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Die
Erfindung betrifft ein Pumpengehäuse
für eine
Rotationspumpe und eine Rotationspumpe.
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Vorzugsweise
wird eine derartige Rotationspumpe als Hochdruckpumpe zur Förderung
von Fluid für
ein Speichereinspritzsystem für
Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Speichereinspritzsysteme
für Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeuge, beispielsweise in Common-Rail-Systemen, sollen
den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen
können.
Die Rotationspumpe unterliegt in Speichereinspritzsystemen für Kraftfahrzeuge
starken Belastungen, insbesondere mechanischen Beanspruchungen.
Insbesondere müssen
von derartigen Rotationspumpen große Kräfte aufgenommen werden können. Damit
werden sowohl hohe Anforderungen an das Material als auch an die
Konstruktion der Rotationspumpe gestellt.
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Da
derartige als Hochdruckpumpen eingesetzte Rotationspumpen Drücken von
beispielsweise bis zu 2000 bar ausgesetzt sind, müssen sie
hohen Beanspruchungen standhalten.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine ein Pumpengehäuse für eine Rotationspumpe und eine Rotationspumpe
zu schaffen, das beziehungsweise die auch bei hohen Pumpendrücken einen
zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglicht
dabei einem möglichst
geringen Verschleiß unterliegt.
Zugleich soll das Pumpengehäuse
kostengünstig
herstellbar sein. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch ein Pumpengehäuse
für eine
Rotationspumpe zur Förderung von
Fluid, mit einem ersten Gehäuseteil
aus einem ersten Material, einem zweiten Gehäuseteil aus einem zweiten Material,
wobei der Elastizitätsmodul
des ersten Materials kleiner ist als der Elastizitätsmodul
des zweiten Materials, einem Wellenlager mit einer zentralen Längsachse,
das in dem zweiten Gehäuseteil
angeordnet ist und ausgebildet ist zur Lagerung einer Antriebswelle,
mittels der die Rotationspumpe antreibbar ist. Das zweite Gehäuseteil
ist ausgebildet, um auf einen Außenflächenabschnitt des Wellenlagers
radial nach außen
wirkende Kräfte
auf einen Außenflächenabschnitt
des zweiten Gehäuseteils
zu übertragen.
Das Maß der
Summe der radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts
des zweiten Gehäuseteils
ist größer als
das Maß der Summe
der radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts
des Wellenlagers.
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In
der von der Antriebswelle antreibbaren Rotationspumpe wird mittels
eines Hochdruckkolbens bei normalem Einsatz der Rotationspumpe in einem
Zylinderraum ein sehr hoher Druck erzeugt. Dieser Druck hat zum
Effekt, dass sehr starke Kräfte zwischen
dem Hochdruckkolben und der mit diesem in Wirkverbindung stehenden
Antriebswelle und in der Folge zwischen der Antriebswelle und dem
Pumpengehäuse
auftreten können.
Um diese Kräfte
aufnehmen zu können,
muss das Wellenlager und das Gehäuseteil,
in dem das Wellenlager angeordnet ist, sehr stabil sein.
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Dies
hat den Vorteil, dass das erste Gehäuseteil des Pumpengehäuses aus
einem Material mit einem niedrigem spezifischen Gewicht sein kann, während das
zweites Gehäuseteil
des Pumpengehäuses
aus Material mit hohem E-Modul aufgebaut sein kann. Das Gewicht
des Pumpengehäuses
kann so sehr niedrig sein, und dennoch eine hohe mechanische Stabilität des Pumpengehäuses, insbesondere
im Bereich des Wellenlagers, erreichbar sein. Das erste Gehäuseteil
kann als Universalbauteil für
verschiedene Pumpentypen ausgebildet sein, und das zweite Gehäuseteil
kann der individuellen Anpassung dienen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das zweite Gehäuseteil
einen inneren Scheibensektor und einen äußeren Randabschnitt auf. Damit
ist es möglich,
dass das zweite Gehäuseteil
als Einsektor- oder Mehrsektorenelement ausgebildet ist, um eine
günstige
Kraftübertragung
von der Antriebswelle auf das Pumpengehäuse zu erreichen. Des Weiteren kann
das zweite Gehäuseteil
ein geringes Gewicht haben, und einfach und mit geringem Materialaufwand
herstellbar sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der äußere Randabschnitt
in axialer Richtung eine im Wesentlichen gleichmäßige erste Dicke und der innere
Scheibensektor in axialer Richtung eine im Wesentlichen gleichmäßige zweite
Dicke auf. Die erste Dicke ist größer als die zweite Dicke. Dies hat
den Vorteil, dass das Gewicht des zweiten Gehäuseteils gering sein kann und
dabei das Maß der Summe
der radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
der Außenfläche des
zweiten Gehäuseteils groß sein kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der innere Scheibensektor eine Ausnehmung auf. Damit ist es
möglich,
ein geringes Gewicht des zweiten Gehäuseteils zu erreichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das zweite Material Aluminium auf. Damit ist für das zweite
Gehäuseteil
ein niedriges spezifisches Gewicht bei einem hohem Elastizitätsmodul möglich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Material ein Spritzgussmaterial und das zweite Gehäuseteil
ist mit dem ersten Material umspritzt. Damit kann das zweite Gehäuseteil
als Einlegeteil formschlüssig
in das erste Gehäuseteil eingebettet
sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Material ein Kunststoff. Damit kann das erste Gehäuseteil
besonders einfach als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Gehäuseteil
als beidseitig offenes Hohlprofilelement ausgebildet. Dies hat den
Vorteil, dass das erste Gehäuseteil
besonders einfach als Stranggussteil ausgebildet sein kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Pumpengehäuse
ein drittes Gehäuseteil
aus einem dritten Material und ein weiteres Wellenlager auf. Der
Elastizitätsmodul
des ersten Materials ist kleiner als der Elastizitätsmodul
des dritten Materials. Das weitere Wellenlager ist in dem dritten
Gehäuseteil
angeordnet und ausgebildet zur Lagerung der Antriebswelle. Damit
kann das dritte Gehäuseteil aus
Aluminium und/oder Stahl sein oder Aluminium und/oder Stahl aufweisen.
Des Weiteren kann die Antriebswelle in besonders einfacher und sicherer Weise
auf zwei Seiten, sowohl in dem Wellenlager des zweiten Gehäuseteils
als auch in dem weiteren Wellenlager des dritten Gehäuseteils
gelagert werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Rotationspumpe
mit einem Pumpengehäuse
gemäß dem ersten
Aspekt. Die Antriebswelle der Rotationspumpe ist in dem Wellenlager
des Pumpengehäuses
gelagert. Insbesondere bei als Hochdruckpumpen ausgebildeten Rotationspumpen,
wie beispielsweise zur Förderung eines
Kraftstoffs, können
im Betrieb große
Kräfte
auf die Antriebswelle und damit auf das Pumpengehäuse übertragen
werden. Derartige Rotationspumpen, die für hohe Arbeitsdrücke ausgebildet
sind, können
deshalb vorteilhafterweise ein kleines Gewicht aufweisen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a eine
schematische Ansicht einer Rotationspumpe in einem Längsschnitt,
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1b eine
schematische Ansicht eines Pumpengehäuses der Rotationspumpe in
einem Längsschnitt,
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2a eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines zweiten Gehäuseteils
des Pumpengehäuses
der Rotationspumpe,
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2b eine
schematische Ansicht des zweiten Gehäuseteils des Pumpengehäuses der
Rotationspumpe in einem Querschnitt entlang der Linie IIb-IIb' der 2a,
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3 eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des zweiten Gehäuseteils
des Pumpengehäuses
der Rotationspumpe, und
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4 eine
schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des zweiten Gehäuseteils
des Pumpengehäuses
der Rotationspumpe.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1a zeigt
eine Rotationspumpe 12 mit einem Pumpengehäuse 14 und
einer Pumpengehäuseausnehmung 16.
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Die
Rotationspumpe 12 weist zentral eine Antriebswelle 24 auf.
Die Antriebwelle 24 hat eine zentrale Längsachse L und steht vorzugsweise
mit einem Exzenterring in Wirkverbindung. Die Antriebswelle 24 ist
in einer Drehrichtung R drehbar in dem Pumpengehäuse 14 gelagert. Anstelle
der Wirkverbindung der Antriebwelle 24 mit dem Exzenterring kann
die Antriebswelle 24 als Nockenwelle ausgebildet sein.
In diesem Fall kann die Zahl der Förder- und Kompressionshübe über die
Zahl der Nocken vorgegeben werden. Die Rotationspumpe 12 kann
auch als Kurbeltriebpumpe ausgeführt
sein.
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Das
Pumpengehäuse 14 hat
ein erstes Gehäuseteil 18,
ein zweites Gehäuseteil 20 und
ein drittes Gehäuseteil 22.
Das erste Gehäuseteil 18,
das zweite Gehäuseteil 20 und
das dritte Gehäuseteil 22 sind
in geeigneter Weise mechanisch fest mit einander gekoppelt. Das
erste Gehäuseteil 18 weist
ein erstes Material auf, das zweite Gehäuseteil 20 weist ein
zweites Material auf und das dritte Gehäuseteil 22 weist ein
drittes Material auf.
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Das
erste Gehäuseteil 18 ist
in der dargestellten Ausführungsform
einteilig ausgebildet, kann jedoch auch aus zwei oder mehr Teilen
ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist, wenn das erste Gehäuseteil 18 als
Stranggussteil ausgebildet ist. Das erste Gehäuseteil 18 ist vorzugsweise
aus einem Kunststoff, vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussteil
ausgebildet. Das erste Gehäuseteil 18 ist
besonders bevorzugt aus einem Material gebildet, das ein Duroplast
aufweist. Duroplaste sind mechanisch stark belastbare Kunststoffe,
insbesondere weisen sie eine hohe Zug- und Druckfestigkeit auf.
Darüber hinaus
können
sie eine gute Temperaturfestigkeit erreichen.
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Vorzugsweise
besteht das zweite Gehäuseteil 20 aus
dem zweiten Material und das dritte Gehäuseteil 22 aus dem
dritten Material. Das zweite Material und das dritte Material sind
bevorzugt identisch. Das zweite und das dritte Material sind bevorzugt
Leichtmetalle, besonders bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
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Das
erste Gehäuseteil 18 hat
eine Ausnehmung 42, in der ein Wellenlager 26 angeordnet
ist. Das dritte Gehäuseteil 22 weist
eine Ausnehmung 44 auf, in der ein weiteres Wellenlager 28 gelagert
ist. Das Wellenlager 26 hat einen Außenflächenabschnitt 30 mit
radial nach außen
gerichteten Flächenanteilen.
Die Wellenlager 26, 28 sind bevorzugt aus einem Material
gebildet, das einen Stahl aufweist.
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In
der in der 1b gezeigten Ausführungsform
des Pumpengehäuses 14 ist
das zweite Gehäuseteil 20 in
der Ausnehmung 42 im ersten Gehäuseteil 18 angeordnet.
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Das
zweite Gehäuseteil 20 wird
im Folgenden näher
beschrieben:
Das zweite Gehäuseteil 20 hat
ein Zentralteil 32 mit einer Ausnehmung 40, in
der das Wellenlager 26 angeordnet ist. Das zweite Gehäuseteil 20 weist
radial anschließend
an den Zentralteil 32 weiter mindestens einen inneren Scheibensektor 34, 34a, 34b und einen
radial an diesen anschließenden äußeren Randabschnitt 36, 36a, 36b auf.
Der innere Scheibensektor 34, 34a, 34b,
der äußere Randabschnitt 36, 36a, 36b und
der Zentralteil 32 des zweiten Gehäuseteils 20 sind miteinander
einstückig
ausgebildet.
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Der
innere Scheibensektor 34, 34a, 34b des zweiten
Gehäuseteils 20 hat
in der Aufsicht (2a und 3) im Wesentlichen
die Form eines Kreissektors. Der äußere Randabschnitt 36, 36a, 36b des zweiten
Gehäuseteils 20 ist
im Querschnitt (2b) als T-Träger ausgebildet, der sich in
Umfangsrichtung um die Längsachse
L erstreckt. Der äußere Randabschnitt 36, 36a, 36b hat
in Richtung der zentralen Längsachse
L eine im Wesentlichen gleichmäßige erste
Dicke D1. Der innere Scheibensektor 34, 34a, 34b weist
in Richtung der zentralen Längsachse L
eine im Wesentlichen gleichmäßige zweite
Dicke D2 auf. Bevorzugt ist die erste Dicke D1 des äußeren Randabschnitts 36, 36a, 36b größer als
die zweite Dicke D2 des inneren Scheibensektors 34, 34a, 34b.
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Das
zweite Gehäuseteil 20 hat
im Bereich des äußeren Randabschnitts 36, 36a, 36b einen
Außenflächenabschnitt 38, 38a, 38b mit
radial nach außen
gerichteten Flächenanteilen.
Die Summe der radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts 38, 38a, 38b des
zweiten Gehäuseteils 20 ist
größer als
die Summe der radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts 30 des
Wellenlagers 26.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
des zweiten Gehäuseteils 20 mit
zwei inneren Scheibensektoren 34a, 34b und zwei äußeren Randabschnitten 36a, 36b.
Einer der inneren Scheibensektoren 34a und der an diesen
radial anschließende äußere Randabschnitt 36a des
zweiten Gehäuseteils 20 erstrecken
sich über
einen ersten Winkelbereich ALPHA1. Ein weiterer der inneren Scheibensektoren 34b und
der an diesen radial anschließende äußere Randabschnitt 36b des
zweiten Gehäuseteils 20 erstrecken
sich über
einen zweiten Winkelbereich ALPHA2.
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In
der in 3 gezeigten Ausführungsform weist einer der
inneren Scheibensektoren 34a, 34b des zweiten
Gehäuseteils 20 Ausnehmungen 40 auf, die
so ausgebildet sind, dass sie die mechanische Stabilität des zweiten
Gehäuseteils 20 nicht
beeinträchtigen,
jedoch für
das zweite Gehäuseteil 20 eine Gewichtseinsparung
ermöglichen.
Je nach den Anforderungen bezüglich
mechanischer Stabilität
und Gewicht des zweiten Gehäuseteils 20 weist
keiner oder beide der inneren Scheibensektoren 34a, 34b des
zweiten Gehäuseteils 20 Ausnehmungen 40 aufweisen.
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4 zeigt
in der Aufsicht eine Ausführungsform
des zweiten Gehäuseteils 20,
das als Vollkreisscheibe ausgebildet ist. Dementsprechend ist der
innere Scheibensektor 34 des zweiten Gehäuseteils 20 der 4 als
Vollkreisscheibe und der äußere Randabschnitt 36 des
zweiten Gehäuseteils 20 als ein
Kreisring ausgebildet. Der Zentralteil 32 des zweiten Gehäuseteils 20 ist
als Hohlzylinder ausgebildet.
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In
dem inneren Scheibensektor 34 des in 4 dargestellten
zweiten Gehäuseteils 20 sind
die Ausnehmungen 40 ausgebildet, die so ausgeführt sind,
dass eine Gewichtseinsparung für
das zweite Gehäuseteil 20 ermöglicht ist,
ohne die mechanische Stabilität
des zweiten Gehäuseteils 20 zu
beeinträchtigen.
Bevorzugt sind die Ausnehmungen 40 in dem inneren Scheibensektor 34 nierenförmig ausgebildet. In
weiteren Ausführungsformen
können
die Ausnehmungen 40 vorzugsweise kreisförmig ausgebildet sein.
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Das
zweite Gehäuseteil 20 und
das dritte Gehäuseteil 22 sind
vorzugsweise aus einem Material gebildet, dessen Elastizitätsmodul
größer ist
als der Elastizitätsmodul
des ersten Materials des ersten Gehäuseteils 18. Damit
ist es möglich,
das zweite Gehäuseteil 20 und
das dritte Gehäuseteil 22 aus Aluminium
und/oder Stahl ist oder Aluminium und/oder Stahl aufweist.
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Das
erste Material des ersten Gehäuseteils 18 ist
bevorzugt ein Spritzgussmaterial aus einem Kunststoff, mit dem das
zweite Gehäuseteil 20 umspritzt
ist. Damit ist es möglich,
den Verbund aus erstem Gehäuseteil 18 und
zweitem Gehäuseteil 20 im Hinblick
auf Materialien mit niedrigen Kosten und niedrigem Gewicht und eine
hohe mechanische Festigkeit auszubilden. Der Kunststoff-Spritzguss
stellt aufgrund der relativ geringen Dichte von Kunststoffen und
der günstigen
Verarbeitbarkeit ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung eine
vorteilhafte Ausführungsform
für die
Gestaltung des ersten Gehäuseteils 18 des
Pumpengehäuses 14 dar.
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Im
Folgenden soll die Funktion des Pumpengehäuses 14 der Rotationspumpe 12 im
Detail dargestellt werden:
Während des Betriebs der Rotationspumpe
können sowohl
durch die Kolben der Rotationspumpe 12 als auch durch einen
Antrieb der Rotationspumpe 12, wie beispielsweise einen
Riemen- oder Kettenantrieb Querkräfte auf die Antriebswelle 24 einwirken.
Die auf die Antriebswelle 24 einwirkenden Querkräfte werden
auf das Wellenlager 26 übertragen,
und auf die radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitt 30 des
Wellenlagers 26 radial nach außen wirkenden Kräfte F1 werden
weiter auf den Zentralteil 32 des zweiten Gehäuseteils 20 übertragen.
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Die
Wirkrichtung der hydraulischen Kräfte des Kolbens und der von
außen
auf die Antriebswelle 24 einwirkenden Riemenkräfte ist
im Allgemeinen gut bekannt. Im hier vorliegenden Beispiel wirken
die Kräfte
F1 in dem Winkelbereich ALPHA1 und/oder dem Winkelbereich ALPHA2.
Es ist so möglich,
durch eine geeignete Ausbildung der inneren Scheibensektoren 34, 34a, 34b des
zweiten Gehäuseteils 20 und der äußeren Randabschnitte 36, 36a, 36b des
zweiten Gehäuseteils 20 zu
erreichen, dass die radial nach außen wirkenden Kräfte auf
die radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
der Außenflächenabschnitte 38, 38a, 38b des
zweiten Gehäuseteils 20 übertragen
werden. Auf die radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
der Außenflächenabschnitte 38, 38a, 38b des
zweiten Gehäuseteils 20 wirken
dann Kräfte
F2 radial nach außen,
die weiter in das erste Gehäuseteil 18 eingeleitet
werden können
(siehe auch 1b).
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform des zweiten Gehäuseteils 20 können insbesondere die
Riemenkraft des Getriebes in den Winkelbereich ALPHA1 und insbesondere
die Kolbenkräfte
in den Winkelbereich ALPHA2 eingeleitet werden. Da die Summe der
radial nach außen
gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts 38, 38a, 38b des zweiten
Gehäuseteils 20 größer ist
als die Summe der radial nach außen gerichteten Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts 30 des
Wellenlagers 26, erfolgt in den Winkelbereichen ALPHA1,
ALPHA2 jeweils eine Verteilung der Kräfte auf größere Flächen. Die inneren Scheibensektoren 34, 34a, 34b des zweiten
Gehäuseteils 20 leiten
die auf den Zentralteil 32 des zweiten Gehäuseteils 20 wirkenden
Kräfte
F1 auf den Außenflächenabschnitt 38, 38a, 38b des zweiten
Gehäuseteils 20 weiter.
Die Kräfte
F2 können
so auf einen großen
Flächenbereich
im ersten Gehäuseteil 18 übertragen
werden. Die von den radial nach außen gerichteten Flächenanteilen
des Außenflächenabschnitts 38, 38a, 38b des
zweiten Gehäuseteils 20 auf
das erste Gehäuseteil 18 wirkenden
Kräfte
F2 sind damit kleiner sind als die auf die radial nach außen gerichteten
Flächenanteile
des Außenflächenabschnitts 30 des
Zentralteils 32 wirkenden Kräfte F1. Die flächenspezifische
Belastung durch mechanische Kräfte
wird so im ersten Gehäuseteil 18 klein
gehalten und ist dem niedrigeren Elastizitätsmodul des ersten Materials
des ersten Gehäuseteils 18 angepasst.
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Durch
die Ausbildung einer Ein- oder Mehrsegmentscheibe als zweites Gehäuseteil 20 kann eine
gute Verteilung der mechanischen Kräfte und gleichzeitig ein niedriges
Gewicht des zweiten Gehäuseteils 20 erreicht
werden.
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Das
erste Gehäuseteil 18 kann
insbesondere als Universalbauteil für verschiedene Pumpen ausgebildet
sein, während
das zweite Gehäuseteil 20 und
das dritte Gehäuseteil 22 individuell
an die besonderen Anforderungen der jeweiligen Pumpe angepasst werden
können.
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- 12
- Rotationspumpe
- 14
- Pumpengehäuse
- 16
- Pumpengehäuseausnehmung
- 18
- erstes
Gehäuseteil
- 20
- zweites
Gehäuseteil
- 22
- drittes
Gehäuseteil
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Wellenlager
- 28
- weiteres
Wellenlager
- 30
- Außenflächenabschnitt
des Wellenlagers
- 32
- Zentralteil
des zweiten Gehäuseteils
- 34,
34a, 34b
- innerer
Scheibensektor des 2. Gehäuseteils
- 36,
36a, 36b
- äußerer Randabschnitt
des 2. Gehäuseteils
- 38,
38a, 38b
- Außenflächenabschnitt
des zweiten Gehäuseteils
- 40
- Ausnehmung
im zweiten Gehäuseteil
- 42
- Ausnehmung
im ersten Gehäuseteil
- 44
- Ausnehmung
im dritten Gehäuseteil
- D1
- erste
Dicke
- D2
- zweite
Dicke
- F1,
F2
- Kräfte
- L
- zentrale
Längsachse
- R
- Drehrichtung
- ALPHA1
- erster
Winkelbereich
- ALPHA2
- zweiter
Winkelbereich