DE102008053318A1 - Reversibel betreibbare Zahnradmaschine, sowie Fahrzeuglenksystem und Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuglenksystems - Google Patents

Reversibel betreibbare Zahnradmaschine, sowie Fahrzeuglenksystem und Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuglenksystems Download PDF

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Abstract

Eine reversibel betreibbare Zahnradmaschine (10) umfasst ein Gehäuse (12), in dem zwei Zahnräder (29) angeordnet sind. Eine erste Lagerkammer (40) und eine zweite Lagerkammer (42) sind vorgesehen, wobei in einer ersten Betriebsrichtung der Zahnradmaschine (10) die erste Lagerkammer (40) und in einer entgegengesetzten zweiten Betriebsrichtung die zweite Lagerkammer (42) mit einem Hydraulikfluid druckbeaufschlagt ist und ein hydrostatisches Lager für ein Zahnrad (32) ausbildet. Ein Fahrzeuglenksystem (100) umfasst einen Hydraulikkreis (120), einen Hydraulikzylinder (122) und eine Zahnradmaschine (10), die als Pumpe arbeitet und in ihrer ersten Betriebsrichtung (72) eine erste Arbeitskammer (123) und in ihrer zweiten Betriebsrichtung (74) eine zweite Arbeitskammer (124) des Hydraulikzylinders (122) mit Hydraulikdruck beaufschlagt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine reversibel betreibbare Zahnradmaschine mit einem Gehäuse, in dem zwei Zahnräder angeordnet sind, sowie ein elektrohydraulisches Fahrzeuglenksystem mit einer derartigen Zahnradmaschine und ein Verfahren zur Steuerung des elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems.
  • Eine Zahnradmaschine der eingangs genannten Art ist aus der DE 43 38 875 C2 bekannt. In einem sichelförmigen Freiraum zwischen den Zahnrädern ist ein Radialspielausgleichskörper angeordnet, der den sichelförmigen Freiraum in zwei Hydraulikkammern aufteilt.
  • An diametral gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses sind Bohrungen vorgesehen, die als Anschlüsse der Zahnradmaschine dienen und je nach Betriebsrichtung einen Einlass oder Auslass für Hydraulikfluid bilden. Ein Zahnrad ist als Hohlrad ausgebildet und besitzt radial durchgehende Bohrungen in den Zahnlücken, durch die Hydraulikfluid von den Anschlussbohrungen in die Hydraulikkammern gelangen kann.
  • Herrscht bei Betrieb der Zahnradmaschine eine Druckdifferenz zwischen den beiden Hydraulikkammern, so wird das Hohlrad auf der Hochdruckseite stärker gegen das Gehäuse, in dem das Hohlrad gelagert ist, gedrückt als auf der Niederdruckseite, wodurch eine erhöhte Reibung und Lagerlast zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse entsteht und die Leistung der Zahnradmaschine vermindert wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Lagerung der Zahnräder einer reversibel betreibbaren Zahnradmaschine zu verbessern und eine Zahnradmaschine mit erhöhter Leistungsfähigkeit zu schaffen sowie ein einfach aufgebautes Fahrzeuglenksystem mit einer derartigen Zahnradmaschine und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Fahrzeuglenksystems.
  • Die Aufgabe wird durch eine Zahnradmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Eine erfindungsgemäße, reversibel betreibbare Zahnradmaschine umfasst ein Gehäuse, in dem zwei Zahnräder angeordnet sind. Es sind eine erste Lagerkammer und eine zweite Lagerkammer vorgesehen, wobei in einer ersten Betriebsrichtung der Zahnradmaschine die erste Lagerkammer und in einer entgegengesetzten, zweiten Betriebsrichtung die zweite Lagerkammer mit einem Hydraulikfluid druckbeaufschlagt ist und ein hydrostatisches Lager für ein Zahnrad ausbildet. Durch das hydrostatische Lager wird der Druck auf das Zahnrad auf der jeweiligen Hochdruckseite der Zahnradmaschine kompensiert. Somit werden Reibung und Lagerlast vermindert und die Leistung der Zahnradmaschine verbessert.
  • Das Gehäuse der Zahnradmaschine kann zwei Anschlusskanäle für Hydraulikfluid aufweisen, die jeweils in Abhängigkeit von der Betriebsrichtung einen Einlass oder Auslass bilden. Auf diese Weise können die Anschlüsse der Zahnradmaschine kompakt und robust ausgeführt werden.
  • Vorzugsweise ist jedem Anschlusskanal eine Lagerkammer zugeordnet, welche mit dem jeweiligen Anschlusskanal in Verbindung steht. Somit wird die Zuordnung der Lagerkammern auch bei einem Betriebsrichtungswechsel beibehalten.
  • Die Anschlusskanäle für Hydraulikfluid im Gehäuse erstrecken sich vorteilhafterweise in axialer Richtung. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, bei einer Ausführungsform der Zahnradmaschine mit einem Hohlrad auf radiale Bohrungen oder Durchbrüche des Hohlrads zu verzichten, wodurch das Hohlrad robuster und dessen Herstellung vereinfacht und somit preiswerter wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind im Gehäuse Zuführleitungen ausgebildet, welche die Lagerkammern mit den Anschlusskanälen für Hydraulikfluid verbinden. Dies ermöglicht eine preiswerte Herstellung und einen robusten Aufbau und somit eine erhöhte Betriebssicherheit.
  • Vorzugsweise sind die Zahnräder als ein um eine Achse drehbares, innenverzahntes Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes, aussenverzahntes Ritzel ausgeführt, wobei die Lagerkammern ein hydrostatisches Lager für das Hohlrad ausbilden. Dies ermöglicht eine Ausführungsform der Zahnradmaschine als Innenzahnradmaschine oder Zahnringmaschine und eine besonders vorteilhafte Lagerung des Hohlrads.
  • Zwischen Hohlrad und Ritzel kann ein Radialspielausgleichskörper angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Abdichtung zwischen den Hydraulikkammern der Zahnradmaschine verbessert.
  • Vorzugsweise sind zumindest zwei Segmente für den Radialspielausgleichskörper vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, ein Segment des Radialspielausgleichskörpers dem Hohlrad und das andere Segment dem Ritzel zuzuordnen, wodurch die Funktionsweise des Radialspielausgleichskörpers vereinfacht wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Federelement vorgesehen, das die beiden Segmente des Radialspielausgleichskörpers gegen das Hohlrad bzw. das Ritzel beaufschlagt. Das Federelement beaufschlagt die beiden Segmente des Radialspielausgleichskörpers auch bei geringen Druckdifferenzen in der Zahnradmaschine gegen Hohlrad bzw. Ritzel. Auch bei einem gewissen Materialverschleiß bleibt somit die Abdichtfunktion des Radialspielausgleichskörpers bestehen, da ein entstehender Spalt zwischen dem Radialspielausgleichskörper und Hohlrad bzw. Ritzel durch die Kräfte des Federelements wieder geschlossen wird.
  • Es kann mindestens ein Dichtelement zwischen den beiden Segmenten des Radialspielausgleichskörpers vorgesehen sein, wobei das Dichtelement so angeordnet ist, dass ein Druckfeld zwischen den beiden Segmenten des Radialspielausgleichskörpers mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird und die beiden Segmente gegen das Hohlrad bzw. das Ritzel beaufschlagt werden. Das Druckfeld zwischen den beiden Segmenten des Radialspielausgleichskörpers ermöglicht eine druckabhängige Abdichtung, wodurch bei hohem Druck die Leckage reduziert und bei niedrigem Druck die Leistung der Pumpe optimiert wird.
  • Es können zwei Befestigungselemente für den Radialspielausgleichskörper vorgesehen sein. Dies verhindert ein Verrutschen des Radialspielausgleichskörpers innerhalb der Pumpe. Vorteilhafterweise kann jedem Segment des Radialspielausgleichskörpers ein Befestigungselement zugeordnet sein.
  • Vorzugsweise sind die zwei Befestigungselemente in einer Mittelebene der Zahnradmaschine angeordnet. Auf diese Weise ist die Anordnung der Befestigungselemente symmetrisch, wobei jedes Befestigungselement einem Segment des Radialspielausgleichskörpers zugeordnet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Gehäuse und den Zahnrädern mindestens ein Axialspielausgleichskörper vorgesehen. Auf diese Weise wird die Abdichtung der Zahnradmaschine verbessert und eine Leckage reduziert.
  • Vorteilhafterweise ist mindestens ein mit Hydraulikfluid beaufschlagtes Druckfeld auf einer den Zahnrädern abgewandten Seite des Axialspielausgleichskörpers vorgesehen. Dies ermöglicht eine Abdichtung und einen Axialspielausgleich in Abhängigkeit von den Druckbedingungen in der Zahnradmaschine.
  • Es können sich Anschlusskanäle für Hydraulikfluid durch Ausnehmungen im Axialspielausgleichskörper erstrecken. Auf diese Weise wird eine axiale Ausführung der Anschlusskanäle ermöglicht, während der Axialspielausgleichskörper im Wesentlichen die gesamte Anordnung der Zahnräder abdeckt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Radialspielausgleichskörper und/oder ein Axialspielausgleichskörper vorgesehen, wobei der Radialspielausgleichskörper und/oder der Axialspielausgleichskörper eine Beschichtung aufweist. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Radial- und/oder Axialspielausgleichskörpers.
  • Vorzugsweise ist die Beschichtung eine reibungsmindernde und/oder eine verschleißmindernde Beschichtung.
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeuglenksystem umfasst einen Hydraulikkreis, einen Hydraulikzylinder und die oben beschriebene Zahnradmaschine, wobei die Zahnradmaschine als Pumpe arbeitet und in ihrer ersten Betriebsrichtung eine erste Arbeitskammer und in ihrer zweiten Betriebsrichtung eine zweite Arbeitskammer des Hydraulikzylinders mit Hydraulikdruck beaufschlagt. Dies ermöglicht ein kompaktes Fahrzeuglenksystem mit einer einfachen Bauweise, da kein separates Steuerventil, beispielsweise ein Servoventil, benötigt wird.
  • Vorzugsweise sind die Arbeitskammern des Hydraulikzylinders über Rückschlagventile mit einem Fluidausgleichsbehälter, insbesondere einem Niederdruckbehälter, verbunden. Auf diese Weise wird Kavitation im Hydraulikkreis verhindert. Insbesondere kann das Fahrzeuglenksystem auf einen vorgegebenen Druck vorgespannt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung des Fahrzeuglenksystems umfasst vorzugsweise folgende Verfahrensschritte: Zunächst wird eine Hydraulikdruckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Arbeitskammer des Hydraulikzylinders ermittelt, und ein Soll-Volumenstrom durch den Hydraulikkreis wird bestimmt. Dann wird eine Drehzahl der Zahnradmaschine nach einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einem Kennfeld oder einem Algorithmus, in Abhängigkeit vom Soll-Volumenstrom bestimmt. In Abhängigkeit von der ermittelten Hydraulikdruckdifferenz wird ein Korrekturwert für die Drehzahl der Zahnradmaschine bestimmt, um eine Leckage in der Zahnradmaschine zu kompensieren. Somit kann eine Änderung des Fördervolumens der Zahnradmaschine bei unterschiedlichen Druckverhältnissen im Hydraulikkreis kompensiert werden.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuglenksystems kann folgende Verfahrensschritte aufweisen: Es wird ein Soll-Volumenstrom durch den Hydraulikkreis bestimmt, und eine Drehzahl der Zahnradmaschine wird nach einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einem Kennfeld oder einem Algorithmus, in Abhängigkeit vom Soll-Volumenstrom bestimmt. Eine Änderung des Hydraulikdrucks in der ersten und zweiten Arbeitskammer des Hydraulikzylinders wird ermittelt. In Abhängigkeit von der Änderung des Hydraulikdrucks wird ein Korrekturwert für den Soll-Volumenstrom bestimmt. Dies ermöglicht beispielsweise die Kompensierung von Übertragungsverlusten, beispielsweise bei der Verwendung von dehnbaren Hydraulikdruckschläuchen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine in einem Schnitt durch eine Ebene senkrecht zu den Rotationsachsen der Zahnräder;
  • 2 einen Schnitt durch die Zahnradmaschine gemäß 1 entlang einer Linie II-II;
  • 3 einen Schnitt durch die Zahnradmaschine gemäß 1 entlang einer Linie III-III;
  • 4 eine Detailansicht eines Axialspielausgleichskörpers der Zahnradmaschine gemäß den 1 bis 3; und
  • 5 ein erfindungsgemäßes Fahrzeuglenksystem mit der Zahnradmaschine gemäß 2.
  • Eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine 10 wird im Folgenden am Beispiel einer Ausführungsform als Innenzahnradpumpe beschrieben.
  • Die Zahnradmaschine 10 nach den 1 bis 3 besitzt ein Gehäuse 12, das sich aus einem Lagerteil 14 und einem Gehäusedeckel 16 zusammensetzt. Zwischen Lagerteil 14 und Gehäusedeckel 16 ist eine Dichtung 15 vorgesehen. Es sind vier Befestigungselemente 17 vorgesehen, mit denen der Gehäusedeckel 16 am Lagerteil 14 befestigt ist.
  • Im Lagerteil 14 ist ein kreiszylindrischer Aufnahmeraum 18 ausgebildet. Der Aufnahmeraum 18 wird in radialer Richtung durch das Lagerteil 14 und in axialer Richtung auf einer Seite durch das Lagerteil 14 und auf der anderen Seite durch den Gehäusedeckel 16 begrenzt. Das Lagerteil 14 besitzt eine durchgehende Bohrung 20. Mit der Bohrung 20 fluchtet eine Sackbohrung 22 des Gehäusedeckels 16. In der Bohrung 20 und der Sackbohrung 22 sind Radiallager 24, beispielsweise Kugellager oder Wälzlager, vorgesehen, in denen eine Antriebswelle 26 aufgenommen ist. Eine Dichtung 28 ist in der Bohrung 20 zwischen der Antriebswelle 26 und dem Lagerteil 14 des Gehäuses 12 vorgesehen. Eine Leckageleitung 70 verbindet die Bohrung 20, in der die Antriebswelle 26 untergebracht ist, mit einem Anschluss am Gehäuse 12.
  • Ein erstes Zahnrad 29 ist ein außenverzahntes Ritzel 30, welches innerhalb des Aufnahmeraums 18 auf der Antriebswelle 26 befestigt oder einstückig mit dieser hergestellt ist. Das Ritzel 30 kann über die Antriebswelle 26 in einer ersten Betriebsrichtung 72 und einer zweiten Betriebsrichtung 74 gedreht werden.
  • Über die Anzahl der Zähne am Ritzel 30 kann eine Volumenstrompulsation der Zahnradmaschine 10 beeinflusst werden. Die Volumenstrompulsation reduziert sich mit steigender Anzahl der Zähne. In der gezeigten Ausführungsform weist das Ritzel 30 fünfzehn Zähne auf, es sind insbesondere aber auch zwischen zehn und zwanzig Zähne am Ritzel 30 vorteilhaft.
  • Das Ritzel 30 befindet sich innerhalb eines zweiten Zahnrads 29, welches als innenverzahntes Hohlrad 32 ausgeführt ist, dessen Achse B parallel aber beabstandet zur Achse A des Ritzels 30 angeordnet ist. Das Hohlrad 32 ist an seinem Außenumfang im Lagerteil 14 des Gehäuses 12 gelagert.
  • Eine Mittelebene 33 ist durch die Achsen A, B der beiden Zahnräder 29 aufgespannt und verläuft entlang der Linie III-III. Die beiden Zahnräder 29 kämmen miteinander, wodurch sich aufgrund der Beabstandung der Achsen A, B im Übrigen ein sichelförmiger Freiraum zwischen den beiden Zahnrädern 29 befindet. In diesem Freiraum ist ein sichelförmiger Radialspielausgleichskörper 36 vorgesehen, der an den Zähnen des Ritzels 30 und des Hohlrads 32 anliegt. Der Radialspielausgleichskörper 36 teilt den sichelförmigen Freiraum in eine erste, linke Hydraulikkammer 34 und eine zweite, rechte Hydraulikkammer 35 und dient zur Abdichtung zwischen den beiden Hydraulikkammern 34, 35.
  • Ein erster Anschlusskanal 44 ist für die erste Hydraulikkammer 34 und ein zweiter Anschlusskanal 46 ist für die zweite Hydraulikkammer 35 vorgesehen. Die Anschlusskanäle 44, 46 erstrecken sich in axialer Richtung durch das Lagerteil 14 und den Gehäusedeckel 16. Jeder Anschlusskanal 44, 46 bildet somit zwei Außenanschlüsse am Gehäuse 12. Es ist auch möglich, dass sich die Anschlusskanäle 44, 46 nur in einer Richtung durch das Lagerteil 14 oder durch den Gehäusedeckel 16 erstrecken.
  • Wie in 2 gut zu erkennen, ist der erste Anschlusskanal 44 im Lagerteil 14 und im Gehäusedeckel 16 auf der linken Seite der Zahnradmaschine 10 ausgeführt. Dazu ist symmetrisch zur Mittelachse der zweite Anschlusskanal 46 auf der rechten Seite der Zahnradmaschine 10 ausgebildet.
  • In der durch den kreiszylindrischen Aufnahmeraum 18 gebildeten Wand des Lagerteils 14 sind zwei Ausnehmungen vorgesehen, die bei eingebautem Hohlrad 32 eine erste Lagerkammer 40 und eine zweite Lagerkammer 42 bilden. Bei Betrieb der Zahnradmaschine 10 sind die Lagerkammern 40, 42 mit Hydraulikfluid gefüllt und können, mit Druck beaufschlagt, hydrostatische Lager für das Hohlrad 32 ausbilden.
  • Die Lagerkammern 40, 42 sind in axialer Richtung auf mittlerer Höhe des Hohlrads 32 angeordnet, wobei sich die Lagerkammern 40, 42 nicht über das Hohlrad 32 hinaus erstrecken. In radialer Richtung erstrecken sich die Lagerkammern 40, 42 beispielsweise über einen Winkelbereich zwischen 60° und 135° und sind in Bezug zur Mittelebene 33 spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet.
  • Die erste Lagerkammer 40 und die zweite Lagerkammer 42 sind über Zuführleitungen 68, welche im Gehäuse 12 ausgebildet sind, mit dem ersten Anschlusskanal 44 bzw. mit dem zweiten Anschlusskanal 46 verbunden. Auf diese Weise bilden sich die hydrostatischen Lager in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Zahnradmaschine 10. Bei einer starken Druckdifferenz zwischen den beiden Hydraulikkammern 34, 35 wird die erhöhte Kraft auf das Hohlrad 32 auf der Hochdruckseite der Zahnradmaschine 10 durch eine entsprechend hohe Gegenkraft des hydrostatischen Lagers in der entsprechenden Lagerkammer 40, 42 kompensiert. Es bildet sich also ein hydrostatisches Lager in der ersten Lagerkammer 40 oder der zweiten Lagerkammer 42 in Abhängigkeit der Betriebsrichtung aus.
  • Die Lagerkammern 40, 42 sind so dimensioniert, dass das hydrostatische Lager die Lagerlast nicht vollständig kompensiert. Auf diese Weise wird das Hohlrad 32 weiterhin mit einer geringen Druckkraft radial gegen das Lagerteil 14 gedrückt und somit gut abgedichtet, während sich selbst bei geringen Drehgeschwindigkeiten ein hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Lagerteil 14 des Gehäuses 12 und Hohlrad 32 bildet. Somit wird die radiale Reibung zwischen Hohlrad 32 und dem Lagerteil 14 des Gehäuses 12 unabhängig von den Druckverhältnissen in der Zahnradmaschine 10 verringert und hydraulische Verluste minimiert.
  • Der Radialspielausgleichskörper 36 umfasst zwei Segmente 81, 82 und ist zur Mittelebene 33 symmetrisch ausgebildet (vgl. 1). Ein radial innen liegendes Segment 81 liegt an den Zähnen des Ritzels 30 an, und ein radial außen liegendes Segment 82 liegt an den Zähnen des Hohlrads 32 an.
  • Die beiden Segmente 81, 82 des Radialspielausgleichskörpers 36 sind in Umfangsrichtung über zwei Befestigungselemente 48 in ihrer Position fixiert. Die Befestigungselemente 48 sind zwei Stäbe, die in axialer Richtung durch die Segmente 81, 82 des Radialspielausgleichskörpers 36 hindurch ragen und in dafür vorgesehenen Bohrungen des Lagerteils 14 und Gehäusedeckel 16 des Gehäuses 12 aufgenommen sind. Die Bohrungen in den beiden Segmenten 81, 82 sind so ausgeführt, dass sich die beiden Segmente 81, 82 in radialer Richtung begrenzt bewegen können. Auf diese Weise bleibt die Dichtfunktion der Segmente 81, 82 auch bei einem gewissen Materialverschleiß bestehen.
  • Die beiden Befestigungselemente 48 sind in der Mittelebene 33 der Zahnradmaschine 10 angeordnet. Somit ist jedem Befestigungselement 48 ein Segment 81, 82 zugeordnet, und die Anordnung von Radialspielausgleichskörper 36 und den Befestigungselementen 48 ist symmetrisch zur Mittelebene 33.
  • Es sind zwei Federelemente 50 zwischen den beiden Segmenten 81, 82 des Radialspielausgleichskörpers 36 vorgesehen, welche die beiden Segmente 81, 82 des Radialspielausgleichskörpers 36 gegen das Ritzel 30 bzw. das Hohlrad 32 beaufschlagen.
  • Es sind zwei Dichtelemente 52 zwischen den beiden Segmenten 81, 82 angeordnet, wobei ein Druckfeld zwischen den beiden Segmenten 81, 82 vorgesehen ist, welches mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird, wodurch die beiden Segmente 81, 82 gegen das Ritzel 30 bzw. das Hohlrad 32 gedruckt werden. Das Druckfeld zwischen den Segmenten 81, 82 ist über die Dichtelemente 52 so bemessen, dass die zahnradseitigen Druckkräfte auf die Spielausgleichskörper geringfügig überkompensiert werden, wobei auch die Kräfte der Federelemente 50 berücksichtigt werden.
  • Ist der Druck in der Zahnradmaschine 10 gering oder wird die Zahnradmaschine 10 drucklos betrieben, so beaufschlagt das Druckfeld des Radialspielausgleichskörpers 36 die Segmente 81, 82 nur mit geringen Kräften. In einem solchen Fall beaufschlagen die Federelemente 50 die Segmente 81, 82 des Radialspielausgleichskörpers 36 mit einer bestimmten Kraft, welche unabhängig von den Druckverhältnissen in der Zahnradmaschine 10 ist.
  • Zur axialen Abdichtung sind im Aufnahmeraum 18 zwei Axialspielausgleichskörper 38 vorgesehen, die in axialer Richtung zwischen den Zahnrädern 29 und dem Lagerteil 14 bzw. dem Gehäusedeckel 16 angeordnet sind (vgl. 2 und 3). Die beiden Axialspielausgleichskörper 38 sind in der gezeigten Ausführungsform gleich ausgeführt, es ist aber auch möglich, dass sich die beiden Axialspielausgleichkörper 38 unterscheiden oder dass nur ein Axialspielausgleichskörper 38 vorgesehen ist.
  • 4 zeigt einen im Wesentlichen scheibenförmigen Axialspielausgleichskörper 38. Für die Antriebswelle 26 der Zahnradmaschine 10 ist eine große zentrale Ausnehmung 54 im Axialspielausgleichskörper 38 vorgesehen. Zwei weitere Ausnehmungen 56 sind vorgesehen, um eine Verbindung der Anschlusskanäle 44, 46 zu den Hydraulikkammern 34, 35 der Zahnradmaschine 10 zu ermöglichen. Eine vierte Ausnehmung 58 ist für die Befestigungselemente 48 des Radialspielausgleichskörpers 36 vorgesehen.
  • Am Axialspielausgleichskörper 38 sind auf der dem Hohlrad 32 und dem Ritzel 30 abgewandten Seite ein erstes Druckfeld 60 und ein zweites Druckfeld 62 vorgesehen. Die Druckfelder 60, 62 sind durch Dichtungsringe 64 (vgl. 2) begrenzt, die in Ausnehmungen im Lagerteil 14 und Gehäusedeckel 16 des Gehäuses 12 angebracht sind. Es ist natürlich auch möglich, die Dichtungsringe 64 in Ausnehmungen im Axialspielausgleichskörper 38 anzuordnen. Die Druckfelder 60, 62 werden mit Hydraulikfluid beaufschlagt, wodurch die Axialspielausgleichskörper gegen die Zahnräder 29 gedrückt werden. Die Druckfelder 60, 62 sind so dimensioniert, dass die zahnradseitigen Druckkräfte geringfügig überkompensiert werden.
  • Die Dichtungsringe 64 sind so angeordnet, dass sie die Axialspielausgleichskörper 38 mit einer geringen Vorspannkraft gegen Ritzel 30 und Hohlrad 32 drücken, was insbesondere bei einem drucklosen Betrieb der Zahnradmaschine 10 von Vorteil ist.
  • Die Axialspielausgleichskörper 38 und der Radialspielausgleichskörper 36 sind mit einer reibungs- und verschleißmindernden Beschichtung versehen. Eine solche Beschichtung ist beispielsweise eine Oxidschicht, eine metallische Beschichtung (z. B. Chrom, Nickel), eine Kohlenstoffhartschicht (mit diamantähnlicher Struktur) oder eine PTFE-haltige Schicht. Es ist auch möglich, nur die Axialspielausgleichskörper 38 oder nur den Radialspielausgleichskörper 36 mit einer Beschichtung zu versehen.
  • Die Zahnradmaschine 10 und ihre Bestandteile, wie der Radialspielausgleichskörper 36 und die Axialspielausgleichskörper 38, sind im Wesentlichen symmetrisch zur Mittelebene 33 ausgebildet. Auf diese Weise kann die Zahnradmaschine 10 reversibel betrieben werden, ohne dass die Zahnradmaschine 10 eine Vorzugsrichtung aufweist. Es gibt einige Bauelemente der Zahnradmaschine 10, die von der Betriebsrichtung unabhängig sind, wie zum Beispiel die Leckageleitung 70. Bei diesen Bauelementen ist eine symmetrische Anordnung nicht notwendig.
  • 5 zeigt ein Fahrzeuglenksystem 100, welches die als Pumpe ausgeführte Zahnradmaschine 10 umfasst. Ein Lenkrad 112 ist über eine Lenksäule 114 mit einem Lenksäulenritzel 116 verbunden, das mit einer Zahnstange 118 kämmt.
  • Das Fahrzeuglenksystem 100 weist einen Hydraulikkreis 120 für eine hydraulische Lenkkraftunterstützung auf, der die Zahnradmaschine 10 und einen Hydraulikzylinder 122 umfasst. Der Hydraulikzylinder 122 weist eine erste Arbeitskammer 123 und eine zweite Arbeitskammer 124 auf. Die reversibel betreibbare Zahnradmaschine 10 ist so in den Hydraulikkreis 120 integriert, dass sie Hydraulikfluid in ihrer ersten Betriebsrichtung von der zweiten Arbeitskammer 124 in die erste Arbeitskammer 123, und in ihrer zweiten Betriebsrichtung von der ersten Arbeitskammer 123 in die zweite Arbeitskammer pumpt.
  • Die Antriebswelle 26 der Zahnradmaschine 10 ist mit einem Motor 102 verbunden, für den eine Steuereinheit 104 vorgesehen ist. Die Zahnradmaschine 10 kann mit dem Motor 102 und der Steuereinheit 104 baulich in einer Einheit als Motor-Pumpen-Aggregat vorgesehen sein. An der Lenksäule 114 oder am Lenkrad 112 ist ein Sensor 106 vorgesehen, der mit der Steuereinheit 104 verbunden ist. Zwei Drucksensoren 130 sind an der ersten und zweiten Arbeitskammer 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 bzw. deren Zuleitungen vorgesehen.
  • Zwischen den Arbeitskammern des Hydraulikzylinders 122 ist ein Fail-Safe-Ventil 125 vorgesehen, welches die beiden Arbeitskammern 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 hydraulisch kurzschließen kann. Dazu weist das Fail-Safe-Ventil 125 eine federbeaufschlagte Durchlassstellung auf, in der ein Hydraulikfluss durch das Fail-Safe-Ventil 125 möglich ist, und eine Sperrstellung, in der der Hydraulikfluss gesperrt ist.
  • Die Anschlusskanäle 44, 46 der Zahnradmaschine 10 sind auf der Seite des Gehäusedeckels 16 mit den Arbeitskammern des Hydraulikzylinders 122 verbunden und auf der Seite des Lagerteils 14 über Rückschlagventile 126 mit einem Fluidausgleichsbehälter 128 verbunden. Der Fluidausgleichsbehälter 128 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Niederdruckbehälter, wodurch das Fahrzeuglenksystem auf einen bestimmten Druck vorgespannt werden kann. Der Fluidausgleichsbehälter 128 ist auch an die Leckageleitung 70 der Zahnradmaschine 10 angeschlossen. Anstelle eines Niederdruckbehälters sind auch andere Fluidausgleichsbehälter 128 möglich, beispielsweise ein druckloses Reservoir.
  • Auch die Arbeitskammern 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 und deren Zuleitungen im Hydraulikkreis 120 sind über die Zahnradmaschine 10 und die Rückschlagventile 126 mit dem Fluidausgleichsbehälter 128 verbunden. Somit wird Kavitation in der Zahnradmaschine 10 oder im Hydraulikzylinder 122 verhindert.
  • Die Rückschlagventile 126 können natürlich auch an anderen Stellen vorgesehen sein, beispielsweise direkt an den Arbeitskammern 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 oder an deren Zuleitungen im Hydraulikkreis 120.
  • Die Zahnradmaschine 10 kann, alternativ zu der oben beschriebenen Verwendung in einem Fahrzeuglenksystem 100, auch in einem aktiven Fahrwerksystem verwendet werden. Die Zahnradmaschine 10 wirkt dabei beispielsweise auf ein Stellglied, so dass ein Stabilisator auf Vorspannung gebracht wird, oder direkt auf einen Dämpfer des Fahrwerks.
  • Im Folgenden wird die Funktion der Zahnradmaschine 10 und des Fahrzeuglenksystems 100 beschrieben. Die Zahnradmaschine 10 ist reversibel betreibbar in einer ersten und zweiten Betriebsrichtung 72, 74. Bei der Verwendung der Zahnradmaschine 10 als Pumpe wird ein Volumenstrom von Hydraulikfluid von einer Einlassseite zu einer Auslassseite der Zahnradmaschine 10 gefördert. In der Regel ist der Druck auf der Auslassseite der Zahnradmaschine 10 höher als auf der Einlassseite, die Druckverhältnisse können aber auch anders sein, insbesondere kurz nach einem Wechsel der Betriebsrichtung.
  • Um sich an alle verschiedenen Druckverhältnisse optimal anpassen zu können, erfolgt bei der Zahnradmaschine 10 die Lagerung des Hohlrades 32 über hydrostatische Lager, die sich in den Lagerkammern 40, 42 ausbilden. Die hydrostatischen Lager ermöglichen einen geringen Reibungswiderstand sowie eine gute Abdichtung zwischen Hohlrad 32 und Lagerteil 14.
  • Die Abdichtung zwischen Radial- und Axialspielausgleichskörpern 36, 38 und den Zahnrädern 29 erfolgt auch in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen mit Hilfe von Druckfeldern.
  • Die Verwendung von Radial- und Axialspielausgleichskörper 36, 38 ermöglicht insbesondere auch die Kompensation einer Änderung der Viskosität des Hydraulikfluids bei unterschiedlichen Temperaturen. Durch hydrodynamisches Aufschwimmen der Radial- und Axialspielausgleichskörper 36, 38 auf einem Hydraulikfluidfilm zwischen den Zahnrädern 29 und den Radial- und Axialspielausgleichskörpern 36, 38 bilden sich geringe Leckage-Spalte. Bei hohen Temperaturen und entsprechend geringer Viskosität des Hydraulikfluids ergibt sich dabei ein minimaler Leckage-Spalt. Bei tiefen Temperaturen und entsprechend hoher Viskosität des Hydraulikfluids stellt sich ein dickerer Hydraulikfluidfilm und damit größerer Leckage-Spalt ein, so dass viskose Reibungsverluste nur unwesentlich ansteigen. Aufgrund der höheren Viskosität bei tiefen Temperaturen ist die Leckage wiederum vergleichbar mit der Leckage bei hohen Temperaturen.
  • Um eine gewünschte hydraulische Lenkkraftunterstützung zu erhalten wird ein Sollvolumenstrom durch den Hydraulikkreis 120 von der Steuereinheit 104 bestimmt, in Abhängigkeit von mindestens einem lenkungsrelevanten Parameter, beispielsweise einem Lenkwinkel, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit oder einem Lenkmoment. Der lenkungsrelevante Parameter wird von einem Sensor 106 in der Lenksäule 114 bestimmt und an die Steuereinheit 104 übermittelt.
  • Der Volumenstrom im Hydraulikkreis 120 zwischen den Arbeitskammern 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 wird im Wesentlichen durch die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 bestimmt.
  • Die Steuereinheit 104 steuert die Drehzahl des Motors 102 und somit die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 in Abhängigkeit vom Sollvolumenstrom. Die Zahnradmaschine 10 ist in der gezeigten Ausführungsform so in den Hydraulikkreis 120 des Fahrzeuglenksystems 100 integriert, dass in ihrer ersten Betriebsrichtung 72 Hydraulikfluid von der zweiten Arbeitskammer 124 des Hydraulikzylinders 122 in die erste Arbeitskammer 123 und in ihrer zweiten Betriebsrichtung von der ersten Arbeitskammer 123 in die zweite Arbeitskammer 124 gepumpt wird.
  • Bei Ausfall des Fahrzeuglenksystems 100 wird das Fail-Safe-Ventil 125 in seine federbeaufschlagte Durchlassstellung geschaltet. Auf diese Weise werden die beiden Arbeitskammern des Hydraulikzylinders 122 kurzgeschaltet, und ein Lenkmanöver des Fahrzeugs ist auf mechanischem Wege über Lenkrad 112, Lenksäule 114, Lenksäulenritzel 116 und Zahnstange 118 möglich.
  • Bei unterschiedlichen Druckverhältnissen im Hydraulikkreis 120 und in der Zahnradmaschine 10 kann der tatsächliche Volumenstrom zwischen den Arbeitskammern 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 vom erwarteten Sollvolumenstrom abweichen. Dies kann zum Beispiel an einer erhöhten Leckage in der Zahnradmaschine 10 aufgrund hoher Druckdifferenzen liegen oder an Volumenveränderungen im Hydraulikkreis 120, beispielsweise aufgrund von Verwendung elastischer Druckschläuche.
  • Das im Folgenden beschriebene Verfahren dient zur Kompensation der druckbedingten Abweichungen im Volumenstrom. Ein Sollvolumenstrom wird durch die Steuereinheit 104 in Abhängigkeit von wenigstens einem lenkungsrelevanten Parameter bestimmt. Die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 wird nach einer vorgegebenen Bedingung, beispielsweise einem Kennfeld oder einem Algorithmus, in Abhängigkeit vom Sollvolumenstrom bestimmt.
  • Die Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Arbeitskammer 123, 124 wird durch die Drucksensoren 130 ermittelt. Dabei werden auch Änderungen des Hydraulikdrucks in der ersten und zweiten Arbeitskammer 123, 124 des Hydraulikzylinders 122 ermittelt.
  • Alternativ können die Druckverhältnisse im Hydraulikkreis 120 und in der Zahnradmaschine 10 indirekt bestimmt werden, beispielsweise über die Stromaufnahme des Motors 102 in Kombination mit einem oder mehreren lenkungsrelevanten Parametern, wie zum Beispiel dem Lenkwinkel oder dem Lenkmoment.
  • Ein erster Korrekturwert für den Sollvolumenstrom des Hydraulikreises 120 wird in Abhängigkeit von der Änderung des Hydraulikdrucks bestimmt. Die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 wird über den Korrekturwert für den Sollvolumenstrom geregelt, um Volumenänderungen im Hydraulikkreis 120 in Abhängigkeit von einer Hydraulikdruckänderung zu kompensieren. Solche Volumenänderungen treten z. B. bei der Verwendung von elastischen Druckschläuchen auf, die sich bei einer Druckreduzierung zusammenziehen, wodurch ein gewisses Volumen frei wird. Auf diese Weise kann bei einer Absenkung des Hydraulikdrucks im Hydraulikkreis 120 die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 -zusätzlich reduziert werden. Bei zunehmendem Hydraulikdruck dehnen sich die Druckschläuche, wodurch ein gewisses Volumen verloren geht und die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 erhöht werden muss.
  • Ein zweiter Korrekturwert wird für die Drehzahl der Zahnradmaschine 10 bestimmt, um eine Leckage in Abhängigkeit von der Hydraulikdruckdifferenz in der Zahnradmaschine 10 zu kompensieren. Aufgrund des Korrekturwerts wird die Drehzahl zu höheren Hydraulikdruckdifferenzen hin geringfügig erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4338875 C2 [0002]

Claims (21)

  1. Reversibel betreibbare Zahnradmaschine (10) mit einem Gehäuse (12), in dem zwei Zahnräder (29) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lagerkammer (40) und eine zweite Lagerkammer (42) vorgesehen sind, wobei in einer ersten Betriebsrichtung (72) der Zahnradmaschine (10) die erste Lagerkammer und in einer entgegengesetzten zweiten Betriebsrichtung (74) die zweite Lagerkammer (42) mit einem Hydraulikfluid druckbeaufschlagt ist und ein hydrostatisches Lager für ein Zahnrad (29) ausbildet.
  2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) der Zahnradmaschine (10) zwei Anschlusskanäle (44, 46) für Hydraulikfluid aufweist, die jeweils in Abhängigkeit von der Betriebsrichtung (72, 74) einen Einlass oder Auslass bilden.
  3. Zahnradmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Anschlusskanal (44, 46) eine Lagerkammer (40, 42) zugeordnet ist, welche mit dem jeweiligen Anschlusskanal (44, 46) in Verbindung steht.
  4. Zahnradmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anschlusskanäle (44, 46) für Hydraulikfluid im Gehäuse (12) in axialer Richtung erstrecken.
  5. Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12) Zuführleitungen (68) ausgebildet sind, welche die Lagerkammern (40, 42) mit den Anschlusskanälen (44, 46) für Hydraulikfluid verbinden.
  6. Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (29) als ein um eine Achse (B) drehbares, innenverzahntes Hohlrad (32) und ein mit dem Hohlrad (32) kämmendes, aussenverzahntes Ritzel (30) ausgeführt sind, wobei die Lagerkammern (40, 42) ein hydrostatisches Lager für das Hohlrad (32) ausbilden.
  7. Zahnradmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hohlrad (32) und Ritzel (30) ein Radialspielausgleichskörper (36) angeordnet ist.
  8. Zahnradmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Segmente (81, 82) für den Radialspielausgleichskörper (36) vorgesehen sind.
  9. Zahnradmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (50) vorgesehen ist, das die beiden Segmente (81, 82) des Radialspielausgleichskörpers (36) gegen das Hohlrad (32) bzw. das Ritzel (30) beaufschlagt.
  10. Zahnradmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dichtelement (52) zwischen den beiden Segmenten (81, 82) des Radialspielausgleichskörpers (36) vorgesehen ist, wobei das Dichtelement (52) so angeordnet ist, dass ein Druckfeld zwischen den beiden Segmenten (81, 82) des Radialspielausgleichskörpers (36) mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird und die beiden Segmente (81, 82) gegen das Hohlrad (32) bzw. das Ritzel (30) beaufschlagt werden.
  11. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Befestigungselemente (48) für den Radialspielausgleichskörper (36) vorgesehen sind.
  12. Zahnradmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Befestigungselemente (48) in einer Mittelebene (33) der Zahnradmaschine (10) angeordnet sind.
  13. Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (12) und den Zahnrädern (29) mindestens ein Axialspielausgleichskörper (38) vorgesehen ist.
  14. Zahnradmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit Hydraulikfluid beaufschlagtes Druckfeld (60, 62) auf einer den Zahnrädern (29) abgewandten Seite des Axialspielausgleichskörpers (38) vorgesehen ist.
  15. Zahnradmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich Anschlusskanäle (44, 46) für Hydraulikfluid durch Ausnehmungen (56) im Axialspielausgleichskörper (38) erstrecken.
  16. Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radialspielausgleichskörper (36) und/oder ein Axialspielausgleichskörper (38) vorgesehen ist, wobei der Radialspielausgleichskörper (36) und/oder der Axialspielausgleichskörper (38) eine Beschichtung aufweist.
  17. Zahnradmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine reibungsminderende und/oder eine verschleißminderende Beschichtung ist.
  18. Fahrzeuglenksystem (100) mit einem Hydraulikkreis (120), einem Hydraulikzylinder (122) und einer Zahnradmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnradmaschine (10) als Pumpe arbeitet und in ihrer ersten Betriebsrichtung (72) eine erste Arbeitskammer (123) und in ihrer zweiten Betriebsrichtung (74) eine zweite Arbeitskammer (124) des Hydraulikzylinders (122) mit Hydraulikdruck beaufschlagt.
  19. Fahrzeuglenksystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammern (123, 124) des Hydraulikzylinders (122) über Rückschlagventile (126) mit einem Fluidausgleichsbehälter (128) verbunden sind.
  20. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuglenksystems nach einem der Ansprüche 18 oder 19, mit folgenden Verfahrensschritten: a) es wird eine Hydraulikdruckdifferenz zwischen erster und zweiter Arbeitskammer (123, 124) des Hydraulikzylinders (122) ermittelt, b) ein Soll-Volumenstrom durch den Hydraulikkreis (120) wird bestimmt, c) eine Drehzahl der Zahnradmaschine (10) wird nach einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einem Kennfeld oder einem Algorithmus, in Abhängigkeit vom Soll-Volumenstrom bestimmt, d) in Abhängigkeit von der ermittelten Hydraulikdruckdifferenz wird ein Korrekturwert für die Drehzahl der Zahnradmaschine (10) bestimmt, um eine Leckage in der Zahnradmaschine (10) zu kompensieren.
  21. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuglenksystems nach einem der Ansprüche 18 oder 19, mit folgenden Verfahrensschritten: a) ein Soll-Volumenstrom durch den Hydraulikkreis (120) wird bestimmt, b) eine Drehzahl der Zahnradmaschine (10) wird nach einer vorgegebenen Bedingung, insbesondere einem Kennfeld oder einem Algorithmus, in Abhängigkeit vom Soll-Volumenstrom bestimmt, c) eine Änderung des Hydraulikdrucks in der ersten und zweiten Arbeitskammer (123, 124) des Hydraulikzylinders (122) wird ermittelt, d) in Abhängigkeit von der Änderung des Hydraulikdrucks wird ein Korrekturwert für den Soll-Volumenstrom bestimmt, e) die Drehzahl der Zahnradmaschine (10) wird über den Korrekturwert für den Soll-Volumenstrom geregelt, um Volumenveränderungen im Hydraulikkreis (120) in Abhängigkeit von einer Hydraulikdruckänderung zu kompensieren.
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