstrompulsation und damit einer Verbesserung der Druckpulsation verbunden. Dieses wirkt sich ebenfalls positiv auf die Geräuschentwicklung der Flügelzellenpumpe aus. Schließlich ist es vorteilhaft möglich, bei der Herstellung der Ringkonturen, insbesondere der erfindungsgemäßen Konturabschnitte, die Schleifbearbeitung mit einer höheren Schleifgeschwindigkeit und Schleifgenauigkeit durchzuführen, da durch den Wegfall der Beschleunigungssprünge diese auf die Schleifsteine ebenfalls keine negativen Auswirkungen mehr ausüben können. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schleifmaschinen durch eine verminderte Belastung erhöht.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Konturabschnitte jeweils bei einem freiwählbaren Winkel beginnen und einem freiwählbaren Winkel enden. Hierdurch lassen sich vorteilhaft die Übergänge von einem Bewegungsbereich zu einem nächsten Bewegungsbereich der Flügel, das heißt von einem Trenn- bzw. Dichtbereich zwischen einem Druckraum und einem Saugraum zu dem Saugraum bzw. von dem Saugraum zu einem Trenn- bzw. Dichtbereich zwischen dem Saugraum und einem Druckraum derart gestalten, daß sich eine weitere Verbesserung der Förderstrompulsation ergibt. Insbesondere läßt sich eine Verbesserung der Förderstrompulsation einstellen, die sich aus den Anteilen der Flügelzelleneinheit sowie der Unterflügelverdrängereinheiten zusammensetzt. Insgesamt wird so die Bandbreite zwischen dem minimalen und den maximalen Förderstrom während des Betriebs der Flügelzellenpumpe stark verringert und die Übergänge zwischen dem Minimalmaß und dem Maximalmaß harmonischer gestaltet. Somit wird eine Belastung der Flügelzellenpumpe bzw. der angeschlossenen Verbraucher verringert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ringkontur einer Flügelzellenpumpe;

Fig. 2 einen Wegverlauf der in Fig. 1 gezeigten Ringkontur;

Fig. 3 einen Geschwindigkeitsverlauf der in Fig. 1 gezeigten Ringkontur;

Fig. 4 einen Beschleunigungsverlauf der in Fig. 1 gezeigten Ringkontur und

Fig. 5 einen Förderstromverlauf der in Fig. 1 gezeigten Ringkontur.

In der Fig. 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Innenkontur (Ringkontur) eines Hubrings einer Flügelzellenpumpen dargestellt. Die Innenkontur 10 bildet einen Pumpenraum 12 aus, in dem ein hier schematisch angedeuteter Rotor 14 angeordnet ist. Der Rotor 14 besitzt über seinen Umfang verteilt eine Vielzahl von Flügeln 16, die in Schlitzen 18 radial beweglich geführt sind. Zur Verdeutlichung ist hier lediglich ein Schlitz 18 und ein Flügel 16angedeutet. Während des Pumpenbetriebs und der damit verbundenen Bewegung des Rotors 14 werden die Flügel 16 nach außen gedrückt und an der Innenkontur 10 entlanggeführt. Die Drehrichtung des Rotors ist im gezeigten Beispiel in Uhrzeigerrichtung angenommen. Die Flügelzellenpumpe ist zweihubig ausgebildet, das heißt der Pumpenraum 12 bildet einen ersten Pumpenraum 12&min; und einen zweiten Pumpenraum 12&min;&min; aus, wobei bei den weiteren Erläuterungen sich nur auf einen mit 12 bezeichneten Pumpenraum bezogen wird, dieser jedoch selbstverständlich für beide Pumpenräume 12&min; und 12&min;&min; gilt. Jeder der Pumpenräume 12 besitzt einen Saugraum 20, der mit einer nicht dargestellten Zuführleitung in Verbindung steht und einen Druckraum 22, der mit einer ebenfalls nicht dargestellten Abführleitung in Verbindung steht. Die Innenkontur 10 besitzt einen sogenannten Kleinkreis 24, der einen Trennbereich zwischen dem Druckraum 22 des ersten Pumpenraums 12&min; und dem Saugraum 20 des zweiten Pumpenraums 12&min;&min; bildet. Weiterhin besitzt die Innenkontur 10 einen sogenannten Großkreis 26, der einen Trennbereich zwischen dem Saugraum 20 und dem Druckraum 22 jedes Pumpenraums 12 bildet. Dieser letztgenannte Trennbereich ist bekanntermaßen durch eine archimedische Spirale beschrieben. Zwischen dem Kleinkreis 24 und dem Großkreis 26 bildet die Innenkontur 10 jeweils einen Konturabschnitt 28 aus. Dieser Konturabschnitt 28 beginnt mit einem ersten Übergang 30, bei einem Winkel α. Der Übergang 30 bestimmt das Ende des Kleinkreises 24 und den Beginn des Anstiegs zu dem Großkreis 26. Der Konturabschnitt 28 endet an einem zweiten Übergang 32, der im gezeigten Beispiel bei einem Winkel β liegt. Der zweite Übergang 32 bestimmt das Ende des Anstiegs und den Beginn des Großkreis 26. Der Konturabschnitt 28 ist hier nur an einem Anstieg dargestellt, wird jedoch auch an dem gegenüberliegenden zweiten Anstieg zwischen Kleinkreis 24 und Großkreis 26 sowie an dem jeweiligem Abfall, hier mit 29 bezeichnet, zwischen Großkreis 26 und Kleinkreis 24 ausgebildet.

Der Konturabschnitt 28 ist so ausgebildet, daß sich an den Übergängen 30 und 32 keine Beschleunigungssprünge für die an der Innenkontur 10 entlanggeführten Flügel 16 ergeben. Hierzu ist eine mathematische Beschreibung des Konturabschnitts 28 so gewählt, daß diese durch mindestens ein Polynom fünften Grades bestimmt ist. Hierdurch ergibt sich, daß die Übergänge 30 und 32, sowie deren 1. Ableitung stetig und differenzierbar ausgebildet sind. Damit werden in diesen Bereichen Beschleunigungssprünge vermieden, da die Beschleunigung die zweite Ableitung des Weges der Flügel 16 nach der Zeit bildet.

Anhand der Fig. 2 bis 4 sollen diese Zusammenhänge verdeutlicht werden. In der Fig. 2 ist über dem Winkel der Weg eines Flügels 16 dargestellt. Anhand des dargestellten Kurvenverlaufs wird verdeutlicht, daß ein Flügel bis zu dem Winkel α, der dem Übergang 30 in Fig. 1 entspricht, keinen Hub aufweist und sich damit in der Ausgangsstellung befindet. Bis zu dem Winkel β wird der Flügel 16 auf seinen Maximalhub ausgefahren, der sich durch den gewählten Anstieg des Konturabschnitts 28 ergibt. Bei dem Winkel β ist der Übergang 32 erreicht und der Hub des Flügels 16 fällt entsprechend des Falls des Großkreises 26 ab. Von hier beginnt der Abfall des Hubes von dem Großkreis 26 zu dem Kleinkreis 24, bis der Hub im Trennbereich des Druckraumes 22 des ersten Pumpenraums 12&min; und dem Saugraum 20 des zweiten Pumpenraums 12&min;&min; wieder den Wert Null angenommen hat. Da die Flügelzellenpumpe doppelhubig ausgebildet ist, wiederholt sich der Hubverlauf bis zu dem Gesamtwinkel von 360° nochmals identisch. Im gezeigten Beispiel besitzt der Hub bei α einen Wert von Null und bei β einen Wert Hubmax. Somit hat der Hub in diesen Punkten jeweils sein Minima bzw. Maxima erreicht, so daß der sich hieraus ergebende Funktionswert für den jeweiligen Wert des Hubes erfüllt ist. Somit ergibt sich an den Übergängen 30 und 32 die Bedingung einer Gleichheit der Wege (Hub).

In der Fig. 3 ist die Geschwindigkeit eines Flügels 16 verdeutlicht. Die Geschwindigkeit ergibt sich allgemein aus der ersten Ableitung des Weges nach der Zeit. Es wird deutlich, daß der Flügel 16 mit Erreichen des Übergangs 30 bei α beginnend mit dem Wert Null eine steigende Geschwindigkeit aufweist, die bei ca. 45° ein Maximum erreicht und bis zum Erreichen des Übergangs 32 bei β wieder auf den Wert Null absinkt. Somit wird deutlich, daß eine weitere Bedingung für den Verlauf des Konturabschnitts 28, nämlich eine Gleichheit der Geschwindigkeiten am Beginn, das heißt am Übergang 30 und am Ende, das heißt am Übergang 32 des Konturabschnitts 28 gegeben ist. Gleichzeitig weist der Geschwindigkeitsverlauf von seinem ansteigenden zu seinem abfallenden Ast einen harmonischen, das heißt keinen abrupten Übergang auf. Es findet eine Verlangsamung des Anstiegs der Geschwindigkeit bis zu seinem Maxima statt. Bis zum Erreichen des Maximas der Geschwindigkeit erfolgt ein stetiger, jedoch kein linearer Anstieg der Geschwindigkeit und dann ein stetiger, jedoch kein linearer Abfall der Geschwindigkeit.

In der Fig. 4 ist der Beschleunigungsverlauf eines Flügels 16 dargestellt. Die Beschleunigung ergibt sich aus der ersten Ableitung der Geschwindigkeit bzw. aus der zweiten Ableitung des Weges (Hubes) nach der Zeit. Es wird deutlich, daß die Beschleunigung während des Durchlaufens des Konturabschnitts 28 für den Flügel 16 einen in etwa sinusförmigen Verlauf aufweist. Am Übergang 30 bzw. am Übergang 32 ist der Wert der Beschleunigung jeweils Null. Damit ist eine dritte Bedingung, nämlich eine Gleichheit der Beschleunigungen am Beginn, das heißt am Übergang 30 und am Ende, das heißt am Übergang 32 des Konturabschnitts 28 gegeben. Die Beschleunigung steigt auf einen Maximalwert an, bevor der Flügel 16 seine maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Bis zum Erreichen der maximalen Geschwindigkeit fällt die Beschleunigung wieder auf den Wert Null zurück. Während des Abfalls der Geschwindigkeit bis zum Erreichen des Übergangs 32 erfährt der Flügel 16 eine negative Beschleunigung, die einen Maximalwert vor Erreichen des Übergangs 32 erreicht. Beim Erreichen des Übergangs 32 weist die Beschleunigung wieder einen Wert von Null auf. Insgesamt ergibt sich ein harmonischer Beschleunigungsverlauf, so daß weder in den Übergängen 30 bzw. 32 noch zum Zeitpunkt des Erreichens der Maximalgeschwindigkeit des Flügels 16 Beschleunigungssprünge auftreten. Durch das Vermeiden dieser Unendlichkeitsstellen wird vermieden, daß sich der Flügel 16 während des Entlangführens an der Innenkontur 10 von dieser abhebt und damit die erwähnten Nachteile der erhöhten Leckage bzw. der Geräuschentwicklung vermieden werden.

Anhand der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Kurvenverläufe wird verdeutlicht, daß bei Einhaltung der Bedingungen, nämlich der Gleichheit der Wege, der Gleichheit der Geschwindigkeiten und der Gleichheit der Beschleunigungen zu den Übergängen 30 bzw. 32 der Verlauf der Konturabschnitte 28 durch mindestens ein Polynom fünften Grades mathematisch beschrieben werden kann. Dies gilt sowohl für die im Beispiel dargestellte Erläuterung für einen Konturabschnitt 28 zwischen dem Kleinkreis 24 und dem Großkreis 26, also einem Anstieg, als auch für den Konturabschnitt 29zwischen einem Großkreis 26 und einem Kleinkreis 24, also einem Abfall.

In der Fig. 5 wird der Verlauf einer Förderstromkennlinie über den Winkel dargestellt, der die Förderstrompulsation einer Flügelzellenpumpe mit der erfindungsgemäßen Innenkontur 10 verdeutlicht. Zwischen einem Minimum des Förderstroms Q und einem Maximum des Förderstroms Q ergibt sich nur eine äußerst geringe Bandbreite, so daß sich zwar bei gleichbleibender Frequenz der Förderstrompulsation gegenüber einer bekannten Innenkontur die Amplitude jedoch drastisch verringert. Hierdurch wird gleichzeitig die durch die Förderstrompulsation hervorgerufene Druckpulsation verbessert, so daß es zu einer weiteren Geräuschverminderung der Flügelzellenpumpe kommt. Der Verlauf der Förderstromkennlinie weist zwischen seinen Maxima und Minima einen harmonischen, kurvenförmigen Verlauf auf, so daß lineare Bereiche in der Kennlinie vermieden werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. Die Konturbereiche 28 und 29 sowie deren Übergänge in den Kleinkreis 24 bzw. Großkreis 26 können auch von jeder anderen mathematischen Beschreibung definiert werden, die das Auftreten von Beschleunigungssprüngen eines an der Ringkontur 10 entlanggeführten Flügels 16 verhindert.


Anspruch[de]
  1. 1. Ringkontur eines Hubringes für eine Flügelzellenpumpe mit einem von einem Kleinkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Druck- und einem Saugraum, einem von einem Großkreis gebildeten Trennbereich zwischen einem Saugraum und einem Druckraum sowie jeweils einen den Kleinkreis mit dem Großkreis und umgekehrt verbindenden Konturabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturabschnitte (28, 29) und deren Übergänge in den Kleinkreis (24) bzw. den Großkreis (26) derart ausgebildet sind, daß keine Beschleunigungssprünge eines an der Ringkontur (10) entlanggeführten Flügels (16) der Flügelzellenpumpe auftreten.
  2. 2. Ringkontur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturabschnitte (28, 29) jeweils bei einem freiwählbaren Winkel (α) beginnen und einem freiwählbaren Winkel (β) enden.
  3. 3. Ringkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Winkeln (α, β) eine Gleichheit der Wege für die Flügel (16) gegeben ist.
  4. 4. Ringkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Winkeln (α, β) eine Gleichheit der Geschwindigkeiten der Flügel (16) gegeben ist.
  5. 5. Ringkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Winkeln (α, β) eine Gleichheit der Beschleunigungen der Flügel (16) gegeben ist.
  6. 6. Ringkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Beschreibung der Konturabschnitte (28, 29) von mindestens einem Polynom fünften Grades bestimmt wird.






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