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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Pumpenanordnung insbesondere für ein Lenksystem zur Lenkung der Räder in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß Anspruch 1.
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Hydraulische Systeme aller Art werden in Kraftfahrzeugen zur Übertragung von mechanischer Leistung eingesetzt, da sie im Vergleich zu beispielsweise der elektrischen Leistungsübertragung eine höhere Leistungsdichte bereitstellen. Ein Anwendungsbeispiel stellt die Lenkunterstützung dar. Da hydraulische Pumpen im Fahrzeug meistens durch die Kurbel- oder Nockenwelle des Motors angetrieben werden, steigt der geförderte Volumenstrom der Pumpe mit der Motordrehzahl. Im Betrieb kann es sein, dass der hydraulische Verbraucher der Pumpe, wie die Lenkunterstützung, plötzlich einen hohen Druckbedarf hat, weshalb sichergestellt sein muss, dass der Förderdruck auch bei geringen Drehzahlen (Leerlaufdrehzahl) des Motors, ausreichend hoch ist, um einen sicheren Betrieb der hydraulischen Verbraucher zu gewährleisten und ihre Funktion aufrecht zu erhalten.
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Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, geregelte Verstellpumpen beispielsweise für das Lenksystem eines Kraftfahrzeugs zu verwenden. Unter den Begriff der Verstellpumpe fallen alle Pumpen, bei denen das Verdrängungsvolumen und somit auch das Fördervolumen einstellbar sind. Dabei können Verstellpumpen in Form von Flügelzellen-, Rollenzellen- und Radialkolbenpumpen zum Einsatz kommen. Flügelzellenpumpen haben dabei den technischen Vorteil eines vergleichsweise geringen Bauraumbedarfs in der Längserstreckung und einer geringen Geräuschentwicklung. Mit Hilfe eines verstellbaren Kurvenrings kann bei bekannten geregelten Flügelzellenpumpen ein regelbares geometrisches Fördervolumen erzeugt werden. Die Verstellung des Kurvenrings erfolgt drehzahlabhängig über den vorherrschenden Differenzdruck zwischen einer ersten und einer zweiten innerhalb der geregelten Flügelzellenpumpe ausgebildeten Druckkammer.
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Kommt eine Pumpe zur Druckversorgung eines hydraulischen Lenksystems zum Einsatz, so muss die Druckversorgung des Lenksystems zu jedem Zeitpunkt sichergestellt sein, d.h. bei vollem Förderstrom der Pumpe darf der Versorgungsdruck nicht geringer sein als der Druckbedarf der Verbraucher der Pumpe. Sobald der Versorgungsdruck nicht mehr ausreicht, um die Verbraucher der Pumpe mit dem benötigten Druck zu versorgen, können diese nicht mehr entsprechend betrieben werden, was bei beispielsweise einer hydraulisch betriebenen Lenkung als Verbraucher der Pumpe ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Dementsprechend muss allein aus Sicherheitsaspekten dafür gesorgt sein, dass die angeschlossenen Verbraucher in jedem Betriebszustand der Pumpe ausreichend mit Druck versorgt werden können, um einen einwandfreien Betrieb der Verbraucher sicherstellen zu können. Gleiches gilt selbstverständlich, wenn andere Verbraucher von der Pumpe mit Druck versorgt werden, deren Betrieb sicherheitsrelevant ist.
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Jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass das Fördervolumen derartiger geregelter Flügelzellenpumpen bei einem üblichen Baumaß der Pumpe für die Verwendung in Mehrkreislenkanlagen zu gering ist.
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Eine Anpassung des Baumaßes der Flügelzellenpumpen zur Erhöhung des Fördervolumens ist bei derartigen Pumpen jedoch ungleich schwieriger als beispielsweise bei den nachfolgend diskutierten ebenfalls bekannten Konstantpumpen, da nicht nur das Pumpengehäuse und die darin definierten Druckkammern, sondern auch alle weiteren Komponenten zur Regelung der als Flügelzellenpumpe ausgeführten Verstellpumpe, wie der Kurvenring und die Flügel, größer dimensioniert werden müssen. Hierdurch würde die geregelte Flügelzellenpumpe übermäßig schwer und nähme vergleichsweise viel Bauraum ein, was sie für den Einsatz in Nutzfahrzeugen uninteressant machte.
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Weiterhin ist es ebenfalls bekannt, zur hydraulischen Ansteuerung einer Lenkung im Kraftfahrzeugbereich eine Konstantpumpe zu nutzen. Auch bei dieser Pumpenart und deren Dimensionierung ist darauf abzustellen, dass die Konstantpumpe in der Lage ist, einen dem höchsten Lastdruck entsprechenden Versorgungsdruck bei vollem Förderstrom der Konstantpumpe aufrecht zu erhalten.
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Gerade aus diesem Grund sind in der Vergangenheit Konstantpumpen auf die maximal benötigte Förderleistung, d.h. auf möglicherweise im Betrieb auftretende Spitzenwerte des Lastdruckes ausgelegt worden, so dass sie für die meisten üblichen Betriebszustände und damit für die überwiegende Betriebszeit überdimensioniert war. Die Überdimensionierung hat zum einen hohe Anlagekosten zur Folge. Ein weitaus gravierender Nachteil ergibt sich jedoch im Betrieb der Pumpe, da sie in den Betriebsphasen, in denen nur geringe oder fast keine Lastdrücke gegeben sind, einen entsprechend großen, nicht benötigten Volumenstrom umwälzt.
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Aus diesem Grunde ist es bereits ebenfalls aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der
EP 2 672 125 A2 bekannt, ein hydraulisches Pumpensystem bereitzustellen, das zusätzlich zu der Konstantpumpe noch eine Zusatzpumpe sowie eine Ventilanordnung aufweist, mittels derer in Abhängigkeit von einem Lastdruck desjenigen Verbrauchers, dessen Versorgungsbedarf den vollen Förderstrom der Konstantpumpe übersteigt, die Zusatzpumpe eben diesem Verbraucher zuschaltbar ist.
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Die Zusatzpumpe ist als volumenstromgeregelte Kolbenpumpe ausgebildet. Für eine geregelte Zuschaltung ist eine separate Regelanordnung mit einer Regelpumpe vorgesehen. Durch die geregelte Zuschaltung der Zusatzpumpe, reicht es die, Konstantpumpe in der Weise zu dimensionieren, dass die kombinierten Förderleistungen möglicherweise im Betrieb auftretenden Spitzenwerte des Lastdruckes entsprechen. In der Regel bedeutet dies, dass die Konstantpumpe auf die betriebsüblichen Lastdrücke ausgelegt werden kann, weil bei einer drohenden Unterversorgung die Zusatzpumpe zugeschaltet werden kann.
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Als nachteilig hat sich in der Praxis jedoch die zusätzlich erforderliche Regelanordnung zur geregelten Zuschaltung der Zusatzpumpe erwiesen.
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Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bekannte Pumpenanordnung weiterzuentwickeln und die damit verbundenen Nachteile weiter zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannte Ausgestaltung einer Pumpenanordnung gelöst.
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Demgemäß umfasst die erfindungsgemäße hydraulische Pumpenanordnung, die insbesondere für ein Lenksystem zur Lenkung der Räder in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, eine Verstellpumpe, die eine geregelte Flügelzellenpumpe umfasst und einen regelbaren Förderstrom bereitstellt, sowie wenigstens eine Zusatzpumpe, wobei die Zusatzpumpe eine hydraulische Konstantpumpe umfasst.
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Die geregelte Flügelzellenpumpen kann insbesondere mit einem den Rotor umgebenden Kurvenring und mit einer Regeleinrichtung zur Einstellung der Lage des Kurvenrings relativ zum Rotor ausgebildet sein.
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Der Vorteil einer derartig aufgebauten geregelten Flügelzellenpumpen mit Kurvenring, besteht darin, dass zusätzlich zu der Verstellbarkeit der Flügel der Kurvenring selbst relativ zum Rotor verstellbar ist. Durch die variierbare Exzentrizität des Kurvenrings kann ein regelbares geometrisches Fördervolumen erzeugt werden.
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Der Rotor bezeichnet in diesem Zusammenhang den Läufer, der die verstellbaren Flügel aufnimmt, sowie die damit verbundene Rotorwelle, wobei diese einteilig oder zweiteilig mit dem Läufer ausgebildet und drehfest mit diesem verbunden sein kann.
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Der Vorteil einer Kopplung einer Verstellpumpe, die eine geregelte Flügelzellenpumpe umfasst, mit einer Zusatzpumpe, die eine hydraulische Konstantpumpe umfasst, besteht darin, dass keine gesonderte Steuerung oder Regelung notwendig ist, um die Zusatzpumpe bedarfsabhängig zuzuschalten, wie im Stand der Technik, und somit weniger zusätzliche fehleranfällige Komponenten benötigt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Kopplung der geregelten Flügelzellenpumpe mit einer Konstantpumpe kann ein größerer Förderstrom bereitgestellt werden als dies bei herkömmlichen geregelten Flügelzellenpumpen der Fall ist. Gleichzeitig bleiben die Vorteile einer geregelten Flügelzellenpumpe erhalten.
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Die zusätzliche Konstantpumpe kann bei einer derartigen Kombination mit einer geregelten Flügelzellenpumpe vergleichsweise kleiner dimensioniert sein als übliche Konstantpumpen, da der kombinierte Förderstrom von zwei Pumpen höher ist als bei bekannten singulären Verstellpumpen oder Konstantpumpen und somit ausreicht, um Bedarfsspitzen abzufangen. So ist es denkbar eine Flügelzellenpumpe mit einem Fördervolumen von etwa 15 bis 30 cm3/Umdrehung, insbesondere 25 cm3/Umdrehung, mit einer Konstantpumpe mit einem Fördervolumen von weniger als 20 cm3/Umdrehung, insbesondere von beispielsweise 6 bis 8 cm3/Umdrehung zu kombinieren.
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Ein weiterer Vorteil, der sich in der praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Kombination einer geregelten Flügelzellenpumpen mit einer Konstantpumpe gezeigt hat, ergibt sich aus der fluidischen Kopplung der beiden Pumpen und ihrem spezifischen Aufbau. So weist die geregelte Flügelzellenpumpe in der Regel eine gerade Anzahl von Flügeln auf, während die Konstantpumpe bei einer Ausgestaltung als Flügelzellenpumpe eine ungerade Anzahl von Flügeln aufweist. Im Betrieb kommt es daher zu einem geringen Pulsationsversatz der Flügel der beiden Pumpen, der sich günstig auf den Betrieb der Pumpenanordnung auswirkt. Im Ergebnis ist die Geräuschentwicklung der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung deutlich geringer ausgeprägt und es werden weniger Vibrationen auf den angeschlossenen Verbraucher, beispielsweise die Lenkung, übertragen. Dieser spezifische Vorteil resultiert aus der Kombination der beiden spezifischen Pumpen in einer einzigen gemeinsamen Pumpenanordnung.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Pumpenanordnung wenigstens ein Pumpengehäuse und eine in dem Pumpengehäuse angeordnete Antriebseinheit umfasst, die sowohl zum Antrieb der Verstellpumpe als auch der wenigstens Zusatzpumpe dient.
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Auch bei dieser Ausführungsform stellt deren platzsparende Bauweise einen signifikanten Vorteil gegenüber dem bekannten Stand der Technik dar. Indem eine gemeinsame Antriebseinheit genutzt wird, können wiederum Komponenten eingespart, die Herstellungs- und Montagekosten gesenkt und der gesamte Aufbau der Pumpenanordnung vereinfacht werden.
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Insbesondere kann die Antriebseinheit wenigstens einen Rotor mit einer Rotorwelle umfassen, die sowohl die Zusatzpumpe als auch die Verstellpumpe anzutreiben vermag. Alternativ ist es selbstverständlich auch denkbar, wenigstens zwei separat ausgebildete Rotorensätze vorzusehen, die beispielsweise über die gemeinsame oder alternativ über separate Antriebseinheiten angetrieben werden und jeweils einer Pumpe zugeordnet sind.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Zusatzpumpe und die Verstellpumpe in einem gemeinsamen Pumpengehäuse angeordnet sind.
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Ein gemeinsames Pumpengehäuse vereinfacht wiederum den Aufbau der Pumpenanordnung und sorgt für einen platzsparenden Gesamtaufbau der Pumpenanordnung. Auch ergibt sich hieraus das Potential, Herstellungs- und Montagekosten einzusparen.
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Die Zusatzpumpe und die Verstellpumpe können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung über wenigstens eine gemeinsame Druckkammer fluidisch miteinander verbunden sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpenanordnung wenigstens einen Sauganschluss umfassen, der sowohl mit der Zusatzpumpe als auch Verstellpumpe in fluidischer Verbindung steht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Zusatzpumpe und die Verstellpumpe in Bezug auf den Förderstrom fluidisch parallel zueinander geschaltet sein.
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Insbesondere kann die Verstellpumpe wenigstens eine Volumenstromdrossel und einen Regelkolben zur Regelung der Verstellpumpe umfassen.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung und in den Ansprüchen aufgeführt.
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Die Erfindung ist nachfolgend in Zusammenhang mit einer Ausführungsform der Erfindung und anhand der beigefügten Zeichnungen prinzipgemäß beschrieben.
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Es zeigen schematisch
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1 eine schematisierte Darstellung des Ausbaus der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung; und
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2 einen die Mittellängsachse der Rotorwelle enthaltenden Schnitt durch die erfindungsgemäße Pumpenanordnung.
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Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung setzt sich aus wenigstens zwei Pumpen, einer Verstellpumpe und einer Zusatzpumpe, zusammen und ist allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Wie in der Schemadarstellung der 1 klar zu erkennen ist, sind gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine ungeregelte Konstantpumpe 2 und eine geregelte Flügelzellenpumpe 3 miteinander gekoppelt.
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Die Zusatzpumpe umfasst eine Konstantpumpe 2. Diese ist in der dargestellten Variante als Flügelzellenpumpe ausgebildet und in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise wohlbekannt, weshalb diesbezüglich auf den dem Fachmann wohlbekannten Stand der Technik verwiesen wird. Gleiches gilt für die Verstellpumpe 3, weshalb nachfolgend nur kurz auf deren Funktionsweise und im Wesentlichen auf die für die Erfindung wesentlichen Teile näher eingegangen wird.
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Die Verstellpumpe umfasst eine geregelte Flügelzellenpumpe 3 (vgl. 2) und einen Rotor 4 mit radial verstellbaren, in Schlitzen angeordneten Flügeln 8. Der Rotor 4 umfasst einen Läufer 4a sowie eine Rotorwelle 4b, die sich entlang einer Mittellängsachse 14 erstreckt, und ist in einem Pumpengehäuse 5 angeordnet. Weiterhin ist der Rotor 4 von einem Kurvenring 6 umgeben, der durch eine in der 2 nicht dargestellte Verstelleinrichtung in seiner Lage relativ zum Rotor 4 einstellbar bzw. verschiebbar ist (nicht dargestellt). Durch die Lageeinstellung des Kurvenringes 6 relativ zum Rotor 4 werden Druck- bzw. Saugräume in ihren Größen verändert und auf diese Weise der Volumenstrom für die Flügelzellenpumpe 3 geregelt.
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Wie in der 1 erkennbar ist, sind die Konstantpumpe 2 und die geregelte Flügelzellenpumpe 3 fluidisch bzw. hydraulisch parallel geschaltet, wobei deren jeweilige Volumenströme gemeinsam den Gesamt-Volumenstrom PSystem ergeben. Die Konstantpumpe 2 umfasst dabei eine gerade Anzahl von Flügelelementen während die geregelte Flügelzellenpumpe 3 eine ungerade Anzahl von Flügelelementen 8 aufweist. Beide Pumpen werden gemeinsam über die Rotorwelle 4b des Rotors 4 angetrieben und drehen sich mit der gleichen Drehgeschwindigkeit. Entsprechend entsteht durch die unterschiedliche Anzahl von Flügelelementen an beiden Pumpen eine zueinander leicht versetzte Pulsation, was sich positiv auf die entstehenden Vibrationen und die Geräuschentwicklung der Pumpenanordnung auswirkt.
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Ein Regelkolben 7 dient in bekannter Weise zur Lageveränderung des Kurvenrings 6 der geregelten Flügelzellenpumpe 3. In der 2 ist der Regelkolben 7 nur schematisiert bezüglich seiner Lage angedeutet.
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In seiner Ausgangsstellung ist der Kurvenring 6 in maximaler Exzentrizität zum Rotor 4 gehalten. Eine Volumendrossel DV reguliert den maximal ausgegebenen Förderstrom. Infolgedessen baut sich vor der Volumendrossel ein interner Druck Pintern auf, der von einer Seite auf den Regelkolben 7 einwirkt. Demgegenüber steht auf der anderen Seite der Systemdruck PSystem. Ist die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Drücken negativ, d.h. der interne Pumpendruck Pintern kleiner als der Systemdruck PSystem, so wird der Regelkolben 7 in seiner Startposition gehalten (vgl. 1). Erst wenn die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Drücken positiv ist, d.h. der interne Pumpendruck Pintern größer als der Systemdruck PSystem, wird der Regelkolben 7 aus seiner Startposition verstellt und in der Art eines Ventils bei einer weiter ansteigenden Druckdifferenz zwischen den beiden Drücken von dem weiter ansteigenden internen Pumpendruck Pintern geöffnet, so dass der interne Pumpendruck Pintern eine Beaufschlagung des Kurvenrings 6 zur Folge hat. Als Folge daraus verringert sich die Exzentrizität des Kurvenrings 6 relativ zum Rotor 4, wodurch die Pumpenräume zwischen den Flügeln 8 der geregelten Flügelzellenpumpe 3 kleiner werden und nur noch ein reduziertes geometrisches Fördervolumen von der geregelten Flügelzellenpumpe 3 bereitgestellt wird.
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Umgekehrt wird bei einer fallenden Druckdifferenz zwischen dem internen Pumpendruck Pintern und dem Systemdruck PSystem die Exzentrizität des Kurvenrings 6 von dem Regelkolben 7 in bekannter Weise wieder vergrößert, d.h. dieser wird in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, in der die geregelte Flügelzellenpumpe 3 ihr maximales Fördervolumen erreicht.
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Die Volumenstromdrossel DV dient dabei zur Querschnittsverengung und damit zum Druckaufbau am Regelkolben 7. Sie kann gegebenenfalls elektronisch verstellbar ausgestaltet sein, um eine elektronische Anpassung der Fördermenge zu ermöglichen. Die Konstantpumpe 2 ist indes über die Drehzahl des Rotors 4 abriegelbar. Weiterhin sind, wie in 1 gezeigt ist, Drosseln D2 bis D5 vorgesehen, die zur Drosselung des Drucks in den Druckleitungen zu einer Verstellkammer des Kurvenrings 6 hin bzw. zur Dämpfung von Druckschwankungen (D2, D3), zur Drosselung des Systemdrucks PSystem zum Regelkolben 7 hin (D4) und zur Drosselung des internen Pumpendrucks Pintern zum Regelkolben 7 hin (D5) und auf diese Weise zur Stabilisierung des Regelkolbens 7 dienen.
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In der 2 ist gezeigt, wie die Pumpenanordnung 1 mit den beiden fluidisch verbundenen Pumpen 2, 3 aufgebaut ist. Diese umfasst das gemeinsame Gehäuse 5 mit einem gemeinsamen Sauganschluss 9. Über diesen wird das Fluid angesaugt und an die beiden Saugleitungen 10a und 10b verteilt, die den jeweiligen Pumpen 2, 3 zugeordnet sind. Über entsprechende Öffnungen in den jeweiligen Stirnplatten 11a und 11b gelangt das Fluid in die Druck- bzw. Saugräume der beiden Pumpen und wird über die Druckleitungen 12a, 12b und die gemeinsame Druckkammer 13 an den entsprechenden Verbraucher, beispielweise das Lenksystem weitergegeben.
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Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung ermöglicht bei einem einfachen und platzsparendem Aufbau eine verbesserte und gesicherte Versorgung der damit verbundenen Verbraucher und ist selbstverständlich nicht nur für Getriebe von Lenksystemen geeignet, sondern auch auf anderen Gebieten mit Automatikgetrieben verwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpenanordnung
- 2
- Konstantpumpe
- 3
- geregelte Flügelzellenpumpe
- 4
- Rotor
- 4a
- Läufer
- 4b
- Rotorwelle
- 5
- Pumpengehäuse
- 6
- Kurvenring
- 7
- Regelkolben
- 8
- Flügel
- 9
- Sauanschluss
- 10
- Saugleitungen
- 11
- Stirnplatten
- 12
- Druckleitungen
- 13
- Druckkammer
- 14
- Mittellängsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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