VAKUUMPUMPE

Vakuumpumpe

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Flügelzellenpumpe, mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist und durch den ein Flügel in einer, bezogen auf den Rotor, radialen Richtung hin und her bewegbar innerhalb einer Umlaufkontur geführt ist.

Derartige Vakuumpumpen werden zum Beispiel als Unterdruckpumpe zur Bremskraftunterstützung in Kraftfahrzeugen verwendet. Der Antrieb der Vakuumpumpe erfolgt zum Beispiel durch den Rotor.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Flügelzellenpumpe, mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist und durch den ein Flügel in einer, bezogen auf den Rotor, radialen Richtung hin und her bewegbar innerhalb einer Umlaufkontur geführt ist, insbesondere bei hohen Drehzahlen, zu verlängern.

Die Aufgabe ist bei einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Flügelzellenpumpe, mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist und durch den ein Flügel in einer, bezogen auf den Rotor, radialen Richtung hin und her bewegbar innerhalb einer Umlaufkontur geführt ist, dadurch gelöst, dass der Flügel mit einer Exzentereinrichtung gekoppelt ist, die exzentrisch zu dem konstruktiven Mittelpunkt der Umlaufkontur drehbar angeordnet ist. In radialer Richtung ist der Flügel durch den Rotor hin und her bewegbar geführt. In Umfangsrichtung ist der Flügel innerhalb der Umlaufkontur geführt. Darüber hinaus ist der Flügel mit der Exzentereinrichtung gekoppelt. Die Freiheitsgrade des Flügels werden also durch die Exzentereinrichtung, durch die Linearführung des Rotors und durch die Umlaufkontur definiert. Durch die erfindungsgemäße Kopplung mit der Exzentereinrichtung werden Betriebsdrehzahlen der Vakuumpumpe ermöglicht, die größer als 5000 Umdrehungen pro Minute sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor um den konstruktiven Mittelpunkt der Umlaufkontur drehbar gelagert ist. Der Rotor kann direkt oder über die Exzentereinrichtung angetrieben sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Drehzahl der Vakuumpumpe durch die Antriebsart variiert werden. Wenn die Vakuumpumpe durch die Exzentereinrichtung angetrieben ist, dann ergeben sich aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion geringere Drehzahlen als bei einem direkten Antrieb des Rotors. Die Erfindung umfasst auch eine Vakuumpumpe, die je nach Antriebsart unterschiedliche Betriebsdrehzahlen aufweist.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinrichtung ein exzentrisch umlaufendes Exzenterelement umfasst, das an den Mittelpunkt des Flügels angelenkt ist. Vorzugsweise liegt der Mittelpunkt des Flügels auf der Symmetrieachse des Flügels. Die Flügelmasse rotiert mit konstantem Abstand und mit Antriebsdrehzahl um eine Antriebswelle, die vorzugsweise als Exzenterwelle ausgeführt ist. Die resultierenden Massenkräfte können an der Antriebswelle durch Ausgleichsmassen eliminiert werden. Das exzentrisch umlaufende Exzenterelement überfährt einmal pro Umdrehung die Drehachse des Rotors.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Exzenterelement als Hubzapfen ausgeführt ist. Die Massenkräfte des exzentrisch umlaufenden Flügels werden von dem Hubzapfen aufgenommen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Hubzapfens in dem Mittelpunkt des Flügels angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Flügel mit einem zentralen Sackloch zur Aufnahme des zugehörigen Endes des Hubzapfens ausgestattet. Der Hubzapfen kann auch fest im Flügel angeordnet beziehungsweise mit diesem verbunden sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des Hubzapfens drehbar in einem weiteren Exzenterelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist das weitere Exzenterelement mit einem Sackloch zur Aufnahme des zugehörigen Endes des Lagerzapfens ausgestattet. Alternativ kann der Hubzapfen drehbar in dem Exzenterelement angeordnet sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentereinrichtung eine angetriebene Exzenterwelle umfasst. Vorzugsweise stellt die Exzenterwelle das weitere Exzenterelement dar, das mit dem Hubzapfen zusammenwirkt. Im Unterschied zu herkömmlichen Vakuumpumpen erfolgt der Antrieb gemäß, einem Aspekt der Erfindung nicht durch den Rotor, sondern durch die Exzentereinrichtung, ins- besondere die Exzenterwelle beziehungsweise das weitere Exzenterelement. Die Exzentereinrichtung beziehungsweise die Exzenterelemente, der Rotor und die Umlaufkontur wirken kinematisch so zusammen, dass der Flügel der Umlaufkontur mit der halben Antriebsdrehzahl folgt. Die kinematische Halbierung der Antriebsdrehzahl reduziert die Konturkräfte und Relativgeschwindigkeiten an den Flügelenden beziehungsweise an dort angebrachten Gleitkappen. Daher kann auch bei hohen Antriebsdrehzahlen auf ein Untersetzungsgetriebe verzichtet werden. Alternativ kann der Antrieb der Vakuumpumpe auch über den Rotor erfolgen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Exzenterwelle exzentrisch zu dem konstruktiven Mittelpunkt der Umlaufkontur angeordnet ist. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen der Exzenterdrehachse und der Rotordrehachse beziehungsweise dem Mittelpunkt der Umlaufkontur dem Exzenterradius des Hubzapfens.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufkontur als Konchoide ausgeführt ist. Der Flügel folgt, im kinematischen Zusammenwirken von der Exzentereinrichtung beziehungsweise den Exzenterelementen, dem Rotor und der Umlaufkontur, dem Funktionsverlauf der Konchoide mit halber Antriebsdrehzahl.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Vakuumpumpe bei einem Exzenterwinkel von null Grad und einem Flügelwinkel von null Grad;

Figur 2 die Vakuumpumpe aus Figur 1 bei einem Exzenterwinkel von 90 Grad und einem Flügelwinkel von 45 Grad;

Figur 3 die Vakuumpumpe aus den Figuren 1 und 2 bei einem Exzenterwinkel von 180 Grad und einem Flügelwinkel von 90 Grad; Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe im Querschnitt;

Figur 5 den gleichen Querschnitt wie in Figur 4 mit einem um 90 Grad verdrehten Flügel;

Figur 6 die Vakuumpumpe aus den Figuren 4 und 5 im Längsschnitt und

Figur 7 den gleichen Längsschnitt wie in Figur 6 mit einem um 90 Grad verdrehten Flügel.

In den Figuren 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Vakuumpumpe umfasst ein Gehäuse mit einer Umlaufkontur 1 , in der ein Rotor 2 um eine Drehachse 3 drehbar angeordnet ist. In oder an dem Rotor 2 ist ein Flügel 4 verschiebbar geführt. Vorzugsweise ist an den Flügelenden jeweils eine Gleitkappe 5 angebracht, die an einem Konturberührungspunkt 6 an der Umlaufkontur 1 anliegt.

Durch den Flügel 4 wird ein Arbeitsraum in dem Gehäuse der Vakuumpumpe in einen Saugraum und einen Druckraum unterteilt. Der Druckraum steht mit einem Druckanschluss und der Saugraum mit einem Sauganschluss in Verbindung. Wenn sich der Rotor 2 mit dem Flügel 4 dreht, dann wird ein Medium, insbesondere Luft beziehungsweise ein Luft-Öl- Gemisch, in den Saugraum eingesaugt und aus dem Druckraum heraus gefördert. Die dargestellte Vakuumpumpe mit dem einen Flügel 4 wird auch als Monoflügelzellenpumpe bezeichnet und zum Beispiel dazu verwendet, einen Unterdruck, das heißt ein Vakuum, an einen Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs anzulegen.

Durch einen Pfeil 8 ist die Drehrichtung des Rotors 2 bezeichnet. Der Rotor 2 kann direkt angetrieben sein. Im vorliegenden Beispiel ist der Rotor 2 jedoch durch eine Exzentereinrichtung 10 angetrieben. Die Exzentereinrichtung 10 umfasst ein erstes Exzenterelement 11 , das als Hubzapfen ausgeführt ist. Durch den Hubzapfen 11 ist der Mittelpunkt des Flügels 4 an ein zweites Exzenterelement 12 angelenkt, das als Exzenterwelle ausgeführt ist. Die Exzenterwelle 12 ist um eine Exzenterdrehachse 13 drehbar angetrieben. Der Exzenterradius 14, um den sich das erste Exzenterelement 1 1 zusammen mit dem zweiten Exzenterelement 12 dreht, entspricht vorzugsweise dem Abstand der Exzenterdrehachse 13 von der Rotordrehachse 3, die durch den konstruktiven Mittelpunkt der Umlaufkontur 1 hindurch geht. Die Umlaufkontur 1 ist vorzugsweise als Konchoide ausgeführt. In Figur 1 sind der Flügel 4 und die Exzentereinrichtung 10 in ihrer Nulllage dargestellt, das heißt der Exzenterwinkel beträgt ebenso wie der Flügelwinkel null Grad. Wenn die Exzenterwelle 12 in ihrer Drehrichtung 8 gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird, dann bewegt sie sich zusammen mit dem Hubzapfen 11 um die Exzenterdrehachse 13 herum. Durch die Kopplung des Hubzapfens 11 mit dem Flügel 4 bewegt sich der Mittelpunkt des Flügels 4 ebenfalls um die Exzenterdrehachse 13 herum. In Figur 2 ist die Vakuumpumpe aus Figur 1 bei einem Exzenterwinkel von 90 Grad und einem Flügelwinkel von 45 Grad dargestellt. Durch die Linearführung des Flügels 4 in dem Rotor 2, der zu diesem Zweck einen entsprechenden Schlitz aufweist, und durch die Gestaltung der Umlaufkontur 1 als Konchoide wird sichergestellt, dass die Flügelenden beziehungsweise die an den Flügelenden vorgesehenen Gleitkappen 5 an der Umlaufkontur 1 anliegen.

In Figur 3 ist die Linearführung des Flügels 4 im Rotor 2 durch zwei Punkte 16 angedeutet. Die in Figur 3 dargestellte Stellung entspricht einem Exzenterwinkel von 180 Grad und einem Flügelwinkel von 90 Grad. In dieser Stellung ist die Achse des Hubzapfens 11 in einem Punkt 18 deckungsgleich mit der Drehachse 3 des Rotors 2.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Flügel 4 durch die Exzenterwelle 12 angetrieben, die auch als Antriebswelle bezeichnet wird. Die Antriebswelle 12 greift mit dem exzentrischen Hubzapfen 11 axial an dem Mittelpunkt des Flügels 4 an und treibt diesen an. Der Flügel 4 wird bei einem Umlauf des Hubzapfens 11 in der Linearführung des Rotors 2 und in der Umlaufkontur 1 , die auch als Konchoidenkontur bezeichnet wird, des Gehäuses geführt. Der Rotor 2 ist gegenüber der Antriebswelle 12 exzentrisch mit Abstand des Exzenterradius 14 gelagert. Der exzentrisch umlaufende Hubzapfen 11 überfährt einmal pro Drehung die Drehachse 3 des Rotors 2. Der entsprechende Punkt ist in Figur 3 mit 18 bezeichnet.

Die Freiheitsgrade des Flügels 4 werden im Hubzapfen 11 der Antriebswelle 12, in der Linearführung 16 des Rotors 2 und in den Kontur-Berührungspunkten 6 der Gleitkappen 5 an den Flügelenden definiert. Der Flügel 4 folgt, im kinematischen Zusammenwirken von Hubzapfen 11 , Rotor 2 und Umlaufkontur 1 , dem Funktionsverlauf der Konchoide mit der halben Drehzahl der Antriebswelle 12. Die kinematische Halbierung der Antriebsdrehzahl reduziert die Konturkräfte und Relativgeschwindigkeiten an den Gleitkappen 5. Die Massenkräfte des exzentrisch umlaufenden Flügels 4 werden vom Hubzapfen 11 an der Antriebswelle 12 aufgenommen. Die reduzierten Umlaufgeschwindigkeiten und fehlenden Massenkräfte des Flügels 4 an den Gleitkappen 5 erlauben höhere Antriebsdrehzahlen als bei rotorgetriebenen Vakuumpumpen. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe wird auch als Drehschieberpumpe bezeichnet. Die Flügelmasse rotiert mit konstantem Abstand und mit Antriebsdrehzahl um die Antriebswelle 12. Die resultierenden Massenkräfte können an der Antriebswelle 12 durch Ausgleichsmassen eliminiert werden.

In den Figuren 4 bis 7 ist eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse 30 in verschiedenen Schnitten und Betriebsstellungen dargestellt. In dem Pumpengehäuse 30 ist eine Umlaufkontur 31 als Konchoide ausgeführt. Innerhalb der Umlaufkontur 31 ist ein Rotor 32 drehbar angeordnet. In Figur 7 sieht man, dass der Rotor 32 einen Lagerzapfen 33 aufweist, durch den der Rotor 32 um eine Rotordrehachse 38 drehbar in dem Pumpengehäuse 30 gelagert ist. Der Rotor 32 ist darüber hinaus mit einem in radialer Richtung verlaufenden Schlitz ausgeführt, in welchem ein Flügel 34 linear geführt ist. An den Enden des Flügels 34 ist jeweils eine Gleitkappe 35, 36 angebracht, die an der Umlaufkontur 31 anliegt.

Der Flügel 34 ist mit einer Exzentereinrichtung 40 gekoppelt, die ein erstes Exzenterelement 41 , das als Hubzapfen ausgeführt ist, und ein zweites Exzenterelement 42 umfasst, das als Exzenterwelle ausgeführt ist. Der Hubzapfen 41 greift mit einem Ende in den Mittelpunkt des Flügels 34 ein. Mit seinem anderen Ende greift der Hubzapfen 41 in die Exzenterwelle 42 ein. Die Längsachse des Hubzapfens 41 fällt in der in Figur 7 dargestellten Stellung der Vakuumpumpe mit der Drehachse 38 des Rotors 32 zusammen. Dabei ist die Längsachse des Hubzapfens 41 durch einen Exzenterradius, der in Figur 7 durch einen Doppelpfeil 43 dargestellt ist, von der Drehachse 39 der Exzenterwelle 42 beabstandet.

Der Antrieb der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Vakuumpumpe kann direkt durch den Rotor 32 oder indirekt über die Exzenterwelle 42 erfolgen. Der Exzenterantrieb liefert unter anderem den Vorteil, dass der Flügel 34 der Vakuumpumpe nur mit halber Exzenterwellendrehzahl dreht. Es liegt somit eine Untersetzung von 2 zu 1 vor. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Massenkräfte des Flügels 34 über den Hubzapfen 41 auf die Exzenterwelle 42 wirken, wodurch die Belastung auf die Gleitkappen 35, 36 deutlich reduziert wird. Die im Betrieb auftretenden Massenkräfte der Vakuumpumpe können zumindest teilweise ausgeglichen werden. Durch den Exzenterantrieb wird darüber hinaus ein zentral gelegener Antriebspunkt im Pumpenbauraum bereitgestellt, der eine höhere Pumpendrehzahl ermöglicht. Der Exzenterantrieb kann über einen Riemenscheibenantrieb an Neben- und Ausgleichswellen, einer Generatorwelle, einer Ölpumpenwelle oder an Antriebswellen anderer Nebenaggregate realisiert werden. Ein Antrieb über einen Elektromotor ist ebenfalls möglich. Die Drehrichtung des Rotors 32 ist in Figur 4 durch einen Pfeil 46 angedeutet. Wenn sich der Flügel 4; 34 im angetriebenen Zustand dreht, dann kommt es in einem Saugraum innerhalb des Pumpengehäuses 30 zu einer Volumenvergrößerung, die ein Ansaugen eines Arbeitsmediums, insbesondere von Luft beziehungsweise einem Luft-Öl-Gemisch, durch eine Saugniere 44 in den Saugraum bewirkt. Gleichzeitig kommt es in einem Druckraum innerhalb des Pumpengehäuses 30 zu einer Volumenabnahme, die ein Fördern des Arbeitsmediums aus dem Druckraum durch eine Druckniere 45 bewirkt.

Bezugszeichenliste