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Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe nach Anspruch 1 und ein Automatikgetriebe nach Anspruch 12.
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In den unterschiedlichen Komponenten und Druckkreisen eines Hydrauliksystem eines Automatikgetriebes werden unterschiedlich hohe Drücke und unterschiedliche Volumenströme des Betriebsmediums benötigt. Das Betriebsmedium ist hierbei üblicherweise Getriebeöl bzw. Öl. So werden zur Druckbeaufschlagung der Kupplungszylinder, durch welche hohe mechanische Kräfte zum Schließen der Kupplungen erzeugt werden, deutlich höhere Drücke benötigt, als beispielsweise im Kühl- oder Schmierkreis des Getriebes, wo das Betriebsmedium lediglich an die zu kühlenden oder zu schmierenden Stellen gelangen muss und danach drucklos in den Getriebesumpf abfließt. Unter drucklos ist nachfolgend zu verstehen, dass sich der Druck des Betriebsmedium auf dem Niveau des Umgebungsdrucks befindet. Kupplungen werden allgemein auch als Schaltelemente bezeichnet. Ein druckloser Bereich des Hydrauliksystems, bzw. ein Bereich des Hydrauliksystems, der mit einem drucklosen Bereich verbunden ist, wird auch als „entlüftet“ bezeichnet.
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Bei Automatikgetrieben nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der
DE 198 58 541 A1 der Anmelderin offenbart, wird die gesamte im Hydrauliksystem benötigte Ölmenge von einer einzigen Getriebepumpe auf das höchste im Automatikgetriebe benötigte Druckniveau gebracht. Allerdings wird nur ein kleiner Teil des gesamten Volumenstroms auf diesem Druckniveau zum Schließen der Schaltelemente benötigt. Für die anderen Druckkreise, welche einen geringeren Druck benötigen wie beispielsweise der Kühl- oder Schmierkreis, wird der Druck des Getriebeöls in Ventileinrichtungen um eine Druckdifferenz reduziert. Das Produkt aus Druckdifferenz und Volumenstrom bei der Druckreduzierung ist eine hydraulische Verlustleistung, welche den Gesamtwirkungsgrad des Automatikgetriebes negativ beeinflusst. Außerdem tritt die Verlustleistung im Automatikgetriebe unerwünschter weise in Form von Wärme und/oder aufgrund der kinetischen Energie in Form einer Ölverschäumung in Erscheinung.
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Aus der
DE 10 2004 025 764 A1 der Anmelderin ist ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe bekannt, bei welchem mit dem Ziel der Wirkungsgradverbesserung eine bedarfsgerechte Ölversorgung mit zwei Druckkreisen geschaffen wurde, die jeweils von einer eigenen Pumpe versorgt werden. Hierbei versorgt eine Getriebepumpe mit einem von dem geringeren erforderlichen Volumenstrom bestimmten kleineren Verdrängungsvolumen den Druckkreis der Kupplungen mit einem relativ hohen Druck, während der Schmier-/Kühlölkreis von einer Pumpe mit größerem Verdrängungsvolumen versorgt wird, welche einen geringeren Druck erzeugt. In einer Ausgestaltung dieses Hydrauliksystems weist dieses keine zwei separaten Pumpen auf, sondern zeigt eine doppelhubige Flügelzellenpumpe zur Versorgung zweier getrennter Druckkreise mit unterschiedlichem Volumenstrombedarf.
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Eine Flügelzellenpumpe umfasst einen antreibbaren Rotor, mehrere in dem Rotor radial nach außen verschiebbare Flügel, welche während einer Umdrehung des Rotors zumindest teilweise aus diesem radial herausragen, und eine Hubkurve, welche gehäusefest ist und den Rotor umgibt. Im Betrieb der Flügelzellenpumpe liegen die Flügel mit ihren radial nach außen gerichteten Enden unter der Wirkung der Fliehkraft und gegebenenfalls eines hydraulischen Druckes an der Hubkurve an, so dass die diese die radiale Bewegung der Flügel in den Schlitzen im Rotor vorgibt und damit auch die Größe der volumenveränderlichen Arbeitsräume, welche von jeweils zwei Flügeln, einer Außenkontur des Rotors und einer Innenkontur der Hubkurve gebildet werden. An der Stelle der Hubkurve, welche den radial größten Abstand von dem Rotor aufweist, erreicht der Flügel seinen maximalen Hub, wodurch auch die maximale Größe eines Arbeitsraumes bestimmt wird.
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Bei einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe weist die Hubkurve, welche gehäusefest ist und den Rotor umgibt, zwei Erhebungen pro Umdrehung auf. Unter den Erhebungen sind die Stellen maximalen radialen Abstandes vom Rotor zu verstehen. Hierdurch vergrößern und verkleinern sich die zwischen jeweils zwei Flügeln ausgebildeten Arbeitsräume zwei Mal pro Umdrehung des Rotors in üblicherweise zwei diametral gegenüberliegenden Bereichen der Pumpe. Innerhalb dieser Bereiche wird bei der Vergrößerung des Arbeitsraumes auf einer Saugseite in einer Expansionszone ein flüssiges Betriebsmedium angesaugt und anschließend bei der Verkleinerung des Arbeitsraumes in einer Verdrängungszone zur Druckseite der Pumpe hin aus dieser verdrängt. Diese Bereiche wirken jeder für sich als eigenständige Pumpe.
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Ein einzelner Bereich wird als Hubsektor oder allgemeiner als Verdrängereinheit bezeichnet. Eine Verdrängereinheit kann als eine eigenständige Pumpe angesehen werden. Die Anzahl der Verdrängereinheiten einer Flügelzellenpumpe entspricht der Anzahl der Hübe. So weist beispielsweise eine dreihubige Flügelzellenpumpe drei Verdrängereinheiten auf. Zwischen einer Verdrängungszone, in welcher ein Pumpendruck herrscht, der von der Pumpe erzeugt wird, und der Expansionszone der benachbarten Verdrängereinheit, in welcher ein Saugdruck herrscht, ist der radiale Abstand zwischen der Außenkontur des Rotors und der Hubkurve minimal. Dieser Abstand ist so gewählt, dass hierdurch zwischen Verdrängungs- und Expansionszone ein Dichtspalt ausgebildet ist, welcher einen Kurzschluss zwischen Verdrängungs- und Expansionszone bzw. Druck- und Saugbereich der Pumpe verhindert. Der Saugdruck in der Expansionszone bzw. dem Saugbereich der Pumpe liegt üblicherweise unter dem Umgebungsdruck.
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Bei der nach der
DE 10 2004 025 764 A1 ,
1 asymmetrisch ausgestalteten doppelhubigen Flügelzellenpumpe sind die Erhebungen der Hubkurve, bzw. der jeweilige maximale radiale Abstand von der Drehachse des Rotors, in den gegenüberliegenden Verdrängereinheiten unterschiedlich hoch. Hierdurch weisen die beiden Verdrängereinheiten unterschiedliche Verdrängungsvolumina auf, so dass von den Verdrängereinheiten unterschiedliche Volumenströme gefördert werden, wodurch die Pumpe dem oben beschriebenen Bedarf des Hydrauliksystems angepasst wird. Unter dem Verdrängungsvolumen einer Pumpe bzw. einer Verdrängereinheit einer Pumpe ist das Volumen zu verstehen, welches bei einer Umdrehung der Pumpenwelle von der Pumpe bzw. einer Verdrängereinheit theoretisch gefördert werden kann.
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Aufgrund der unterschiedlichen Pumpendrücke in den beiden Verdrängereinheiten wirkt nachteiliger weise eine resultierende Radialkraft auf die Pumpenwelle. Der Vektor der Radialkraft ist auf eine Mittelachse, welche gleichzeitig die Drehachse des Rotors bzw. der Pumpenwelle ist, gerichtet. Dies erfordert den Aufwand einer steiferen Gestaltung der Pumpenwelle, was sich sowohl auf deren Durchmesser und damit auf den radialen Bauraumbedarf der Pumpe als auch auf die Werkstoffauswahl und damit die Kosten auswirken kann. Außerdem erfordert die Radialkraft eine größere Dimensionierung der Lager.
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Die
DE 10 2011 105 648 A1 offenbart ein Hydrauliksystem mit einer dreihubigen Flügelzellenpumpe, deren drei Verdrängereinheiten jeweils einen Hydraulikzylinder zur Betätigung einer Kupplung versorgen. Hierbei können je nachdem wie viele Kupplungen wie stark druckbeaufschlagt werden unterschiedliche Pumpendrücke auftreten, woraus eine Radialkraft resultiert. Dies hat die gleichen nachteiligen Auswirkungen wie beim vorangegangenen Beispiel der doppelhubigen Flügelzellenpumpe mit zwei Druckkreisen unterschiedlicher Pumpendrücke.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Hydrauliksystem mit einer Flügelzellenpumpe für ein Automatikgetriebe zu schaffen, welches bei geringem beanspruchten Bauraum und einfachem Aufbau eine bedarfsorientierte Ölversorgung und damit einen hohen Getriebewirkungsgrad ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demnach umfasst ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe mehrere Druckkreise und eine mehrhubige Flügelzellenpumpe mit einem sich um eine Mittelachse drehbaren Rotor, einer Hubkurve und mehreren Flügeln. Die Mittelachse geht hierbei durch einen Mittelpunkt der Flügelzellenpumpe. Die Druckkreise sind zumindest zeitweise von voneinander unabhängigen Pumpendrücken beaufschlagt. Erfindungsgemäß weist die mehrhubige Flügelzellenpumpe mindestens vier Verdrängereinheiten auf, wobei jedem Druckkreis mindestens zwei Verdrängereinheiten zugeordnet und so mit diesem hydraulisch verbunden sind, dass diese ihn gemeinsam versorgen. Hierbei sind die demselben Druckkreis zugeordneten Verdrängereinheiten so angeordnet, dass sich deren radial auf die Mittelachse gerichtete Druckkräfte zumindest annähernd aufheben. Hierdurch wirken vorteilhafterweise keine Radialkräfte auf die Pumpenwelle, so dass diese in ihrem Durchmesser unter Berücksichtigung der Werkstoffauswahl möglichst klein ausgebildet werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer geraden Anzahl von demselben Druckkreis zugeordneten Verdrängereinheiten sind diese um einen Mittelpunkt paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet und zumindest paarweise in ihrer geometrischen Ausgestaltung punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts ausgebildet. Die geometrische Ausgestaltung bezieht sich hierbei auf die Form und die Abmessungen der Hubkurve und damit auf den Maximalhub, einer für die Berechnung des Verdrängungsvolumens relevante Größe, sowie den Förderwinkel, welche bestimmend ist für die Richtung der radialen Druckkraft aus der betreffenden Verdrängereinheit.
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Alternativ hierzu ist es möglich, dass bei einer ungeraden Anzahl von demselben Druckkreis zugeordneten Verdrängereinheiten diese mit einem gleichen Teilungswinkel um einen durch die Mittelachse definierten Mittelpunkt angeordnet sind, wobei die Verdrängereinheiten in ihrer geometrischen Ausgestaltung identisch sind.
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Da im selben Druckkreis die gleichen Pumpendrücke herrschen ist es in beiden Fällen vorteilhafterweise möglich, dass sich die radialen Druckkräfte aus den Verdrängereinheiten, die demselben Druckkreis zugeordnet sind, aufheben.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Verdrängereinheiten der verschiedenen Druckkreise unterschiedlich sind. Falls jede Verdrängereinheit ein ähnliches Verdrängungsvolumen aufweist ist es hierdurch vorteilhafterweise möglich, die unterschiedlichen Druckkreise mit unterschiedlichen Volumenströmen zu versorgen, falls dies dem Bedarf der Druckkreise entspricht.
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Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Anzahl der Verdrängereinheiten der verschiedenen Druckkreise gleich sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die demselben Druckkreis zugeordneten Verdrängereinheiten geometrisch gleich ausgestaltet, so dass diese das gleiche Verdrängungsvolumen aufweisen. Geometrische Merkmale sind hierbei insbesondere der Maximalhub und der Förderwinkel. Der Maximalhub ist der größte Abstand zwischen einem Punkt der Hubkurve und einer Außenkontur des Rotors, gemessen längs einer Geraden die durch den Mittelpunkt geht. Das Verdrängungsvolumen ist proportional zum Maximalhub, welcher auch die radiale Ausdehnung der Flügelzellenpumpe bestimmt. Der Förderwinkel bestimmt die Lage des Kraftangriffs der radial gerichteten Druckkraft auf die Pumpenwelle. Um eine vorteilhafte Kompensation der Druckkräfte der Verdrängereinheiten desselben Druckkreises zu erreichen ist daher eine gleiche geometrische Ausgestaltung der betreffenden Verdrängereinheiten Voraussetzung.
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Es ist möglich, dass Verdrängereinheiten unterschiedlicher Druckkreise unterschiedliche Verdrängungsvolumina aufweisen. Damit können vorteilhafterweise die in die verschiedenen Druckkreise geförderten Volumenströme an deren Volumenstrombedarf angepasst werden.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass alle Verdrängereinheiten das gleiche Verdrängungsvolumen aufweisen.
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Es ist möglich, dass die Anzahl der Verdrängereinheiten 2n + 2 beträgt, wobei n eine ganze Zahl größer gleich 1 ist, und wobei die Anzahl der möglichen Druckkreise den ganzzahligen Teilern der Anzahl der Verdrängereinheiten mit Ausnahme der Anzahl der Verdrängereinheiten selbst entspricht. Hierbei kann die Anzahl der Verdrängereinheiten je Druckkreis unterschiedlich sein. So kann beispielsweise bei n = 1 die Flügelzellenpumpe sechs Verdrängereinheiten aufweisen. In einem ersten Ausführungsbeispiel können vier Verdrängereinheiten einem ersten Druckkreis und zwei einem zweiten Druckkreis zugeordnet sein. Um eine radiale Kraftkompensation zu erreichen, müssen sich lediglich Verdrängereinheiten desselben Druckkreises paarweise diametral gegenüberliegen bzw. einen Teilungswinkel von 180° einschließen. In einem zweiten Ausführungsbeispiel könnten jedem Druckkreis jeweils drei Verdrängereinheiten zugeordnet sein, welche einen gleichen Teilungswinkel, nämlich 120° aufweisen müssen, damit eine Kompensation der Radialkräfte erfolgt. So müssen bei einer ungeraden Anzahl von Verdrängereinheiten je Druckkreis grundsätzlich die Verdrängereinheiten desselben Druckkreises eine gleiche Teilung aufweisen, damit eine Kompensation der Radialkräfte erfolgt. Wie der Winkelversatz zwischen Verdrängereinheit unterschiedlicher Druckkreise gewählt ist, ist ohne Einfluss, da eine Radialkraftkompensation nur zwischen Verdrängereinheiten gleicher Druckkreise möglich ist, da diese alle den gleichen Druck aufweisen. Durch diese Wahl der Anzahl der Verdrängereinheiten und der Druckkreise ist es immer möglich, Verdrängereinheiten für jeden Druckkreis so anzuordnen, dass sich deren Radialkomponenten aufheben, auch für den Fall, dass das Hydrauliksystem mehr als zwei Druckkreise aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Hydrauliksystem eine vierhubige Flügelzellenpumpe und zwei Druckkreise auf. Die Anzahl der Verdrängereinheiten einer Flügelzellenpumpe entspricht immer der Anzahl derer Hübe, so dass beispielsweise die vierhubige Flügelzellenpumpe vier Verdrängereinheiten aufweist. Hierbei sind eine erste und eine zweite Verdrängereinheit mit dem ersten Druckkreis und einen dritte und eine vierte Verdrängereinheit mit dem zweiten Druckkreis verbunden. Mit dieser Konfiguration erreicht man eine vollständige Kompensation der radialen Druckkräfte. Zudem sind vier Verdrängereinheiten einfach auf dem Umfang einer Flügelzellenpumpe unterzubringen.
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Es ist möglich, dass die Teilungswinkel zwischen einer Verdrängereinheit des ersten Druckkreises und den zu dieser benachbarten beiden Verdrängereinheiten eines anderen Druckkreises unterschiedlich sind. Damit ist eine Anordnung von Verdrängereinheiten beliebiger Anzahl für jeden Druckkreis möglich. Beispielsweise können einem Druckkreis eine gerade Anzahl von Verdrängereinheiten und einem weiteren Druckkreis eine ungerade Anzahl von Verdrängereinheiten zugeordnet sein.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Teilungswinkel zwischen allen Verdrängereinheiten einer mehrhubigen Flügelzellenpumpe gleich sind. Dies hat eine symmetrische Ausgestaltung zur Folge, die fertigungstechnische Vorteile bieten kann.
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Ein Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug weist ein Hydrauliksystem nach einem der vorbeschriebenen Ausgestaltungen auf. Damit ist eine bedarfsgerechte Ölversorgung des Automatikgetriebes bei einem minimalen Bauraum möglich. Außerdem ist die Versorgung unterschiedlicher Druckkreise mit nur einer Pumpe möglich, anstatt für jeden Druckkreis eine eigene Pumpe vorzusehen, was einen Mehraufwand an Bauteilen, Bauraum und ein erhöhtes Schleppmoment – und damit Wirkungsgradnachteile – zur Folge hätte.
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Theoretisch wäre es möglich, die in den Druckkreisen herrschenden Drücke zu berücksichtigen und in die Wahl der Lage der Verdrängereinheiten miteinzubeziehen. Dies ist in der Praxis aufgrund der im Betrieb oft schwankenden Drücke nicht möglich, da hierdurch immer wieder das Kräfteverhältnis aus dem Gleichgewicht kommen würde.
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Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
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1 eine Hydrauliksystem mit einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe nach dem Stand der Technik und
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2 ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem mit einer vierhubigen Flügelzellenpumpe.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems mit einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe 101 nach dem Stand der Technik. Die doppelhubige Flügelzellenpumpe 101 umfasst eine Pumpenwelle 104, einen Rotor 102, zwölf Flügel 103 und einen Hubring 105.
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Der Rotor 102 ist drehfest mit der Pumpenwelle 104 verbunden und über diese antreibbar. Unter einer drehfesten Verbindung ist hierbei zu verstehen, dass beide Teile drehsteif miteinander verbunden sind, d.h. nicht gegeneinander verdreht werden können, und im Betrieb mit gleicher Drehzahl und dieselbe Drehachse umlaufen. Der Rotor 102 weist in der Ansicht in Richtung der Drehachse eine zylindrische bzw. kreisförmige Außenkontur 106 auf, wobei dessen Drehachse in der Darstellung senkrecht zur Zeichenebene durch einen Mittelpunkt M verläuft. Die zwölf gleich ausgebildeten Flügel 103 sind am Rotor 102 angeordnet. Im Rotor 102 sind radial nach Außen gerichtete Führungsschlitze 108 ausgebildet, in welchen die Flügel 103 radial verschiebbar geführt sind. In axialer Richtung, d.h. in Richtung der durch den Mittelpunkt M verlaufenden Drehachse, erstrecken sich der Rotor 102 und die Flügel 103 in eine im Wesentlichen gleiche Breite.
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Der Rotor 102 und die Flügel 103 sind von einer stehenden, gehäusefesten ovalen Hubkurve 105 umgeben. Die Hubkurve 105 kann beispielsweise als Innenkontur eines nicht gezeigten Pumpengehäuses oder eines drehfest mit dem Pumpengehäuse verbundenen nicht gezeigten Hubrings ausgebildet sein. Das Pumpengehäuse ist zumindest drehfest mit der Struktur des Fahrzeugs verbunden. Im Betrieb dreht sich der Rotor 102 in eine Drehrichtung R. Hierdurch werden die Flügel 103 unter der Wirkung der Fliehkraft nach Außen verschoben und liegen mit einem radial nach außen gerichteten Flügelende 107 an der Hubkurve 105 an. Zusätzlich können die Flügel durch einen hydraulischen Druck, mittels der Kraft einer Feder oder mittels einer mechanischen Führungsvorrichtung nach Außen gegen die Hubkurve 105 gedrückt werden.
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Während einer Umdrehung des Rotors 102 erreichen aufgrund der ovalen Form der Hubkurve 105 zwei Mal die Flügel einen Maximalhub h1 und h2 an der Stelle, an welcher längs einer durch den Mittelpunkt M verlaufenden Maximalhublinie 193 der Abstand zwischen der Außenkontur des Rotors 102 und der Hubkurve 105 maximal ist, so dass der jeweilige sich an dieser Stelle befindliche Flügel 103 am weitesten in radialer Richtung nach Außen aus dem Rotor 102 ragen kann. Je nach der Form der Hubkurve 105 können die Maximalhübe h1 und h2 gleich oder unterschiedlich sein.
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Aufgrund der ovalen Form der Hubkurve 105 mit den beiden Maximalhüben h1 und h2 sind innerhalb der Flügelzellenpumpe 101 zwei Verdrängereinheiten 111 und 112 ausgebildet, welche diametral, d.h. in einem Teilungswinkel von β = 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Die für beide Verdrängereinheiten 111 und 112 prinzipiell gleiche Funktionsweise wird nachfolgend anhand der Verdrängereinheit 111 beschrieben:
Zwei benachbarte Flügel 103, die Außenkontur 106 des Rotors 102 und die Hubkurve 105 bilden in der Zeichenebene eine Begrenzung einer Fläche, welche multipliziert mit der Pumpenbreite das Volumen eines so genannten Arbeitsraumes 110 ergibt. Da sich der Hub der Flügel 103 aufgrund der unterschiedlichen Abstände des Rotors 102 von der Hubkurve 105 während einer Drehung des Rotors 102 ändert, verändert sich auch das Volumen des Arbeitsraumes 110 über eine Umdrehung. So vergrößert sich dieses bei der dargestellten Drehrichtung R ab einem Hubbeginn 161 über einem Expansionsbereich 171 stetig. Im Hubbeginn 161 und im Hubende 162 ist der Abstand zwischen Hubkurve 105 und der Außenkontur 106 des Rotors 102 minimal. Befindet sich ein Flügel 103 an dem Hubbeginn 161 und dreht sich weiter in die Drehrichtung R, so wird sich der Abstand des am Hubring 105 anliegenden Flügelendes 107 vom Mittelpunkt M vergrößern. Damit beginnt sich der zwischen Flügel 103 und Hubbeginn 161 ausgebildete Arbeitsraum 110 zu bilden. Nach dem Durchlaufen des Expansionsbereichs 171 erreicht das Volumen des Arbeitsraums 110 in einem Druckwechselbereich 173. Innerhalb des Druckwechselbereichs 173, bei dessen Durchlaufen sich das Volumen des Arbeitsraumes 110 nur unwesentlich ändert, erreichen die Flügel 103 ihren Maximalhub. Anschließend verkleinert sich der Arbeitsraum 110 über einen Verdrängungsbreich 172 wieder auf einen Minimalwert bis zum Erreichen eines Hubendes 162.
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Durch die Vergrößerung der Arbeitsräume 110, welche sich über einen Förderwinkel α1 zwischen Hubbeginn 161 und Hubende 162 vollzieht, wird das Betriebsmedium durch einen Sauganschluss 131 aus einem Ölsumpf 109, in welchem das Getriebeöl bevorratet ist, angesaugt. In dem Ölsumpf 109 herrscht ein Umgebungsdruck p0, welcher im Wesentlichen dem umgebenden Atmosphärendruck entspricht. Im Sauganschluss 131 herrscht ein Saugdruck pS, welcher kleiner ist als der Umgebungsdruck p0.
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Eine durch den Mittelpunkt M führende Maximalhublinie 193 kennzeichnet die Stelle des größten Abstandes zwischen der Hubkurve 105 und der Außenkontur 106 des Rotors 102, so dass die Flügel 103 hier am weitesten aus dem Rotor 102 herausragen und den größten Hub erreichen. Bei dem Teilungswinkel von β = 180° ist die Maximalhublinie 193 für beide Verdrängereinheiten 111 und 112 identisch.
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Bei der sich nach dem Erreichen des Maximalhubs h1 beginnenden Verkleinerung der Arbeitsräume 110 in der Verdrängungszone 172 wird das Betriebsmedium aus den Arbeitsräumen 110 verdrängt und durch einen Druckanschluss 121 in einen Druckkreis 151 gefördert. Durch die Verdrängung des Betriebsmediums wird unter Einfluss des hydraulischen Widerstands im Druckkreis 151 von der Pumpe ein Pumpendruck p1 erzeugt. Dieser wirkt im Verdrängungsbereich 172 auf den Rotor 102 und belastet diesen in radialer Richtung, so dass eine Druckkraft F1 auf den Rotor 102 und damit die Pumpenwelle 104 wirkt.
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Die Verdrängereinheit 112 saugt das Betriebsmedium ebenfalls aus dem Ölsumpf 109 an. In einem Verdrängungsbreich der Verdrängereinheit 112 wird das Getriebeöl zu dessen Versorgung in den Druckkreis 152 verdrängt und ein Pumpendruck p2 erzeugt. Die Verdrängereinheiten 111 und 112 arbeiten autark, d.h. ohne Beeinflussung ihrer erzeugten Drücke untereinander, so dass die eine Flügelzellenpumpe 101 zwei Druckkreise 151 und 152 je nach deren Druckbedarf mit den unterschiedlichen Pumpendrücken p1 und p2 versorgen kann. Jede Verdrängereinheit stellt damit eine autarke Pumpe dar.
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Das Verdrängungsvolumen einer Verdrängereinheit ist proportional zu dem Maximalhub. Wäre die Hubkurve punktsymmetrisch zum Mittelpunkt M ausgebildet, wären die beiden Maximalhübe h1 und h2 gleich und damit auch das geometrisches Verdrängungsvolumen der jeweiligen Verdrängereinheit. Ist der Volumenstrombedarf in beiden Druckkreisen 151 und 152 unterschiedlich, kann die Hubkurve 105 wie in 1 dargestellt mit unterschiedlichen Maximalhüben h1 und h2 in den Verdrängereinheiten 111 und 112 ausgebildet werden. Hierdurch ist eine weitere Anpassung der Verdrängereinheiten an den Bedarf unterschiedlicher Druckkreise des Hydrauliksystems möglich.
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Im vorliegenden Beispiel ist der Pumpendruck p1 größer als der Pumpendruck p2, so dass die Druckkraft F1 größer ist als eine aus dem Pumpendruck p2 resultierende Druckkraft F2 der Verdrängereinheit 112. Die Verdrängereinheit 112 ist diametral zur Verdrängereinheit 111 angeordnet, so dass die Druckkräfte F1 und F2 auf einer Kraftwirkungslinie 181 liegen und einander entgegen wirken. Aufgrund der unterschiedlichen Pumpendrücke p1 und p2 belastet nachteiliger Weise eine sich als Differenz der Druckkräfte F1 und F2 ergebende resultierende Radialkraft die Pumpenwelle 104.
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Der Teilungswinkel β zwischen den Verdrängereinheiten 111 und 112 wird beispielsweise zwischen deren Symmetrielinien gemessen, oder bei geometrisch gleich d.h. deckungsgleich ausgebildeten Verdrängereinheiten zwischen charakteristischen Punkten gemessen. Die Symmetrielinie ist in diesem Ausführungsbeispiel die Maximalhublinie 193. Charakteristische Punkte sind beispielsweise Hubbeginn oder Hubende. Im vorliegenden Beispiel ist das Hubende 162 der Verdrängereinheit 111 der Hubbeginn der Verdrängereinheit 112.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems, welches eine Flügelzellenpumpe 201 umfasst. Diese weist eine in einem nicht gezeigten Pumpengehäuse ausgebildeten oder mit diesem zumindest drehfest verbundene Hubkurve 205 auf. Außerdem umfasst die Pumpe 201 einen drehfest mit einer Pumpenwelle 204 verbundenen Rotor 202 auf, welcher um eine Drehachse durch einen Mittelpunkt M drehbar ist. In dem Rotor 202 sind zwölf Flügel 203 radial verschiebbar in Führungsschlitzen 208 geführt.
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Die Flügelzellenpumpe 201 ist hierbei vierhubig ausgeführt, d.h. die Hubkurve 205 ist so ausgestaltet, dass jeder Flügel 203 vier Mal pro Umdrehung eines Rotors 202 einen maximalen Hub erreicht, so dass ein Fördervorgang analog zu dem in der Flügelzellenpumpe 101 in 1 beschriebenen stattfindet.
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Die Anzahl der Verdrängereinheiten entspricht wie vorstehend beschrieben der Anzahl der Erhebungen der Hubkurve 205, so dass die Flügelzellenpumpe 201 vierhubig ausgebildet ist und damit vier Verdrängereinheiten 211, 212, 213 und 214 aufweist. Die Verdrängereinheiten 211 und 213 weisen jeweils einen längs einer Maximalhublinie 293 gemessenen Maximalhub h1 und die Verdrängereinheiten 212 und 214 einen längs einer Maximalhublinie 294 gemessenen Maximalhub h2 auf, wobei diese im gezeigten Ausführungsbeispiel gleich sind.
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Die Verdrängereinheiten 211 und 213 sind einem Druckkreis 251 und die Verdrängereinheiten 212 und 214 einem Druckkreis 252 zugeordnet. In dem Druckkreis 251 herrscht ein von den Verdrängereinheiten 211 und 213 erzeugter Pumpendruck p1, in dem Druckkreis 252 ein von den Verdrängereinheiten 212 und 214 erzeugter Pumpendruck p2.
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Die Verdrängereinheit 211 ist hierbei durch einen Druckanschluss 221, und die Verdrängereinheit 213 durch einen Druckanschluss 223 mit dem Druckkreis 251 verbunden. Die Verdrängereinheit 212 ist durch einen Druckanschluss 222, und die Verdrängereinheit 214 durch einen Druckanschluss 224 mit dem Druckkreis 252 verbunden. Alle Verdrängereinheiten 211, 212, 213 und 214 sind durch einen in ihren jeweiligen Expansionsbereichen ausgebildeten Sauganschluss 231, 232, 233 und 234 mit einem Ölsumpf 209 verbunden, in welchem das Betriebsmedium, in diesem Falle Getriebeöl bevorratet ist und in welchem der Umgebungsdruck p0 herrscht.
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In den jeweiligen Verdrängungsbereichen der Verdrängereinheiten sind aufgrund des dort stattfindenden Druckaufbaus der Pumpendrücke p1 bzw. p2 Druckkräfte in radialer Richtung auf den Rotor 202 und damit die Pumpenwelle 204 wirksam. So wirken aus den Verdrängereinheiten 211 und 213 aufgrund des Pumpendruckes p1 die Druckkräfte F1 und F3 und aus den Verdrängereinheiten 212 und 214 aufgrund des Pumpendruckes p2 die Druckkräfte F2 und F4 auf die Pumpenwelle 204. Die Druckkräfte F1 und F3 sind in ihrem Betrag gleich. Die Druckkraft F2 entspricht in ihrem Betrag der Druckkraft F4.
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Die vier Verdrängereinheiten 211, 212, 213 und 214 sind geometrisch gleich gestaltet, d.h. sie weisen alle den gleichen Hub h1 = h2 auf und erstrecken sich alle über einen gleichen Förderwinkel α1 = α2 = α3 = α4 = 90°.
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Die Verdrängereinheiten 211 und 213 sind diametral gegenüber angeordnet, d.h. um einen Teilungswinkel β = 180° zueinander um den Mittelpunkt M versetzt und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts M in ihrer Geometrie ausgestaltet. Hierdurch liegen die die Druckkräfte F1 und F3 entgegen gesetzt gerichtet auf einer Kraftwirkungslinie 281. Analog hierzu sind die Verdrängereinheiten 212 und 214 ebenso diametral zueinander angeordnet und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts M in ihrer Geometrie ausgestaltet, so dass deren Druckkräfte F2 und F4 entgegen gesetzt gerichtet auf einer Kraftwirkungslinie 282 liegen. Hierdurch heben sich die Kraftwirkungen der Druckkräfte F1 und F3 ebenso auf wie die der Druckkräfte F2 und F4, so dass keine resultierende Druckkraft die Pumpenwelle 204 belastet. Somit ist vorteilhafterweise aufgrund der Kräftekompensation keine stärkere Dimensionierung der Pumpenwelle 204 erforderlich.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle Verdrängereinheiten hinsichtlich Hub und Förderwinkel gleich gestaltet. Verdrängereinheiten unterschiedlicher Druckkreise könnten sich aber auch geometrisch unterscheiden, indem diese beispielsweise unterschiedliche Hübe und/oder unterschiedliche Förderwinkel aufweisen. Zur einfachen Bewirkung eines Ausgleichs der Druckkräfte ist es lediglich erforderlich, dass die Verdrängereinheiten desselben Druckkreises geometrisch gleich ausgebildet sind, so dass sich in allen Verdrängereinheiten dieses Druckkreises aus den übereinstimmenden Drücken die gleichen Druckkräfte ergeben. Wenn die Verdrängereinheiten desselben Druckkreises wie in 2 diametral gegenüberliegend angeordnet und die radial wirkenden Druckkräfte gleich groß sind, heben sich diese auf. Sollten jedoch, beispielsweise wegen einer ungleichen geometrischen Gestaltung der ein und demselben Druckkreis zugeordneten Verdrängereinheiten nicht auf derselben Kraftwirkungslinie liegen oder sich die Druckkräfte in ihrem Betrag unterscheiden, resultiert daraus eine unerwünschte Radialkraft.
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Bei einer ungeraden Anzahl von Verdrängereinheiten desselben Druckkreises können die Druckkräfte zwangsläufig nicht auf einer Kraftwirkungslinie liegen, allerdings kompensieren sich die Druckkräfte bei einer gleichen Teilung, beispielsweise wenn drei Verdrängereinheiten pro Druckkreis um 120° zueinander versetzt sind.
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Neben der Kompensation der Radialkräfte bietet die nach 2 ausgestaltete Flügelzellenpumpe 201 gegenüber der Flügelzellenpumpe 101 nach dem Stand der Technik aus 1 den Vorteil einer geringeren Ausdehnung in radialer Richtung und beansprucht damit einen geringeren Bauraum. Der Grund hierfür ist, dass die Flügelzellenpumpe 201 pro Druckkreis zwei Verdrängereinheiten 211 und 213, bzw. 212 und 214 aufweist, welche nur den halben Maximalhub der einen Verdrängereinheit 111 bzw. 112 der Flügelzellenpumpe 101 aufweisen müssen, um das gleiche geometrische Verdrängungsvolumen wie nur eine Verdrängereinheit mit doppeltem Maximalhub zu erreichen. Mit dem verkleinerten Maximalhub sinkt die radiale Ausdehnung der Hubkurve.
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In dem Ausführungsbeispiel in 2 sind alle Verdrängereinheiten mit einem gleichen Teilungswinkel von 90° auf dem Umfang verteilt. Eine Kraftkompensation innerhalb der Verdrängereinheiten eines Druckkreises ist unabhängig davon, wie die Verdrängereinheiten unterschiedlicher Druckkreise zueinander angeordnet sind. So könnte beispielsweise auch zwischen den Verdrängereinheiten 211 und 212 ein Winkel kleiner oder größer 90° eingeschlossen sein.
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So können die Verdrängereinheiten unterschiedlicher Druckkreise unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen wie z.B. unterschiedliche Maximalhübe und/oder unterschiedliche Förderwinkel aufweisen. Zur einfachen Bewirkung eines Ausgleichs der Druckkräfte ist es lediglich erforderlich, dass die Verdrängereinheiten desselben Druckkreises geometrisch gleich ausgebildet sind, da sich nur die radial wirksamen Druckkräfte innerhalb der Verdrängereinheiten desselben Druckkreises aufheben. Es sollte allerdings sollte sichergestellt sein, dass die Druckkräfte gleich groß sind und bei gerader Anzahl der Verdrängereinheiten auf einer Kraftwirkungslinie liegen. Bei einer ungeraden Anzahl der Verdrängereinheiten sollte wie oben bereits erwähnt die Teilung gleich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Pumpe
- 102
- Rotor
- 103
- Flügel
- 104
- Pumpenwelle
- 105
- Hubkurve
- 106
- Außenkontur des Rotors
- 107
- Flügelende
- 108
- Führungsschlitz
- 109
- Ölsumpf
- 110
- Arbeitsraum
- 111
- Verdrängereinheit
- 112
- Verdrängereinheit
- 121
- Druckanschluss
- 131
- Sauganschluss
- 151
- Druckkreis, Hochdruckkreis
- 152
- Druckkreis, Niederdruckkreis
- 161
- Hubbeginn
- 162
- Hubende
- 171
- Expansionsbereich
- 172
- Verdrängungsbereich
- 173
- Druckwechselbereich
- 181
- Kraftwirkungslinie
- 193
- Maximalhublinie
- 201
- Pumpe
- 202
- Rotor
- 203
- Flügel
- 204
- Pumpenwelle
- 205
- Hubkurve
- 206
- Außenkontur des Rotors
- 208
- Führungsschlitz
- 209
- Ölsumpf
- 211
- Verdrängereinheit
- 212
- Verdrängereinheit
- 213
- Verdrängereinheit
- 214
- Verdrängereinheit
- 221
- Druckanschluss
- 222
- Druckanschluss
- 223
- Druckanschluss
- 224
- Druckanschluss
- 231
- Sauganschluss
- 232
- Sauganschluss
- 233
- Sauganschluss
- 234
- Sauganschluss
- 251
- Druckkreis
- 252
- Druckkreis
- 281
- Kraftwirkungslinie
- 282
- Kraftwirkungslinie
- 293
- Maximalhublinie
- 294
- Maximalhublinie
- α1
- Förderwinkel
- α2
- Förderwinkel
- α3
- Förderwinkel
- α4
- Förderwinkel
- β
- Teilungswinkel
- h1
- maximaler Flügelhub
- h2
- maximaler Flügelhub
- F1
- Druckkraft
- F2
- Druckkraft
- F3
- Druckkraft
- F4
- Druckkraft
- M
- Mittelpunkt
- p1
- Pumpendruck
- p2
- Pumpendruck
- pS
- Saugdruck
- p0
- Umgebungsdruck
- R
- Drehrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19858541 A1 [0003]
- DE 102004025764 A1 [0004, 0008]
- DE 102011105648 A1 [0010]
