DE102008014243B4

DE102008014243B4 - Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE102008014243B4
Application number: DE102008014243.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Dilzer; Felix Dreher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: DE102008014243A1

Abstract

Flügelzellenpumpe mit einem Rotor (3), der innerhalb einer Hubkontur (4) drehbar angeordnet ist und mindestens einen Flügel (14,15) antreibt, um auf einer Saugseite ein viskoses Medium anzusaugen, das auf einer Druckseite mit Druck beaufschlagt wird, wobei der Flügel (14,15) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung (34,35) des Rotors (3) unterschiedlich stark oder gar nicht an die Hubkontur (4) gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (14,15) so in dem Rotor geführt ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors (3) unterschiedlich stark mit einer im Betrieb auftretenden Fliehkraft und mit einer Federkraft beaufschlagt wird, dass in dem Rotor (3) ein an einer Antriebswelle (20) vorgesehener und dem Flügel (14,15) zugeordneter Antriebsnocken (24,25) in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar ist und dass zwischen dem Antriebsnocken (24,25) und einem Ende des Flügels (14,15) eine Federeinrichtung (31,32) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Rotor, der innerhalb einer Hubkontur drehbar angeordnet ist und mindestens einen Flügel antreibt, um auf einer Saugseite ein viskoses Medium anzusaugen, das auf einer Druckseite mit Druck beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Flügelzellenpumpe.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2006/056162 A1 ist eine Pumpe, insbesondere eine Vakuumpumpe für Kraftfahrzeuge, bekannt, wobei ein Rotor mit zumindest einem Flügel innerhalb eines Pumpengehäuses drehantreibbar gelagert ist. Dabei kann der Flügel in radialer Richtung an seinen im Gehäuse entlanggleitenden Enden Kappen zum Abdichten und als Verschleissschutz aufweisen. Der Flügel oder die Flügelenden oder die Kappen sind derartig ausgebildet sind, dass sie zusätzlich eine Druckbegrenzungsfunktion ermöglichen. Die Druckbegrenzungsfunktion kann in einer oder in beiden Drehrichtungen wirksam sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die über einen großen Temperaturbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe ist bei einer Flügelzellenpumpe mit einem Rotor, der innerhalb einer Hubkontur drehbar angeordnet ist und mindestens einen Flügel antreibt, um auf einer Saugseite ein viskoses Medium anzusaugen, das auf einer Druckseite mit Druck beaufschlagt wird, dadurch gelöst, dass der Flügel so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors unterschiedlich stark oder gar nicht an die Hubkontur gepresst wird. Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe wird vorzugsweise durch eine elektrische Maschine angetrieben. Bei dem viskosen Medium handelt es sich zum Beispiel um Hydrauliköl. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Viskosität des viskosen Mediums deutlich zu. Das führt dazu, dass bei niedrigen Temperaturen hohe Anforderungen an die elektrische Maschine gestellt werden, welche die Flügelzellenpumpe antreibt. In Folge der hohen Viskosität des Mediums, insbesondere des Fluids, bei Temperaturen am unteren Ende des Betriebsbereichs der Flügelzellenpumpe, von zum Beispiel minus 20 Grad Celsius, ergeben sich in diesem Betriebspunkt sehr große Reibungsverluste. Durch die erfindungsgemäße Flügelgestaltung können die Reibungsverluste bei tiefen Temperaturen und der damit verbundenen hohen Viskosität des Mediums reduziert werden, indem die Flügelanpresskraft verringert wird. Die Hubkontur ist seitlich von zwei Seitenflächen begrenzt, die mindestens einen Druckanschluss und mindestens einen Sauganschluss aufweisen. Der Rotor ist vorzugsweise exzentrisch innerhalb der Hubkontur angeordnet. Der Flügel unterteilt einen Arbeitsraum der Pumpe in einen Druckraum und einen Saugraum. Vorzugsweise umfasst die Flügelzellenpumpe mehr als einen Flügel, zum Beispiel zwei Flügel.
Dabei ist der Flügel so in dem Rotor geführt ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors unterschiedlich stark mit einer im Betrieb auftretenden Fliehkraft und mit einer Federkraft beaufschlagt wird. Die Fliehkraft kann in der einen Drehrichtung von der Federkraft unterstützt sein, und in der anderen Drehrichtung nicht.
In dem Rotor ist ein an einer Antriebswelle vorgesehener und dem Flügel zugeordneter Antriebsnocken in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar. Der Antriebsnocken kann einstückig mit der Antriebswelle verbunden oder als separates Bauteil, zum Beispiel nach dem Nut-Feder-Prinzip, ausgeführt sein.
Zwischen dem Antriebsnocken und einem Ende des Flügels ist eine Federeinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist die Federeinrichtung so zwischen dem Antriebsnocken und dem zugehörigen Flügel angeordnet, dass die Federeinrichtung in der einen Drehrichtung zusammengedrückt wird und in der anderen Drehrichtung entspannt oder nur mit einer Federvorspannkraft beaufschlagt ist.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Flügelzellenpumpe ist die vorab angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass die Drehrichtung des Rotors in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur beziehungsweise der Viskosität des viskosen Mediums umgeschaltet wird. Durch die Umkehrung der Drehrichtung des Rotors kann die Charakteristik der Flügelzellenpumpe an unterschiedliche Umgebungstemperaturen angepasst werden. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird ein Pumpenkonzept geschaffen, das dem großen Spektrum der auftretenden Mediumeigenschaften Rechnung trägt. Durch die Umkehrung der Drehrichtung der Flügelzellenpumpe wird die Charakteristik der Flügelzellenpumpe angepasst.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite und die Druckseite der Flügelzellenpumpe durch eine Hydraulikventileinrichtung umgeschaltet werden. Dadurch wird der Umkehrung der Drehrichtung des Rotors Rechnung getragen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite und die Druckseite des Rotors durch eine 4/2-Wegeventileinrichtung umgeschaltet werden. Eine derartige Wegeventileinrichtung hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltstellung der Hydraulikventileinrichtung für tiefe Temperaturen aktiv geschaltet wird. Vorzugsweise wird die Schaltstellung für den eher selten auftretenden Betrieb bei tiefen Temperaturen aktiv, zum Beispiel über einen Elektromagneten, geschaltet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltstellung für einen Dauerbetrieb der Flügelzellenpumpe durch eine Rückstellfedereinrichtung geschaltet wird. Vorzugsweise wird der verbrauchsrelevante Dauerbetrieb bei normalen Umgebungstemperaturen über eine Rückstellfeder verlustfrei geschaltet beziehungsweise realisiert.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Schaltgetriebe, insbesondere ein Doppelkupplungsgetriebe, mit einer vorab beschriebenen Flügelzellenpumpe, die insbesondere nach einem vorab beschriebenen Verfahren betrieben wird. Bei dem Schaltgetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Parallelschaltgetriebe. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird die Anpressung des Flügels der Flügelzellenpumpe im Falle einer relativ hohen Viskosität des zu fördernden Mediums oder Fluids reduziert. Ein Mechanismus im Inneren des Rotors, der auch als Pumpenrad bezeichnet wird, bewirkt bei einer Umkehrung der Drehrichtung der Pumpe eine verringerte Anpressung der Flügel an die Hubkontur des Gehäuses der Pumpe. Durch diese Maßnahme kann die Anforderung an die Leistung der treibenden elektrischen Maschine soweit reduziert werden, dass dieser Betriebspunkt unkritisch wird.
Bei der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlölpumpe, die zur Versorgung eines nasslaufenden Doppelkupplungsgetriebes mit Kühlöl verwendet und durch eine elektrische Maschine angetrieben wird. In Folge der hohen Viskosität des Kühlöls bei niedrigen Temperaturen, insbesondere am unteren Ende des Betriebsbereichs bei zum Beispiel minus 20 Grad Celsius, ergeben sich sehr große Reibungsverluste. Um den gesamten Betriebsbereich abzudecken, muss die als Antrieb für die Flügelzellenpumpe verwendete elektrische Maschine für sehr große elektrische Leistungen ausgelegt werden. Durch die Erfindung wird ein Pumpenkonzept bereitgestellt, das dem großen Spektrum der auftretenden Fluideigenschaften Rechnung trägt. Dabei bewirkt die Umkehr der Drehrichtung der Flügelzellenpumpe eine Anpassung der Pumpencharakteristik.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe im Schnitt und
2 die gleiche Flügelzellenpumpe wie in 1 im Betrieb in einer anderen Drehrichtung.

In den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 1 im Betrieb in verschiedenen Drehrichtungen dargestellt. Die Flügelzellenpumpe 1 umfasst einen Rotor 3, der im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe aufweist. Der Rotor 3 ist innerhalb eines Hubrings 4 drehbar angeordnet. Der Hubring 4 wiederum ist zwischen zwei Seitenflächen eines Gehäuses angeordnet, das mit dem Hubring ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Die Innenkontur des Hubrings ist so gewählt, dass sich zwei diametral gegenüberliegende Pumpenräume 5, 6 zwischen dem Außenumfang des Rotors 3 und der Innenfläche des Hubrings 4 ergeben. Die Pumpenräume 5, 6, die auch als Arbeitsräume der Flügelzellenpumpe 1 bezeichnet werden, stehen jeweils mit einem Anschlussbereich 7, 8 in Verbindung.
Über seine Umfangsfläche verteilt weist der Rotor 3 Schlitze 11, 12 auf, in denen jeweils ein Flügel 14, 15 verschiebbar geführt ist. Die Flügel 14, 15 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Rotors 3. Als Breite des Rotors 3 wird die Ausdehnung des Rotors 3 senkrecht zur Zeichenebene der 1 und 2 bezeichnet.
Der Rotor 3 weist eine zentrale Ausnehmung 18 auf, die im Wesentlichen die Gestalt eines Durchgangslochs mit einem kreisförmigen Querschnitt hat. In der zentralen Ausnehmung 18 ist ein Ende einer Antriebswelle 20 aufgenommen, die um eine Drehachse 21 drehbar, zum Beispiel mit Hilfe der elektrischen Maschine, angetrieben ist. Die Antriebswelle 20 weist zwei sich in radialer Richtung erstreckende Antriebsnocken 24, 25 auf, die diametral angeordnet sind. Die Antriebsnocken 24, 25 ragen jeweils in eine Ausnehmung 28, 29, die in der zentralen Ausnehmung 18 ausgespart ist.
Die Ausnehmungen 28, 29 haben jeweils die Gestalt einer Nut, die sich senkrecht zur Zeichenebene der 1 und 2 erstreckt. Von einer der Flanken der Nut 28, 29 geht jeweils einer der Schlitze 11, 12 aus. Die Schlitze 11, 12 verlaufen, bezogen auf die zentrale Ausnehmung 18, in tangentialer Richtung nach außen. Dabei sind die beiden Schlitze 11, 12 parallel zueinander angeordnet. Allerdings verlaufen die beiden Schlitze 11, 12 von der zentralen Ausnehmung 18 in entgegengesetzte Richtungen. Zwischen dem Antriebsnocken 24, 25 und dem zugehörigen Ende des Flügels 14, 15 ist jeweils eine Federeinrichtung 31, 32 angeordnet.
In 1 dreht sich die Antriebswelle 20, wie durch einen Pfeil 34 angedeutet ist, im Uhrzeigersinn. Bei dieser Drehrichtung liegen die Antriebsnocken 24, 25 jeweils an der Nutflanke der Nut 28, 29 an, die dem zugehörigen Ende des Flügels 14, 15 gegenüberliegt. Bei dieser Drehrichtung der Antriebswelle 20 ist die Federeinrichtung 31 entspannt.
In 2 dreht sich die Antriebswelle 20, wie durch einen Pfeil 35 angedeutet ist, gegen den Uhrzeigersinn. Bei dieser Drehrichtung der Antriebswelle 20 werden die Federeinrichtungen 31, 32 zwischen den Antriebsnocken 24, 25 und den zugehörigen Enden der Flügel 14, 15 zusammengedrückt. Dabei wird die im Betrieb auf die Flügel 14, 15 wirkende Fliehkraft durch die Federkraft der Federeinrichtungen 31, 32 unterstützt. Das führt zu einer relativ starken Anpressung der äußeren Enden der Flügel 14, 15 an den Hubring 4. Im Gegensatz dazu, findet bei der in 1 dargestellten Drehrichtung im Uhrzeigersinn nur eine geringe Anpressung der äußeren Enden der Flügel 14, 15 an den Hubring 4 beziehungsweise das Gehäuse statt. In 1 ist angedeutet, dass sogar ein gewisses Spiel zwischen den äußeren Enden der Flügel 14, 15 und dem Hubring 4 vorhanden sein kann.
Bei tiefen Temperaturen, das heißt bei einer hohen Viskosität des Kühlöls, werden die Reibungsverluste, wie in 1 angedeutet ist, durch eine geringe Anpressung der Flügel 14, 15 beziehungsweise eine Vergrößerung der vorhandenen Spalte zwischen den Flügeln 14, 15 und dem Gehäuse 4 minimiert. In diesem Fall bewirkt eine Verdrehung der Antriebswelle 20 im Uhrzeigersinn 34 gegenüber dem Rotor 3, der auch als Pumpenrad bezeichnet wird, eine Entlastung der zwischengeschalteten Federeinrichtungen 31, 32 und somit eine Reduktion der Anpresskraft. Da dieser Betriebspunkt im Betrieb eines mit der Flügelzellenpumpe 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs eher selten und nur kurz auftritt, sind die sich ergebenden volumetrischen Wirkungsgrade von untergeordneter Bedeutung. Es wird jedoch sichergestellt, dass ein minimaler Kühlölstrom, der etwa 10 Prozent des maximalen Kühlölstroms beträgt, aufrechterhalten wird.
Nachdem sich durch Erwärmung die Viskosität des Fluids, insbesondere des Kühlöls, auf einen unkritischen Wert reduziert hat, kann eine Richtungsumkehr der Pumpe erfolgen. In 2 ist angedeutet, dass die Verdrehung der Antriebswelle 20 gegen den Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 35 eine zusätzliche Anpresskraft der Flügel 14, 15 an den Hubring 4 beziehungsweise das Gehäuse bewirkt, die durch das Verspannen der Federeinrichtungen 31, 32 hervorgerufen wird.
Der Rotor 3, der Hubring 4 und die (nicht dargestellten) Gehäuseseitenflächen begrenzen jeweils zwischen den beiden Flügeln 14, 15 einen Verdrängerraum, dessen Volumen sich verändert, wenn sich der Rotor 3 dreht. Dabei kommt es bei einer Drehung des Rotors 3 im Uhrzeigersinn 34, wie in 1 dargestellt ist, in dem Pumpenraum 6 der Flügelzellenpumpe 1 zu einer Volumenvergrößerung, die ein Ansaugen des Arbeitsmediums in dem Pumpenraum 6 bewirkt. Daher wird die zugehörige Seite auch als Saugseite bezeichnet. Gleichzeitig kommt es in dem diametral gegenüberliegenden Pumpenraum 5 der Flügelzellenpumpe 1 zu einer Volumenabnahme, die ein Fördern des Arbeitsmediums aus dem Pumpenraum 6, der auch als Verdrängerraum bezeichnet wird, bewirkt. Demzufolge wird die zugehörige Seite der Flügelzellenpumpe 1 auch als Druckseite bezeichnet.
Bei einer Umkehr der Drehrichtung wird die Saugseite zur Druckseite und die Druckseite zur Saugseite, das heißt bei der in 2 angedeuteten Drehrichtung 35 wird der Pumpenraum 5 zum Saugraum und der Pumpenraum 6 zum Druckraum. Bei der Umkehr der Drehrichtung ist eine Umschaltung der Druck- und der Saugseite der Flügelzellenpumpe 1 erforderlich. Dies wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung mit einem 4/2-Hydraulikventil realisiert. Dabei wird die Schaltstellung für den eher selten auftretenden Betrieb bei tiefen Temperaturen sinnvoller Weise aktiv, zum Beispiel über einen Elektromagneten, geschaltet. Der verbrauchsrelevante Dauerbetrieb der Flügelzellenpumpe wird bevorzugt über eine Rückstellfeder verlustfrei realisiert.
Bezugszeichenliste

1.: Flügelzellenpumpe
3.: Rotor
4.: Hubring
5.: Pumpenraum
6.: Pumpenraum
7.: Anschlussraum
8.: Anschlussraum
11.: Schlitz
12.: Schlitz
14.: Flügel
15.: Flügel
18.: zentrale Ausnehmung
20.: Antriebswelle
21.: Drehachse
24.: Antriebsnocken
25.: Antriebsnocken
28.: Ausnehmung
29.: Ausnehmung
31.: Federeinrichtung
32.: Federeinrichtung
34.: Pfeil
35.: Pfeil

Claims

Flügelzellenpumpe mit einem Rotor (3), der innerhalb einer Hubkontur (4) drehbar angeordnet ist und mindestens einen Flügel (14,15) antreibt, um auf einer Saugseite ein viskoses Medium anzusaugen, das auf einer Druckseite mit Druck beaufschlagt wird, wobei der Flügel (14,15) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung (34,35) des Rotors (3) unterschiedlich stark oder gar nicht an die Hubkontur (4) gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (14,15) so in dem Rotor geführt ist, dass der Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors (3) unterschiedlich stark mit einer im Betrieb auftretenden Fliehkraft und mit einer Federkraft beaufschlagt wird, dass in dem Rotor (3) ein an einer Antriebswelle (20) vorgesehener und dem Flügel (14,15) zugeordneter Antriebsnocken (24,25) in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar ist und dass zwischen dem Antriebsnocken (24,25) und einem Ende des Flügels (14,15) eine Federeinrichtung (31,32) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Flügelzellenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung (34,35) des Rotors (3) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur beziehungsweise der Viskosität des viskosen Mediums umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite und die Druckseite der Flügelzellenpumpe (1) durch eine Hydraulikventileinrichtung umgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite und die Druckseite der Flügelzellenpumpe (1) durch eine 4/2-Wegeventileinrichtung umgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltstellung der Hydraulikventileinrichtung für tiefe Temperaturen aktiv geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltstellung für einen Dauerbetrieb der Flügelzellenpumpe (1) durch eine Rückstellfedereinrichtung geschaltet wird.
Schaltgetriebe, insbesondere Doppelkupplungsgetriebe, mit einer Flügelzellenpumpe (1) nach Anspruch 1, die insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 2 bis 6 betrieben wird.