DE3913989A1 - Fluegelpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ölfreie Flügelpumpe, die als Lader für eine Verbrennungskraftmaschine verwendbar ist und insbesondere eine Flügelpumpe mit einer Vorrichtung zum Steuern eines Flügels, der in einem Rotor bewegbar ist, wel­ cher in einer exzentrischen Lage innerhalb eines Mittelge­ häuses drehbar angeordnet ist.

Bei einer bekannten ölfreien Flügelpumpe gleitet die Spitze eines Flügels längs der Innenfläche des Mittelgehäuses bei Rotation des Rotors. Die Spitze wird an die Innenfläche des Mittelgehäuses durch Zentrifugalkraft aufgrund der Rotation des Flügels gedrückt. Hieraus ergibt sich ein Nachteil, daß ein Reibungsverlust zwischen der Spitze des Flügels und der Innenfläche des Mittelgehäuses schnell zunimmt, wenn die Pumpe bei hoher Geschwindigkeit arbeitet.

In der JP-A-54-5 207 ist eine Flügelpumpe mit einer Vielzahl von Flügeln gezeigt, die in einem Rotor radial bewegbar sind. Dort ist eine Führungseinrichtung zum Einstellen des Flügels und zum Aufnehmen der Zentrifugalkraft vorgesehen, die von dem Flügel ausgeübt wird. Die Einrichtung umfaßt vordere und rückwärtige ringförmige Nockenausnehmungen, die in einem vorderen und rückwärtigen Gehäuse ausgebildet sind, wobei vordere und rückwärtige Führungsstifte als Nockenfolgeglie­ der an beiden Enden eines jeden Flügels befestigt sind, so daß die ringförmigen Nockenausnehmungen die Bewegung des Flügels führen und die Zentrifugalkraft unter Zwischenschal­ tung der Stifte aufnehmen. Die ringförmige Nockenausnehmung weist ein Querschnittsprofil ähnlich der Innenfläche des Mit­ telgehäuses auf.

Jedoch weist diese Flügelpumpe Nachteile auf, von denen einer darin besteht, daß die ringförmige Nockenausnehmung schnell verschleißt und nicht über eine lange Zeit einsetzbar ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Radialflügel immer einen großen Kreiselradius aufweist, um eine große Zentri­ fugalkraft zu erbringen, wenn der Rotor mit hoher Geschwindig­ keit läuft, wobei die große Zentrifugalkraft den Stift an die Innenfläche des Führungsloches drückt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Wirkungsgrad der Flügelpumpe geringer als normal wegen eines relativ großen Spielraumes zwischen der Flügelspitze und der Innenfläche des Mittelgehäuses ist. Wenn die Innenfläche des Mittelgehäuses im Querschnitt kreis­ förmig ist, muß der Stift einem nicht kreisförmigen Weg fol­ gen, um die Spitze des Flügels längs der Innenfläche des Mittelgehäuses zu führen oder dazwischen einen konstanten Spalt bzw. Spielraum zu halten. Demzufolge kann der Spielraum nicht konstant gehalten werden, wenn die ringförmige Nocken­ ausnehmung und die Innenfläche des Mittelgehäuses querschnitts­ mäßig im Profil einander ähnlich sind.

Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Flügelpumpe mit einer Führungseinrichtung zum Einstellen eines Flügels, wobei die Einrichtung ohne zu verschleißen während einer langen Zeit einsetzbar ist, wobei die Pumpe eine hohe Pumpleistung haben soll.

Erfindungsgemäß wird eine Flügelpumpe mit einem Mittelgehäuse und Seitengehäusen vorgeschlagen, zwischen denen das Mittel­ gehäuse gehalten wird, wobei Einlaß- und Auslaßöffnungen in der Oberseite des Mittelgehäuses angeordnet sind, ein Rotor exzentrisch innerhalb des Mittelgehäuses angeordnet und in den beiden Seitengehäusen drehbar gelagert ist, wobei ein Flügel in den Rotor diametral bewegbar eingesetzt ist und eine Führungseinrichtung zum Steuern des Vorsprunges des Flügels von dem Rotor angeordnet ist. Die Einrichtung umfaßt eine Achse, die zentral auf jeder Seite des Flügels angeordnet ist, ein Kreisloch in der Innenfläche der beiden Seitengehäuse und ein Wälzlager, das zwischen der Achse und dem Kreisloch ange­ ordnet ist, um die Mitte der Achse in einem kreisförmigen Weg zu bewegen, der einen Durchmesser gleich dem Exzentrizitäts­ betrag des Rotors bezüglich des Mittelgehäuses aufweist.

Der Rotor ist vorzugsweise aus einem Paar halbzylindrischer Teile zusammengesetzt, die über vordere und rückwärtige Blöcke miteinander verbunden sind, um dazwischen eine Flügelausneh­ mung zu begrenzen. Die beiden Blöcke sind von den Seitenge­ häusen drehbar gelagert. Wenigstens einer der beiden Blöcke ist als antreibbare Riemenscheibe ausgebildet.

Wenn der innere Laufring des Kugel- oder Rollenlagers eng auf die Achse aufgepaßt ist, ist der Innendurchmesser des Kreis­ loches um die Exzentrizität des Rotors größer als der Außen­ durchmesser des Lagers. Wenn der äußere Laufring des Lagers eng in das Kreisloch eingepaßt ist, ist der Innendurchmesser des Lagers um die Exzentrizität des Rotors größer als der Außendurchmesser der Achse.

Die Innenfläche des Mittelgehäuses weist ein Querschnittspro­ fil auf, das von einem Weg bestimmt ist, dem zunächst die Spitze des Flügels folgt, wenn sich der Rotor dreht und wel­ ches dann um einen vorbestimmten Spielraum modifiziert wird.

Die Innenfläche des Mittelgehäuses kann indessen teilweise an ihrem oberen Abschnitt im Bereich des obersten Punktes bogenförmig ausgebildet sein, in welchem der Rotor am näch­ sten an der Innenfläche des Mittelgehäuses liegt.

Bei Rotation des Rotors dreht sich die Achse unter Zwischen­ schaltung des Lagers an der zylindrischen Innenfläche des Kreisloches. Der Flügel übt eine Zentrifugalkraft aus, die ihn selbst diametral längs der Flügelausnehmung drückt, wäh­ rend das Loch das Vorspringen des Flügels aus der Flügelaus­ nehmung so steuert, daß ein vorbestimmter Spielraum zwischen jeder Spitze des Flügels und der Innenfläche des Mittelgehäu­ ses verbleibt. Der Spielraum zwischen der Spitze des Flügels und der Innenfläche des Mittelgehäuses ist so gewählt, daß er zu klein ist, um die Pumpleistung zu beeinflussen.

Die erzielbaren Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß die Flügelpumpe frei von Wärmeverlust als auch von Abrieb aufgrund eines Reibkontaktes zwischen der Innenfläche des Mittelgehäuses und der Spitze des Flügels ist, wobei die Flügelpumpe während einer langen Zeit verwendet werden kann. Obwohl die auf den Flügel wirkende Zentrifugalkraft von der zylindrischen Innenfläche des Kreisloches über die Achse auf­ genommen wird, verschleißen weder Achse noch das Loch. Die Gründe hierfür bestehen darin, daß die Achse und das Loch nicht in Gleitkontakt, sondern miteinander in Drehkontakt sind, wobei der Flügel einen beträchtlich geringeren Kreiselradius im Vergleich mit einem herkömmlichen Radialflügel aufweist. Die Innenfläche des Mittelgehäuses weist ein solches Profil auf, daß der Spielraum zwischen der Spitze des Flügels und der Innenfläche des Mittelgehäuses auf einem vorbestimmten geringen Wert gehalten wird und eine hohe Pumpleistung ge­ währleistet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelpumpe,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 schematisch die Innenfläche des Mittelgehäuses,

Fig. 4 bis 7 verschiedene Arbeitsstufen der Pumpe,

Fig. 8 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht des Mittelgehäuses und des Rotors einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 einer weiteren Aus­ führungsform.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Mittelgehäuse 10 zwischen zwei Seitengehäusen 11 und 12 angeordnet, die miteinander mit Hilfe von Bolzen befestigt sind, von denen einer gezeigt ist. Eine vordere und eine rückwärtige Welle 13, 14 sind an den Seitengehäusen 11 und 12 mit Hilfe von Muttern befestigt. Ein vorderer Block oder eine Riemenscheibe 21 ist an der Front­ seite des Rotors 20 mit Hilfe von Bolzen 23 befestigt. Ein rückwärtiger Block 22 ist an der Rückseite des Rotors 20 mit­ tels Bolzen 24 festgelegt. Die Riemenscheibe 21 und der rück­ wärtige Block sind drehbar an den entsprechenden Wellen 13, 14 angeordnet.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Rotor 20 in einer exzentri­ schen Lage im Mittelgehäuse 10 angeordnet. Der Rotor 20 be­ steht aus zwei halbzylindrischen Teilen 20 a und 20 b, die zwi­ schen sich ein Distanzstück 25 halten. Die halbzylindrischen Teile 20 a und 20 b sind miteinander mit Hilfe von Bolzen 26 verbunden, um eine Flügelausnehmung 27 zu bilden, in welche ein einziger Flügel 30 eingesetzt ist.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, erstreckt sich der Flügel 30 diametral durch den Rotor 20 und weist Langlöcher 35 auf, in welche die Distanzstücke 25 und die Bolzen 26 eingesetzt sind. Der Flügel 30 ist etwas kürzer als ein Innendurchmesser der Innenfläche des Mittelgehäuses 10, so daß zwischen jeder Spitze des Flügels und der Innenfläche des Gehäuses 10 ein kleiner Spielraum verbleibt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind Kugellager 33, 34 mit ihren Innenlaufringen eng auf die vordere und rückwärtige Achse 31, 32 aufgepaßt, die in der Mitte an der vorderen und rückwärtigen Seite des Flügels 30 ausgebildet sind. Die Lager 33 und 34 sind in vorderen und rückwärtigen Kreislöchern 17 und 18 auf­ genommen, deren Mitte gerade in der Mitte zwischen den beiden Mitten des Rotors 20 und des Mittelgehäuses 10 liegt. Der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser der Löcher 17 und 18 und dem Außendurchmesser der Kugellager 33, 34 ist gleich dem Betrag der Exzentrizität des Rotors 20 bezüglich des Mit­ telgehäuses 10 oder die Hälfte des maximalen Vorsprunges des Flügels 30 von dem Rotor 20. Die Löcher 17 und 18 steuern das Abragen des Flügels 30 aus der Flügelausnehmung 27 unter Zwi­ schenschaltung der Lager 33 und 34.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sind die Innenfläche des Mittel­ gehäuses 10 und die Außenfläche des Rotors 20 an ihrem ober­ sten Punkt am nächsten zueinander angeordnet. Einlaß- und Auslaßöffnungen 41 und 42 sind auf gegenüberliegenden Seiten des obersten Punktes angeordnet. Die Innenfläche des Mittel­ gehäuses könnte einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius aufweisen, der um die Exzentrizität des Rotors und einen vorbestimmten Spielraum größer ist als der Radius des Rotors, wenn eine Pumpenleistung nicht zur Diskussion stehen würde. Um indessen eine hohe Pumpleistung zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Innenfläche des Mittelgehäuses 10 in Übereinstimmung mit einem Weg der Spitze des Flügels 30 zu bestimmen.

Ein Verfahren der Auslegung der Innenfläche des Mittelgehäuses ist in Fig. 3 gezeigt, in welcher ein Kreis mit einem Durch­ messer gleich der Exzentrizität C des Rotors seinen untersten Punkt 0 (0,0) am Ausgang von X-Y-Koordinaten oder der Achse des Mittelgehäuses aufweist. Der Kreis entspricht dem Weg der Mitte des Flügels. Eine Spitze des Flügels befindet sich an einem Punkt H (X, Y), wenn sich die Mitte des Flügels auf einem gegebenen Punkt G (x, y) auf dem Kreis befindet. Der Punkt H liegt auf einer Linie, die vom Punkt G durch den ober­ sten Punkt F an dem Kreis und über eine Länge sich erstreckt, die gleich dem Radius R des Flügels vom Punkt G ist. Die an­ dere Spitze befindet sich auf einem nicht gezeigten Punkt, der symmetrisch zum Punkt H in Bezug auf den Punkt G liegt und auf die gleiche Weise wie der Punkt H erhalten ist. Nachdem viele Punkte aufgezeichnet sind, ist die durch diese Punkte gezogene Kurve ein Weg beider Spitzen des Flügels. Der Weg wird um einen vorgewählten Spielraum erweitert, um das Profil der Innenfläche des Mittelgehäuses zu erhalten.

H (X, Y) kann auch mit den folgenden Gleichungen berechnet werden:

wobei R eine Winkelverschiebung des Punktes G vom Ursprungs­ punkt 0 (0,0) ist.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, dreht sich der Rotor 20 zur Ein­ laßöffnung 41 von der Auslaßöffnung 42 an dem obersten Punkt vorbei. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird frische Luft in den Arbeitsraum 43 von der Einlaßöffnung 41 gegeben, bis die Spitze des Flügels 30 an der Öffnung 41 vorbeiläuft, während kompri­ mierte Luft durch die Öffnung 42 aus dem anderen Arbeitsraum abgegeben wird. Die Auslaßöffnung 42 ist vorzugsweise mit ei­ nem Absperrventil versehen, um zu verhindern, daß komprimierte Luft rückwärts strömt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird Luft, wenn die gegenüberliegende Spitze des Flügels 30 zur Öffnung 42 gelangt, in dem Arbeitsraum 43 komprimiert, während Frisch­ luft in den Arbeitsraum 44 eingeführt wird. Wie in Fig. 7 ge­ zeigt ist, wird die Luft aus dem Arbeitsraum 43 durch die Öff­ nung 42 abgegeben, wenn die Spitze an der Öffnung 42 vorbei­ läuft. Somit ist bei Rotation des Rotors 20 die Pumpwirkung effektiv, um Frischluft durch die Einlaßöffnung 41 aufzuneh­ men und komprimierte Luft durch die Auslaßöffnung 42 abzu­ führen.

Wie in Fig. 4 bis 7 gezeigt ist, rollt das Lager 33, wenn sich der Flügel 30 in der durch einen Pfeil angezeigten Richtung dreht, an der Innenfläche des Kreisloches 17. Der rotierende Flügel 30 übt eine Zentrifugalkraft aus, durch welche der Flügel 30 längs der Flügelausnehmung 37 nach unten gedrückt wird. Jedoch steuert das Loch 17 den Vorsprung des Flügels 30 aus der Flügelausnehmung 27 durch Zwischenschaltung des Lagers 33, wobei zwischen der Spitze des Flügels 30 und der Innen­ fläche des Innengehäuses ein vorgewählter Spielraum aufrecht­ erhalten wird. Der Spielraum ist zu klein, als daß er die Pumpleistung herabsetzen kann. Andererseits wird die entgegen­ gesetzte Spitze des Flügels 30 ebenfalls daran gehindert, sich in die Flügelausnehmung 27 um mehr als eine vorgewählte Länge zurückzuziehen. Die beiden Spitzen des Flügels 30 ste­ hen mit der Innenfläche des Mittelgehäuses nicht in Berührung mit dem Ergebnis, daß die Flügelpumpe frei von Wärme- und Verschleißproblemen aufgrund eines Reibkontaktes zwischen dem Flügel und dem Mittelgehäuse ist.

Im Vergleich mit dem herkömmlichen Radialflügel weist der Flügel 30 einen relativ kleinen Kreiselradius auf, weil seine Rotationsmitte in der Nähe der Massenmitte liegt. D.h., daß die Zentrifugalkraft ebenfalls relativ gering ist. Die Zen­ trifugalkraft wird unter Zwischenschaltung der Lager von den Löchern aufgenommen. Das Lager und das Führungsloch stehen miteinander in Rollkontakt, so daß sie gegen Abrieb beständig sind.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann die Innenfläche des Mittel­ gehäuses 10 im Schnitt einen bogenförmigen Abschnitt in der Nähe des oberen Punktes T aufweisen. Der bogenförmige Abschnitt weist eine mit dem Rotor 20 gemeinsame Mitte CR auf und hat einen Radius, der um einen vorgewählten Spielraum CL größer als der Radius des Rotors ist. Beispielsweise hat der bogen­ förmige Abschnitt einen eingeschlossenen Winkel von 40° um die Mitte CR und einen Radius, der um 0,05 mm größer als der Radius des Rotors ist. Der bogenförmige Abschnitt verbessert die Abdichtung am oberen Punkt T, in welchem der Rotor 20 am nächsten am Mittelgehäuse 10 liegt.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind, wenn die Wälzlager schwere Lasten zu tragen haben, größere Kugellager 33 und 34 eng in die Kreislöcher 17 und 18 eingepaßt und von einem Umlauföl­ system 50 geschmiert. Die Achsen 31 und 32 sind locker inner­ halb des Innenlaufringes der Lager 33 und 34 aufgenommen. Der Innendurchmesser der Lager 33 und 34 ist um die Exzentri­ zität des Rotors 20 größer als der Außendurchmesser der Achsen 31 und 32. Das Ölsystem 50 weist Öleinlässe 51 und 52 in der vorderen und rückwärtigen Welle 13, 14, erste Durchgänge 53 und 54 von den Einlässen 51 und 52 zu den Kugellagern 33 und 34, zweite Durchgänge 55 und 56 von den Kugellagern 33 und 34 zu den Auslässen 57 und 58 auf, die in den Seitengehäusen 11, 12 ausgebildet sind. Die zweiten Durchgänge 55 und 56 wer­ den ebenfalls zum Schmieren der Kugellager 59 und 60 verwen­ det, die auf den Wellen 13 und 14 sitzen, um den vorderen und rückwärtigen Block 21, 22 drehbar abzustützen, welche je mit dem Rotor 21 einteilig ausgebildet sind.

Claims (9)

1. Flügelpumpe mit einem Mittelgehäuse (10) mit zwischen sich das Mittelgehäuse haltenden Seitengehäusen (11, 12), mit einem in dem Mittelgehäuse exzentrisch angeordneten Ro­ tor (20), der von den beiden Seitengehäusen drehbar gelagert ist, mit einem Flügel (30), der in den Rotor diametral be­ wegbar eingesetzt ist, und mit einer Führungseinrichtung (17, 18, 31, 32, 33, 34) zum Einstellen des Vorsprunges des Flügels von dem Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung eine Achse (31, 32), welche in der Mitte an jeder Seite des Flügels angeordnet ist, ein Kreisloch (17, 18), welches in der Innenfläche eines jeden Seitengehäuses (11, 12) ausgebildet ist, um die Achse aufzu­ nehmen und deren Mitte genau in der Mitte zwischen den Mitten des Rotors und dem Mittelgehäuse liegt, und ein Wälzlager (33, 34) umfaßt, das zwischen der Achse und dem Kreisloch angeordnet ist, um die Achse in einem kreisförmigen Weg mit einem Durchmesser zu führen, der gleich dem Betrag der Ex­ zentrizität des Rotors ist, und daß das Mittelgehäuse (10) eine Innenfläche mit einem Querschnittsprofil aufweist, das zunächst von der Spitze des Flügels (30) bestimmt ist, wenn sich der Rotor (20) dreht, und dann um einen vorgewählten Spielraum erweitert ist.

2. Flügelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil einen oberen Abschnitt in der Form eines Bogens mit einem Radius aufweist, der um den vorgewählten Spielraum größer als der Radius des Rotors ist.

3. Flügelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager (33, 34) einen inneren Laufring, der eng auf die Achse (31, 32) aufgepaßt ist, und einen Außendurch­ messer aufweist, der um den Betrag der Exzentrizität des Rotors (20) kleiner als das Kreisloch (17, 18) ist.

4. Flügelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager (33, 34) einen äußeren Laufring, der eng in das Kreisloch (17, 18) eingepaßt ist, und einen Innen­ durchmesser aufweist, der um den Betrag der Exzentrizität des Rotors (20) größer als der der Achse (31, 32) ist.

5. Flügelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitengehäuse entsprechend mit Wellen (13, 14) versehen sind, die axial mit dem Rotor ausgerichtet sind, und daß der Rotor vordere und rückwärtige Blöcke (21, 22) aufweist, die drehbar auf die beiden Wellen (13, 14) aufge­ paßt sind.

6. Flügelpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zwei halbzylindrische Körper (20 a, 20 b) auf­ weist, die unter Zwischenschaltung der beiden Blöcke (21, 22) miteinander verbunden sind, um dazwischen eine Flügelausneh­ mung (27) zu bilden.

7. Flügelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Block (21) in der Form einer angetriebenen Riemenscheibe vorliegt.

8. Flügelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager von einem Umlaufölsystem (50) geschmiert sind, welches mit Einlässen (51, 52) in der vorderen und rückwärtigen Welle, ersten Durchgängen (53, 54) von den Ein­ lässen zu den Wälzlagern und mit zweiten Durchgängen (55, 56) von den Wälzlagern zu Auslässen (57, 58) versehen ist, die in den beiden Seitengehäusen (11, 12) vorgesehen sind.

9. Flügelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel zentral mit einem langen Loch (35) ausgebildet ist, in welches koaxiale Bolzen (26) und Abstandshalter (25) eingesetzt sind, um die Flügelausnehmung (27) beizubehalten.