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Die
Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe mit Fördermengenregelung, insbesondere
für die Schmierölversorgung
eines Verbrennungsmotors.
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Zahnradpumpen
mit Fördermengenregelung sollen
die Ölbedarfsmenge
eines Verbrennungsmotors liefern und dafür selbst eine nur geringe Antriebsleistung
benötigen.
Vorzugsweise sind sie als Außenzahnrad-Ölpumpen
mit einer axialen Zahnradverschiebung ausgebildet, wie es beispielsweise
in der
DE 100 43 842
A1 oder der
DE
101 44 693 A1 beschrieben ist. Eine solche Zahnradpumpe
weist zwei in einem Gehäuse
angeordnete und miteinander kämmende
Zahnräder
auf, von denen das eine drehfest mit einer Antriebswelle verbunden
und stirnseitig vom Gehäuse
eingeschlossen und das andere als Abtriebszahnrad Bestandteil einer
Verschiebeeinheit ist.
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Die
Verschiebeeinheit weist außer
dem Abtriebszahnrad noch einen an dessen einer Stirnseite anliegenden
und mit diesem in Wirkverbindung stehenden Federkolben und auf der
diesem abgewandten Stirnseite einen Steuerkolben auf und ist auf
einer gehäusefesten
und parallel zur Antriebswelle verlaufenden Achse angeordnet, wobei
das Abtriebszahnrad drehbar gelagert ist und die beiden Kolben fest mit
der Achse verbunden sind. Der Federkolben und der Steuerkolben begrenzen
jeweils eine auf der dem Abtriebszahnrad abgewandten Stirnseite
mit der Gehäusewandung
ausgebildete zylindrische Druckkammer. In der federkolbenseitigen
Druckkammer ist eine Druckfeder angeordnet. Bei der Zahnradpumpe nach
der
DE 100 43 842
A1 stehen die beiden Druckkammern über eine Druckleitung mit einer
Drossel in hydraulischer Wirkverbindung, wobei die die Druckfeder
aufweisende Druckkammer maximaldruckbegrenzt ist.
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Aufgrund
der Gestaltung der Zahnradpumpe und der hydraulischen Verbindung
der beiden Druckkammern ergibt sich folgende Funktionsweise: Das Fluid
wird pumpeneingangsseitig angesaugt, gelangt zwischen die kämmenden
Zahnräder
und von dort in die Druckkammern und zum Pumpenausgang. Bei (Fluid-)Druckgleichheit
in den Druckkammern wird die Verschiebeeinheit durch die Druckfeder
in eine Grundstellung gedrückt,
in der die miteinander kämmenden
Zahnräder
mit ihrer gesamten Breite im gegenseitigen Eingriff stehen. Bei
Erreichen einer oberen (Fluid-)Druckgrenze in der maximaldruckbegrenzten
und die Druckfeder beherbergenden Druckkammer öffnet ein Überdruckventil, so dass aus
dieser Druckkammer eine bestimmte Fluidmenge bei entsprechendem
Druckabfall entweicht und in der Folge eine Axialverschiebung der
Verschiebeeinheit ausgelöst
wird, wenn die Summe aus dem reduzierten Druck und der Federkraft
geringer ist als der Druck in der gegenüberliegenden Druckkammer. Durch
die Axialverschiebung wird die Eingriffsbreite zwischen den beiden
Zahnrädern
reduziert, wodurch sich die Fördermenge
der Zahnradpumpe verringert und dadurch ein Druckabfall in beiden
Druckkammern eintritt. Dabei unterschreitet das Druckniveau in der
die Druckfeder aufweisenden Druckkammer die vorgegebene Druckgrenze
(Solldruck), und es stellt sich mit der Kraft der Druckfeder ein
Kräftegleichgewicht
an der Verschiebeeinheit ein. Da nun die beiden Druckkammern über eine
Drossel in hydraulischer Verbindung miteinander stehen, ergibt sich eine
druckausgleichende Strömung
des Fluids, beispielsweise Öls,
aus der Druckkammer mit dem höheren
Druck in die Druckkammer mit der Druckfeder, so dass der Druck in
letzterer Druckkammer wieder steigt, und in Verbindung mit der Federkraft
eine Rückverschiebung
der Verschiebeeinheit einsetzt, die Eingriffsbreite zwischen den
Zahnrädern
zunimmt und die Fördermenge
wieder steigt.
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Auf
diese Weise wird eine effektive Regelung eines sich in Bezug auf
eine einstellbare Druckobergrenze in der maximaldruckbegrenzten
Druckkammer einstellenden Druckniveaus in der Zahnradpumpe sichergestellt,
und es wird verhindert, dass die Zahnradpumpe mit einer unnötig hohen
Fördermenge
bei entsprechend erhöhter
Pumpenantriebsleistung arbeitet. Zur Druckbegrenzung in der maximaldruckbegrenzten
Druckkammer kann auch eine mit dieser in Wirkverbindung stehende
elektro-hydraulische Regeleinheit vorgesehen sein, der zur bedarfsgerechten
Einstellung des Druckniveaus eine mit der Regeleinheit wirkverbundene
Steuereinheit zugeordnet sein kann, welche mit einem mittels der
Zahnradpumpe druckbeaufschlagten Verbraucheraggregat in Verbindung
steht. Zur effektiven Druckausübung
auf den Federkolben ist jedoch eine lineare Regelfeder mit einer
entsprechend hohen Federkraft erforderlich, die einen größeren Pumpenbauraum
und auch ein größeres Gewicht
der Zahnradpumpe bedingt. Auch der Einsatz einer konischen Druckfeder
mit einer progressiven Federrate würde zu keiner wesentlichen
Bauraumverkleinerung führen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, den Bauraum einer Zahnradpumpe mit Fördermengenregelung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu verringern und damit auch deren
Gewicht zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
aufgeführt.
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Die
Erfindung besteht besteht darin, dass bei einer Zahnradpumpe mit
einer die Fördermenge
verändernden
und zwischen einer ersten und einer zweiten Druckkammer verschiebbar
angeordneten Verschiebeeinheit und einer in der zweiten Druckkammer
an der Verschiebeeinheit abgestützten
Druckfeder, die erste Druckkammer über ein Regelventil mit der
zweiten Druckkammer verbunden ist. Dieses Regelventil ist dabei über einen
mit der ersten Druckkammer verbundenen Druckumwandler mit einem mit
diesem gekoppelten Steuergerät,
in dem ein entsprechendes Kennfeld abgelegt ist, wirkverbunden. Die
Fördermenge
wird, wie bei den bekannten Zahnradpumpen mit einer Verschiebeeinheit, über den Fluiddruck
in den beiden Druckkammern und die daraus resultierende Stellung
der Verschiebeeinheit geregelt.
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Diese
Regelung erfolgt bei einem vorbestimmten Soll-Fluiddruck am Ausgang
der Zahnradpumpe. Wird vom Verbraucher eine größere Fluidmenge gefordert,
insbesondere eine größere Ölmenge von
einer Brennkraftmaschine infolge einer erhöhten Motordrehzahl, steigt
infolge der an diese gekoppelten Drehzahl der Zahnradpumpe die angesaugte Fluidmenge.
Diese größere Fluidmenge
führt zu
einer Erhöhung
des Fluiddruckes in den beiden Druckkammern und am Ausgang der Zahnradpumpe,
wobei sich mit der Druckfeder ein Kräftegleichgewicht an der Verschiebeeinheit
einstellt. Die Fluiddruckerhöhung
wirkt pumpenausgangsseitig auf den Druckumwandler, der dieses dem
Steuergerät
durch ein elektrisches Signal übermittelt.
Auf der Grundlage des in diesem abgelegten Kennfeldes wird das Signal verarbeitet
und das Regelventil gesteuert. Dieses ist nie völlig geschlossen, so dass ein
Druckausgleich stattfinden kann.
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Übersteigt
der am Ausgang der Zahnradpumpe gemessene Fluiddruck den vorbestimmten Soll-Fluiddruck, muß die Fördermenge
reduziert werden. Dieses erfolgt durch eine Vergrößerung der Durchgangsöffnung am
Regelventil, die zu einer Fluiddruckerhöhung und mit dem durch die
Druckfeder auf die Verschiebeeinheit ausgeübten Druck zu einer Gesamtdruckerhöhung in
der zweiten Kammer führt. Das
bestehende Kräftegleichgewicht
wird gestört, und
die Verschiebeeinheit wird in Richtung der ersten Druckkammer verschoben,
wodurch die Fördermenge
und damit auch der Fluiddruck reduziert werden.
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Ein
Nachlassen des Fluidbedarfs führt
zu einer Verringerung des Fluiddruckes in der ersten Druckkammer
und am Ausgang der Zahnradpumpe. Über den Druckumwandler und
das Steuergerät
wird die Durchgangsöffnung
am Regelventil verkleinert, wodurch der Fluiddruck in der zweiten
Druckkammer sinkt. Der Gesamtdruck, der nun unter dem Fluiddruck
in der ersten Druckkammer liegt, veranlaßt ein Verschieben der Verschiebeeinheit
in Richtung der zweiten Druckkammer, was eine Erhöhung der
Fluid-Fördervolumens
bzw. der Fluidmenge und eine Fluiddruckerhöhung am Ausgang der Zahnradpumpe nach
sich zieht. Auf diese Weise regelt sich die Fördermenge der Zahnradpumpe
bei einem vorgegebenen Soll-Fluiddruck je nach Anforderung selbsttätig. Eine
große
lineare Regelfeder wird nicht benötigt, wodurch die Zahnradpumpe
kleiner gebaut werden kann. Das wirkt sich in einer Gewichts- und
Materialeinsparung aus.
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Die
Zahnradpumpe kann durch ein zwischen deren Ausgang und deren Saugseite
angeordnetes Überdruckventil
maximaldruckbegrenzt sein. Wenn ein erhöhter Druck am Ausgang der Zahnradpumpe dieses
Sicherheitsventil öffnet,
kommt es zu einem Druckausgleich zwischen dem Ausgang und dem Eingang
bzw. der Saugseite mit der Folge einer Druckreduzierung in der ersten
Druckkammer. Dadurch wird wiederum die Verschiebeeinheit in Richtung
der ersten Druckkammer bewegt, und die Fördermenge wird verringert.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Zahnradpumpe nicht
eine unnötig
hohe Menge Fluid fördert
und Antriebsenergie verbraucht.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist die Zahnradpunpe als Außenzahnradpumpe
ausgebildet, bei der ein eingangsseitig drehfest an einer Antriebswelle
angeordnetes Antriebszahnrad mit einem Abtriebszahnrad kämmt, das
Bestandteil der Verschiebeeinheit ist. Diese weist eine Abtriebswelle auf,
auf der das Abtriebszahnrad drehbar gelagert ist, das die erste
Druckkammer begrenzt und das auf der dieser abgewandten Seite an
einem drehfesten Federkolben anliegt, der, durch die Druckfeder
beaufschlagt, die zweite Druckkammer definiert und begrenzt. Bei
einer Axialverschiebung der Verschiebeeinheit wird die Eingriffsbreite
zwischen den beiden Zahnrädern
vergrößert oder
verkleinert, wodurch sich die Fördermenge
erhöht
bzw. verringert.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die
zugehörige Zeichnung
zeigt einen Schnitt durch eine Außenzahnradpumpe mit an dieser
angeordneten Regelkomponenten in einem Regelkreis, wobei die Darstellung
schematisch ist.
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Die
Zahnradpumpe weist eingangsseitig eine am Pumpengehäuse 1 und
einem Pumpendeckel 2 gelagerte Antriebswelle 3 mit
einem drehfest an dieser angeordneten Antriebszahnrad 4 auf.
Dieses ist an seinen Stirnseiten vom Pumpengehäuse 1 und dem Pumpendeckel 2 eingeschlossen
und axial positioniert. Mit dem Antriebszahnrad 4 kämmt ein Abtriebszahnrad 5,
das mit einem Federkolben 6 eine Verschiebeeinheit 7 bildet,
die auf einer am Pumpengehäuse 1 und
am Pumpendeckel 2 gehalterten Abtriebswelle 8 verschiebbar
angeordnet ist, wobei das Abtriebszahnrad 5 drehbar auf
der Abtriebswelle 8 gelagert ist. Der Federkolben 6,
durch eine am Pumpendeckel 2 abgestützte Druckfeder 9 beaufschlagt, liegt
am Abtriebszahnrad 5 an, ist jedoch nicht drehbar, so dass
das Abtriebszahnrad 5 bei einer Drehbewegung an diesem
gleitet. Auf seiner der Druckfeder 9 abgewandten Stirnseite
bildet das Abtriebszahnrad 5 mit der Gehäusewandung
eine erste Druckkammer 10 und der Federkolben 6 mit
der Gehäusewandung und
dem Pumpendeckel 2 eine zweite Druckkammer 11 aus.
Die Position der Verschiebeeinheit 7 in Bezug zum Antriebszahnrad 4 wird
durch die Differenz der in den beiden Druckkammern 10 und 11 auf
die Verschiebeinheit wirkenden Druckräfte bestimmt.
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Die
erste Druckkammer 10 ist über ein pulsbreitenmodliertes
Magnetventil 12 mit der zweiten Druckkammer 11 verbunden,
das über
einen mit der ersten Druckkammer 10 verbundenen Druckumwandler 13 mit
einem mit diesem gekoppelten Steuergerät 14 wirkverbunden
ist. Im Steuergerät 14 ist ein
Kennfeld abgelegt, das die Beziehung zwischen dem jeweiligen durch
den Druckumwandler 13 an das Steuergerät 14 übermittelten
elektrischen Signal und dem Steuersignal für das Magnetventil 12 enthält, so dass
jedem gemessenen Druckwert, der in ein elektrisches Signal umgewandelt
wird, ein bestimmter elektrischer Impuls für das Magnetventil 12 zugeordnet
ist.
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Zwischen
dem Eingang E der Zahnradpumpe im Anordnungsbereich des Antriebszahnrades 4, an
der ein Öldruck
von im wesentlichen 1 bar anliegt, und dem Ausgang A im Anordnungsbereich
des Abtriebszahnrades 5, für der ein Soll-Fluiddruck von
3,5 bar bis 4,5 bar vorbestimmt ist, ist ein Überdruckventil 15 angeordnet,
das dazu dient, in der Druckkammer 10 einen maximalen Druck
in Höhe
von etwa 5 bar zuzulassen. Des Weiteren ist die zweite Druckkammer 11 über eine
im Pumpendeckel 2 ausgebildete Druckausgleichsleitung 16 mit
einer als Drossel wirkenden Leitungseinengung 17 versehen,
die mit dem Eingang E verbunden ist und die einem Druckausgleich
dient.
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Zu
Beginn der Ölförderung
durch die Zahnradpumpe entspricht der Öldruck in den beiden Druckkammern 10 und 11 dem
eingangsseitigen Saugdruck von etwa 1 bar, wobei die Verschiebeeinheit 7 mit
dem Abtriebszahnrad 5 durch die Druckfeder 9 in
Richtung der stirnseitigen Gehäusewandung der
Druckkammer 10 verschoben ist, so dass die Eingriffsbreite
B des Abtriebszahnrades 5 mit dem Antriebszahnrad 4 minimal
ist. Das Magnetventil 12 ist wenig geöffnet. Infolge der Ölförderung
durch das Antriebszahnrad 4 steigt der Öldruck P1 in der Druckkammer 10 und
am Ausgang A der Zahnradpumpe an, verbunden mit einer Verschiebung
der Verschiebeeinheit 7 in Richtung der Druckkammer 11 und
einer weiteren Erhöhung
des Fördervolumens. Übersteigt
der Öldruck
P1 am Ausgang A den vorbestimmten Soll-Öldruck, ist also das Fördervolumen
zu groß,
erfolgt über
den Druckumwandler 13 und die Steuereinheit 14 eine
Vergrößerung der
Durchgangsöffnung
des Ventils 12, wodurch der Öldruck P2 in der Druckkammer 11 zunimmt.
Die Verschiebeeinheit 7 mit dem Abtriebszahnrad 4 wird
in Richtung der Druckkammer 10 verschoben, wodurch die
Eingriffsbreite B der beiden Zahnräder 4 und 5 verringert
wird. Damit verbunden ist eine Verringerung des Fördervolumens
und damit auch des Öldruckes
P1 in der Druckkammer 10 und am Ausgang A.
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Die
Druckausgleichsleitung mit der Drossel 17 bewirkt eine
Verringerung des Öldruckes
P2 und damit auch des Gesamtdruckes in der Druckkammer 11,
so dass die Verschiebeeinheit 7 wieder nach deren Richtung
verschoben wird. Dadurch wird die Eingriffsbreite B der beiden Zahnräder 4 und 5 vergrößert, die
das Öl-Fördervolumen
pro Zahnradumdrehung bestimmt. Die geförderte Ölmenge steigt wieder und damit
auch der Druck P1 in der Druckkammer 10 und an der Ausgangsseite
A, wobei dieser Anstieg von der Drehzahl des Antriebszahnrades 4 mitbestimmt
wird.
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Wird
ausgangsseitig eine große Öl-Fördermenge
abverlangt, muß der Öldruck in
der Druckkammer 10 rasch ansteigen. Dazu signalisiert der Druckgeber 9,
dass der Öldruck
P1 an der Ausgangsseite A zu gering ist. Über das Steuergerät wird die Durchgangsöffnung des
Ventils 12 verringert, wodurch der Druck P2 nicht mehr
in dem Maße
wie der Druck P1 steigt, und die Verschiebeeinheit 7 bewegt sich
unter Vergrößerung der
Eingriffsbreite B der beiden Zahnräder 4 und 5 weiter
in Richtung der Druckkammer 11 und bewirkt eine Erhöhung des
Fördervolumens
und des Öldrucks
P1.
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Sinkt
die Öl-Fördermenge
und damit auch der Öldruck
P1, weil sich beispielsweise die Drehzahl der Antriebswelle 4 verringert,
wird die Durchgangsöffnung
des Ventils 12 verkleinert, der Druck P2 verringert sich,
und die Verschiebeeinheit 7 wird bei Vergrößerung der
Eingriffsbreite B wieder in Richtung der Druckkammer 11 verschoben,
wodurch die Öl-Fördermenge
pro Umdrehung der Zahnräder 4 und 5 gesteigert
wird.
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- 1
- Pumpengehäuse
- 2
- Pumpendeckel
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Antriebszahnrad
- 5
- Abtriebszahnrad
- 6
- Federkolben
- 7
- Verschiebeeinheit
- 8
- Abtriebswelle
- 9
- Druckfeder
- 10
- Druckkammer
- 11
- Druckkammer
- 12
- Magnetventil
- 13
- Druckumwandler
- 14
- Steuergerät
- 15
- Überdruckventil
- 16
- Druckausgleichsleitung
- 17
- Drossel
- A
- Ausgang
- B
- Eingriffsbreite
- E
- Eingang
- P
- Gesamtdruck
- P1
- Öldruck
- P2
- Öldruck