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Die
Erfindung betrifft die Schmierung einer Drehlagerung einer Umlaufverdrängerpumpe,
vorzugsweise einer Außenzahnradpumpe.
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Umlaufverdrängerpumpen
weisen ein drehgelagertes Förderrad oder mehrere drehgelagerte Förderräder
auf, das oder die um eine oder mehrere Drehachsen umlaufende Förderzellen
bildet oder bilden, in denen ein Fluid von einem Einlass zu einem Auslass
einer Pumpenkammer gefördert wird. Die Drehlagerung des
Förderrads oder bei mehreren Förderrädern
die jeweilige Drehlagerung unterliegt dem Verschleiß. Für
die Schmierung der üblicherweise als Gleitlager ausgeführten
Drehlagerung wird Fluid aus der Pumpenkammer verwendet, das von
einer Hochdruckseite der Pumpenkammer durch das zu schmierende Drehlager
zurück zu einer Niederdruckseite gedrückt wird.
Die Drehlagerung unterliegt einem beachtlichen Verschleiß,
der nicht selten die Lebensdauer der Pumpe begrenzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, den Verschleiß einer Drehlagerung
eines Förderrads einer Umlaufverdrängerpumpe zu
verringern.
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Die
Erfindung geht von einer Umlaufverdrängerpumpe aus, die
ein Gehäuse mit einer Kammer und wenigstens ein in der
Kammer aufgenommenes Förderrad umfasst. Die Kammer weist
auf einer Niederdruckseite der Pumpe einen Einlass und auf einer Hochdruckseite
der Pumpe einen Auslass für ein von der Pumpe zu förderndes
Fluid auf. Das Förderrad ist zur Förderung des
Fluids um eine Drehachse drehbar gelagert. Es bildet mit Wänden
der Kammer und vorzugsweise in einem Fördereingriff mit
einem weiteren Förderrad Förderzellen, die im
Falle eines Drehantriebs des Förderrads oder der mehreren
Förderräder um die Drehachse umlaufen und in denen das
Fluid von dem Einlass zu dem Auslass gefördert wird.
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Die
Pumpe umfasst ferner wenigstens eine Lagerstruktur, die vorzugsweise
axial versetzt zu dem Förderrad eingeordnet ist, und ein
Lagerprofil, das um die Drehachse eine Lagerfläche für
die Drehlagerung des Förderrads aufweist. Die Lagerfläche
bildet mit einer Lagergegenfläche einen Lagerspalt der
Drehlagerung, d. h. die Lagerfläche und die Lagergegenfläche
begrenzen den Lagerspalt in bezüglich der Drehachse radialer
Richtung. Vorzugsweise ist die Lagerfläche eine äußere
Umfangsfläche des Lagerprofils, und es umgibt die Lagergegenfläche
die Lagerfläche. Alternativ kann jedoch auch die Lagerfläche
die Lagergegenfläche umgeben. Die Lagergegenfläche
wird von der Lagerstruktur oder vorzugsweise von dem Förderrad
gebildet. Das Lagerprofil kann als Achse gebildet sein, um die das
Förderrad drehbar ist, oder als gemeinsam mit dem Förderrad
drehende Welle. Falls die Lagerstruktur die Lagergegenfläche
bildet, können das Förderrad und das Lagerprofil
verdrehgesichert miteinander verbunden oder sogar aus einem Stück
geformt sein. Falls wie bevorzugt das Förderrad die Lagergegenfläche bildet,
dreht das Förderrad unter Ausbildung des Lagerspalts dementsprechend
um das Lagerprofil. In derartigen Fällen ist das Lagerprofil
vorzugsweise fest, d. h. unbeweglich, mit der Lagerstruktur verbunden,
beispielsweise in einem Stück oder vorzugsweise mittels
einer formschlüssigen oder reibschlüssigen Verbindung.
Das Wort ”oder” hat hier wie auch sonst im Sinne
der Erfindung die übliche Bedeutung von ”und/oder”,
soweit sich aus dem jeweiligen Zusammenhang nichts anderes ergeben
kann. Eine stoffschlüssige Verbindung ist ebenfalls möglich,
wie auch die Formung von Lagerstruktur und Lagerprofil in einem
Stück. Im Lagerspalt können Wälzkörper angeordnet
und die Drehlagerung als Wälzlager gebildet sein. In bevorzugten
einfachen Ausführungen ist die Drehlagerung jedoch als
Gleitlager ausgeführt.
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Für
die Schmierung der Drehlagerung umfasst die Pumpe einen Schmiermittelkanal,
durch den ein Schmiermittel in den Lagerspalt förderbar
ist. Als Schmiermittel dient das von der Pumpe zu fördernde Fluid.
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Nach
der Erfindung erstreckt sich der Schmiermittelkanal von außerhalb
der Kammer in den Lagerspalt, um das als Schmiermittel dienende Fluid
nicht aus der Kammer, sondern von einer Stelle der Hochdruckseite
der Pumpe stromabwärts von der Kammer als Schmiermittel
in den Lagerspalt zu führen. Von dem Förderstrom
der Pumpe wird ein Teilstrom abgezweigt und zum Zwecke der Lagerschmierung
in den Lagerspalt zurück geführt. Die Erfindung
setzt bei der Erkenntnis an, dass das durch die Kammer geförderte
Fluid Schmutzpartikel enthält, insbesondere Abriebpartikel,
die den Abrieb in der Drehlagerung verstärken und daher
den Verschleiß der Drehlagerung erhöhen, was zum
Fressen führen kann. Durch den erfindungsgemäßen Schmiermittelkanal
kann das Fluid für die Schmierung vor Einleitung in den
Lagerspalt von Schmutzpartikeln befreit werden. Die erfindungsgemäße
Umlaufverdrängerpumpe wird daher nicht mit dem Rohfluid,
wie es durch die Kammer gefördert wird, sondern mit gereinigtem
Reinfluid geschmiert.
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Das
Rohfluid wird in bevorzugten Ausführungen durch eine Reinigungseinrichtung
geleitet, die in einem Fluidkreis der Pumpe stromabwärts
von der Pumpe angeordnet ist. Das mittels der Reinigungseinrichtung
gereinigte Fluid, d. h. das Reinfluid, wird in einer Rückführung
zu der Pumpe zurückgeführt. Die Rückführung
ist über einen an dem Gehäuse der Pumpe gebildeten
Anschluss an den Schmiermittelkanal angeschlossen. Die Reinigungseinrichtung oder
eine zusätzliche Reinigungseinrichtung kann auch in der
Rückführung angeordnet sein. Die Reinigungseinrichtung
oder die zusätzliche Reinigungseinrichtung kann auch in
dem Gehäuse der Pumpe oder unmittelbar an dem Gehäuse
angeordnet sein. Das durch den Auslass der Kammer verdrängte
Fluid wird in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom
verzweigt, wobei der erste Teilstrom, der bevorzugt einen Hauptstrom
bildet, vollständig oder zu einem Teil einem dem Fluid
zu versorgenden Aggregat zugeführt und der zweite Teilstrom
vollständig oder zu einem Teil über die Reinigungseinrichtung zurück
in den Schmiermittelkanal geführt wird. Falls die Reinigungseinrichtung
im oder unmittelbar an dem Gehäuse der Pumpe angeordnet
ist, ist sie vorteilhafterweise austauschbar angeordnet. Die Reinigungseinrichtung
kann in allen Anordnungsvarianten insbesondere ein Fluidfilter mit
einem einzigen oder mehreren Sieben sein.
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Die
Schmierung mit Reinfluid hat auch den Vorteil, dass im Vergleich
zu dem in der Kammer befindlichen Rohfluid kühleres Reinfluid
verwendet werden kann, um Wärme aus der Drehlagerung abzuführen.
In bevorzugten Ausführungen wird das von der Pumpe geforderte
Rohfluid auf der Hochdruckseite im Strömungsweg nach oder
vorzugsweise vor der Reinigungseinrichtung mittels einer Kühleinrichtung gekühlt
und im gekühlten Zustand als Schmiermittel zu der Pumpe
zurückgeführt. Falls die Kühleinrichtung
stromabwärts von der Reinigungseinrichtung angeordnet ist,
zweigt die Rückführung daher vorzugsweise hinter
der Kühleinrichtung ab. Eine Kühleinrichtung kann
auch ausschließlich für das abgezweigte Schmiermittel
oder zusätzlich in der Rückführung vorgesehen
sein, wie dies auch in Bezug auf die Reinigungseinrichtung gilt.
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In
bevorzugten Ausführungen ist das spezifische Fördervolumen
der Pumpe verstellbar, um die Förderrate bzw. das absolute
Fördervolumen der Pumpe an den Bedarf des zu versorgenden
Aggregats anpassen zu können. Für die Verstellung
des spezifischen Fördervolumens, d. h. des Fördervolumens
pro Umdrehung des Förderrads, weist die Pumpe eine Verstelleinheit
auf, die das Förderrad, das Lagerprofil und einen Kolben
umfasst, die so miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam eine Verstellbewegung
ausführen. Vorzugsweise bildet die Lagerstruktur den Kolben.
Die Verstelleinheit wird vorzugsweise in Abhängigkeit von
einem Fluiddruck der Hochdruckseite der Pumpe verstellt. Die Verstelleinheit
ist hin und her bewegbar gelagert, wobei eine Bewegung der Verstelleinheit
in eine erste Richtung eine Verringerung und eine Bewegung in die
andere Richtung eine Vergrößerung des spezifischen
Fördervolumens bewirken. Vorzugsweise ist die Verstelleinheit
axial, d. h. längs der Drehachse oder parallel zu der Drehachse
des Förderrads, hin und her bewegbar. Alternativ kann sie
aber auch quer zu der Drehachse bewegbar sein, linear- oder schwenkbeweglich.
Eine Axialbewegbarkeit wird für außenachsige Pumpen
bevorzugt, während für innenachsige Pumpen sowohl
eine axiale Bewegbarkeit als auch eine Querbewegbarkeit in Frage
kommt.
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Die
Verstelleinheit wird bevorzugt in Abhängigkeit von einem
Fluiddruck der Hochdruckseite in die erste Richtung ihrer Bewegbarkeit
beaufschlagt, so dass das spezifische Fördervolumen mit
zunehmendem Druck verringert wird. Dem Fluiddruck wirkt eine rückstellende
Kraft entgegen. Vorzugsweise wird die Verstelleinheit dem Fluiddruck
entgegenwirkend mit einer Federkraft beaufschlagt. Die Position der
Verstelleinheit stellt sich dem momentanen Gleichgewicht der mittels
des Fluiddrucks erzeugten Verstellkraft und der Rückstellkraft
entsprechend ein. Der Kolben kann insbesondere bei außenachsigen Pumpen,
aber auch bei innenachsigen Pumpen ein Axialhubkolben sein. Vorzugsweise
ist der Kolben einer Stirnseite des Förderrads unmittelbar
zugewandt, so dass er mit dem Förderrad einen axialen Dichtspalt
bildet, der die Hochdruckseite der Kammer von der Niederdruckseite
der Kammer von unvermeidbaren Leckverlusten abgesehen fluidisch
trennt.
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Obgleich
es grundsätzlich möglich ist, dass auf den Kolben
wie bei herkömmlichen Pumpen das Rohfluid wirkt, entspricht
es bevorzugten Ausführungen, wenn der Kolben mit dem Reinfluid
beaufschlagt wird. Eine derartige Ausführung ermöglicht
die Zuführung des Reinfluids durch den Kolben hindurch
in den Lagerspalt der Drehlagerung. Der Schmiermittelkanal erstreckt
sich in solchen Ausführungen durch den Kolben. Solch eine
Anordnung des Schmiermittelkanals ist konstruktiv einfach und garantiert
eine Lagerschmierung mit stets ausreichendem Druck.
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Während
in herkömmlichen Schmierkonzepten, die das Rohfluid aus
der Pumpenkammer als Schmiermittel verwenden, das Schmiermittel
in Bezug auf die Drehachse von radial außen und somit gegen
die Fliehkraft in den Lagerspalt gedrückt wird, nämlich
einfach von der Hochdruckseite der Kammer her, wird das erfindungsgemäß als
Schmiermittel verwendete Reinöl in bevorzugten Ausführungen
von radial innen oder zumindest auf einer mit dem Lagerspalt gleichen
radialen Höhe in den Lagerspalt gedrückt. Die
Fliehkraft unterstützt somit den Schmiermittelstrom im
Lagerspalt oder wirkt diesem bei der Einleitung in den Lagerspalt
zumindest nicht entgegen. Die Fliehkraft wird allerdings bevorzugt
für die Abführung genutzt, indem das Schmiermittel
aus dem Lagerspalt nach radial außen zur Niederdruckseite
abgeführt wird. Durch die Ausnutzung der Fliehkraft kann
somit ein Druckverlust, den das Reinfluid im Vergleich zu dem Rohfluid
herkömmlicher Schmierkonzepte aufweist, zumindest teilweise
ausgeglichen werden.
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Besonders
günstig ist, wenn der Schmiermittelkanal sich durch das
Lagerprofil erstreckt und der Lagerspalt vorzugsweise von radial
innen mit dem Schmiermittel versorgt wird. Das Lagerprofil weist
in derartigen Ausführungen zumindest abschnittsweise einen
Hohlquerschnitt auf, der einen Abschnitt des Schmiermittelkanals
bildet. Vorzugsweise ist in dem Lagerprofil ein Verbindungskanal
geformt, der von dem Hohlquerschnitt durch das Lagerprofil hindurch nach
außen zu der Lagerfläche führt. Der Verbindungskanal
kann insbesondere eine einfache radiale Bohrung im Lagerprofil sein.
In bevorzugten Ausführungen führt der Schmiermittelkanal
somit durch den Kolben der Verstelleinheit in den Hohlquerschnitt
des Lagerprofils. Falls das Förderrad nicht verstellbar
ist, kann eine feststehende Kammerwand den Kolben ersetzen, indem
der Schmiermittelkanal durch diese Kammerwand in den Hohlquerschnitt
des Lagerprofils fuhrt.
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Wird
die Drehlagerung von radial innen mit dem Schmiermittel versorgt,
ist es ferner von Vorteil, wenn der Schmiermittelkanal in einen
axial mittleren Abschnitt des Lagerspalts mündet. Das Schmiermittel
verteilt sich vom Mündungsbereich aus axial nach beiden
Seiten und daher auf kurzem Wege bis zu den axialen Enden des Lagerspalts.
Vorteilhafterweise ist der Lagerspalt an beiden axialen Enden mit
der Niederdruckseite der Pumpe, vorzugsweise der Niederdruckseite
der Kammer, verbunden, um das Schmiermittel abzuführen
und auf diese Weise den Durchfluss durch den Lagerspalt zu gewährleisten. Die
Abführung erfolgt vorzugsweise durch Abführkanäle,
die in Dichtflächen geformt sind, die den beiden axialen
Stirnseiten des Förderrads zugewandt gegenüberliegen
und je mit einer dieser Dichtflächen einen axialen Dichtspalt
bilden. Die Abführkanäle sind in den Dichtflächen
jeweils als eine von innen nach radial außen führende
Vertiefung geformt. Die Abführkanäle sind so schmal,
dass sie die Dichtwirkung des jeweiligen Dichtspalts nicht nennenswert
beeinträchtigen. Anstatt wenigstens einen Abführkanal
in jeder der beiden Dichtflächen zu formen, wäre
es grundsätzlich möglich, einen Abführkanal
auch nur in einer der Dichtflächen vorzusehen, was für
die Versorgung der Drehlagerung mit Schmiermittel allerdings ungünstiger
wäre. Das Schmiermittel würde in solch einer Ausführung
zweckmäßigerweise an dem der Abführung
gegenüberliegenden axialen Ende des Lagerspaltes eingeleitet.
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Vorteilhafterweise
mündet der durch das Lagerprofil geführte Schmiermittelkanal
in einer Vertiefung, die in der Lagerfläche oder der Lagergegenfläche
geformt ist und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse des Förderrads
erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich die Vertiefung um die Drehachse
umlaufend, d. h. über 360°. Insbesondere in den
Ausführungen, in denen das Lagerprofil eine Hohlachse ist, um
die sich das Förderrad dreht, oder eine Hohlwelle, die
drehsteif mit dem Förderrad verbunden ist, ist es vorteilhaft,
wenn die Vertiefung in der Lagergegenfläche geformt ist,
um den Mantel der Hohlachse oder Hohlwelle nicht zu schwächen.
Bei ausreichender Dicke des Mantels der Hohlachse oder Hohlwelle
kann die Vertiefung stattdessen oder kann gegebenenfalls zusätzlich
eine Vertiefung in der Hohlachse oder -welle geformt sein. Die Vertiefung
dient als Verteilkanal für das Schmiermittel. Ohne solche
einen Verteilkanal müsste der Schmiermittelkanal bei nicht
drehbarem Lagerprofil im Lagerspalt in einer Drehwinkelposition
münden in der unter Betriebsbelastung ein ausreichend breiter
Spalt für die Verteilung des Schmiermittels verbleibt. Über
den Umfang der Lagerfläche gesehen sind die Kräfte
im Betrieb der Pumpe nämlich ungleichförmig verteilt.
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Ein
Verteilkanal, der sich in Umfangsrichtung über einen ausreichend
großen Drehwinkelbereich erstreckt, vorzugsweise über
370°, ermöglicht die Positionierung der Mündung
des Schmiermittelkanals im Bereich der Vertiefung an einer beliebigen Drehwinkelposition.
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Ein
Lagerprofil, das zumindest abschnittsweise hohl ist, trägt
zur Gewichtsreduzierung bei. Eine Gewichtsreduzierung ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn das Lagerprofil Bestandteil einer bewegbaren
Verstelleinheit ist oder gegebenenfalls mit dem Förderrad
dreht. Die mit der Gewichtsreduzierung einhergehende Verringerung
des Trägheitsmoments verbessert die Ansprechzeit solch
einer Verstelleinheit.
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Obgleich
weniger bevorzugt, kann der Schmiermittelkanal jedoch auch an dem
Lagerprofil außen verlaufen, indem das Lagerprofil im Bereich seiner
Lagerfläche eine axiale oder spiralig umlaufende Vertiefung
oder Abflachung aufweist, in der das Schmiermittel in den Lagerspalt
geführt und in axialer Richtung verteilt wird. In derartigen
Ausführungen würde der Schmiermittelkanal allerdings
auf seiner Zuführseite zunächst durch den genannten
Kolben oder bei nicht verstellbarem Förderrad durch eine ortsfeste
Kammerwand verlaufen und axial den Dichtspalt an der betreffenden
Stirnseite des Förderrads überbrückend
in den als Vertiefung oder Abflachung geformten Schmiermittelkanal
führen. Zwar würde auch in derartigen Ausführungen
die Schmierung im Wesentlichen immer noch mit Reinfluid erfolgen,
dem Reinfluid wäre jedoch wegen der Überbrückung
des Dichtspalts ein gewisser Anteil des durch die Kammer geförderten
Rohfluids beigemischt. Des weiteren müsste das Schmiermittel
von der Zuführseite bis zur Abführseite die gesamte
axiale Länge des Lagerspalts durchströmen.
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Das
Lagerprofil kann wie von herkömmlichen Pumpen bekannt über
seine axiale Länge stufenförmig voneinander abgesetzte
Umfänge aufweisen für die Verbindung mit dem Förderrad
und der Lagerstruktur oder den Lagerstrukturen. In bevorzugten Ausführungen
ist die äußere Umfangsfläche des Lagerprofils
jedoch in Längsrichtung über zumindest den überwiegenden
Teil der axialen Länge des Lagerprofils stufenlos durchgehend
glatt, vorzugsweise kreiszylindrisch. Eine über die gesamte
axiale Länge des Lagerprofils durchgehend glatte äußere
Umfangsfläche wird besonders bevorzugt. Für eine
vorzugsweise feste Verbindung mit der Lagerstruktur oder stattdessen
gegebenenfalls mit dem Förderrad kann das Lagerprofil ein
einziges oder mehrere Formschlusselemente, beispielsweise eine Abflachung,
aufweisen, um das Lagerprofil mit entweder der Lagerstruktur oder
dem Förderrad verdrehgesichert zu verbinden. Für
eine verdrehgesicherte und auch für eine axial feste Verbindung
mit dem betreffenden Teil wird allerdings eine rein reibschlüssig
wirkende Verbindung bevorzugt.
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Das
Lagerprofil ist vorzugsweise, wie bereits erwähnt, innen
zumindest abschnittsweise hohl. Der Hohlquerschnitt erstreckt sich
vorzugsweise über den überwiegenden Teil der axialen
Länge des Lagerprofils, vorteilhafterweise über
nahezu die gesamte axiale Länge. Der Hohlquerschnitt ist
innen vorzugsweise kreiszylindrisch. Der Hohlraum des Lagerprofils
entspricht vorzugsweise wenigstens der Hälfte des gesamten
Volumens des Lagerprofils. Das Lagerprofil kann insbesondere hülsenförmig
sein. Es kann an einem axialen Ende einen Boden aufweisen. Der Hohlquerschnitt
kann sich von dem Boden durchgehend bis zu dem anderen axialen Ende
des Lagerprofils erstrecken. Der Schmiermittelkanal führt zweckmäßigerweise
durch den Boden in den Hohlquerschnitt. In einer Abwandlung kann
das Lagerprofil eine einfache Hülse mit einem axial durchgehend überall
gleichen Hohlquerschnitt sein.
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Die
Umlaufverdrängerpumpe ist vorzugsweise eine Außenzahnradpumpe.
Grundsätzlich kann sie auch eine andere außenachsige
Pumpe oder eine innenachsige Pumpe sein, beispielsweise eine Innenzahnradpumpe
oder eine Flügelpumpe. Handelt es sich um eine Flügelpumpe,
kann das Förderrad das einzige Flügelrad der Pumpe
sein. Im Falle einer Zahnradpumpe ist ein weiteres Förderrad
vorgesehen, das mit dem vorstehend beschriebenen Förderrad
in einem Fördereingriff, d. h. Zahneingriff, ist. Es können
auch mehr als zwei Förderräder vorgesehen sein,
beispielsweise drei Förderräder bei einer Außenzahnradpumpe,
wobei ein mittleres dieser Förderräder mit zwei äußeren
jeweils in einem Fördereingriff ist. Bei einer Flügelpumpe
können grundsätzlich ebenfalls mehrer Förderräder
vorgesehen sein.
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Die
Pumpe kann insbesondere als Schmierölpumpe zur Versorgung
eines Motors eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Der Fahrzeugbau ist
aber überhaupt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung.
So kann die Pumpe beispielsweise auch als Versorgungspumpe für
ein anderes Aggregat eines Fahrzeugs mit einem Arbeitsfluid dienen,
beispielsweise zur Versorgung eines Automatikgetriebes mit Hydraulikflüssigkeit.
Grundsätzlich kann sie jedoch auch zur Versorgung anderer
Aggregate, beispielsweise einer Hydraulikpresse, mit Arbeitsfluid
dienen.
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Die
Zuführung von Schmiermittel von radial innen oder zumindest
auf gleicher radialer Höhe mit dem Lagerspalt ist nicht
nur vorteilhaft in Ausführungen, in denen die Drehlagerung
mit Reinfluid geschmiert wird, sondern auch für ein Schmierkonzept, das
für die Lagerschmierung noch nicht gereinigtes Rohöl
verwendet, wobei das Rohöl vorzugsweise noch innerhalb
des Gehäuses der Pumpe abgezweigt und in den Lagerspalt
zurückgeführt wird. Die Anmelderin behält
es sich daher vor, diesen Aspekt der Erfindung im Wege einer eigenen
Anmeldung weiter zu verfolgen, wobei ein Hauptanspruch einer derartigen
Anmeldung beispielsweise nur die oberbegrifflichen Merkmale von
Anspruch 1 oder gegebenenfalls nur einen Teil dieser Merkmale in
Kombination mit einem die Zuführung des Schmiermittels
von innen betreffenden Merkmal aufweist, beispielsweise gemäß dem
Anspruch 10.
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Bevorzugte
Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen
beschrieben.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren
erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar
werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die
Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend
beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Pumpe in einem Querschnitt,
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2 die
Pumpe in einem Längsschnitt und
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3 Komponenten
einer Verstelleinheit der Pumpe in einer auseinander gezogenen Darstellung.
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1 zeigt
als Beispiel für eine Umlaufverdrängerpumpe eine
Außenzahnradpumpe in einem Querschnitt. In einem Gehäuse 3 der
Pumpe ist eine Kammer gebildet, in der zwei Förderräder 1 und 2 in Form
von außenverzahnten Zahnrädern um parallele Drehachsen
R1 und R2 drehbar
gelagert sind. Das Förderrad 1 wird über
ein Antriebsglied drehangetrieben, beispielsweise von der Kurbelwelle
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Die Förderräder 1 und 2 sind
miteinander in einem Fördereingriff, im Ausführungsbeispiel
Zahneingriff, so dass bei einem Drehantrieb des Förderrads 1 das
damit kämmende Förderrad 2 ebenfalls
drehangetrieben wird. In die Kammer münden auf einer Niederdruckseite
ein Einlass 4 und auf einer Hochdruckseite ein Auslass 5 für
ein zu förderndes Fluid, vorzugsweise Schmieröl
für den beispielhaft genannten Verbrennungsmotor. Das Gehäuse 3 bildet
den Förderrädern 1 und 2 in
radialer Richtung zugewandt jeweils eine radiale Dichtfläche,
die das jeweilige Förderrad 1 oder 2 über
einen Teil seines Umfangs unter Ausbildung eines radialen Dichtspalts
umschlingt. Das Gehäuse 3 bildet ferner an jeder
Stirnseite des Förderrads 1 diesem axial zugewandt
eine axiale Dichtfläche 3b.
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Die
Pumpe fördert das Fluid auf der Hochdruckseite über
den Auslass 5 und eine daran angeschlossene in 2 schematisch
dargestellte Versorgungsleitung 13, eine Kühleinrichtung 14 und
ferner über eine Reinigungseinrichtung 15 zu dem
zu versorgenden Aggregat 17 und von dort in einen Sumpf 18.
Aus dem druckentlasteten Sumpf 18 wird das Fluid auf der
Niederdruckseite über den Einlass 4 angesaugt
und somit in einem geschlossenen Fluidkreis unter Erhöhung
des Drucks und anschließender Entlastung umgewälzt.
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Durch
Drehantrieb der Förderräder 1 und 2 wird
Fluid durch den Einlass 4 in die Kammer gesogen und in
den Zahnlücken der Förderräder 1 und 2, die
innerhalb der Umschlingung Förderzellen bilden, durch die
jeweilige Umschlingung auf die Hochdruckseite der Kammer und dort
durch den Auslass 5 zu einem zu versorgenden Aggregat,
beispielsweise den Verbrennungsmotor, gefördert. Für
das Förderrad 2 ist dessen beiden Stirnseiten
axial zugewandt je eine weitere axiale Dichtfläche gebildet,
die an der betreffenden Stirnseite mit dem Förderrad einen
axialen Dichtspalt bildet. Die eine der zwei axialen Dichtflächen
ist mit 8b bezeichnet. Während der Fördertätigkeit
trennen die zwischen den Förderrädern 1 und 2 und
den genannten Dichtflächen gebildeten Dichtspalte und der
Eingriff der Förderräder 1 und 2 die
Hochdruckseite von der Niederdruckseite. Die Förderrate
der Pumpe steigt proportional mit der Drehzahl der Förderräder 1 und 2.
Da ein beispielhaft als Verbraucher angenommener Verbrennungsmotor ab
einer gewissen Grenzdrehzahl weniger Schmieröl aufnimmt
als die Pumpe entsprechend ihrer proportional mit der Drehzahl steigenden
Kennlinie fördern würde, wird die Förderrate
der Pumpe ab der Grenzdrehzahl abgeregelt. Für die Abregelung
ist das Förderrad 2 relativ zu dem Förderrad 1 axial
hin und her bewegbar, so dass die parallel zu den Drehachsen R1 und R2 gemessene
Eingriffslänge der Förderräder 1 und 2 und
entsprechend die Förderrate bzw. das Fördervolumen
der Pumpe verändert werden können.
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In
2 nimmt
das Förderrad
2 relativ zu dem Förderrad
1 eine
axiale Position mit einer maximalen axialen Überdeckung,
d. h. maximalen Eingriffslänge ein. Das Förderrad
2 ist
Bestandteil einer Verstelleinheit mit zwei axial zu dem Förderrad
2 versetzt
angeordneten Kolben
8 und
9, einem die Kolben
8 und
9 verbindenden
Lagerprofil
10 und dem zwischen den Kolben
8 und
9 drehbar
auf dem Lagerprofil
10 gelagerten Förderrad
2.
Das Lagerprofil
10 verbindet die Kolben
8 und
9 axial
steif und drehsteif miteinander. Die Kolben
8 und
9 bilden
dem Förderrad
2 unmittelbar zugewandt je eine
der axialen Dichtflächen
8b und
9b für
das Förderrad
2. Die Verstelleinheit ist in einem
Verschieberaum des Gehäuses
3 axial hin und her
verschiebbar und verdrehgesichert gelagert. Der Verschieberaum umfasst
einen von der Verstelleinheit auf einer axialen Seite begrenzten
Fluidraum
7 und einen auf der axial gegenüberliegenden
Seite der Verstelleinheit ebenfalls von der Verstelleinheit begrenzten
weiteren Raum, in dem ein Federglied
12 angeordnet ist.
Der Fluidraum
7 ist mit Druckfluid der Hochdruckseite der
Pumpe beaufschlagbar. Die Federkraft des Federglieds
12 wirkt
der Druckkraft des Druckfluids entgegen. Im Raum mit dem Federglied
12 kann
im Pumpenbetrieb beispielsweise stets der Druck der Niederdruckseite herrschen.
Vorzugsweise wird das Federglied
12 jedoch wie beispielhaft
in der
DE 102 22 131
B4 beschrieben durch die Einleitung von Druckfluid der Hochdruckseite
entlastet, wenn die Pumpe das Fluid mit maximalem spezifischen Fördervolumen
fördern soll.
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Die
Drehlagerung des Förderrads 2 ist als Gleitlager
zwischen dem Förderrad 2 und dem Lagerprofil 10 gebildet.
Das Lagerprofil 10 bildet eine Achse, um die das Förderrad 2 dreht.
Das Gleitlager wird unmittelbar zwischen einer um die Drehachse
R2 kreiszylindrisch umlaufenden Lagerfläche 10a des Lagerprofils 10 und
einer die Lagerfläche 10a umgebenden Lagergegenfläche 2a des
Förderrads 2 gebildet. Die Lagerfläche 10a und
die Lagergegenfläche 2a begrenzen zwischen sich
einen engen Lagerspalt, in den von der Pumpe gefördertes
Fluid der Hochdruckseite gefördert wird und im Lagerspalt
als Schmiermittel dient.
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Als
Schmiermittel wird jedoch nicht das ungereinigte Rohfluid aus der
Kammer, sondern ein stromabwärts von der Kammer abgezweigtes,
von Schmutzpartikeln gereinigtes Reinfluid verwendet. Im Ausführungsbeispiel
wird das Reinfluid stromabwärts von der Kühleinrichtung 14 und
der Reinigungseinrichtung 15 von dem durch die Kammer und anschließend
die Versorgungsleitung 13 geförderten Fluidstrom
abgezweigt, d. h. das von der Pumpe insgesamt geförderte
Fluid durchströmt die Kühleinrichtung 14 und
die Reinigungseinrichtung 15 und wird stromabwärts
von diesen beiden Einrichtungen über eine Rückführung 16 zwecks
Schmierung der Drehlagerung zur Pumpe zurückgeführt.
Die Rückführung 16 ist an einen Anschluss 6 des
Gehäuses 3 angeschlossen. Von dem Anschluss 6 führt
innerhalb des Gehäuses 3 ein Schmiermittelkanal
bis in den Lagerspalt 2a, 10a. Der Schmiermittelkanal
umfasst den Fluidraum 7 und erstreckt sich unmittelbar
an den Fluidraum 7 anschließend durch den Kolben 8 und
von diesem in das Lagerprofil 10. Das Lagerprofil 10 weist
dementsprechend einen Hohlquerschnitt 10b auf, der einen
Abschnitt des Schmiermittelkanals bildet. Der Hohlquerschnitt 10b ist über
einen Verbindungskanal 10c, der als radiale Bohrung gebildet
ist, mit dem Lagerspalt verbunden. Der Verbindungskanal 10c führt
an axial zentraler Stelle in den Lagerspalt, d. h. er weist zu den
beiden axialen Enden des Lagerspalts zumindest im Wesentlichen den
gleichen Abstand auf. Auf diese Weise wird das Schmiermittel gleichmäßig
und auf kürzestem Wege über die gesamte Länge
des Lagerspalts verteilt. An den axialen Enden des Lagerspalts strömt
das Schmiermittel durch in den Dichtflächen 8b und 9b der
Kolben 8 und 9 geformten Abführkanälen
zur Niederdruckseite hin ab. Der Strömungsweg des Schmiermittels
ist mit einer punktierten Linie und einem in den Verbindungskanal 10c weisenden
Pfeil angedeutet.
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3 zeigt
die Komponenten der Verstelleinheit längs der Drehachse
R2 für die Montage aufgereiht.
Der den Fluidraum 7 begrenzende Kolben 8 und das
Lagerprofil 10 sind bereits fest miteinander verbunden,
vorzugsweise nur mittels Reibschluss. Das Lagerprofil 10 kann
in die Kolben 8 und 9 beispielsweise eingeschrumpft
oder anders eingepresst sein bzw. werden. Durch die auf der äußeren
Umfangsfläche des Lagerprofils 10 gezeichnete
Strichlinie soll die funktionale Aufteilung des Lagerprofils in drei
Axialabschnitte angedeutet werden, nämlich den mittleren
Abschnitt, der die Lagerfläche 10a bildet, und
die beiden äußeren Endabschnitte, die je einen Fügeabschnitt,
vorzugsweise Reibschlussabschnitt für die feste Verbindung
mit dem jeweiligen Kolben 8 oder 9 bilden. Zu
erkennen ist auch der als Vertiefung in der Dichtfläche 8b geformte
Abführkanal 8c, durch den an der betreffenden
Stirnseite des Förderrads 2 das Schmiermittel
aus dem Lagerspalt zur Niederdruckseite der Kammer abströmt.
In der Dichtfläche 9a des Kolbens 9 ist
ein weiterer solcher Abführkanal 9c geformt.
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Das
Lagerprofil 10 ist eine Zylinderhülse mit einem
mit Ausnahme der Mündung des Verbindungskanals 10c überall
glatten, kreiszylindrischen äußeren Umfang und
einem über nahezu die gesamte axiale Länge ebenfalls
glatten, kreiszylindrischen Innenquerschnitt. Die Dicke des entsprechend
kreiszylindrische Mantels dieser Hülse ist kleiner als
der auf die Drehachse R2 gemessene Radius
des Innenquerschnitts. Die Hülse ist an einem axialen Ende
offen. Am anderen axialen Ende weist sie einen Boden auf, durch
den sich axial ein schlanker Kanalabschnitt erstreckt, der in den
weiteren axialen Kanalabschnitt 8a übergeht, der
sich durch den Kolben 8 erstreckt und in den Fluidraum 7 mündet.
Die Verbindung zwischen dem Fluidraum 7 und dem Hohlquerschnitt 10b weist einen
Strömungsquerschnitt auf, der so klein ist, dass die von
dem Förderrad 2 abgewandte Kolbenfläche, auf
die der Druck des zurückgeführten Reinöls
wirkt, und dadurch die durch den Druck erzeugte Kraft nicht nennenswert
verringert werden.
-
Der
raschen und gleichmäßigen Verteilung des Schmiermittels
im Lagerspalt dient ferner ein Verteilkanal 2b, der in
der Lagergegenfläche 2a als Vertiefung geformt
ist, die um die Drehachse R2 umläuft.
Der Verbindungskanal 10c mündet in den Verteilkanal 2b hinein.
Auf diese Weise wird eine sichere Versorgung mit Schmiermittel unabhängig
von den auf die Drehlagerung wirkenden Querkräften gewährleistet,
wie sie beispielsweise durch den Fördereingriff der Förderräder 1 und 2 und
insbesondere durch die Druckverteilung um die Förderräder 1 und 2 entstehen.
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Das
Förderrad 1 ist drehsteif und axial unbeweglich
mit einem Lagerprofil 11 verbunden, das die Antriebswelle
der Pumpe bildet. Das Lagerprofil 11 ist um die Drehachse
R1 drehbar gelagert. Die Drehlagerung für
das Förderrad 1 umfasst axial zu dem Förderrad 1 versetzt
links und rechts von dem Förderrad 1 angeordnete
Lagerstrukturen, von denen die eine das Gehäuse 3 und
die andere ein fest im Gehäuse 3 eingesetzter
und daher ebenfalls mit 3 bezeichneter Einsatz bildet.
Das Lagerprofil 11 durchragt diese beiden links und rechts
von dem Förderrad 1 angeordneten Lagerstrukturen 3.
Das Lagerprofil 11 bildet mit jeder dieser beiden Lagerstrukturen 3 ein
Gleitlager. Das Lagerprofil 11 weist an seinem äußeren
Umfang pro Gleitlager eine Lagerfläche 11a auf.
Die Lagerstrukturen 3 bilden jeweils eine Lagergegenfläche 3a,
die die jeweils zugeordnete Lagerfläche 11a umlaufend
unter Ausbildung eines engen Lagerspalts umgibt. Die beiden zwischen
dem Lagerprofil 11 und den Lagerstrukturen 3 gebildeten
-
Lagerspalte
werden zur Schmierung der Drehlagerung in einer ersten Ausführung
mit Rohfluid der Hochdruckseite als Schmiermittel versorgt. In einer
Weiterbildung werden auch diese beiden Lagerspalte mit dem Reinfluid
geschmiert. Das Lagerprofil 11 des Ausführungsbeispiels
ist als volle Welle gebildet, kann aber in einer Weiterbildung stattdessen auch
eine Hohlwelle mit einem Hohlquerschnitt sein, der sich über
zumindest einen überwiegenden Teil der axialen Länge
des Lagerprofils 11 erstreckt. In noch einer Weiterbildung
kann das Rohfluid oder alternativ das Reinfluid durch die Hohlwelle
von innen in die beiden Lagerspalte geführt werden.
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Im
Ausführungsbeispiel ist das spezifische Fördervolumen
der Pumpe verstellbar, wobei sich die Pumpe bei Erreichen einer
Grenzdrehzahl, die mittels des Federglieds 12 oder eine
Steuerung des Drucks in dem das Federglied 12 enthaltenden
Raum vorgegeben wird, automatisch abregelt, so dass sich die Förderrate
der Pumpe dem tatsächlichen Bedarf des zu versorgenden
Aggregats 17 oder der gegebenenfalls mehreren Aggregate
entsprechend einstellt. In einer abgewandelten, vereinfachten Ausführung kann
das Förderrad 2 wie das Förderrad 1 in
axialer Richtung fixiert sein. Die Kolben 8 und 9 wären
in derartigen Ausführungen relativ zu dem Gehäuse 3 unbeweglich
in der in 2 gezeigten axialen Position angeordnet,
wären also mit dem Gehäuse 3 fest verbunden
oder vorzugsweise in einem Stück mit dem Gehäuse 3 geformt,
nämlich je mit einem von mehreren zusammengebauten Gehäuseteilen,
beispielsweise einem Hauptteil und einem Deckel. Das Federglied 12 würde
entfallen, und der Fluidraum 7 könnte als schmaler
Abschnitt des Schmiermittelkanals geformt sein, vergleichbar dem
Kanalabschnitt 8a. Die Kolben 8 und 9 wären
in einer derartigen Ausführung Lagerstrukturen vergleichbar
den Lagerstrukturen 3, allerdings mit dem Unterschied,
dass sie vorzugsweise jeweils unbeweglich mit dem Lagerprofil 10 verbunden
waren. Ansonsten entspräche die vereinfachte Pumpe dem
Ausführungsbeispiel.
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- 1
- Förderrad
- 2
- Förderrad
- 2a
- Lagergegenfläche
- 2b
- Vertiefung,
Verteilkanal
- 3
- Gehäuse,
Lagerstruktur
- 3a
- Lagergegenfläche
- 3b
- axiale
Dichtfläche
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 6
- Anschluss
- 7
- Fluidraum
- 8
- Lagerstruktur,
Kolben
- 8a
- Kanalabschnitt
- 8b
- axiale
Dichtfläche
- 8c
- Abführkanal
- 9
- Lagerstruktur,
Kolben
- 9b
- axiale
Dichtfläche
- 9c
- Abführkanal
- 10
- Lagerprofil
- 10a
- Lagerfläche
- 10b
- Hohlquerschnitt
- 10c
- Verbindungskanal
- 11
- Lagerprofil
- 11a
- Lagerfläche
- 12
- Federglied
- 13
- Versorgungsleitung,
Fluidstrom
- 14
- Kühleinrichtung
- 15
- Reinigungseinrichtung
- 16
- Rückführung
- 17
- Aggregat
- 18
- Sumpf
- R1
- Drehachse
- R2
- Drehachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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