DE10159147A1

DE10159147A1 - Hydraulische Zahnradpumpe

Info

Publication number: DE10159147A1
Application number: DE2001159147
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schmid
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2001-12-01
Filing date: 2001-12-01
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Es wird eine innenverzahnte Hydraulikpumpe mit mindestens zwei Pumpenstufen (1, 2) beschrieben. Die verschiedenen Pumpenstufen (1, 2) werden dabei nicht wie bekannt in axialer Richtung untereinander, sondern in radialer Richtung übereinander angeordnet. Dabei läuft ein erstes Innenrad (3) mit seiner Außenverzahnung in einem Zwischenrad (4). Dieses Zwischenrad (4) hat zudem eine Außenverzahnung, mit welcher es in der Innenverzahnung des Außenrades (5) läuft. In einer ersten Ausgestaltung dichten die Füllstücke (6, 7) in je einer Pumpenstufe (1, 2) den Druckkanal (9, 11) gegen den Saugkanal (8, 10) ab. Das Zwischenrad (4) läuft mit dem Führungssteg (12) im Pumpengehäuse (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige hydraulische Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches sowie einem Verfahren zur Steuerung der Pumpe nach Anspruch 12.
Hydraulische Zahnradpumpen sind an sich bekannt. Anwendung finden sie z. B. in Getrieben, welche in der Regel mit mechanisch angetriebenen Innenzahnradpumpen ausgestattet sind. Dabei werden je nach Anforderungen ein- oder zweistufige Bauformen eingesetzt. Die Pumpen müssen so ausgelegt sein, dass sie in allen Betriebspunkten genügend fördern um die notwendige Ölmenge mit dem entsprechenden Druck für das Getriebe sicherzustellen.
Allerdings steigt die benötigte Ölmenge der Getriebe über den Anstieg der Drehzahl nur relativ gering. Die Fördermenge der mechanisch angetriebenen einstufigen Ölpumpen erhöht sich aber mit steigender Drehzahl linear. Zudem wird die gesamte Ölmenge in der Ölpumpe auf den notwendigen Betriebsdruck verdichtet. Um immer eine ausreichende Ölversorgung sicherzustellen, werden die bekannten einstufigen Ölpumpen meist so ausgelegt, dass sie auch mit Leerlaufdrehzahl die benötigte Ölmenge für den Motor oder das Getriebe fördern. Durch den Anstieg der Fördermenge dieser Pumpen über der Drehzahl wird bei Nenndrehzahl des Getriebes wesentlich mehr Öl gefördert und komprimiert als notwendig ist. Es werden beispielsweise bis zu 80% des Öles über ein Druckregelventil wieder entspannt und in den Ölsumpf zurückgeleitet da nur 20% der Ölmenge benötigt werden. Die eingesetzte Energie zur Komprimierung des überschüssigen Öles geht damit verloren. Sie schlägt sich z. B. im Kraftstoffverbrauch nieder und beeinflusst auch die Kühlerauslegung des Ölkreislaufes. Trotz der genannten Nachteile werden in Getrieben oder Motoren meist einstufige Zahnradpumpen verwendet, da sie eine wesentlich geringere axiale Baulänge besitzen, als bekannte zweistufige Pumpen.

Bei zweistufigen Ölpumpen dagegen kann die geförderte Ölmenge geregelt werden. So schlägt die DE 19 03 297 A1 eine zweistufige Zahnradpumpe vor, bei der beide Stufen der Pumpe getrennt angetrieben werden können. So fördern dort bei der Vorwärtsfahrt beide Pumpenstufen, im Leerlauf nur die erste Pumpenstufe und im Schleppbetrieb nur die zweite Pumpenstufe. Somit kann ein überflüssiges Fördern und Komprimieren vermieden und der Energieverlust verringert werden. Diese Zahnradpumpe arbeitet mit zwei hintereinander liegenden Stufen. Das bedeutet, dass sich gegenüber einer einstufigen Pumpe die Anzahl der Bauteile der Pumpe verdoppelt. Gleichermaßen wird auch die axiale Baulänge mindestens verdoppelt, da meistens eine Trennwand notwendig ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine hydraulische Zahnradpumpe zu entwickeln, mit welcher unter geringem Energieaufwand und gleichzeitig mit geringem axialen Bauraum die Versorgung eines Verbrauchers mit Fluid sichergestellt wird.

Die Aufgabe wird durch eine zweistufige hydraulische Zahnradpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruches sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind die einzelnen Pumpenstufen in einer Ebene angeordnet. Dass heißt, dass die einzelnen Pumpenstufen nicht wie bei den bekannten Zahnradpumpen in axialer Richtung hintereinander, sondern in radialer Richtung übereinander angeordnet sind. In einer günstigen Ausgestaltung dient ein spezielles Zwischenrad als Außenrad einer ersten Pumpenstufe wie auch als Innenrad einer zweiten Pumpenstufe. Dafür wird ein Zwischenrad verwendet, welches sowohl auf der Innenseite wie auch auf der Außenseite verzahnt ist. Damit ist es möglich eine zweistufige Zahnradpumpe zu realisieren, für welche nur ein Bauteil mehr als für eine einstufige Zahnradpumpe notwendig ist. Bei dieser Bauart ist der axiale Bauraum nicht größer als bei einer einstufigen Ausführung. Dies ist z. B. bei der Verwendung als Ölpumpe bei Getrieben in Front-Quer Anordnung besonders wichtig, da dort die Gesamtbaulänge des Getriebes eine sehr entscheidende Rolle spielt.

In einer günstigen Ausgestaltung wird die Fördermenge der ersten Pumpenstufe immer an ein Hauptdruckventil weitergeleitet und auf den Betriebsdruck komprimiert. Die Fördermenge der zweiten Pumpenstufe wird dagegen über ein weiteres Druckventil geregelt. Über dieses Druckventil wird das geförderte Fluid der zweiten Stufe nur bei Bedarf komprimiert und dem Fluidkreislauf zugeführt. Wenn zusätzlich zu der Fördermenge der ersten Pumpenstufe kein Fluid benötigt wird, kann die von der zweiten Pumpenstufe geförderte Menge wieder drucklos in den Vorratsbehälter zurück gefördert werden. Durch diese Regelung kann ein Großteil der Energie gespart werden, da das drucklose Fördern des Fluides in den Vorratsbehälter mit sehr geringen Verlusten geschehen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung einer zweistufigen Zahnradpumpe;
Fig. 2 Schnitt gemäß der Linie A-A der Fig. 1 und
Fig. 3 Hydraulikschaltplan einer zweistufigen Pumpenanordnung.
In Fig. 1 ist eine günstige Ausgestaltung einer Zahnradpumpe dargestellt. Das außen verzahnte Innenrad 3 der ersten Pumpenstufe 1 läuft in der Innenverzahnung des Zwischenrades 4. Die Außenverzahnung des Zwischenrades 4 wiederum läuft in der Innenverzahnung des Außenrades 5 der zweiten Pumpenstufe 2. Die Pumpenstufen 1, 2 sind also so angeordnet, dass Innenrad 3, Zwischenrad 4 und Außenrad 5 in einer Ebene liegen. Dabei ist das Innenrad 3 der ersten Pumpenstufe 1 drehfest mit einer Antriebswelle verbunden und treibt somit das Zwischenrad 4 an. Durch das angetriebene Zwischenrad 4 wird das Außenrad 5 der zweiten Pumpenstufe 2 angetrieben. Die Drehrichtung 14 des Innenrades 3 entspricht in der Figur eins einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn.
Das Zwischenrad 4 ist vorteilhafterweise einteilig aufgebaut. Zwischen dem Innenrad 3 und der Innenseite des Zwischenrades 4 wie auch zwischen der Außenseite des Zwischenrades 5 und dem Außenrad 5 sind sichelförmige Füllstück 6, 7 angebracht. Diese Füllstücke 6, 7 trennen den Saugraum vom Druckraum beider Pumpenstufen 1, 2 gemäß bekannten einstufigen Innenzahnrad- oder Mondsichelpumpen. Beide Pumpenstufen 1, 2 haben jeweils einen eigenen Druckkanal 9, 11 und fördern permanent Öl. Dabei wird die Fördermenge der ersten Pumpenstufe 1 auf Betriebsdruck komprimiert, die Fördermenge der zweiten Pumpenstufe 2 wird je nach Bedarf auf Betriebsdruck komprimiert oder drucklos in den Vorratsbehälter 19 gefördert. Das Zwischenrad 4 weist in axialer Richtung eine Führungssteg 12 auf. Dieser erstreckt sich über den gesamten Umfang des Zwischenrades 4 und führt das Zwischenrad 4 im Pumpengehäuse 13.
In einer weiteren Ausgestaltung kommen die verschiedenen Pumpenstufen 1, 2 ohne die sichelförmigen Füllstücke 6, 7 aus und werden gemäß der bekannten Rotorpumpen gefertigt. Dabei basiert die Verzahnung auf einer Trochoidenverzahnung, wodurch die Abdichtung des Druckraumes vom Saugraum allein durch die Zahnform gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Innenrad 3 und das Außenrad 5 nicht in einer Ebene angeordnet, sondern axial versetzt. Um eine Kraftübertragung zu ermöglichen ist mindestens ein Zwischenrad breiter gefertigt als das Innenrad 3 und das Außenrad 5.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Zwischenrad nicht einteilig gefertigt, sondern besteht aus zwei getrennten Elementen, welche vorteilhafterweise formschlüssig miteinander verbunden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung liegen die Exzentrizitäten e mehrerer Pumpenstufen in einer Richtung. Dadurch liegt der Mittelpunkt des Außenrades 5 nicht mehr auf dem Mittelpunkt des Innenrades 3, sondern ist radial versetzt. Dadurch liegen in einer vorteilhaften Ausgestaltung beide sichelförmigen Füllstücke 6, 7 auf einer Seite.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Pumpe in einer Seitenansicht dargestellt. Man kann das Pumpengehäuse 13 und den Führungssteg 12 zu sehen. Der Führungssteg 12 erlaubt eine Führung des Zwischenrades 4 im Pumpengehäuse 13.
Der Hydraulikschaltplan in Fig. 3 stellt schematisch die Anordnung der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe und der dazugehörigen Ventile bei der Verwendung als Getriebeölpumpe dar. Beide Pumpenstufen 1, 2 fördern demnach permanent eine bestimmte Ölmenge. Das Öl der ersten Pumpenstufe 1 wird immer direkt an das Hauptdruckventil 4 geleitet und auf den notwendigen Betriebsdruck komprimiert. Das durch die zweite Pumpenstufe 2 geförderte Öl wird dagegen an ein regelbares Druckventil 15 gefördert. Das Druckventil 15 bewirkt, dass das durch die zweite Pumpenstufe geförderte Öl entweder komprimiert oder drucklos über die Rückführleitung 18 in den Vorratsbehälter 19 zurückgeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Steuerung eines regelbaren Druckventils von einer elektronischen Getriebesteuerung 5 angesteuertem Magnetventil durchgeführt. In diesem Fall wird die zweite Pumpenstufe 2 situationsabhängig zu- bzw. abgeschaltet. So kann sie z. B. in Abhängigkeit von der Öltemperatur und dem Getriebestatus außerhalb von Schaltungen bereits bei Leerlaufdrehzahl abgeschaltet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Druckventil 15 direkt von dem Hauptdruckventil 16 angesteuert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung arbeiten beide Pumpenstufen 1, 2 von der Antriebsdrehzahl "null" bis zu einer zu bestimmenden Drehzahlgrenze parallel; d. h. dass das geförderte Öl beider Stufen auf den Betriebsdruck komprimiert wird. Die Pumpe ist dabei so ausgelegt, dass das Fördervolumen der beiden Pumpenstufen zusammen gerade dem maximal benötigten Fördervolumen entspricht. Wird die Drehzahlgrenze überschritten, reicht das linear steigende Fördervolumen der ersten Pumpenstufe 1 zur vollständigen Ölversorgung des Getriebes aus und die zweite Pumpenstufe 2 wird abgeschaltet. Das Öl der zweiten Pumpenstufe 2 wird dann drucklos über die Rückführleitung 18 in den Vorratsbehälter 19 gefördert. Fällt die Antriebsdrehzahl unter die festgelegte Drehzahlgrenze wird die zweite Pumpenstufe 2 wieder hydraulisch zugeschaltet und das durch sie geförderte Öl komprimiert.
In einer weiteren Ausgestaltung schaltet sich in die zweite Pumpenstufe 2 direkt zu sowie eine Schaltung durch einen Schaltbefehl eingeleitet wird,. Damit kann z. B. der stark erhöhte Ölbedarf zur Kupplungsbefüllung gedeckt werden. Mit dem Ende der Schaltung wird die zweite Pumpenstufe 2 wieder abgeschaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Fördervolumen beider Pumpenstufen 1, 2 zueinander so gewählt, dass das Fördervolumen der ersten Pumpenstufe 1 etwa 50% des Fördervolumens der zweiten Pumpenstufe 2 beträgt. Bezugszeichen 1 erste Pumpenstufe
2 zweite Pumpenstufe
3 Innenrad
4 Zwischenrad
5 Außenrad.
6 erstes Füllstück
7 zweites Füllstück
8 erster Saugkanal
9 erster Druckkanal
10 zweiter Saugkanal
11 zweiter Druckkanal
12 Führungssteg
13 Pumpengehäuse
14 Drehrichtung Innenrad
15 regelbares Druckventil
16 Hauptdruckventil
17 elektronische Getriebesteuerung
18 Rückführleitung
19 Vorratsbehälter
e Exzentrizität

Claims

1. Innen verzahnte Zahnradpumpe mit mindestens zwei Pumpenstufen (1, 2) welche permanent angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstufen (1, 2) in einer Ebene, in radialer Richtung übereinander, angeordnet sind.

2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstufen (1, 2) getrennte Druckkanäle (9, 11) besitzen.

3. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstufen (1, 2) gemeinsame Druckkanäle besitzen.

4. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstufen (1, 2) getrennte Saugkanäle (8, 10) besitzen.

5. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstufen (1, 2) gemeinsame Saugkanäle besitzen.

6. Zahnradpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zwischenrad (4) zweiteilig gefertigt ist und die beiden Hälften formschlüssig zusammengefügt werden.

7. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrad (5) axial versetzt zum Innenrad (3) ist und mindestens ein Zwischenrad (4) so breit gefertigt ist, dass eine Kraftübertragung vom Innenrad (3) zum Außenrad (5) sichergestellt wird.

8. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt des Außenrades (5) auf dem Mittelpunkt des Innenrades (3) liegt.

9. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizitäten (e) mindestens zweier Pumpenstufen (1, 2) auf einer Seite liegen.

10. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenrad (3) und den Zwischenrädern (4) wie auch zwischen dem Außenrad (5) und den Zwischenrädern (4) Füllstücke (6, 7) liegen, welche den Druckraum vom Saugraum der einzelnen Pumpenstufen trennen.

11. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung der Zahnräder nach dem Trochoidenprinzip gefertigt ist, und dass die Verzahnung selbst den Saugraum vom Druckraum abdichtet.

12. Zahnradpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des geförderten Fluides mindestens einer Pumpenstufe (1, 2) geregelt wird.

13. Zahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des geförderten Fluides mindestens einer Pumpenstufe (1, 2) über eine elektronische Getriebesteuerung (17) geregelt wird.

14. Zahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das geförderte Fluid einer ersten Pumpenstufe (1) an ein nicht steuerbares Hauptdruckventil (16) geleitet und das geförderte Fluid mindestens eine weiteren Pumpenstufe (2) über ein regelbares Druckventil (15) geregelt werden.

15. Zahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das geförderte Fluid mindestens einer zweiten Stufe (2) immer komprimiert wird sobald die Antriebswelle eine bestimmte Drehzahlgrenze überschreitet und drucklos in den Vorratsbehälter (19) gefördert wird, sobald die Antriebswelle eine bestimmte Drehzahlgrenze unterschreitet.

16. Zahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der ersten Pumpenstufe (1) etwa 50% der zweiten Pumpenstufe (2) entspricht.