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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen sind mit einer Schmierölpumpe ausgestattet, welche permanent Öl aus dem Ölsumpf zu Lagerstellen des Motors pumpt. Als Schmierölpumpen werden üblicherweise Zahnradpumpen verwendet, da sie kostengünstig sind und eine hohe Lebensdauer aufweisen. Zahnradpumpen werden meist auch bei Getrieben eingesetzt, die eine separate Getriebeölpumpe benötigen.
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Bei herkömmlichen Fahrzeugen werden die Zahnradpumpen üblicherweise mechanisch angetrieben, z. B. durch die Kurbelwelle des Motors bzw. durch eine Getriebewelle. Die Pumpendrehzahl ist dann an die Drehzahl des jeweiligen Fahrzeugaggregats, d. h. des Motors oder des Getriebes gekoppelt. Herkömmliche Zahnradpumpen müssen daher so ausgelegt sein, dass auch bei geringen Drehzahlen des antreibenden Aggregats ein hinreichender Schmierölvolumenstrom sichergestellt ist. Dies hat zur Folge, dass in vielen Betriebszuständen, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, die Zahnradpumpe mehr Öl fördert als tatsächlich benötigt wird. Im Hochgeschwindigkeitsbereich ist die Förderleistung rein mechanisch angetriebener Zahnradpumpen überdimensioniert, was sich ungünstig auf den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs auswirkt.
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Um die Verlustleistung zu reduzieren, wurde bereits vorgeschlagen, den Ansaugdruck der Zahnradpumpe bedarfsgerecht zu regeln. Derartige Zahnradpumpen sind beispielsweise in der
DE 44 37 076 A1 ,
DE 297 03 369 U1 oder der
DE 195 23 533 A1 beschrieben.
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Die Verlustleistung einer Zahnradpumpe lässt sich dadurch begrenzen, dass der Pumpenüberdruck, d. h. der Druck am Ausgang der Pumpe durch ein Regelventil bedarfsgerecht begrenzt wird, was z. B. in der
DE 100 43 842 A1 ,
DE 101 41 786 A1 oder der bereits oben erwähnten
DE 195 23 533 A1 beschrieben ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine mechanisch angetriebene Zahnradpumpe zu schaffen, deren Förderleistung unabhängig von der Antriebsdrehzahl, mit der die Zahnradpumpe angetrieben wird, bedarfsgerecht steuerbar bzw. regelbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Zahnradpumpe, die folgende Komponenten aufweist. Ein Gehäuseelement, in dem drehbar ein äußerer Zahnring angeordnet ist, der eine kreiszylindrische radiale Außenseite und eine mit einer Innenverzahnung versehene radiale Innenseite aufweist. Die Zahnradpumpe weist ferner einen mit einer Außenverzahnung versehenen inneren Zahnring auf, dessen Außenverzahnung eine geringere Zähnezahl aufweist als die Innenverzahnung, wobei stets ein Teil der Zähne der Außenverzahnung in Eingriff mit einem Teil der Zähne der Innenverzahnung ist und der äußere Zahnring exzentrisch in Bezug auf den inneren Zahnring angeordnet ist. Der innere Zahnring ist kozentrisch in Bezug auf eine Mittelachse der Zahnradpumpe angeordnet. Der äußere Zahnring hingegen ist exzentrisch in Bezug auf die Mittelachse der Zahnradpumpe angeordnet. Der äußere Zahnring wird durch den inneren Zahnring angetrieben. Aufgrund der Exzentrizität und der unterschiedlichen Zähnezahlen der beiden Zahnringe gibt es zwischen den beiden Zahnringen einen ersten und eine zweiten „Zahnzwischenraum”. Der erste Zahnzwischenraum bildet einen Teil eines Saugraums der Zahnradpumpe. Der zweite Zahnzwischenraum bildet einen Teil eines Druckraums der Zahnradpumpe. Wird der innere Zahnring angetrieben, so kann Fluid von einen Sauganschluss der Zahnradpumpe in den Saugraum gepumpt werden. Das im Saugraum befindliche Fluid wird durch Zähne der beiden Zahnringe in den Druckraum und von dort über einen Ausgangsanschluss der Zahnradpumpe zu einer mit Fluid zu versorgenden Komponente gedrückt.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Saugraum und der Druckraum durch zwei relativ zueinander um die Mittelachse der Zahnradpumpe verdrehbar bzw. verstellbar angeordnete „Elemente” der Zahnradpumpe gebildet ist. Durch relatives Verdrehen dieser beiden Elemente zueinander kann das Volumen des Saugraums in Bezug auf das Volumen des Druckraums vergrößert bzw. verkleinert werden. Alternativ kann durch Verdrehen der beiden Elemente zueinander das Volumen des Druckraumes in Bezug auf den Saugraum vergrößert oder verkleinert werden, was eine bedarfsgerechte Einstellung der Förderleistung der Zahnradpumpe ermöglicht und zwar unabhängig von der Drehzahl, mit der der innere Zahnring angetrieben wird. Erfindungswesentlich ist, dass zum Verstellen der Förderleistung, d. h. zum relativen Verdrehen der soeben genannten beiden Elemente zueinander, eine Anordnung vorgesehen ist, die mindestens zwei Elektromagnete und mindestens einen Permanentmagnet aufweist. Durch elektrisches Ansteuern der mindestens zwei Elektromagnete kann eines der beiden „Verstellelemente” in Bezug auf das andere Element verdreht werden, was dann, je nach Drehrichtung, zu einer Vergrößerung oder zu einer Verkleinerung des Saugraums in Bezug auf den Druckraum der Zahnradpumpe führt.
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Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1–12 zeigen ein konkretes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Zahnradpumpe 1 gemäß der Erfindung. Die Zahnradpumpe 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Sauganschluss 3 und einem Flansch 4 auf, mittels dem das Zahnradpumpengehäuse 2 festgeschraubt, d. h. in einer Umfangsrichtung drehfest, z. B. in Bezug auf ein Getriebegehäuse, ein Motorgehäuse o. ä. angeordnet werden kann.
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Das Zahnradpumpengehäuse 2 weist eine erste kreiszylindrische Ausnehmung 5 (vgl. auch 9) auf, in der ein sich – bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel – über einen Winkelbereich von etwa 300° erstreckender Kunststoffring 6 angeordnet ist, an dessen beiden Enden ein erster bzw. zweiter Elektromagnet 7, 8 angeordnet ist. Der Kunststoffring und die beiden Elektromagneten 7, 8 sind drehfest in dem Gehäuse 2 angeordnet.
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In dem Gehäuse 2 ist ferner eine Regelscheibe 9 angeordnet. Die Regelscheibe 9 ist drehbar in Bezug auf das Gehäuse 2 bzw. in Bezug auf den Kunststoffring 6 und die Elektromagneten 7, 8 angeordnet. Fest mit der Regelscheibe 9 verbunden ist ein Permanentmagnet 10. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 10 mittels zweier Nieten 11, 12 mit der Regelscheibe 9 vernietet.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung der einzelnen Teile der Zahnradpumpe 1 der 1. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist in dem Gehäuse 2 ein äußerer Zahnring 13 und ein innerer Zahnring 14 angeordnet. Der äußere Zahnring 13 weist eine kreiszylindrische Außenseite 15' auf und ist drehbar in einer zugeordneten kreiszylindrischen Ausnehmung 15 (vgl. 6, 9) angeordnet. Wie aus den 6, 9 ersichtlich ist, ist die Ausnehmung 15, in die der äußere Zahnring 13 eingesetzt ist, exzentrisch zu einer Mittelachse 16 der Zahnradpumpe 2.
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Der äußere Zahnring 13 ist mit einer Innenverzahnung 17 versehen. Der innere Zahnring 14 weist eine zugeordnete Außenverzahnung 18 auf, die in die Innenverzahnung 17 des äußeren Zahnrings 13 eingreift. Wie aus den 2 und 6 ersichtlich ist, weist die Außenverzahnung 18 des inneren Zahnrings 14 eine um Eins geringere Zähnezahl als die Innenverzahnung 17 des äußeren Zahnrings 13 auf. Da, wie am besten aus 6 ersichtlich ist, der innere Zahnring 14 kozentrisch zur Mittelachse 16 angeordnet ist, ist stets nur ein Teil der Zähne der beiden Verzahnung 17, 18 miteinander in Eingriff.
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Die beiden Verzahnungen 17, 18 bilden einen ersten Zahnzwischenraum 19 und einen zweiten Zahnzwischenraum 20 (vgl. 6). Die beiden Zahnzwischenräume 19, 20 sind durch aufeinander abwälzende Zähne 21, 22 voneinander getrennt. Der Zahnzwischenraum 19 bildet einen Teil eines Saugraums der Zahnradpumpe 1. Der Zahnzwischenraum 20 bildet einen Teil eines Druckraums der Zahnradpumpe. Durch Drehen des inneren Zahnrings 14 um die Mittelachse 16 wird der äußere Zahnring 13 durch die ineinander eingreifenden Verzahnungen 17, 18 mitgedreht. Dabei wird über den Sauganschluss 3 Fluid in den Saugraum und somit in den ersten Zahnzwischenraum 19 eingesaugt. Durch die aufeinander abwälzenden Zähne im oberen Bereich der beiden Verzahnungen wird dann Fluid aus dem Saugraum 19 in den Zahnzwischenraum 20 gedrückt (vgl. 6).
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In Axialrichtung gesehen hinter den beiden Zahnringen 13, 14 ist eine „Trennscheibe” 23 (vgl. 2) angeordnet, die einen sich lediglich über einen Teilumfang der Trennscheibe 23 erstreckenden durchgehenden Schlitz 24 aufweist. An der Rückseite der Trennscheibe 23 ist ein Trennzapfen 25 (vgl. auch 12) angeordnet. Die Trennscheibe 23 ist drehfest im Gehäuse 2 der Zahnradpumpe 1 angeordnet.
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Die Trennscheibe 23 wirkt mit der bereits erwähnten verdrehbar im Zahnradpumpengehäuse 2 angeordneten Regelscheibe 26 zusammen. An der Regelscheibe 26 ist der Permanentmagnet 10 angeordnet. Die Regelscheibe 26 weist ebenfalls einen sich über einen Umfangsabschnitt erstreckenden Schlitz 27 auf, der an seiner radialen Innenseite einen Fluiddurchgang 28 aufweist. Ein linker Bereich 29 des Schlitzes 27 begrenzt einen Teil des Saugraums und ein rechter Bereich 30 begrenzt einen Teil des Druckraums der Zahnradpumpe.
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In zusammengebautem Zustand greift der Trennzapfen 25 der Trennscheibe 23 in den Schlitz 27 ein. Der Trennzapfen 25 trennt den Saugraum vom Druckraum der Zahnradpumpe. Je nach Drehstellung der Regelscheibe 26 können unterschiedliche Saugraum- und Druckraumvolumina eingestellt werden. Durch Verdrehen der Regelscheibe 26 wird entweder das Volumen des Saugraums vergrößert und gleichzeitig das Volumen des Druckraums verkleinert oder das Volumen des Saugraums wird verkleinert und gleichzeitig das Volumen des Druckraums vergrößert. Durch Einstellen der beiden Volumina kann die effektive Förderleistung der Zahnradpumpe 1 unabhängig von der Antriebsdrehzahl, mit der der innere Zahnring 14 angetrieben wird, dem momentanen Volumenstrombedarf angepasst werden.
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3 zeigt eine Vorderansicht der Zahnradpumpe 1 mit Schnittlinien A-A, B-B, C-C.
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4 zeigt einen Schnitt durch die Zahnradpumpe der 3 entlang der Schnittlinie B-B.
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5 zeigt einen Schnitt durch die Zahnradpumpe der 3 entlang der Schnittlinie C-C. Deutlich zu erkennen ist der Trennzapfen 25, der in den Schlitz 27 der Regelscheibe 26 eingreift und den Saugraum vom Druckraum trennt.
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7 zeigt einen Schnitt durch die Zahnradpumpe entlang der in 3 dargestellten Schnittlinie A-A. Deutlich zu erkennen in dieser Darstellung ist der eine im oberen Bereich der Zahnradpumpe 1 an dem einen Ende des Kunststoffrings 6 angeordnete Elektromagnet 8, der mit den fest mit der Regelscheibe verbundenen Permanentmagneten 10 (vgl. 1) zusammenwirkt. Durch Bestromen der beiden Elektromagneten 7, 8 (1) wird eine Kraft auf den Permanentmagneten 10 und somit ein Drehmoment auf die Regelscheibe 26 ausgeübt, was eine Relativdrehung der Regelscheibe 26 in Bezug auf die fest im Gehäuse 2 angeordnete Trennscheibe 23 ermöglicht.
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Aus 7 ist ferner die Fluidverbindung zwischen dem Sauganschluss 3 und dem Saugraum 31 der Zahnradpumpe 1 ersichtlich. Wie bereits erwähnt, bildet der erste Zahnzwischenraum 19 (6) einen Teil des Saugraums 31.
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8 zeigt einen Schnitt durch die Zahnradpumpe 1 entlang der in 7 dargestellten Schnittlinie E-E. Deutlich zu erkennen ist, dass der Innenumfang des inneren Zahnrings 14 einen ebenen Abschnitt 32 aufweist, über den der innere Zahnring 14 in Drehrichtung formschlüssig mit einer Antriebswelle 33 (9) gekoppelt werden kann. Durch Drehen der Antriebswelle 33 wird die Zahnradpumpe 1 angetrieben.
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9 zeigt einen Schnitt entlang der in 3 dargestellten Schnittlinie A-A. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Zahnradpumpe 1 auf einer Antriebswelle 33 angeordnet ist. Dementsprechend sind das Gehäuse 2, die Trennscheibe 23, und die Regelscheibe 26 mit einer dem Außendurchmesser der Antriebswelle 33 entsprechenden Durchgangsbohrung versehen. Durch Drehen der Antriebswelle 33 wird Fluid vom Sauganschluss 3 in den Saugraum 31 gesaugt und von dort durch die ineinander eingreifenden Verzahnungen der beiden Zahnringe 13, 14 in den rechten Bereich 30 des Schlitzes 27 der Regelscheibe (vgl. 2), d. h. in den Druckraum 34 (vgl. 11) gedrückt.
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Wie aus den 9 und 11 ersichtlich ist, sind in der Antriebswelle 33 radiale Bohrungen 35–37 vorgesehen, die mit einer Zentralbohrung 38 in Fluidverbindung stehen. Über eine sich über einen Umfangsabschnitt der Regelscheibe 26 erstreckende Ausnehmung 39, die einen Teil des Druckraums 34 bildet, wird das geförderte Öl in eine bzw. gleichzeitig in zwei der radialen Bohrungen 35–37 und weiter in die Zentralbohrung 38 gepumpt. Über weitere radiale Bohrungen 40 (9), die ebenfalls mit der Zentralbohrung 38 in Fluidverbindung stehen, können auf der Antriebswelle 33 angeordnete Bauteile, wie z. B. Lagerstellen o. ä. mit Öl versorgt werden.
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Vollständigkeitshalber sei noch auf 12 hingewiesen, die eine Explosionsdarstellung der einzelnen Komponenten der Zahnradpumpe von vorne her gesehen zeigt.
