[0001] Die Erfindung betrifft eine Pumpe, wie beispielsweise eine Flügelzellenpumpe oder
Rollenzellenpumpe, insbesondere Getriebepumpe, mit doppelhubiger Förderkontur, wobei
die Förderkontur mindestens einen Anstiegsbereich, mindestens einen Großkreisbereich,
mindestens einen Abstiegsbereich und mindestens einen Kleinkreisbereich aufweist und
die Pumpe innerhalb der Förderkontur einen Rotor mit radial verschieblichen Flügeln
oder Rollen in radialen Rotorschlitzen aufweist.
[0002] Derartige Pumpen sind bekannt. Das Problem dabei ist, dass Getriebepumpen mit verschäumtem
Getriebeöl arbeiten. Durch die unterschiedlichen Verschäumungsgrade ergeben sich stark
unterschiedliche Ölelastizitäten. Ist viel ungelöste Luft im Öl enthalten, ist das
Öl sehr weich. Damit dauert der Druckausgleichsvorgang bei konstanter Umsteuergeometrie
länger als bei hartem, unverschäumten Öl, und es werden längere Drehwinkel für den
Druckumsteuervorgang benötigt, um auf die starke Elastizitätsstreuung zu reagieren.
Diese Drehwinkel werden letztlich durch den Großkreisbereich geschaffen, dessen Winkel
nur geringfügig größer ist als die Flügelteilung. In diesem Bereich ist das Zellvolumen
nahezu konstant (abgesehen vom Fall, das ist eine leichte Verringerung des Flügelhubes
radial nach innen in Abhängigkeit des Drehwinkels), und es kann über Druckausgleichskerben
oder Zwischenkapazitäten (siehe
DE 100 27 990 A1) die Druckumsteuerung weich mit geringen Druckanstiegsgradienten realisiert werden.
Für die Anwendung mit verschäumten Getriebeöl sind jedoch diese Maßnahmen nicht ausreichend.
[0003] US2,588,430 zeigt eine Flügelzellenpumpe mit 12 Flügeln und mit einer Ringkontur, bei welcher
der Kleinkreisbereich 40° beträgt, der Großkreisbereich 40° beträgt und sowohl der
Anstiegsbereich (Saugbereich) als auch der Abstiegsbereich (Druckbereich) 50° betragen.
Also ist der Großkreisbereich mit 40° kleiner als der Abstiegsbereich mit 50° und
der Anstiegsbereich mit 50° gleich groß dem Abstiegsbereich mit 50°. Die Anmeldung
beschreibt, dass dadurch höhere Drücke und bessere Wirkungsgrade erreichbar sind.
Zu dem Problem "verschäumtes Öl" oder "Luft im Öl" wir keine Lösung vorgeschlagen.
[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe zu schaffen, die diese Probleme nicht
aufweist.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Flügelzellenpumpe oder Rollenzellenpumpe mit einer
doppelhubigen Förderkontur, wobei die Förderkontur mindestens einen Anstiegsbereich,
welcher einen Saugbereich darstellt, mindestens einen Großkreisbereich, welcher einen
ersten Trennbereich darstellt, mindestens einen Abstiegsbereich, welcher einen Druckbereich
darstellt, und mindestens einen Kleinkreisbereich, der einen weiteren Trennbereich
darstellt, aufweist, und die Pumpe innerhalb der Förderkontur einen Rotor mit radial
verschieblichen Flügeln oder Rollen in radialen Schlitzen aufweist, wobei der Winkelbereich
des Großkreises der Förderkontur größer ist als der Winkelbereich des Abstiegsbereichs,
und dass der Winkelbereich des Anstiegbereichs, der sogenannte Saugbereich, größer
ist als der Winkelbereich des Abstiegsbereichs.
[0006] Eine erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer 10-Flügel-Pumpe
der Großkreisbereich der Förderkontur um mindestens 10°-15°, vorzugsweise 13° größer
ist als die Winkelteilung der Flügelpositionen im Rotor (36°) einer 10-Flügel-Standardpumpe
und bei einer 12-Flügel-Pumpe der Großkreisbereich der Förderkontur um mindestens
16°-25°, vorzugsweise 22° größer ist als die Winkelteilung der Flügelpositionen im
Rotor (30°) einer 12-Flügel-Standardpumpe. Hierdurch verkürzt sich gegenüber den Standardpumpen
der Verdichtungsbereich, und der Bereich, der für den Druckausgleichsvorgang (Druckausgleichskerben
oder Zwischenkapazitäten) zur Verfügung steht, verlängert sich vorteilhaft um den
entsprechenden Winkel bzw. die entsprechenden Winkel.
[0007] Eine weitere erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge des
Saugbereiches gegenüber einer Standardpumpe im Wesentlichen gleich bleibt. Das hat
den Vorteil, dass durch den gleich großen Saugbereich bezüglich des Erreichens der
Maximaldrehzahl keine Einbußen hingenommen werden müssen.
[0008] Bevorzugt wird weiterhin eine Pumpe, bei der im Falle einer 12-Flügel-Pumpe die Wendepunkte
der Hubkonturfunktion in Richtung vom Saugbereich zum Druckbereich etwa einen Abstand
von 3,5 x Flügelteilung (Flügelteilung = 30°) und die Wendepunkte in Richtung vom
Druckbereich zum Saugbereich etwa einen Abstand von 2,5 x Flügelteilung aufweisen.
Das hat den Vorteil, dass die Wendepunkte optimal etwa in der Mitte der Anstiegs-
und Abfallbereiche der Förderkontur zu liegen kommen, was für eine Übergangsfunktion
mit nicht zu kleinen Krümmungsradien sorgt, die sich gut schleifen läßt.
[0009] Weiterhin wird eine Pumpe bevorzugt, bei welcher im Falle einer 10-Flügel-Pumpe die
Wendepunkte der Hubkonturfunktion gegenüber einer 10-Flügel-Standardkontur um ca.
3° in Drehrichtung verschoben sind. Das hat den Vorteil, dass die Überlagerung der
kinematischen Volumenstrompulsation von Oberflügel- und Unterflügelpumpe sich gegenseitig
optimal ergänzt. Ansonsten besitzen die Wendepunkte einen Abstand von ca. 2,5 x Flügelteilung
(die Flügelteilung bei der 10-Flügel-Pumpe ist 36°).
[0010] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt die Förderkontur einer 10-Flügel-Standardpumpe.
Figur 2 zeigt die Förderkontur einer erfindungsgemäßen 10-Flügel-Pumpe.
Figur 3 zeigt die Förderkontur einer erfindungsgemäßen 12-Flügel-Pumpe.
Figur 4 zeigt die Funktion des Hubes einer erfindungsgemäßen 12-Flügel-Förderkontur
über dem Drehwinkel.
Figur 5 zeigt die Funktion der Ableitung des Hubes nach dem Drehwinkel einer erfindungsgemäßen
12-Flügel-Förderkontur über dem Drehwinkel.
Figur 6 zeigt die Funktion der Ableitung des Zellenvolumens nach dem Drehwinkel, aufgetragen
über dem Drehwinkel, einer erfindungsgemäßen 12-Flügel-Förderkontur.
[0011] In Figur 1 ist die Förderkontur einer 10-Flügel-Standardpumpe mit den entsprechenden
Drehwinkelpunkten schematisch dargestellt. Die Förderkontur 1 ist in der Bildmitte
prinzipiell dargestellt und wird nun schematisch anhand der Winkelpunkte erläutert,
wobei diese Winkel nicht winkelmäßig exakt dargestellt sind, sondern nur ihre Positionen
schematisch erläutert werden. In der Winkelposition 3 beginnt die Förderkonturbeschreibung
mit dem Winkel 0°, welcher sich in der Mitte des Kleinkreisbereiches befindet. Der
Kleinkreisbereich geht im Winkelpunkt 5, d.h. bei 15°, in den Anstiegsbereich (Kontur
wird radial nach außen vergrößert) über, in welchem sich das Hubvolumen zwischen zwei
Flügeln vergrößert und damit den Saugbereich bildet.
[0012] Der Anstiegsbereich hat im Winkelpunkt 7 bei 45° einen Wendepunkt in der Hubkonturfunktion
(Radiusänderung als Funktion des Drehwinkels) und endet schließlich bei 69° im Winkelpunkt
9. Die Lage der Wendepunkte der Hubkonturfunktion lässt sich durch die Position der
Maxima und der Minima der ersten Ableitung der Hubkonturfunktion über dem Drehwinkel
(genau) bestimmen. Vom Winkelpunkt 9, also von 69°, bis zum Winkelpunkt 11, also bis
111 °, erstreckt sich der so genannte Großkreisbereich, der allerdings durch den so
genannten Fall, d.h. eine leichte Verringerung des Hubes radial nach innen in Abhängigkeit
des Drehwinkels, dafür sorgt, dass die Flügelköpfe immer an der Kontur angepresst
bleiben. Der Großkreisbereich mit dem Fall kann auch so definiert werden, dass sein
Anfang das Maximum der Hubkonturfunktion bildet und sein Ende gegeben ist, sobald
keine Tangentenstetigkeit mehr in der ersten und/oder zweiten Ableitung der Hubkonturfunktion
gegeben ist. Vom Punkt 11, also bei 111°, beginnt der eigentliche Abstiegsbereich,
welcher bis 165°, also bis zum Winkelpunkt 15 verläuft und somit den Druckbereich
der Flügelzellenpumpe darstellt, da sich nun das Hubvolumen verkleinert. Der Abstiegsbereich
hat im Winkelpunkt 13, d.h. bei 135°, wiederum einen Wendepunkt in der Hubkonturfunktion.
Der Wendepunkt im Punkt 7, d.h. im Anstiegsbereich, und der Wendepunkt im Punkt 13,
d.h. im Abstiegsbereich, sind um ca. 90° voneinander beabstandet. Da die 10-Flügel-Pumpe
eine Flügelteilung von 36° besitzt, entspricht das dem 2,5-fachen der Flügelteilung.
Der Wendepunkt im Abstiegsbereich und der Wendepunkt im nächsten Anstiegsbereich sind
also auch um das 2,5-fache der Flügelteilung zueinander beabstandet. Außerdem ist
die Lage der Wendepunkte symmetrisch zur Hauptachse der Kontur. Von 165°, d.h. vom
Winkelpunkt 15, bis zu 180°, d.h. bis zum Winkelpunkt 17, erstreckt sich wiederum
eine Hälfte des nächsten Kleinkreisbereiches. Ab 180° bis 360°, d.h. vom Winkelpunkt
17 bis zurück zum Winkelpunkt 3, wiederholt sich die Förderkontur symmetrisch zur
bisher beschriebenen Förderkonturhälfte.
[0013] In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Förderkontur für den Einsatz in Getriebepumpen
dargestellt, welche einen verlängerten Großkreisbereich aufweist. Die Beschreibung
der Förderkontur 1 beginnt wiederum im Winkelpunkt 3, d.h. bei 0° mitten im Kleinkreisbereich.
Im Winkelpunkt 5, d.h. bei 15°, beginnt der Anstieg der Förderkontur und endet im
Winkelpunkt 9 wiederum bei 69°. Der Wendepunkt der Förderkonturfunktion innerhalb
des Anstiegbereiches ist allerdings gegenüber der Figur 1 von 45 auf 47,7°, d.h. auf
etwa 48° oder um 3° in Drehrichtung versetzt und liegt damit am neuen Winkelpunkt
20. Der Großkreisbereich der neuen Kontur erstreckt sich nun vom Winkelpunkt 9, d.h.
von 69°, bis zum Winkelpunkt 22 bei 118°, das bedeutet, dass der Großkreisbereich
gegenüber dem Großkreisbereich aus Figur 1 um ca. 7° verlängert ist und diese Verlängerung
nun für längere Druckausgleichsvorgänge, um ungelöste Luft im Öl zu komprimieren,
zur Verfügung steht. Der Abstiegsbereich der Förderkontur beginnt im Winkelpunkt 22
bei 118° und endet wiederum im Winkelpunkt 15 bei 165°, was bedeutet, dass der Druckbereich
nun um die entsprechenden 7° gegenüber dem Druckbereich in Figur 1 verkürzt ist. Wichtig
ist, dass die Länge des Saugbereiches vom Winkelpunkt 5 bis zum Winkelpunkt 9 beibehalten
wird, was bezüglich des Erreichens der Maximaldrehzahl vorteilhaft ist. Der Wendepunkt
24 im Abstiegsbereich ist bei 137,7°, also etwa bei 138°, gegenüber dem Wendepunkt
aus Figur 1 um 3° in Drehrichtung vorverlegt, was wiederum bedeutet, dass beide Wendepunkte
ihren Abstand von 90° oder von 2,5 x der Flügelteilung der 10-Flügel-Pumpe (36°) beibehalten.
Bei 180° im Winkelpunkt 17 wiederholt sich diese neue, erfindungsgemäße Hubkontur
symmetrisch zur oberen Hälfte.
[0014] In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Förderkontur einer 12-Flügel-Pumpe dargestellt.
Die Beschreibung der Förderkontur 1 beginnt wiederum bei 0 Grad im Winkelpunkt 3.
Da die 12-Flügel-Pumpe aber eine Flügelteilung von 30° statt 36° aufweist, kann der
Kleinkreisbereich, der bei der 10-Flügel-Pumpe 30° betragen hat, um diese 6° auf 24°
reduziert werden, wodurch der Anstiegsbereich der Förderkontur nach einem halben Kleinkreisbereich
bei 12° im Winkelpunkt 30 beginnt. Der Anstiegsbereich der Förderkontur, d.h. der
Ansaugbereich, wird wie bei den Konturen aus Figur 1 und Figur 2 mit 54° beibehalten
und endet damit bei 66° im Winkelpunkt 32, also wiederum 3° früher als bei den 10-Flügel-Pumpen.
Durch das Beibehalten des gleich großen Ansaugbereiches gegenüber den Förderkonturen
aus Figur 1 und Figur 2 bleibt also die Länge des Saugbereiches bezüglich des Erreichens
der Maximaldrehzahl weiterhin vorteilhaft nutzbar. Der Wendepunkt der Hubkonturfunktion
im Anstiegsbereich soll vorteilhafterweise in der Mitte des Anstiegsbereiches liegen
und wird deswegen im Winkelpunkt 34 bei etwa 37,5° angeordnet. Der Großkreisbereich
dieser Förderkontur erstreckt sich nun von dem Winkelpunkt 32 bei 66° bis zum Winkelpunkt
36 bei 118° und ist damit noch einmal gegenüber der Förderkontur aus Figur 2 um 3°
bzw. gegenüber der Förderkontur aus Figur 1 um 10° verlängert, was wiederum einen
Gewinn für verbesserte Druckausgleichsvorgänge mit verschäumten Getriebeöl darstellt.
Der Abstiegsbereich, also der Druckbereich dieser Förderkontur, erstreckt sich vom
Winkelpunkt 36 bei 118° bis zum Winkelpunkt 38 bei 168°, bei welchem die Förderkontur
dann wiederum in den nächsten Kleinkreisbereich übergeht. Der Wendepunkt der Hubkonturfunktion
im Abstiegsbereich ist beim Winkelpunkt 40 mit 141,7° angeordnet und ist damit vom
Wendepunkt im Winkelpunkt 34 um 104°, das bedeutet um das etwa 3,5fache der Flügelteilung
von 30° bei der 12-Flügel-Pumpe, beabstandet. Der Wendepunkt 40 im Abstiegsbereich,
also im Druckbereich, ist in Drehrichtung gegenüber dem nächsten Wendepunkt im Winkelpunkt
42 um etwa das 2,5 fache der Flügelteilung von 30° beabstandet.
[0015] Aufgrund der geringeren Flügelteilung von 30° bei der 12-Flügel-Pumpe beträgt beispielsweise
die Differenz der Großkreislänge zur Flügelteilung jetzt 22° gegenüber 6° bei der
Standard-10-Flügel-Kontur und 13° gegenüber der verbesserten 10-Flügel-Kontur aus
Figur 2. Der Verdichtungsbereich kann gegenüber dem verkürzten Verdichtungsbereich
aus Figur 2 sogar wiederum um 3° verlängert werden. Die Wendepunkte in den Übergangsfunktionen
der Hubkontur haben also einen Faktor x.5 der Flügelteilung, was die Grundlage einer
guten Überlagerung von Unterflügel- und Oberflügel-Druckpulsation darstellt. Ziel
der Erfindung ist, den verfügbaren Winkel im Großkreisbereich so lang wie möglich
zu gestalten, da das Geräusch bei verschäumtem Getriebeöl hauptsächlich von den Druckausgleichsvorgängen
und nicht von der geometrisch verursachten Volumenstrompulsation dominiert wird.
[0016] Auch bei dieser Kontur ist der Verdichtungsbereich etwas kürzer als der Ansaugbereich,
und die Wendepunkte sind als Paar minimal etwas weiter gedreht.
[0017] In Figur 4 ist die Hubkonturfunktion der 12-Flügel-Kontur aus Figur 3 mit verlängertem
Fall über dem Drehwinkel dargestellt. Im Punkt 50 (entspricht Punkt 30 in Figur 3)
beginnt der Konturanstieg, der sich bis zum Punkt 54 fortsetzt. Im Punkt 54 (Punkt
32 in Figur 3) bei etwa 66° beginnt der Großkreisbereich 56. Der Großkreisbereich
56 verringert den Flügelhub konstant mit dem so genannten Fall bis zum Punkt 58 (Punkt
36 in Figur 3), in welchem sich dann der Konturabfall 60 bis zum Punkt 62 (Punkt 38
in Figur 3) erstreckt. Im Punkt 62 beginnt dann der Kleinkreisbereich 64, welcher
sich bis zum Punkt 66 erstreckt. Danach beginnt wiederum der Konturanstieg in derselben
Art, wie ab Punkt 50. Man erkennt in dieser Abwicklungsdarstellung der Hubkontur deutlich,
dass der Großkreisbereich 56 entschieden verlängert werden konnte gegenüber dem Kleinkreisbereich
64, welcher hier bei der 12-Flügel-Pumpe sich nun über einen Bereich von 30° minus
6° erstreckt.
[0018] In Figur 5 ist die Funktion der Ableitung des Flügelhubs nach dem Drehwinkel der
Kontur aus Figur 3 über dem Drehwinkel dargestellt. Im Punkt 70 (Punkt 30 in Figur
3) beginnt der Konturanstieg mit zunehmendem Betrag der Ableitung des Flügelhubs nach
dem Drehwinkel und hat im Punkt 72 sein Maximum (Punkt 34 in Figur 3), woraufhin der
Betrag der Ableitung des Flügelhubs nach dem Drehwinkel bis zum Punkt 74 (Punkt 32
in Figur 3) wieder stetig abnimmt. Im Punkt 74 erfolgt dann der Übergang auf den Großkreisbereich,
dessen Ableitung durch den Verlauf der Linie 76 dargestellt ist. Der Großkreisbereich
76 geht im Punkt 78 (Punkt 36 in Figur 3) auf die Übergangsfunktion Richtung Kleinkreis
über, welche zunächst mit einem abnehmenden Betrag der Ableitung des Flügelhubs nach
dem Drehwinkel, welcher durch den Funktionsverlauf 80 dargestellt wird, beginnt, bis
ab dem Minimum 82 (Punkt 40 in Figur 3) dann der Betrag der Ableitung des Flügelhubs
nach dem Drehwinkel, wie durch den Funktionsbereich 84 dargestellt ist, wieder zunimmt.
Im Punkt 86 (Punkt 38 in Figur 3) wird dann der Kleinkreisbereich 90 erreicht, welcher
sich bis zum Punkt 92 erstreckt. Ab dem Punkt 92 wiederholt sich der Funktionsverlauf
wieder wie ab dem Punkt 70. Es ergibt sich hier zwischen dem Maximum 72 und dem Minimum
82 (Wendepunkte der Hubkonturfunktion) ein Abstand vom 3,5fachen der Flügelteilung,
während sich vom Minimum 82 bis zum nächsten Maximum 94 ein Abstand von etwa dem 2,5fachen
der Flügelteilung ergibt. Dieser Abstand der Wendepunkte der Hubfunktion ist die Grundlage
einer guten Überlagerung von Unterflügel- und Oberflügelpulsation, wie schon zuvor
beschrieben.
[0019] In Figur 6 ist die Ableitung des Zellenvolumens nach dem Drehwinkel der Kontur aus
Figur 3 über dem Drehwinkel dargestellt. Eine progressive Zunahme des Zellenvolumens
bis zum Punkt 100 und danach eine degressive Zunahme des Zellenvolumens bis zum Punkt
102 kennzeichnen den Ansaugvorgang. Danach wird dann im Großkreisbereich durch den
Fall das Volumen geringfügig stetig reduziert, bis dann ab dem Punkt 104 der eigentliche
Verdichtungsvorgang mit progressiver Volumenabnahme bis zum Punkt 106 und dann mit
degressiver Volumenabnahme bis zum Punkt 108 erfolgt. Danach erfolgt dann bei Durchlaufen
des Kleinkreisbereiches wiederum eine Volumenzunahme progressiver Art bis zum Punkt
110, wobei sich der anfangs beschriebene Prozess hier zum zweiten Mal wiederholt.
Auch in dieser Funktion der Ableitung des Zellenvolumens nach dem Winkel zeigt sich
beispielsweise zwischen den Punkten 100 und 106 wiederum der Abstand der Wendepunkte
der Hubkonturfunktion vom 3,5fachen der Flügelteilung und vom Punkt 106 bis zum Punkt
110 vom 2,5 fachen der Flügelteilung.
1. Vane pump or roller pump having a balanced cam surface profile, the cam surface profile
having at least one volume-increase region (angular points 5 - 9) which constitutes
a suction region, at least one larger arcuate region (angular points 9 - 11) which
constitutes a first separating region, at least one volume-decrease region (angular
points 11 - 15) which constitutes a pressure region, and at least one smaller arcuate
region (angular point 3 +/- 15°) which constitutes a further separating region, and
the pump has, within the cam surface profile, a rotor which has radially displaceable
vanes or rollers in radial slots, characterised in that, in the case of a ten-vane pump, the larger arcuate region (angular points 9 - 22)
of the cam surface profile is 49°, the volume-increase region (angular points 5 -
9) is 54° and the volume-decrease region (angular points 22 - 15) is 47°, and the
smaller arcuate region is 30°, and, in the case of a twelve-vane pump, the larger
arcuate region (angular points 32 - 36) of the cam surface profile is 52°, the volume-increase
region (angular points 30 - 32) is 54°, the volume-decrease region (angular points
36 - 38) is 50°, and the smaller arcuate region is 24°.