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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Funktionsprüfung von Hydraulikpumpen mit einem rotierenden
Verdränger, die insbesondere für elektronisch geregelte Bremsanlagen
geeignet sind.
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Vorzugsweise soll das Prüfungsverfahren bei Zahnradpumpen in
elektronisch geregelten Bremsanlagen eingesetzt werden, wobei
bei derartigen Bremsanlagen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen,
verschiedene Systeme bzw. Regelungen bekannt sind, wie zum
Beispiel Anti-Blockiersysteme (ABS), Antriebsschlupfregelungen
(ASR) oder elektronische Stabilitätsprogramme (ESP).
Insbesondere werden Zahnradpumpen heutzutage aber in
elektrohydraulischen Bremsanlagen (EHB) verwendet.
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Eine Zahnradpumpe in elektronisch geregelten Bremsanlagen ist
beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE 195 43 962 A1
und DE 198 47 082 bekannt. Bei einer Pumpe mit einem
rotierenden Verdränger kann es sich aber auch um eine Schraubenpumpe
oder eine Flügelzellenpumpe handeln.
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Um die Ausfallquote von Bremsanlagen zu minimieren, sehen
bisher bekannte Verfahren zur Funktionsprüfung hydraulischer
Pumpen vor, die Pumpe nach der Montage unter Betriebsbedingungen
auf ihre Funktion zu überprüfen. Dazu wird das vorgesehene
Hydraulikmedium von der Pumpe gefördert, wobei beispielsweise
Durchflußrate und Pumpenausgangsdruck überprüft werden. Liegen
diese Werte im geforderten Toleranzbereich, so gilt die
Hydraulikpumpe als funktionsfähig.
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Nachteilig an dieser sogenannten Naßprüfung ist, daß sich nach
der Prüfung noch Hydraulikflüssigkeit in der Pumpe befindet,
die entfernt werden muß, bevor die Pumpe vom Hersteller an den
Kunden geliefert wird. Das Reinigen erfordert einen großen
Aufwand, ohne daß eine 100%-ige Entfernung des Hydraulikmediums
ohne unverhältnismäßig großen Aufwand erreicht werden könnte.
Des weiteren kann während der Naßprüfung, insbesondere bei
eventuell auftretenden Leckagen, Hydraulikflüssigkeit
austreten, die teuer ist und die Umwelt belastet.
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Besonders wenn die Pumpe zur Verwendung in einer elektronisch
geregelten Bremsanlage für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden
soll, beispielsweise in einer elektrohydraulischen Bremsanlage
(EHB), sollte die Pumpe nach der Funktionsprüfung keine
Restflüssigkeit mehr enthalten, da sonst beim Kunden eine
Vakuumbefüllung der Bremsanlage mit Brems- bzw. Hydraulikflüssigkeit
äußerst aufwendig wäre. Um ein Vakuum herzustellen, muß in
diesem Fall nämlich zunächst die gesamte noch in der Pumpe
vorhandene Flüssigkeit abgepumpt werden, was selbst bei geringen
Flüssigkeitsvolumina einen hohen Aufwand erfordert.
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Aus der DE 43 37 521 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsprüfung
von Kolbenpumpen mit kompressiblen Medien, wie etwa Luft,
bekannt, bei dem die Pumpen mit einer an das Prüfmedium
angepaßten Leistung betrieben werden, um Resonanzschwingungen zu
vermeiden. Dabei werden diese Pumpen zumindest kurzfristig bei
hohen Drehzahlen betrieben, auch unter der Gefahr des
Verschleißes aufgrund fehlender Schmierung. Kolbenpumpen weisen jedoch
keinen rotierenden Verdränger auf, sondern einen Hubkolben, der
in einem Gehäuse hin- und hergehende Bewegungen ausführt.
Hierbei ist der Kolben mittels zumindest einer Ringdichtung
gegenüber dem Gehäuse abgedichtet, d. h. die Kolbenpumpe weist eine
dichtende Ringfläche auf.
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Im Gegensatz dazu besitzt eine Pumpe mit einem rotierenden
Verdränger mehrere Dichtpaarungen, abhängig von der jeweiligen
Stellung des Verdrängers bezüglich eines zugehörigen
Gegenstücks. Die Abdichtung von Saug- und Druckraum erfolgt dabei
nicht unter Zwischenschaltung einer separaten Dichtung, sondern
üblicherweise durch direkten Materialkontakt, insbesondere von
Metall auf Metall, wodurch an diesen Stellen eine besonders
hohe Reibung bzw. ein großer Verschleiß auftritt. Aus diesem
Grunde müssen Pumpen mit einem rotierenden Verdränger im
Betrieb stets gut geschmiert sein, was bei Hydraulikpumpen direkt
durch das Hydraulikmedium erfolgt. Die bei Kolbenpumpen
bekannte Trockenprüfung ist also nicht ohne weiteres auf Pumpen mit
einem rotierenden Verdränger übertragbar.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
möglichst zerstörungsfreies und gleichzeitig auch kostengünstiges
Prüfungsverfahren für Hydraulikpumpen mit einem rotierenden
Verdränger zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei
Hydraulikpumpen mit einem rotierenden Verdränger die
Funktionsprüfung mittels eines kompressiblen Mediums, vorzugsweise
Druckluft, und bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit des
Verdrängers durchgeführt wird. Anstatt der bisher üblichen
Hydraulikflüssigkeit wird bei der Funktionsprüfung also ein
kompressibles Medium wie Gas oder einfacherweise Druckluft verwendet.
Insbesondere Druckluft ist wesentlich kostengünstiger als
Hydraulik- oder Bremsflüssigkeit und belastet die Umwelt bei
auftretenden Leckagen nicht. Mittels der sehr geringen
Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Verdrängers wird der
Verschleiß der Pumpe, wie etwa Abrieb, und damit deren
Unbrauchbarkeit nach der Prüfung vermieden bzw. weitestgehend
reduziert. Gemäß der Erfindung müssen Hydraulikpumpen mit einem
rotierenden Verdränger also nicht mit der Betriebsdrehzahl bzw.
Rotationsgeschwindigkeit im Betrieb getestet werden. Für die
Funktionsprüfung genügt bereits eine wesentlich geringere
Rotationsgeschwindigkeit.
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Hydraulikpumpen mit einem rotierenden Verdränger sind
schlitzgesteuert und weisen somit diverse Spalte auf, die auch bei
sehr niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten des Verdrängers eine
Durchströmung mit insbesondere Druckluft zulassen. Anhand
dieser Durchströmung kann bei der Funktionsprüfung sofort auf die
richtige Montage aller Bauteile geschlossen werden, da
beispielsweise vergessene Teile die Leckageströmung wesentlich
erhöhen. Aber auch Fertigungsfehler bei Sitz- und/oder
Dichtflächen, beispielsweise Riefen in Axialscheiben, können auf diese
Art ermittelt werden.
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Vorzugsweise genügt es für die Funktionsprüfung zunächst, daß
die Hydraulikpumpe lediglich auf ihrer Druckseite mit dem
kompressiblen Medium beaufschlagt wird.
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Bevorzugt wird bei der geringen Rotationsgeschwindigkeit jede
Dichtpaarung zwischen dem insbesondere als Ritzel ausgebildeten
rotierenden Verdränger und einem vorzugsweise als Hohlrad
ausgebildeten, zugehörigen Gegenstück einzeln geprüft, wobei es
auch denkbar ist, den rotierenden Verdränger von Hand
anzutreiben bzw. zu drehen. Auf diese Weise können insbesondere bei der
Funktionsprüfung von Zahnradpumpen Fertigungsfehler von
einzelnen Zahnköpfen und Zahnflanken, beispielsweise von Ritzel und
Hohlrad, ermittelt werden.
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Mit besonderem Vorteil ist als Hydraulikpumpe eine
Innenzahnradpumpe mit einem Ritzel als rotierendem Verdränger und einem
Hohlrad als zugehörigem Gegenstück vorgesehen, für die das
erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet ist.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles
einer Innenzahnradpumpe näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Innenzahnradpumpe,
wobei insbesondere deren Axialkompensation dargestellt
ist,
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Fig. 2 im Schnitt eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches
von Fig. 1, und
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Fig. 3 einen Querschnitt durch die Innenzahnradpumpe, anhand
dessen die Radialkompensation der Pumpe verdeutlicht
wird.
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In Fig. 1 ist als Beispiel für eine Hydraulikpumpe mit einem
rotierenden Verdränger eine Innenzahnradpumpe 1 im Längsschnitt
dargestellt. Die im Betrieb mit einem Hydraulikmedium,
insbesondere Bremsflüssigkeit, betriebene Innenzahnradpumpe 1 weist
einen Kompensationsring 2 auf, in dem ein Hohlrad 3 angeordnet
ist. In dem Hohlrad 3 bewegt sich ein rotierender Verdränger
bzw. ein Ritzel 4, der bzw. das drehfest auf einer Welle 5
angeordnet ist. Das Ritzel 4 wird über die Welle 5 an deren Ende
6 angetrieben, im Betrieb beispielsweise durch einen nicht
gezeigten Elektromotor.
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Zur seitlichen Begrenzung eines zwischen dem Ritzel 4 und dem
Hohlrad 3 befindlichen Druckraumes 11 dienen Axialscheiben 7,
die über Lagerbuchsen 8 in einem nicht gezeigten Gehäuse
befestigt sein können. Unter Druck stehende Bereiche sind in Fig. 1
als Druckseite mit dem Bezugszeichen P gekennzeichnet.
Gegenüber dem nicht gezeigten Gehäuse sind die Axialscheiben 7
mittels Axialdichtungen 9 abdichtet. Mögliche Leckagen L können
insbesondere zwischen dem Ritzel 4 und den Axialscheiben 7 in
Richtung von der Druckseite P zu einer Saugseite S aber auch
zur Atmosphäre auftreten. Außerdem ist eine Leckage L zwischen
der Axialscheibe 7 und der Axialdichtung 9 möglich. Die
möglichen Leckagen bzw. Leckagewege L in axialer Richtung bezüglich
der Welle 5 sind in Fig. 1 jeweils mit einem Pfeil markiert.
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Anhand von Fig. 2 wird das bei der Funktionsprüfung angewandte
erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert, wobei Fig. 2 eine
vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereiches von Fig. 1 mit
einer Axialscheibe 7 und einer Axialdichtung 9 sowie der darauf
wirkenden Kräfte FP und FK darstellt. Es handelt sich bei FP um
eine Druckkraft und bei FK um eine durch die Druckkraft FPhervorgerufene Kompensationskraft. In der Axialscheibe 7 ist dabei
zumindest eine Bohrung 10 vorgesehen, die vom Druckraum 11 bzw.
vom Druckfeld PA in der Axialscheibe 7 zum Druckfeld PG des
Gehäuses bzw. zu einem nicht gezeigten Verbraucher führt, bei dem
es sich beispielsweise um die Radbremsen eines Kraftfahrzeuges
handeln kann.
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Wenn die Innenzahnradpumpe 1 bei der erfindungsgemäßen
Funktionsprüfung insbesondere auf ihrer Druckseite P mit einem
kompressiblen Medium, vorzugsweise trockener Druckluft,
beaufschlagt wird, so wird dadurch die Axialscheibe 7 zur axialen
Kompensation gezwungen, wobei die Kompensationskraft FK größer
oder gleich der Druckkraft FP sein sollte. Abhängig von der
Leckage bzw. Leckageströmung L ist eine erste Beurteilung der
Funktionsfähigkeit, insbesondere der Dichtheit der Pumpe 1
möglich. Beispielsweise kann sofort auf die richtige bzw.
fehlerhafte Montage aller Bauteile geschlossen werden, da
insbesondere vergessene Teile die Leckage L wesentlich erhöhen. Aber auch
Fertigungsfehler bei Sitz- und/oder Dichtflächen,
beispielsweise der Axialdichtung 9, oder Riefen in der Axialscheibe 7
können auf diese Art ermittelt werden.
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Anhand von Fig. 3, die einen Querschnitt durch die insbesondere
als Innenzahnradpumpe 1 ausgebildete Hydraulikpumpe mit einem
beispielsweise als Ritzel 4 ausgebildeten rotierenden
Verdränger zeigt, werden die Radialkompensation der Innenzahnradpumpe
1 sowie das erfindungsgemäße Prüfungsverfahren verdeutlicht.
Der vorzugsweise lediglich auf der Druckseite P in Form eines
kompressiblen Mediums aufgebrachte Prüfdruck führt zu einer
resultierenden Druckkraft FPres und die wiederum zu einer
Anpreßkraft FZ der Zahnköpfe 12, 13, wobei der Zahnkopf des Ritzels 4mit 12 und der Zahnkopf des Hohlrades 3 mit dem Bezugszeichen
13 versehen ist. Mittels der Anspreßkraft FZ erfolgt eine
Abdichtung zwischen Ritzel 4 und Hohlrad 3, wobei hier keine
separate Dichtung, sondern ein direkter Materialkontakt,
insbesondere von Metall auf Metall, vorgesehen ist, wodurch an
diesen Stellen eine besonders hohe Reibung bzw. ein großer
Verschleiß auftreten kann. Wenn nun aus irgendeinem Grunde die
Anpressung der Zahnköpfe 12, 13 nicht möglich ist, oder die
Zahnköpfe 12, 13 aufgrund von Winkelfehlern nicht ausreichend
Annäherung erzielen, so gelingt die radiale Kompensation nicht und
die Innenzahnradpumpe 1 versagt sowohl während der
Funktionsprüfung und als auch im Betrieb.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann der Kompensationsring 2
zusammen mit dem Hohlrad 3 um einen Kompensationsstift 14 bzw.
einen Drehpunkt 15 des Kompensationsringes 2 kippen oder
drehen. Hierdurch ergibt sich ein Momentengleichgewicht für das
radiale Moment Mr:
FPres.lP = Mr = FZ.lZ
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In dieser Gleichung stellen lP den Abstand der resultierenden
Druckkraft FPres zum Drehpunkt 15 des Kompensationsringes 2 und
lZ den Abstand der Anpreßkraft FZ der Zahnköpfe 12, 13 zum
Drehpunkt des Kompensationsringes 2 dar. D. h., daß bei gleicher
Geometrie die Anpreßkraft FZ der Zahnköpfe 12, 13 mit
steigendem Druck und damit steigender resultierender Druckkraft FPres
proportional ansteigt.
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Wenn nun die Pumpe 1 während der Funktionsprüfung insbesondere
auf ihrer Druckseite P mit vorzugsweise trockener Druckluft
beaufschlagt wird, so wird das Hohlrad 3 zur radialen
Kompensation gezwungen, wobei eine Leckage L des Prüfmediums zwischen den
Zahnköpfen hindurchströmen kann. Bei der radialen Kompensation
erfolgt die Abdichtung über bis zu drei Zahnkopfpaarungen 12,
13. Je mehr Zahnköpfe 12, 13 übereinanderstehen, desto geringer
ist die Leckage L. Gleiches gilt auch für die in Fig. 3
gegenüberliegend dargestellte Flankendichtung, bei der die
entsprechende Abdichtung über Zahnflanken 16, 17 von Ritzel 4 und
Hohlrad 3 erfolgt. Hier kann es ebenfalls zu einer Leckage L
kommen.
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Wenn nur das Ritzel 4 während der Funktionsprüfung
erfindungsgemäß langsam, d. h. mit niedriger Rotationsgeschwindigkeit ω,
gedreht wird, so wird der Verschleiß bzw. Abrieb von Ritzel 4
bzw. Hohlrad 3 der Zahnradpumpe 1 und damit auch deren
Unbrauchbarkeit nach der Prüfung vermieden bzw. weitestgehend
reduziert. Insbesondere kann während der Funktionsprüfung die
Drehung des Ritzels 4 schrittweise erfolgen, wobei auch eine
Drehung von Hand denkbar ist. Bei der niedrigen
Rotationsgeschwindigkeit ω alterniert die Leckage bzw. Leckageströmung L,
so daß jeder Zahn von Ritzel 4 und Hohlrad 3 einzeln überprüft
werden kann. Dies hat den besonderen Vorteil, daß bei der
Funktionsprüfung auch Fertigungsfehler von einzelnen Zahnköpfen 12,
13 und Zahnflanken 16, 17 von Ritzel 4 und Hohlrad 3 ermittelt
werden können. Insbesondere sind bei extremen Flankenfehlern
die Leckagen L auf der Abrollfläche größer, so daß bei der
Drehung des Ritzels 4 auch der Flankenfehler von Hohlrad 3 und
Ritzel 4 gemessen werden kann. Fehler von Zahnköpfen 12, 13
oder Zahnflanken 16, 17 können somit gezielt geortet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit auch ganz allgemein
zur Prüfung von Zahnrädern eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1 Innenzahnradpumpe
2 Kompensationsring
3 Hohlrad
4 Ritzel
5 Welle
6 Wellenende
7 Axialscheibe
8 Lagerbuchse
9 Axialdichtung
10 Bohrung in Axialscheibe
11 Druckraum
12 Zahnkopf des Ritzels
13 Zahnkopf des Hohlrades
14 Kompensationsstift
15 Drehpunkt des Kompensationsringes
16 Zahnflanke des Ritzels
17 Zahnflanke des Hohlrades
FK Kompensationskraft
FP Druckkraft
FPres resultierende Druckkraft
FZ Anpreßkraft der Zahnköpfe
L Leckage
lP Abstand der resultierenden Druckkraft FPres zum Drehpunkt
des Kompensationsringes
lZ Abstand der Anpreßkraft der Zahnköpfe FZ zum Drehpunkt des
Kompensationsringes
Mr radiales Moment
P Druckseite
PA Druckfeld der Axialscheibe
PG Druckfeld des Gehäuses
S Saugseite
ω Rotationsgeschwindigkeit des Verdrängers bzw. Ritzels