-
Die
Erfindung betrifft eine verstellbare Verdrängerpumpe mit einem in einem
Gehäuse
gelagerten Rotor, mit einem den Rotor umschließenden Kurvenring und mit zwischen
dem Rotor und dem Kurvenring durch Rotorelemente abgegrenzten Arbeitskammern
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
-
Eine
gattungsgemäße verstellbare
Verdrängerpumpe
ist aus der
DE 199
42 466 A1 bekannt.
-
Bei
Servolenkeinrichtungen in Kraftfahrzeugen wird die Verdrängerpumpe
im allgemeinen direkt über
den Fahrzeugmotor angetrieben. Bei diesen Verdrängerpumpen erhöht oder
vermindert sich der Förderstrom
somit gemäß der Drehzahl
des Motors. Eine Servolenkeinrichtung erfordert eine Lenkhilfskraft,
die sich erhöht,
wenn das Fahrzeug steht oder mit geringer Geschwindigkeit fährt, und
sich vermindert, wenn das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt. Die
Eigenschaften der Verdrängerpumpe
stehen somit im Widerspruch zu der ge wünschten Lenkhilfskraft. Demgemäß muss eine
Verdrängerpumpe mit
einem so großen
Volumen verwendet werden, dass sie selbst bei langsamem Fahren mit
geringer Drehzahl einen zur Erzeugung einer erforderlichen Lenkhilfskraft
benötigten
Förderstrom
aufrecht erhalten kann. Bei schnellem Fahren mit einer hohen Drehzahl
müssen
Maßnahmen
getroffen werden, um den Förderstrom
auf oder unter einen vorbestimmten Wert zu regeln. Häufig werden
dabei die drehzahlbedingt anfallenden Überschussmengen auf die Saugseite
der Pumpe zurückgeleitet,
womit insbesondere bei höheren
Drehzahlen erhebliche Verluste und Wärmebelastungen verbunden sind.
Dies wird aber in Kauf genommen, um im Bedarfsfall jederzeit dem maximalen
Verbraucherbedarf entsprechende, große Volumenströme zur Verfügung zu
haben.
-
Zur
Behebung der genannten Nachteile weisen die bekannten verstellbaren
Verdrängerpumpen eine
Verstellbarkeit des Kurvenringes auf. Dabei ist vorgesehen, dass
bei steigender Drehzahl der Kurvenring derart verschoben wird, dass
das geometrische Fördervolumen
der Arbeitskammern reduziert wird. Umgekehrt wird bei geringen Drehzahlen
der Kurvenring derart verschoben, dass das geometrische Fördervolumen
der Arbeitskammern vergrößert wird.
-
Aus
der gattungsgemäßen Schrift,
der
DE 199 42 466
A1 , ist es bekannt, zwischen dem Gehäuse bzw. einem Außenring
und dem Kurvenring zwei zueinander abgegrenzte und im wesentlichen
gegenüberliegende
Druckkammern auszubilden, die zur Verschiebung des Kurvenringes
bedarfsweise mit einem Fluiddruck beaufschlagt werden.
-
Hierbei
sind verschiedene Regeleinrichtungen denkbar, um den Kurvenring
durch eine entsprechende Ansteuerung der Druckkammern zu verschieben.
Um ein zuverlässiges
Starten der Verdrängerpumpe
zu gewährleisten,
ist gemäß der gattungsgemäßen Schrift
ein Federelement vorgesehen, welches den Kurvenring im drucklosen
Zustand in eine Position drückt,
bei der das Volumen der Arbeitskammern maximal ist.
-
Der
Einsatz verstellbarer Verdrängerpumpen,
der sich im Hinblick auf die damit mögliche Reduzierung der Verlustleistung
an sich anbieten würde,
wird bislang in der Praxis nur bedingt vorgenommen, da die Verstelldynamik
der Pumpe zur Erhöhung
des Fördervolumens
den Anforderungen nicht immer gerecht wird, was unter Komfort- und
auch Sicherheitsgesichtspunkten zu kritischen Zuständen führen kann.
-
Verstellbare
Verdrängerpumpen
sind aus dem allgemeinen Stand der Technik vorwiegend als einhubige
Flügelzellenpumpen
bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die
DE 199 57 886 A1 verwiesen. Derartige
Flügelzellenpumpen
weisen einen in einem Gehäuse
gelagerten und von einem Kurvenring umschlossenen Rotor auf, über dessen
radial verschiebliche Rotorflügel
in Abhängigkeit
von der Exzentrität zwischen
Rotor und Kurvenring in ihrem Volumen veränderliche Arbeitskammern abgegrenzt
sind. Der Kurvenring ist zur Veränderung
der Exzentrität
gegenüber
dem Rotor im Gehäuse
verstellbar bzw. verschiebbar.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare
Verdrängerpumpe
zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile des Standes
der Technik löst,
insbesondere eine geringe Verlustleistung aufweist und trotzdem
bei Bedarf eine hohe Fördermenge
zur Verfügung
stellt.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
-
Durch
das elastische bzw. federnde Element, welches der Verschiebung des
Kurvenrings zur Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern entgegenwirkt, ergibt sich eine Regelung
des Volumens der Arbeitskammern in Abhängigkeit der Druckbelastung
der Pumpe. Unbelastet fördert
die Verdrängerpumpe
mit steigender Drehzahl im Proportionalbereich eine entsprechende Ölmenge,
abhängig
von der Grundauslegung der Bauteile. Sobald die Pumpe druckbelastet
wird, d.h. sobald ein Verbraucher mit einem Fluiddruck beaufschlagt
werden muss, führt
dies zu einer Verschiebung des Kurvenringes in eine Richtung, durch
die das Volumen der Arbeitskammern vergrößert wird. Das elastische Element
wirkt dabei der Verschiebung des Kurvenringes entgegen. Das elastische
Element kann dabei derart ausgelegt werden, dass dieses erst ab
einem definierten Pumpendruck, d.h. erst ab einer definierten Druckbelastung
der Pumpe, nachgibt bzw. ausweicht, wodurch der Kurvenring weiter
in eine Richtung verschoben werden kann, die zur Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern führt.
Mit steigendem Pumpendruck wird somit die entgegenwirkende Kraft
des elastischen Elements überwunden,
wodurch sich der Hub der Rotorelement, beispielsweise der Hub der
Flügel
einer Flügelzellenpumpe,
vergrößert, woraus
ein entsprechendes größeres geometri sches
Fördervolumen
resultiert.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es somit möglich
im Proportionalbereich unter Druck das geometrische Fördervolumen
anzuheben. Solange der Verdrängerpumpe
keine Leistung abverlangt wird, arbeitet diese mit einem kleinen
geometrischen Fördervolumen
und entspricht somit einer kleinen Pumpe, mit den vorteilhaften
geringen Verlusten.
-
Das
elastische Element ermöglicht
es, dass die Arbeitskammern der Verdrängerpumpe, wenn die Verdrängerpumpe
nicht druckbelastet ist, ein kleines geometrisches Fördervolumen
aufweisen. Daraus resultiert eine geringe Verlustleistung der Pumpe. Eine
Erhöhung
des Volumens der Arbeitskammern erfolgt nur in Verbindung mit einem
erhöhten
bzw. hohen Druck. Der Fördermengenanstieg
kann über
die elastischen bzw. Federeigenschaften des elastischen Elements
beliebig angepasst sein.
-
Von
Vorteil ist es, wenn zwischen dem Gehäuse bzw. einem Außenring
und dem Kurvenring zwei zueinander abgegrenzte Druckkammern ausgebildet
sind, wobei in einer Druckkammer ein Fluiddruck aufbaubar ist, welcher
der Verschiebung des Kurvenrings zur Vergrößerung des Volumens der Arbeitskammern
entgegenwirkt, während
in der anderen Arbeitskammer, bedingt durch eine Feder und/oder
einen Fluiddruck, ein die Verschiebung des Kurvenringes zur Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern unterstützender Druck aufbaubar ist.
-
Wie
der Erfinder in überraschender
Weise herausgefun den hat, genügt
zur Verschiebung des Kurvenrings (zur Vergrößerung des Volumens der Arbeitskammern)
bereits der Druck, der sich in den Arbeitskammern durch die Druckbelastung
der Verdrängerpumpe
einstellt. Da der Rotor aufgrund seiner starren Verbindung mit der
Welle unbeweglich ist, wird der Kurvenring durch eine Erhöhung des
Drucks in den Arbeitskammern in eine Richtung verschoben, die das
Volumen der Arbeitskammern vergrößert. Diesem
Druck wirkt das elastische Element entgegen. Sobald der Druck in
den Arbeitskammern größer ist
als der von dem elastischen Element erzeugte Gegendruck, wird der
Kurvenring entsprechend ausgelenkt. Umgekehrt wird der Kurvenring
durch das elastische Element wieder zurückgeschoben, sobald der Druck
in den Arbeitskammern sinkt.
-
Eine
Verschiebung des Kurvenringes erfolgt gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise
der gattungsgemäßen Schrift,
der
DE 199 42 466
A1 , weitgehend dadurch, dass ein entsprechender Fluiddruck
in den Druckkammern aufgebaut wird, der entsprechend an den Umfangs-
bzw. Außenflächen des Kurvenringes
angreift und diesen verschiebt bzw. verstellt. Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung ist ein
Aufbauen eines Fluiddruckes in den Druckkammern nicht zwingend notwendig.
Der Erfinder hat jedoch festgestellt, dass sich ein zusätzlicher
Ausgleich der inneren Leckagen einstellt, wenn zumindest in der
Druckkammer, welche der Verschiebung des Kurvenrings zur Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern entgegenwirkt, ein Fluiddruck aufgebaut
wird. In der gegenüberliegenden
Druckkammer kann ein die Verschiebung des Kurvenringes zur Vergrößerung des
Volumens unterstützender
Druck beispielsweise durch eine Feder und/oder einen Fluiddruck
erzeugt werden.
-
Ohne
einen definierten Druckaufbau in den beiden Druckkammern besteht
die Gefahr, dass sich aufgrund von Leckagen in den Druckkammern
ein undefinierter Druck aufbaut, der die vorteilhafte Steuerung
des Kurvenringes stören
könnte.
-
Prinzipiell
können
bekannte Regelungseinrichtungen zur Steuerung bzw. Beeinflussung
des Fluiddrucks in den Druckkammern mit der erfindungsgemäßen Lösung kombiniert
werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann das elastische Element als Federelement, vorzugsweise als Tellerfeder,
ausgebildet sein.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann das elastische Element auch einstückig aus dem Gehäuse bzw.
dem Außenring
oder aus dem Kurvenring ausgeformt sein. Das elastische Element
kann hierzu beispielsweise als Auskragung bzw. Auswölbung ausgebildet
sein, die einen Hohlraum umschließt, welcher zum Ausweichen
eines Teils des Materials des elastischen Elements dient, wenn dieses
entsprechend druckbelastet wird. Hierzu sind aus dem allgemeinen
Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten nahegelegt.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren
Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
prinzipmäßig dargestellt.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine einhubige Flügelzellenpumpe;
und
-
2 eine
alternative Ausgestaltung des elastischen Elements.
-
Verstellbare
Verdrängerpumpen
sind aus dem allgemeinen Stand der Technik konstruktiv als auch
hinsichtlich ihrer Funktionsweise hinlänglich bekannt, weshalb nachfolgend
lediglich auf die für
die erfindungsgemäße Lösung wesentlichen
Merkmale näher
eingegangen wird.
-
Das
Ausführungsbeispiel
zeigt eine verstellbare Verdrängerpumpe
1 in
einer Ausführung
als einhubige Flügelzellenpumpe.
Eine einhubige Flügelzellenpumpe
ist beispielsweise aus der
DE
199 42 466 A1 sowie aus der
DE 102 40 499 A1 bekannt.
-
Die
in 1 dargestellte Flügelzellenpumpe 1 weist
einen in einem Außenring 2a angeordneten und über eine
Welle gelagerten Rotor 3 auf. Der Außenring 2a ist in
einem Gehäuse 2 eingesetzt.
Der Rotor 3 ist dabei von einem Kurvenring 4 umgeben. Der
Rotor 3 weist in bekannter Weise Schlitze auf, in denen
Rotorelemente 5 beweglich gelagert sind. Die Rotorelemente 5 sind
im Ausführungsbeispiel
als Flügel 5 ausgebildet.
Zwischen dem Rotor 3 und dem Kurvenring 4 sind
durch die Flügel 5 abgegrenzte
Arbeitskammern 6 ausgebildet, deren Volumen durch Veränderung
der Exzentrität
zwischen dem Rotor 3 und dem Kurvenring 4 einstellbar
ist. Der Kurvenring 4 ist hierzu durch einen als Stützwelle
die nenden Schwingdrehzapfen 7 in einem elliptischen Raum 8, der
innerhalb des Außenringes 2a gebildet
wird, verschiebbar bzw. verstellbar zu der Rotorachse angeordnet.
-
Im
von den Flügeln 5 überstrichenen
Bereichen sind in bekannter Weise einander gegenüberliegend ein Saugschlitz 9 und
ein Druckschlitz 10 vorgesehen, wobei das Fördervolumen
der Flügelzellenpumpe 1 durch
die Exzentrität
des Kurvenringes 4 zum Rotor 3 bestimmt ist, die
durch eine Hubverstellung des als Stellkolben wirkenden Kurvenringes 4 gemäß Pfeilrichtung
A der 1 veränderbar
ist.
-
Der
Saugschlitz
9 sowie der Druckschlitz
10 stehen
in bekannter Weise in Verbindung mit weiterführenden Kanälen, an denen unter anderem
ein nicht näher
dargestellter Verbraucher sowie ein Steuerventil und ein Druckmitteltank
angeschlossen sind. Hinsichtlich möglicher Ausführungsformen
hierzu wird auf die
DE
199 42 466 A1 sowie die
DE 102 40 499 A1 verweisen. Aus dem allgemeinen
Stand der Technik sind jedoch auch weitere Lösungen bekannt und nahegelegt.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist, sind zwischen dem Außenring 2a und
dem Kurvenring 4 zwei zueinander abgegrenzte Druckkammern 11, 12 ausgebildet.
Die Druckkammern 11, 12 können dabei ebenfalls an eine
Regeleinrichtung angeschlossen werden, die in Verbindung mit dem
Steuerventil und dem Druckmitteltank steht. Anschluss- bzw. Steuereinrichtungen
hierzu sind aus dem allgemeinen Stand der Technik nahegelegt.
-
Prinzipiell
kann auf die Ausgestaltung eines Außenringes 2a auch
verzichtet werden. In diesem Fall werden die Druckkammern 11, 12 zwischen
dem Kurvenring 4 und dem umgebenden Gehäuse 2 ausgebildet.
Der Einsatz eines Außenringes 2a hat
sich konstruktiv jedoch als vorteilhaft herausgestellt.
-
Im
Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass in der Druckkammer 11 ein Fluiddruck
aufbaubar ist, welcher der Verschiebung des Kurvenrings 4 zur
Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern 6 entgegenwirkt. Im Ausführungsbeispiel
ist ferner vorgesehen, dass in der Druckkammer 12 ein Fluiddruck aufgebaut
wird, der die Verschiebung des Kurvenrings 4 zur Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern 6 unterstützt. Alternativ oder ergänzend dazu
kann auch ein Federelement, beispielsweise eine mechanische Feder,
vorgesehen sein.
-
Die
Verschiebung des Kurvenringes 4 in eine Richtung, die zu
einer Vergrößerung des
Hubs der Flügel 5 und
somit zu einer Vergrößerung des
geometrischen Fördervolumens
führt,
ergibt sich bereits dadurch, dass sich in den Arbeitskammern 6 (sobald die
Flügelzellenpumpe 1 druckbelastet
ist) ein Druck aufbaut. Dieser Druck führt dazu, dass der Kurvenring 4 in
eine Richtung verschoben wird bzw. ausweicht, durch welche sich
das geometrische Volumen der Arbeitskammern 6 vergrößert. Je
höher die Druckbelastung
der Flügelzellenpumpe
ist, desto größer wird
der Druck in den Arbeitskammern 6, d.h. um so stärker wird
der Kurvenring 4 in eine Richtung gedrückt, durch die das Volumen
der Arbeitskammern 6 vergrößert wird.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 1 ein
elastisches Element 13 auf, welches der Verschiebung des
Kurvenringes 4 zur Vergrößerung des Volumens der Arbeitskammern 6 entgegenwirkt,
d.h. das elastische Element 13 übt eine Kraft auf den Kurvenring 4 aus, die
geeignet ist, den Kurvenring 4 in eine das Volumen der
Arbeitskammern 6 verkleinernde bzw. verringernde Position
zu schieben bzw. zu stellen. Im Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen,
dass das elastische Element 13 im Vollhubanschlagsbereichs 14 des
Kurvenrings 4 angeordnet ist. Durch das elastische Element 13 wird
erreicht, dass sich das geometrische Volumen der Arbeitskammern 6 erst
dann erhöht,
wenn die Flügelzellenpumpe 1 druckbelastet ist.
Im unbelasteten Zustand fördert
die Flügelzellenpumpe 1 somit
ein kleines geometrisches Fördervolumen.
Eine hohe Fördermenge
steht nur in Verbindung mit einem hohen Druck an. Der Fördermengenanstieg
kann progressiv, degressiv oder proportional beliebig angepasst
werden. Im Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass das elastische Element 13 im unbelasteten
Zustand, d.h. wenn die Flügelzellenpumpe 1 nicht
druckbeaufschlagt ist, das maximale Volumen der Arbeitskammern 6 definiert.
Erst wenn die Kraft des elastischen Elements 13 durch den
ansteigenden Druck, der sich durch die Druckbelastung der Flügelzellenpumpe 1 einstellt, überwunden
wird, wird der Kurvenring 4 entgegen der Kraftrichtung
des elastischen Elements 13 verschoben. Daraus resultiert
eine Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern 6, wodurch die Fördermenge
deutlich erhöht
wird.
-
Gemäß 1 ist
vorgesehen, dass das elastische Ele ment 13 als Federelement
ausgebildet ist. Dabei ist das Federelement 13 als steife
bzw. harte Feder ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
vorgesehen, dass das Federelement 13 als Tellerfeder ausgebildet
ist.
-
Wie
aus 1 des weiteren ersichtlich ist, weist der Außenring 2a der
dargestellten Flügelzellenpumpe 1 in
einem dem Vollhubanschlagsbereich 14 gegenüberliegenden
Bereich einen Endanschlag 15 auf. Der Endanschlag 15,
der beispielsweise als mechanischer Anschlag (z.B. als Stift) ausgebildet sein
kann, beschränkt
dabei die Bewegbarkeit des Kurvenringes 4 in eine Richtung,
welche das Volumen der Arbeitskammern 6 reduziert. Der
Endanschlag 15 kann dabei sicherstellen, dass der Kurvenring 4 immer,
d.h. auch beim Starten der Flügelzellenpumpe 1,
in einer Position ist, in der die Arbeitskammern 6 mit
einer ausreichenden Menge von Fluid gefüllt werden können, so
dass der Hinterflügelbereich der
Flügel 5 in
bekannter Weise ausreichend versorgt werden kann.
-
Der
Endanschlag 15 kann in bekannter Weise auch als Feder ausgebildet
sein.
-
Im
Ausführungsbeispiel
wirken zur Verschiebung des Kurvenringes 4 in eine Richtung,
die zu einer Vergrößerung des
Volumens der Arbeitskammern 6 führt, im wesentlichen zwei Kräfte zusammen. Dies
ist einerseits der sich in den Arbeitskammern 6 einstellende
Druck, der auf die Innenfläche
des Kurvenringes 4 wirkt. Andererseits ist dies der sich
in der Druckkammer 12 einstellende Fluiddruck, der auf
die Außenfläche des Kurvenringes 4 einwirkt
und diesen in die gleiche Richtung drückt wie der Druck in den Arbeitskammern 6.
Anstelle des Fluiddrucks in der Druckkammer 12 kann, wie
bereits beschrieben, auch eine Federkraft oder dergleichen eingesetzt werden.
Diesen beiden Kräften
entgegen wirken im Ausführungsbeispiel
ebenfalls zwei Kräfte.
Dies ist einerseits der Fluiddruck in der Druckkammer 11 und andererseits
die Kraft des erfindungsgemäßen elastischen
Elements 13. Dabei werden mit steigendem Pumpendruck die
Kräfte,
welche den Kurvenring 4 in eine das Volumen der Arbeitskammern 6 vergrößernde Richtung
drücken,
größer als
die entgegengesetzten Kräfte.
-
Selbstverständlich können anstelle
eines elastischen Elements, beispielsweise einer Tellerfeder 13,
auch mehrere derartige Elemente vorgesehen sein.
-
2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des elastischen Elements 13.
Gemäß 2 ist
das elastische Element 13 als Verformungselement ausgebildet,
welches sich bei Anliegen einer bestimmten Kraft entsprechend verformt
und ausweicht. Gemäß 2 ist
das elastische Element 13 als Verformungselement an dem
Kurvenring 4 ausgebildet, welches sich unter Druck plastisch
verformt. Alternativ dazu kann selbstverständlich auch der Außenring 2a über ein
derartiges Verformungselement verfügen. Selbstverständlich können auch
der Außenring 2a und
der Kurvenring 4 derartige, vorzugsweise aufeinander ausgerichtete
Verformungselemente aufweisen.
-
Die
erfindungsgemäße Verdrängerpumpe 1 eignet
sich in besonderer Weise für
die Versorgung einer Servolenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, prinzipiell
ist die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe 1 jedoch
auch zur Versorgung von anderen Verbrauchern vorteilhaft einsetzbar.
-
- 1
- Flügelzellenpumpe
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Außenring
- 3
- Rotor
- 4
- Kurvenring
- 5
- Rotorelemente,
Flügel
- 6
- Arbeitskammern
- 7
- Schwingdrehzapfen
- 8
- elliptischer
Raum
- 9
- Saugschlitz
- 10
- Druckschlitz
- 11
- Druckkammer
- 12
- Druckkammer
- 13
- elastisches
Element
- 14
- Vollhubanschlagsbereich
- 15
- Endanschlag