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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 Ratationspumpen 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
DE 42 14 752 A1 offenbart eine Pumpe, mit einem Gehäuse, welches ein Aufnahmeteil und einen Deckel aufweist. Eine am Gehäuse gelagerte Antriebswelle, die mit einem von zwei Pumpenrotoren in Antriebseingriff steht, ist durch entsprechende Öffnungen im Aufnahmeteil beziehungsweise im Deckel hindurchgefuhrt. Die Antriebswelle und ihre Lager sind so ausgebildet, dass in ihren Lagerstellen eine Metall/Kunststoff-Reibpaarung vorliegt.
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Die
EP 1 526 308 A1 offenbart eine Lagervorrichtung, insbesondere für ein Getriebe. Diese umfasst ein Gehäuseteil aus Kunststoff, eine Lagerbuchse mit einem zylindermantelförmigen Ringabschnitt sowie einem an diesen anschließenden, im Gehäuseteil gehaltenen Radialabschnitt, eine in der Lagerbuchse an einer ersten Lagerstelle geführte innere Welle, und ein an einer zweiten Lagerstelle der Lagerbuchse geführtes, die innere Welle umschließend zweites rotierbares Teil.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, 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.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen 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 Elastizitatsmodul 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 Flachenanteile des Außenflächenabschnitts des zweiten Gehauseteils ist großer als das Maß der Summe der radial nach außen gerichteten Flächenanteile des Außenflächenabschnitts des Wellenlagers. Das zweite Gehäuseteil weist einen inneren Scheibensektor und einen äußeren Randabschnitt auf, und das zweite Gehäuseteil ist als Einsektor- oder Mehrsektorenelement ausgebildet.
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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 Pumpengehauses, insbesondere im Bereich des Wellenlagers, erreichbar sein. Das erste Gehauseteil kann als Universalbauteil für verschiedene Pumpentypen ausgebildet sein, und das zweite Gehäuseteil kann der individuellen Anpassung dienen. Durch die Ausbildung des zweiten Gehäuseteils als Einsektor- oder Mehrsektorenelement kann eine günstige Kraftübertragung von der Antriebswelle auf das Pumpengehäuse erreicht werden. Des Weiteren kann das zweite Gehauseteil ein geringes Gewicht haben, und einfach und mit geringem Materialaufwand herstellbar sein.
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In einer 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 moglich, 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 Elastizitatsmodul 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 Ausführungsfom 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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Bezugszeichenliste
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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