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Die
Erfindung betrifft eine elektromagnetische Hydraulikpumpe gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus
der gattungsfremden
DE
197 36 734 A1 ist ein lineares Stellglied bekannt. Bei
diesem wird eine elektromotorische Rotationsbewegung in eine Linearbewegung
eines Kolbens umgewandelt. Dazu ist ein Planetengetriebe vorgesehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine konstruktiv einfach aufgebaute Pumpe
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 gelöst.
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Gemäß einem
Vorteil der Erfindung wird ein hydraulischer Druck aufgebracht,
ohne dass sich die Bewegungsrichtungen
- – eines
elektromagnetischen Stellgliedes und
- – eines Kolbens
zum Aufbringen des hydraulischen
Druckes unterscheiden. Der Kolben ist dazu axialfest mit einem Anker
des elektromagnetischen Stellgliedes gekoppelt. Eine Innenwand einer
Ausnehmung im Polkern übernimmt in kostengünstiger
und Bauraum sparender Weise für den Kolben die Funktion
der Zylinderlaufbahn.
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Um
auch ohne Übersetzungsgetriebe einen ausreichenden Druck
im Hydraulikfluid zu erreichen, ist der Durchmesser des Ankers größer
als der Durchmesser des Kolbens. Der große Durchmesser am
Anker gewährt dabei eine große Kraft des Kolbens,
dessen kleiner Durchmesser einen hohen Druck gewährleistet.
Der Polkern kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
lagernde Funktion übernehmen.
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Dabei
ragt der Kolben in besonders vorteilhafter Weise in den Polkern
des elektromagnetischen Stellgliedes. Eine Dichtung zwischen dem
Kolben und dem Polkern stellt in diesem Bereich eine Dichtheit auch
dann sicher, wenn das Radialspiel zwischen einer Ausnehmung im Polkern
und dem Kolben relativ groß ist. Dieses Radialspiel verhindert
ein Ankleben des Kolbens, falls dieser aus magnetisierbarem Werkstoff
gefertigt ist, was insbesondere bei einer einteiligen Ausführung
von Kolben und Anker der Fall ist. Ferner stellt ein großes
Radialspiel sicher, dass die Reibungsverluste am Kolben nur gering sind.
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Ein
Zapfen am äußeren bzw. vorderen Ende des Polkerns
ermöglicht eine besonders einfache Montage der Hydraulikpumpe,
wobei dieser Zapfen zugleich eine axiale Länge der Zylinderlaufbahn
für den Kolben zum Aufbringen des Druckes aufweist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
zweigeteilter Dichtring vorgesehen, der stick-slip-Effekte minimiert,
so dass die Hydraulikpumpe exakt regelbar ist.
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Zur
exakten Regelung kann auch in einer Nut des Ankers ein die Reibung
vermindernder geschlitzter Führungsring eingesetzt sein.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann die Kraft des Stellgliedes über
den Weg linearisiert sein. Dazu können die einander zugewandte
Stirnflächen von Polkern und Anker korrespondierend konisch
angeschrägt sein.
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Zur
Kompensation von Leckageverluste des Hydraulikfluids ist eine entsprechende
Einrichtung vorgesehen, die beispielsweise innerhalb des mit Hydraulikdruck
zu versorgenden Aggregates vorgesehen sein kann. In einer besonders
vorteilhaften Ausgestaltung ist diese Einrichtung zur Kompensation von
Leckageverlusten in der Hydraulikpumpe selbst angeordnet. Dabei
kann beispielsweise ein vom Hochdruckraum in den Ankerraum führender
Kanal innerhalb des Kolbens angeordnet sein. Ein weiterer Kanal
führt dann von diesem Ankerraum über den Polkern
zum Tank. Somit ist die Hydraulikölversorgung des Aggregates
mit Hydrauliköl aus dem Tank sicher gestellt. Um dennoch
auch Druck aufbauen zu können, kann ein Rückschlagventil
in einem der beiden Kanäle vorgesehen sein.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung vor.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 eine
elektromagnetische Hydraulikpumpe mit einem Polkern, einem Anker,
einem Kolben und einer Dichtung,
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2 die
Dichtung aus 1 in einem Detail und
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3 in
einer zweiten Ausgestaltungsform einen Polkern, einen Anker und
einen Kolben,
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4 in
einer dritten Ausgestaltungsform einen Polkern einen Anker und einen
Kolben,
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5 in
einer vierten Ausgestaltungsform eine elektromagnetische Hydraulikpumpe
und
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6 in
einer fünften Ausgestaltungsform ein Detail einer elektromagnetischen
Hydraulikpumpe.
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1 zeigt
in einer geschnittenen Darstellung eine elektromagnetische Hydraulikpumpe 1. Diese
umfasst eine Spule 2, an die über einen nicht näher
dargestellten Anschlussstecker eine Versorgungsspannung anlegbar
ist. Diese Versorgungsspannung kann insbesondere eine Gleichspannung sein.
Ebenso kann eine Wechselspannung über Brückengleichrichter,
eine pulsweitenmodulierte Spannung oder es können auch
Dithersignale auf einer Gleichspannung angelegt werden. Mit der
Hydraulikpumpe 1 ist ein hydraulischer Druck erzeugbar,
der weitgehend proportional zum angelegten Strom und unabhängig
vom Weg ist.
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Die
Spule 2 ist in einen Spulenträger 3 aus nicht
leitendem Kunststoff eingesetzt bzw. von diesem umspritzt. Dabei
weist der Spulenträger 3 am vorderen Ende einen
radial nach innen ragenden Bund 4 auf. Dieser Spulenträger 3 ist
gemeinsam mit der Spule 2 in ein topfförmiges
Gehäuse 5 aus magnetisierbarem Stahlblech eingesetzt.
Am unteren Ende stützt sich die Spule 2 über
eine Polscheibe 6 am ringförmig radial nach innen
ragenden Boden 7 des topfförmigen Gehäuses 5 ab.
Diese Poscheibe 6 ist sehr dick. Diese Dicke h ist notwenig,
da ein großer Durchmesser DA eines
weiter unten erläuterten Ankers 26 eine geringes
Radialmaß r des der Polscheibe 6 notwendig macht.
Eine solches geringes Radialmaß r bedingt jedoch am Übergangsbereich des
magnetischen Flusses von der Polscheibe 6 zum Anker 26 eine
große Fläche F.
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In
die sich innerhalb der Polscheibe 6 bildenden kreisrunde
Bodenausnehmung 8 ragt der Boden 9 eines nicht
magnetischen Edelstahltopfes 10. Von diesem Boden 9 aus
verläuft der Edelstahltopf 10 axial über
das vordere Ende der Spule 2 bis zum Bund 4 des
Spulenträgers 3. Vorne an diesem Bund 4 liegt eine
Stirnfläche 11 eines Ringes 12 von einem
Polkern 13 an. Von einer Innenkante dieses Ringes 12 erstreckt
sich
- – in die axial nach vorne weisende
Richtung ein vorderer Zapfen 14 und
- – in die axial nach hinten weisende Richtung ein hinterer
Zapfen 15.
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Am
Außenumfang des hinteren Zapfens 15 liegt der
Rand des Edelstahltopfes 10 an, so dass sich dort eine
Grenzfläche 16 bildet. Dabei dichtet ein in eine
Ringnut des hinteren Zapfens 15 eingesetzter O-Ring 17 diese
Grenzfläche 16 ab, so dass der dahinter liegende
Spalt an der Stirnfläche 11 vor dem Eindringen
von Hydraulikfluid geschützt ist. Demzufolge kann auch
kein Hydraulikfluid entlang einem Außenspalt 18 zwischen
dem Gehäuse 5 und dem Polkern 13 in die
Umwelt gelangen. In dem Bereich dieses Außenspaltes 18 ist
das Gehäuse 5 fest mit dem Polkern 13 verbördelt.
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Der
vordere Zapfen
14 ist in eine Bohrung eines Aufnahmegehäuses
19 eingesteckt
und in nicht näher dargestellter Weise axialfest mit dem
Aufnahmegehäuse
19 verbunden. Zur Herstellung
dieser Verbindung kann beispielsweise eine Verschraubung, ein Axial-Sicherungsring
oder ein Stift gemäß
DE 102007030165 verwendet werden.
Am vorderen Ende des vordere Zapfens
14 ist eine Ringnut
mit einem O-Ring
20 vorgesehen, welche diesen Bereich abdichtet.
Somit kann das von der Hydraulikpumpe
1 unter Druck gesetzte
Hydraulikfluid nicht aus einen unter Druck zu setzenden Hochdruckbereich
21 in die
Umwelt gelangen, falls die Hydraulikpumpe
1 nicht in einem
im Ölbad stehenden Bereich eingesetzt wird. Ein weiterer
O-Ring
22 in einer Nut des Aufnahmegehäuses
19 dichtet
den Tank T gegen die Umgebung ab.
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Zur
Herstellung des Druckes ragt ein Kolben 23 axial in eine
zentrische durchgehende Ausnehmung 38 des Polkerns 13.
Der Kolben 23 weist ein Radialspiel zum Polkern 13 auf.
Der Kolben 23 ist aus einem nicht-magnetisierbaren Werkstoff
gefertigt und bewegungsfest mit dem Anker 26 verbunden. Dazu
ist der Kolben 23 in eine Ausnehmung des Ankers 26 eingepresst.
Ein zweigeteilter Dichtring 24 mit besonders geringer Klebneigung
ist vorgesehen, der dieses Radialspiel überbrückt
und damit den unter Druck zu setzenden Hochdruckbereich 21 gegen einen
vorderen Ankerraum 28 innerhalb des Edelstahltopfes 10 abdichtet.
Dazu ist dieser zweigeteilte Dichtring 24 in eine Ringnut
am Ende des Kolbens 23 eingesetzt und liegt an einer Zylinderlaufbahn
bzw. Innenwand 42 der zentrischen Ausnehmung im Polkern 13 an.
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Dieser
zweigeteilte Dichtring
24 ist im Detail gemäß
2 gezeigt.
Dabei umfasst dieser einen in die Ringnut eingesetzten O-Ring
40 und
einen an der Innenwand
42 anliegenden gestuften Kunststoffring
41.
Die Stufe des Kunststoffringes
41 ist druckseitig. Die
Funktion dieses zweigeteilten Dichtringes
24 ist näher
in der
DE 32 259 06 erläutert.
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Dabei
stützt sich der relativ weit vom Anker 26 hinfort
erstreckende Kolben 23 zum Teil auch radial über
den zweigeteilten Dichtring 24 am Polkern 13 ab.
In die nach hinten weisende Richtung verjüngt sich der
hintere Zapfen 15 des Polkerns 13 über
eine konisch ausgeformte Stirnfläche 43. Der Anker 26 weist
korrespondierend dazu eine Stirnfläche 25 auf, die
somit parallel zur Stirnfläche 43 des Polkerns 13 ebenfalls
eine konische Form aufweist. Diese vordere Stirnfläche 25 des
Ankers 26 erstreckt sich radial vom Kolben 23 bis
zum maximalen Durchmesser DA, der erheblich über dem
Durchmesser DK des Kolbens 23 liegt.
Der Anker 26 ist über seine axiale Länge
am Durchmesser DA innerhalb der Edelstahlbuchse 10 geführt.
Am hinteren Ende des Ankers 26 ist eine Ringnut vorgesehen,
in die ein die Reibung vermindernder geschlitzter Führungsring 27 eingesetzt
ist, welcher an der Innenwand des Edelstahltopfes 10 anliegt
und somit den Anker 26 linearverschieblich in der Edelstahlbuchse 10 lagert.
Dabei bildet sich
- – sowohl zwischen
dem Anker 26 und der Edelstahlbuchse 10
- – als auch zwischen dem Führungsring 27 und
der Edelstahlbuchse 10
ein Ölfilm des
Hydraulikfluids, der im Bereich des Führungsrings 10 extrem
dünn ist, so dass dort die besonderen Materialeigenschaften
des Führungsrings 10 zu einer Reduktion der Reibung
des Ankers 26 gegenüber der Edelstahlbuchse 10 führen.
Der Führungsring 10 weist einen Schlitz 45 im
Schrägschnitt auf. Dieser Schlitz 45 ist relativ
breit ausgeführt, so dass das beim Ein- und Ausfahren des
Ankers 26 durch diesen Schlitz hindurch tretendes Hydraulikfluid
nur im geringen Maße drosselt.
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Im
Anker 26 ist zusätzlich ein Kanal 88 vorgesehen,
der den Druckausgleich zwischen dem vorderen Ankerraum 28 und
einem hinteren Ankerraum 87 herstellt.
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Dadurch,
dass die dem Anker 26 zugewandte Stirnseite 43 des
hinteren Zapfens 15 parallel zur konischen Stirnfläche 25 verläuft,
steigt die Kraft des Ankers 26 linear über den
Weg.
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Im
Kolben 23 ist ausgehend von dessen Stirnseite 32 eine
zentrische Bohrung 29 vorgesehen, die in eine Querbohrung 30 mündet,
welche in den vorderen Ankerraum 28 innerhalb des Edelstahltopfes 10 führt.
In diese zentrische 29 Bohrung ist ein Rückschlagventil 31 eingepresst,
welches gegen Druck aus dem Hochdruckbereich 21 sperrt
und in die entgegen gesetzte Richtung – d. h. bei höherem Druck
in dem vorderen Ankerraum 28 – Hydraulikfluid in
den Hochdruckbereich 21 fließen lässt.
Mittels dieses Rückschlagventils 31 können
somit Leckageverlust im Hochdruckbereich 21 ausgeglichen
werden, die auch am O-Ring 24, aber insbesondere im von der
Hydraulikpumpe 1 zu beaufschlagenden Aggregat entstehen
können. Das durch diesen Volumenausgleich dann im vorderen Ankerraum 28 fehlende Hydraulikfluid
wird beim Verschieben des Ankers 26 in eine linke Endposition über
einen Kanal 33 aus einem Tank T gesaugt. Dazu ist im Polkern 13 eine Bohrung 35 parallel
zu einer Längsachse 34 der Hydraulikpumpe 1 vorgesehen.
Diese Bohrung 35 mündet in eine Querbohrung 36,
die aus dem Polkern 13 heraus in eine Tankzuleitungsbohrung 37 führt.
Neben dem Ausgleich von Leckageverlusten ist eine weitere wichtige
Funktion des Rückschlagventils, den Hochdruckbereich 21 mit Öl
zu befüllen und damit zu entlüften.
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Für
eine bessere Ansteuerbarkeit der Hydraulikpumpe 1 ist eine
nichtmagnetische Antiklebscheibe 86 vorgesehen, die an
dem Polkern 13 anliegt. Dabei liegt diese Antiklebscheibe 86 an
der dem Anker 26 zugewandten Stirnseite 43 des
hinteren Zapfens 15 an.
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3 zeigt
in einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel einen Anker 126 mit
einem Kolben 123 und einem Polkern 113. Im Unterschied
zum vorangegangenen Ausgestaltungsbeispiel sind die beiden einander
zugewandten Stirnflächen 60, 61 von Polkern 113 und
Anker 126 in einem radial innen liegenden Bereich senkrecht
zu einer Längsachse 134 des Ankers ausgerichtet.
Es befinden sich korrespondierende konische Flächen 143, 125 radial
außen. Neben dem damit gegenüber dem ersten Ausgestaltungsbeispiel
veränderten Verlauf der Magnetkraft über den Weg
wird ferner erreicht, dass ein Bohrer zur Herstellung der Bohrung 135 zum
Tank T auf der senkrecht zur Bohrrichtung stehenden Stirnfläche 61 angreift,
was einen Fertigungsvorteil darstellt.
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Ein
Schlitz 145 eines geschlitzten Führungsringes 127 ist
gerade – d. h. parallel zur Längsachse 134 des
Ankers 126 – ausgerichtet. Der im ersten Ausgestaltungsbeispiel
gezeigte schräge Schlitz 45 hat gegenüber
dem geraden Schlitz 145 den Vorteil, dass der Führungsring 127 über
den gesamten Umfang des Ankers 26 anliegt.
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4 zeigt
in einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel einen Anker 226 mit
einem Kolben 223 und einem Polkern 213. Im Unterschied
zu der ersten Ausgestaltungsform sind die beiden einander zugewandten
Stirnflächen 260, 261 von Polkern 213 und Anker 226 in
einem radial außen liegenden Bereich senkrecht zu einer
Längsachse 134 des Ankers 226 ausgerichtet.
Es befinden sich korrespondierende konische Flächen 243, 225 radial
innen. Damit wird gegenüber den anderen beiden Ausgestaltungsbeispielen
ein Verlauf der Magnetkraft über den Weg verändert.
Ferner wird erreicht, dass ein Bohrer zur Herstellung der Bohrung 235 zum
Tank T auf der senkrecht zur Bohrrichtung stehenden Stirnfläche 261 angreift,
was einen Fertigungsvorteil darstellt. Die senkrechten Stirnflächen 260, 261 können
als Auflagefläche für eine Schraubendruckfeder 200 dienen,
die als Rückstellfeder wirkt. Diese Schraubendruckfeder 200 stellt
den Anker in eine vom Polkern 213 fern stehende Grundstellung,
wenn an der Spule 2 keine Spannung anliegt.
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In
den drei Ausgestaltungsformen 1, 3 und 4 sind
die einander zugewandte Stirnflächen 43, 25 bzw. 143, 125 bzw. 243, 225 von
Polkern 13, 113, 213 und Anker 26, 126, 226 derart
korrespondierend konisch angeschrägt, dass diese Stirnflächen 43, 25 bzw. 143, 125 bzw. 243, 225 radial
von innen nach radial außen in die nach vorne weisende
Richtung geneigt sind. 5 zeigt hingegen eine vierte
Ausgestaltungsform einer elektromagnetischen Hydraulikpumpe 301,
bei der dies nicht so ist. So sind gemäß 5 die
konisch angeschrägten Stirnflächen 325, 343 entgegengesetzt
den konisch angeschrägten Stirnflächen 25, 43, 125, 143, 225, 243 der
vorangegangenen Ausgestaltungsformen 1, 3, 4 ausgeführt.
Demzufolge sind die einander zugewandte Stirnflächen 343, 325 von
dem Polkern 313 und dem Anker 326 derart korrespondierend
konisch angeschrägt, dass diese Stirnflächen 343, 325 radial
von innen nach radial außen in die nach hinten weisende
Richtung geneigt sind.
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Im
Anker 326 ist ferner im Unterschied zu den vorangegangenen
Ausgestaltungsformen eine durchgehende zentrische Ausnehmung vorgesehen, in
die der Kolben 323 eingepresst ist.
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6 zeigt
in einer fünften Ausgestaltungsform ein Detail einer elektromagnetischen
Hydraulikpumpe 401. Diese ist mit einem Proportionalmagneten
ausgeführt. Dabei ist zwischen dem Polkern 413 und
einem Joch 406 ein Spalt 499 vorgesehen, durch den
der Edelstahltopf 410 hindurch ragt. Die einander zugewandten
Stirnflächen 460, 461 von Polkern 413 und
Anker 426 sind dabei analog den radial inneren Stirnflächen 60, 61 gemäß 3 senkrecht
zu einer Längsachse 434 des Ankers 413 ausgerichtet.
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In
einer weiteren zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird anstelle der zweigeteilten Dichtring 24 ein
O-Ring verwendet.
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Insbesondere
zur Abdichtung des Polkerns
13 bzw.
113 bzw.
213 gegenüber
dem Aufnahmegehäuse
19 sind beliebige Anordnungen
der O-Ringe bzw. anderer Dichtringe denkbar. Die Fixierung des Polkerns
13 bzw.
113 bzw.
213 gegenüber
dem Aufnahmegehäuse
19 kann beispielsweise mit
einem Stift gemäß der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2007 030 165 oder
alternativ mit einer Verschraubung erfolgen.
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Anstelle
einer Bohrung mit einer verbindenden Querbohrung kann auch eine
einzige schräge Bohrung vorgesehen sein. Dies betrifft
sowohl die beiden aus dem vorderen Ankerraum 28 zum Tank
T führenden Bohrungen als auch die beiden vom vorderen
Ankerraum 28 über ein Rückschlagventil 31 zum
Hochdruckbereich 21 führenden Bohrungen.
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Die
radiale Abstützung des Ankers muss nicht über
die gesamte axiale Länge des Ankers führen. Es
kann beispielsweise auch Lagerung mit zwei Auflagern vorgesehen
sein, wobei das eine Auflager von dem Führungsring und
das andere Auflager von dem zweigeteilten Dichtring, der auch einteilig
sein kann, gebildet wird. Der Schlitz im Führungsring kann auch
besonders klein sein, um eine Drosselungswirkung zu erzielen, welche
die Ein- bzw. Ausfahrgeschwindigkeit gering hält.
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Die
als Edelstahltopf ausgeführte Buchse kann auch aus einem
anderen Material, wie beispielsweise Messing hergestellt sein. Auch
kann eine reibwertvermindernde Beschichtung auf der Innenwand der
Buchse und/oder auf dem Anker und/oder auf dem Kolben und/oder der
Innenwand des Polkerns vorgesehen sein.
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Der
Kolben kann gegenüber dem Anker auch ausschließlich
axialfest sein. D. h. radiale und/oder rotatorische Relativbeweglichkeit
wäre möglich.
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Anstelle
der zentrischen Bohrung im Kolben kann zum Ausgleich von Hydraulikfluidverlusten
im Hochdruckbereich auch eine Schnüffelbohrung vorgesehen
sein. Diese Schnüffelbohrung ist dann im Polkern vorgesehen.
Die Schnüffelbohrung wird bei ausgefahrenem Kolben durch
diesen gesperrt und bei eingefahrenem Kolben von diesem zum Hochdruckbereich
freigegeben.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur
um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen
Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen
ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale
der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den
in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile
zu entnehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19736734
A1 [0002]
- - DE 102007030165 [0026, 0041]
- - DE 3225906 [0028]