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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch eine Zahnradmaschine mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zwischen
Hohlrad und Ritzel kann ein Radialspielausgleichskörper
angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Abdichtung zwischen den
Hydraulikkammern der Zahnradmaschine verbessert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die Beschichtung eine reibungsmindernde und/oder eine verschleißmindernde Beschichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
erfindungsgemäße Zahnradmaschine in einem Schnitt
durch eine Ebene senkrecht zu den Rotationsachsen der Zahnräder;
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2 einen
Schnitt durch die Zahnradmaschine gemäß 1 entlang
einer Linie II-II;
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3 einen
Schnitt durch die Zahnradmaschine gemäß 1 entlang
einer Linie III-III;
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4 eine
Detailansicht eines Axialspielausgleichskörpers der Zahnradmaschine
gemäß den 1 bis 3;
und
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5 ein
erfindungsgemäßes Fahrzeuglenksystem mit der Zahnradmaschine
gemäß 2.
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Eine
erfindungsgemäße Zahnradmaschine 10 wird
im Folgenden am Beispiel einer Ausführungsform als Innenzahnradpumpe
beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Abdichtung zwischen Radial- und Axialspielausgleichskörpern 36, 38 und
den Zahnrädern 29 erfolgt auch in Abhängigkeit
von den Druckverhältnissen mit Hilfe von Druckfeldern.
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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.
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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.
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Der
Volumenstrom im Hydraulikkreis 120 zwischen den Arbeitskammern 123, 124 des
Hydraulikzylinders 122 wird im Wesentlichen durch die Drehzahl
der Zahnradmaschine 10 bestimmt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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