AT503856B1 - Zahnradpumpe mit veränderbarem fördervolumen - Google Patents

Description

  Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe mit veränderbarem Fördervolumen mit zwei miteinander im Zahneingriff stehenden aussen verzahnten Zahnrädern, welche in einem Förderraum eines Pumpengehäuses drehbar angeordnet sind, wobei eines der beiden Zahnräder über eine Antriebswelle antreibbar und eines der beiden Zahnräder, vorzugsweise das getriebene Zahnrad, axial verschiebbar ausgebildet ist und ein durch den in axialer Richtung gemessenen Abstand zwischen einer im Wesentlichen ebenen ersten Innenseitenwand des Förderraumes des Pumpengehäuses und einer ersten Stirnseite des verschiebbaren Zahnrades definiertes Spaltmass veränderbar ist,

   und wobei eine der ersten Innenseitenwand gegenüberliegende und zu dieser parallele ebene zweite Innenseitenwand des Förderraumes im Bereich einer der ersten Stirnseite abgewandten zweiten Stirnseite des verschiebbaren Zahnrades eine konzentrisch zur Drehachse ausgebildete, im Wesentlichen zylindrische Nische aufweist, deren Durchmesser zumindest im Bereich des verschiebbaren Zahnrades grösser ist als der Aussendurchmesser des Zahnrades, wobei von der einen Totraum definierenden Nische zumindest ein mit einer Drucksenke strömungsverbindbarer Entlastungskanal ausgeht, und wobei im Entlastungskanal ein Steuerorgan angeordnet ist.
Konventionelle Zahnradpumpen mit zwei miteinander kämmenden aussenverzahnten Zahnrädern weisen ein über eine Antriebswelle angetriebenes Zahnrad auf, welches das zweite Zahnrad treibt.

   Neben dem Zahnprofil und der Pumpendrehzahl ist die Zahnradeingriffsbreite massgeblich für den Volumenstrom des Fördermediums durch die Zahnradpumpe ausschlaggebend. Verluste, die durch das Kopfspiel der Zahnräder zum Pumpengehäuse und durch die Spielgebung des Spaltsmasses an den Stirnseiten der Zahnräder entstehen, sind im Wirkungsgrad der Zahnradpumpe wiedergespiegelt. Zahnradpumpen dieser Art werden üblicherweise für Ölpumpen von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Konventionelle Ölpumpen sind durch einen starren, nicht variablen Antrieb wie Kette, Zahnräder, Zahnriemen etc. in einem festen Drehzahlverhältnis mit der Kurbelwelle des Motors gekoppelt.

   Bei steigender Drehzahl des Motors wird auch die Ölpumpendrehzahl erhöht und damit die Förderleistung der Ölpumpe in Relation zur Motordrehzahl. Ölpumpen werden im allgemeinen für den schlechtesten Fall der Ölversorgung der Brennkraftmaschine über das gesamte Drehzahlfeld ausgelegt, das ist die Leerlaufdrehzahl bei grösstem Spaltquerschnitt in den Lagerstellen, inklusive alle weiteren Verbraucher am Motor wie Kolben, Spritzdüse zur Kolbenkühlung oder Turbolader etc. Aus dieser Auslegung ergibt sich, dass die Ölpumpe bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine über ein Vielfaches der benötigen Ölmenge für hohe Motordrehzahlen fördert.

   Die Mengenregelung an den tatsächlichen Verbrauch des jeweiligen Motorbetriebszustandes erfolgt dabei üblicherweise durch Druckregelung und Absteuem der Übermenge an geförderten Öl in den Ölsumpf, oder durch Rückführen in den Ansaugkanal der Pumpe. Da die Zahnräder der Pumpe somit immer die maximale Ölmenge fördern, muss unabhängig vom tatsächlichen Bedarf stets annähernd die gleiche hohe Antriebsleistung bereitgestellt werden. Dies wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.
Aus der DE 196 31 956 A1 ist eine Zahnradpumpe mit einstellbarem Verdrängervolumen bekannt. Ein Zahnrad der Zahnradpumpe weist Durchbrüche auf, welche sich von einer koaxialen Bohrung bis in die Zahnlücken erstrecken.

   In der Bohrung ist ein Drehschieber mit wenigstens einem Steg, der eine teilzylindrische Mantelfläche aufweist und eine axiale Ausnehmung am Drehschieber begrenzt, drehfest auf einer das eine Zahnrad tragenden Welle gelagert. Der Steg liegt mit seiner Mantelfläche an der Innenseite der Bohrung an und die Ausnehmung ist mit der Niederdruckseite der Pumpe verbunden. Durch Verstellen des Drehschiebers kann das Verdrängervolumen entsprechend der Öffnungsweite der Durchbrüche eingestellt werden. Der Verstellmechanismus ist relativ aufwendig und weist viele komplex geformte Einzelteile auf.
Des weiteren ist es bekannt, das Fördervolumen durch Verändern der Zahneingriffsbreite zu verstellen.

   Dabei kann zumindest eines der beiden Zahnräder in axialer Richtung verschoben und somit die Zahneingriffsbreite geändert werden, wobei zum Teil in die Zahnlücken eingreifenden Füllstücke notwendig sind, um Toträume zu vermeiden. Derartige Zahnradpumpen sind beispielsweise aus der GB 2 265 945 A oder der AT 003 767 U1 bekannt. Neben der relativ grossen Anzahl von aufwendig herzustellenden Einzelteilen ist es nachteilig, dass in axialer Richtung die Zahnradpumpe relativ viel Bauraum durch die axiale Zahnradverstellung in Anspruch nimmt. Aus der EP 1 462 654 B1 ist eine Zahnradpumpe mit zwei miteinander in Zahneingriff stehenden aussenverzahnten Zahnrädern bekannt, wobei eines der beiden Zahnräder axial verschiebbar ist. Durch Verändern des Spaltmasses kann eine Regelung des Fördervolumens erreicht werden.

   Die AT 500.629 A1 beschreibt eine Zahnradpumpe mit veränderbarem Fördervolumen mit zwei miteinander im Zahneingriff stehenden aussenverzahnten Zahnrädern, welche in einem Förderraum eines Pumpengehäuses drehbar gelagert sind. Zumindest eines der beiden Zahnräder ist über eine Antriebswelle antreibbar. Eines der beiden Zahnräder ist in Richtung der Achse dieses Zahnrades verschiebbar ausgebildet, wobei ein zwischen einer Innenseite des Förderraumes des Pumpengehäuses und einer Stirnseite des verschiebbaren Zahnrades definiertes Spaltmass veränderbar ist. Zur Vereinfachung der Regelung ist der Totraum über zumindest einen Entlastungskanal mit einer Drucksenke strömungsverbindbar, wobei im Entlastungskanal ein Drucksteuerorgan angeordnet ist.

   Auch die WO 03/058071 A1 , die DE 102 004 043 954 A1 und die EP 0 802 372 A1 offenbaren ähnliche Zahnradpumpen mit veränderbarem Fördervolumen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einer Zahnradpumpe der eingangs genannten Art eine Regelung des Fördervolumens zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Totraum mit dem Steuerorgan wahlweise über ein erstes Regelventil für einen ersten Absteuerdruck oder über ein zweites Regelventil für einen zweiten Absteuerdruck mit zumindest einer Drucksenke verbindbar ist. Das erste Regelventil öffnet vorzugsweise bei geringerem Absteuerdruck, als das zweite Regelventil.

   Das erste Regelventil ist dabei in einem ersten Entlastungskanal und das zweite Regelventil in einem zweiten Entlastungskanal angeordnet, wobei mit dem Totraum ein erster und ein zweiter Entlastungskanal strömungsverbunden ist, wobei das erste Regelventil im ersten Entlastungskanal und das zweite Regelventil im zweiten Entlastungskanal angeordnet ist.
Das Steuerorgan kann im ersten Entlastungskanal zwischen dem Totraum und dem ersten Regelventil positioniert sein.
Eine einfache Regelung des Fördervolumens durch Absteuerung des Druckes des Totraumes ist möglich, wenn das Steuerorgan durch einen in einem Zylinder axial und quer zum ersten Entlastungskanal verschiebbaren Steuerkolben gebildet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt des ersten Entlastungskanals entweder frei zu geben oder zu sperren,

   wobei vorzugsweise der Steuerkolben durch eine Feder in Richtung seiner Schliessstellung belastet ist. Der Steuerkolben kann dabei pneumatisch betätigt werden, wobei in einer besonders einfachen Ausführungsvariante vorgesehen ist, dass der Steuerkolben an einen Steuerraum grenzt, welcher über eine Steuerleitung mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagbar ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Totraum vorzugsweise über einen Verbindungskanal mit dem Druckraum der Zahnradpumpe strömungsverbunden ist. Dadurch kann die Befüllung des Totraumes über den Verbindungskanal erfolgen. Weiters kann vorgesehen sein, dass der Verbindungskanal und der zweite Entlastungskanal über einen gemeinsamen Kanalabschnitt in den Totraum einmünden.

   Das erste Regelventil kann beispielsweise auf einen Absteuerdruck von 2 bar und das zweite Regelventil auf einen Absteuerdruck von 7 bar ausgelegt sein. Das Steuerorgan bildet ein Schaltventil, mit welchem die Strömungsverbindung zwischen dem Totraum und dem ersten Regelventil entweder geschlossen oder neu geöffnet wird. Ist die Strömungsverbindung geöffnet, so kann der Druck des Totraumes bei einem niedrigen Druck über das erste Regelventil abgesteuert werden.

   Bei geschlossenem Steuerorgan wird die Absteuerung über das bei höherem Druck ansprechende zweite Regelventil, beispielsweise bei 7 bar vorgenommen.
Mit dem pneumatisch angesteuerten auf-/zu-geregelten Steuerorgan kann auf teure Magnetventile verzichtet werden, wodurch eine einfache und kostengünstige Bauweise möglich wird.
Zum Unterschied zu den bekannten regelbaren Zahnradpumpen mit axial verschiebbaren Zahnrädern erfolgt die Regelung des Fördervolumens vor allem durch die Veränderung des Spaltmasses und somit der Spaltverluste. Füllstücke zur Füllung der Toträume, welche beispielsweise in die Zahnlücken eingreifen, sind nicht notwendig. Durch die Druck- bzw.

   Fördermengenregelung über die Veränderung des Spaltmasses genügen äusserst geringe Verschiebungen, da das Spaltmass sehr stark Druck- und Fördermenge der Zahnradpumpe beeinflusst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe in einem Längsschnitt in der Ebene der Drehachsen, Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 mit einem Steuerorgan in einer ersten Stellung, Fig. 3 dieses Detail mit dem Steuerorgan in einer zweiten Stellung und Fig. 4 dieses Detail mit dem Steuerorgan in der zweiten Stellung in einer Schrägansicht. Die Zahnradpumpe 1 weist zwei miteinander in Eingriff stehende aussen verzahnte Zahnräder 2, 3 auf, welche in einem Förderraum 11 eines Pumpengehäuses 4 drehbar angeordnet sind. Das Zahnrad 3 wird über eine Antriebswelle 5 angetrieben und treibt das Zahnrad 2 an.

   Das getriebene Zahnrad 2 ist zusammen mit einer Abdichtscheibe 6 auf einer Regelachse 7 angeordnet und kann mit dieser in Richtung der Drehachse 2' des Zahnrades 2 verschoben werden, wie mit dem Pfeil P angedeutet ist. Mit Bezugszeichen 9 ist die Druckseite der Zahnradpumpe 1 bezeichnet.
Durch Verschieben der Regelachse 7 und damit des verschiebbaren Zahnrades 2 kann das Spaltmass 10 verändert werden. Das Spaltmass 10 ist als Abstand zwischen einer ebenen ersten Innenseitenwand 11a des Förderraumes 11 des Pumpengehäuses 4 und einer ersten Stirnseite 2a des verschiebbaren Zahnrades 2 definiert. Das Spaltmass 10 ist in Fig. 1 übertrieben dargestellt.

   Mit dem Aussendurchmesser d des verschiebbaren Zahnrades 2 beträgt der Verstellbereich des Spaltmasses 10 zwischen 0 bis d/5, vorzugsweise zwischen 0 bis d/50, wobei dem Ruhezustand ein minimaler, konstruktiv bedingter Wert für das Spaltmass 10 zugeordnet ist.
Die Regelung des Druckes bzw. der Fördermenge wird über das Spaltmass 10 und damit durch Veränderung der Spaltverluste bewerkstelligt. Dadurch kann auf Füllstücke, insbesondere zur Füllung der Zahnzwischenräume, verzichtet werden.

   Bereits eine geringe Verschiebung des verschiebbaren Zahnrades 2 reicht aus, um das Spaltmass 10 in ausreichendem Masse zu verändern.
Um ein seitliches Auslenken des Zahnrades 2 zu ermöglichen, weist die der ersten Innenseitenwand 11a gegenüberliegende zweite Innenseitenwand 11b konzentrisch zur Drehachse 2' eine im Wesentlichen zylindrische Nische 22 auf, deren Durchmesser D im Bereich der zweiten Stirnseite 2b des verschiebbaren Zahnrades 2 etwas grösser ist als der Aussendurchmesser d des Zahnrades 2.
Benachbart zur zweiten Stirnseite 2b des zweiten Zahnrades 2 ist eine Abdichtscheibe 6 angeordnet, welche fest mit der Regelachse 7 verbunden ist. Die Regelachse 7 und die AbdichtScheibe 6 sind durch eine Verdrehsicherung 31 gegen Verdrehen gesichert. Das Zahnrad 2 ist

Claims (9)

auf der Regelachse 7 über Lagerbuchsen 32 drehbar gelagert. Mit 33 ist ein Sicherungsring zwischen Regelachse 7 und Zahnrad 2 bezeichnet, welcher ermöglicht, dass das Zahnrad 2 gemeinsam mit der Regelachse 7 axial verschoben werden kann. Die in der Nische 22 angeordnete Abdichtscheibe 6 dient dazu, um den die Zahnräder 2, 3 aufnehmenden Förderraum 11 von einem zur Verschiebung des Zahnrades 2 notwendigen Totraum 12 innerhalb der Nische 22 abzudichten. Mit Bezugszeichen 34 sind entsprechende Dichtringe bezeichnet. Der Totraum 12 steht über einen Verbindungskanal 35 mit dem Druckraum 9 der Zahnradpumpe 1 in Verbindung. Weiters ist der Totraum 12 über einen ersten Entlastungskanal 25a mit einer Drucksenke 50 verbunden, welche der Saugraum oder die Pumpenumgebung, beispielsweise der Ölraum einer Ölwanne sein kann. Im ersten Entlastungskanal 25a ist ein Steuerorgan 26 angeordnet, welches durch einen in einem Zylinder 36 längsverschiebbaren Steuerkolben 37 gebildet ist, welcher durch eine beispielsweise durch eine Feder 38 gebildete Rückstellkraft in Richtung einer definierten Ausgangslage, im vorliegenden Fall in Richtung der Schliessstellung für den ersten Entlastungskanal 25a, belastet ist. Der Steuerkolben 37 ist quer zur Strömungsrichtung im ersten Entlastungskanal 25a angeordnet, so dass eine Steuerkante 39 des Steuerkolbens 37 den Durchtrittsquerschnitt des ersten Entlastungskanals 25a steuert. Die Stirnseite 37a des Steuerkolbens 37 grenzt an einen Steuerraum 40, in welchen ein Steuerkanal 41 einmündet. Das Steuerorgan 26 ist im Ausführungsbeispiel im Pumpengehäusedeckel 4a angeordnet. Auch die Nische 22 wird durch den Pumpengehäusedeckel 4a gebildet. Stromabwärts des Steuerorgans 26 ist im ersten Entlastungskanal 25a ein erstes Regelventil 51a angeordnet, welches konzipiert ist, um bei einem vordefinierten Druck den ersten Entlastungskanal 25a frei zu geben und in Richtung der Drucksenke 50 zu öffnen. Die Füllung des Totraumes 12 erfolgt über einen Verbindungskanal 35 von der Druckseite 9 der Zahnradpumpe 1 aus. Mit dem Totraum 12 ist weiters ein zweiter Entlastungskanal 25b strömungsverbunden. Der zweite Entlastungskanal 25b und der Verbindungskanal 35 münden über einen gemeinsamen Kanalabschnitt 43 in den Totraum 12 ein. Im zweiten Entlastungskanal 25b ist ein zweites Regelventil 51 b angeordnet, welches ab einem vordefinierten Druck den Strömungsweg in die Drucksenke 50 freigibt. Der Öffnungsdruck des ersten Regelventils 51a ist dabei geringer als der Öffnungsdruck des zweiten Regelventils 51 b und kann beispielsweise 2 bar betragen, während der Öffnungsdruck des zweiten Regelventils 51b beispielsweise 7 bar sein kann. Die ersten und zweiten Regelventile 51a, 51b können beispielsweise als Kugel-, Kegel- oder als Kolbenventile ausgebildet sein. Auf das getriebene Zahnrad 2, sowie die Abdichtscheibe 6 wirkt durch den Druck im Druckraum 9 eine Verstellkraft in Richtung der Nische 22, welcher der Druck im Totraum 12 entgegenwirkt. Durch die Regelung des Differenzdruckes zwischen dem Druck im Druckraum 9 und dem Totraum 12 kann die Position des getriebenen Zahnrades 2 gesteuert werden. Durch das Druckorgan 26 kann die Absteuerung des Druckes aus dem Totraum 12 mit äusserst geringem Aufwand auf zwei verschiedenen Druckniveaus erfolgen. Patentansprüche:

1. Zahnradpumpe (1 ) mit veränderbarem Fördervolumen mit zwei miteinander im Zahneingriff stehenden aussen verzahnten Zahnrädern (2, 3), welche in einem Förderraum (1 1 ) eines

Pumpengehäuses (4) drehbar angeordnet sind, wobei eines der beiden Zahnräder (3) über eine Antriebswelle (5) antreibbar und eines der beiden Zahnräder, vorzugsweise das getriebene Zahnrad (2), axial verschiebbar ausgebildet ist und ein durch den in axialer Rieh tung gemessenen Abstand zwischen einer im Wesentlichen ebenen ersten Innenseitenwand (1 1a) des Förderraumes (11 ) des Pumpengehäuses (4) und einer ersten Stirnseite (2a) des verschiebbaren Zahnrades (2) definiertes Spaltmass (10) veränderbar ist, und wobei eine der ersten Innenseitenwand (1 1a) gegenüberliegende und zu dieser parallele ebene zweite Innenseitenwand (1 1 b) des Förderraumes (11 ) im Bereich einer der ersten Stirnseite (2a) abgewandten zweiten Stirnseite (2b) des verschiebbaren Zahnrades (2b) eine konzentrisch zur Drehachse (21 ) ausgebildete, im Wesentlichen zylindrische Nische (22) aufweist,

deren Durchmesser (D) zumindest im Bereich des verschiebbaren Zahnrades (2) grösser ist als der Aussendurchmesser (d) des Zahnrades (2), wobei von der einen Totraum (12) definierenden Nische (22) zumindest ein mit einer Drucksenke strömungsverbindbarer

Entlastungskanal (25a, 25b) ausgeht, und wobei im Entlastungskanal (25a) ein Steuerorgan (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Totraum (12) mit dem Steuerorgan (26) wahlweise über ein erstes Regelventil (51a) für einen ersten Absteuerdruck oder über ein zweites Regelventil (51 b) für einen zweiten Absteuerdruck mit zumindest einer Drucksenke (50) verbindbar ist.

2. Zahnradpumpe (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Regelventil (51a) bei geringerem Absteuerdruck öffnet, als das zweite Regelventil (51b).

3. Zahnradpumpe (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Totraum (12) ein erster und ein zweiter Entlastungskanal (25a, 25b) strömungsverbunden ist, wobei das erste Regelventil (51a) im ersten Entlastungskanal (25a) und das zweite Regelventil (51 b) im zweiten Entlastungskanal (25b) angeordnet ist.

4. Zahnradpumpe (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (26) im ersten Entlastungskanal (25a) zwischen dem Totraum (12) und dem ersten Regelventil (51a) angeordnet ist.

5. Zahnradpumpe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (26) durch einen in einem Zylinder (36) axial und quer zum ersten Entlastungskanal (25a) verschiebbaren Steuerkolben (37) gebildet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt des ersten Entlastungskanals (25a) entweder frei zu geben oder zu sperren.

6. Zahnradpumpe (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) durch eine Feder (38) in Richtung seiner Schliessstellung belastet ist.

7. Zahnradpumpe (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (37) an einen Steuerraum (40) grenzt, welcher über eine Steuerleitung (41 ) mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagbar ist.

8. Zahnradpumpe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Totraum (12) vorzugsweise über einen Verbindungskanal (35) mit dem Druckraum (9) der Zahnradpumpe (1) strömungsverbunden ist.

9. Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (35) und der zweite Entlastungskanal (25b) über einen gemeinsamen Kanalabschnitt (43) in den Totraum (12) einmünden.