DE102016108944A1

DE102016108944A1 - Verstellbare Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE102016108944A1
Application number: DE102016108944.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gulde; Andreas Blank; Michael Walter; Ralph Bühler; Torsten Helle
Original assignee: Joma Polytec GmbH
Current assignee: Joma Polytec GmbH
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16
Also published as: US10648468B2; US20170328364A1; CN107366620A; CN107366620B

Abstract

Verstellbare Flügelzellenpumpe, insbesondere Öldruckpumpe, mit einer Saugseite und einer Druckseite, mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse um eine Rotorachse drehbar gelagerten, wenigstens einen in radialer Richtung beweglich gelagerten Flügel führenden Rotor, wobei das Gehäuse quer zur Rotorachse einen Gehäuseboden und einen Gehäusedeckel umfasst, und wobei im Gehäuse ein zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel angeordneter, den Rotor samt Flügel umgebender und quer zur Rotorachse verstellbarer Verstellkäfig vorgesehen ist, wobei das Gehäuse und der Verstellkäfig einen mit der Druckseite fluidverbundenen Druckraum begrenzen, wobei ein Rückstellelement vorgesehen ist, das den Verstellkäfig in eine Grundendlage drängt, und wobei der Verstellkäfig beim Überschreiten einer Grenzbetriebsgröße im Druckraum aus der Grundendlage ausgelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Flügelzellenpumpe, insbesondere eine Öldruckpumpe, mit einer Saugseite und einer Druckseite. Die Flügelzellenpumpe weist ferner ein Gehäuse und einen im Gehäuse um eine Rotorachse drehbar gelagerten, wenigstens einen in radialer Richtung beweglich gelagerten Flügel führenden Rotor auf. Zudem umfasst das Gehäuse quer zur Rotorachse einen Gehäuseboden und einen Gehäusedeckel. Im Gehäuse ist ein zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel angeordneter, den Rotor samt Flügel umgebender und quer zur Rotorachse verstellbarer Verstellkäfig vorgesehen. Die Erfindung betrifft ferner ein dazugehöriges System und ein dazugehöriges Verfahren.
Derartige Flügelzellenpumpen finden insbesondere bei Kraftfahrzeugen in Form von Öldruckpumpen für Motor- oder Getriebeöl Verwendung. Die Pumpen, bzw. deren Rotoren, werden von einem Motor, insbesondere einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor angetrieben.
Dabei sind aus dem Stand der Technik Niederdruckpumpen, die einen hohen Volumenstrom mit wenig Gegendruck liefern, und Hochdruckpumpen, die einen niedrigen Volumenstrom mit einem hohen Gegendruck liefern, vorbekannt. Niederdruckpumpen dienen zum Kühlen und Schmieren eines Getriebes, während Hochdruckpumpen von Zeit zu Zeit einen Druckspeicher laden. In Kraftfahrzeugen sind hierzu demnach zwei Pumpen vorgesehen.
Theoretisch wäre zwar die Möglichkeit gegeben, mit einem regelbaren elektrischen Motor eine Pumpe sowohl im Niederdruck- als auch Hochdruck-Zustand zu betreiben. Hierzu müsste eine beispielhafte Pumpe mit einem konstanten Pumpenvolumen von 2,857 ccm/U im Niederdruckmodus bei ca. 5 bar Pumpendruck mittels eines Elektromotors mit einer Drehzahl von 3500 U/min und einem Drehmoment von 0,227 Nm betrieben werden, um 10 L/min Fluid zu fördern. Im Hochdruckmodus müsste diese Pumpe demgegenüber bei bis zu ca. 40 bar Pumpendruck mittels eines Elektromotors mit einer Drehzahl von 700 U/min und einem Drehmoment von 1,819 Nm betrieben werden, um 2 L/min Fluid zu fördern. Allerdings ist der Verlauf des Wirkungsgrads aufgetragen gegen die Drehzahl eines Elektromotors regelmäßig parabelartig mit einem maximalen Wirkungsgrad bei einer sogenannten Nenndrehzahl. Insofern müsste der Motor, um die Pumpe sowohl im Hochdruckmodus als auch im Niederdruckmodus zu betreiben, zwei Arbeitspunkte anfahren, einen mit einer hohen Drehzahl und einen mit einer niedrigen Drehzahl. Einer der Arbeitspunkte würde folglich einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad aufweisen. Zudem sind derart starke, regelbare insbesondere elektrische Motoren sehr teuer. Schließlich sprechen akustische Gründe gegen die Verwendung derartiger Elektromotoren.
Flügelzellenpumpen weisen in der Regel einen sichelförmige Pumpenraum auf, der von dem wenigstens einen Flügel in Druckkammern unterteilt wird. Durch Drehung des Rotors, der exzentrisch zu der ihn umgebenden Wandung ist, kann ein Druckgefälle zwischen der Saugseite mit einem Saugeinlass und einer Druckseite mit dem Druckauslass bereitgestellt werden.
Eine verstellbare Flügelzellenpumpe ist aus der DE 10 2014 203 193 A1 vorbekannt. Dabei kann der Verstellkäfig durch Beaufschlagung eines Druckraums mit extern zugeführtem Druckmittel verstellt werden. Hierzu ist eine Steuereinrichtung vorgesehen. Durch Verstellen des Verstellkäfigs kann hierbei die Größe des sichelförmigen Druckraums verstellt werden. Dadurch ändert sich auch die Pumpencharakteristik, insbesondere das Fördervolumen pro Umdrehung und somit pro Minute sowie der maximal aufbringbare Druck. Je nach Bedarf kann folglich die Leistung der Flügelzellenpumpe eingestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteilen des Standes der Technik Abhilfe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Flügelzellenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist demnach vorgesehen, dass das Gehäuse und der Verstellkäfig einen mit der Druckseite fluidverbundenen Druckraum begrenzen, wobei ein Rückstellelement, insbesondere eine Rückstellfeder, vorgesehen ist, das den Verstellkäfig in eine Grundendlage drängt, wobei der Verstellkäfig beim Überschreiten einer Grenzbetriebsgröße im Druckraum aus der Grundendlage ausgelenkt wird.
Die Erfindung zeichnet sich folglich insbesondere dadurch aus, dass keine Sensoren oder sonstige Steuereinrichtungen notwendig sind, um den Verstellkäfig zu verstellen. Stattdessen wird unmittelbar in Abhängigkeit des druckseitigen Drucks in der Flügelzellenpumpe ein Umschalten des Verstellkäfigs dadurch bewirkt, dass der Druckraum zwischen Gehäuse und Verstellkäfig mit der Druckseite druckverbunden ist. Die Druckverbindung kann dabei einerseits unmittelbar durch eine Bohrung im Gehäuse oder Verstellkäfig erfolgen. Andererseits ist auch denkbar, dass die Druckseite mittels einer Leitung mit dem Druckraum verbunden ist. Jedenfalls ist die Druckseite direkt fluidisch mit dem Druckraum verbunden. Das bedeutet, dass das von der Pumpe geförderte Fluid von der Druckseite nicht nur zu einem Abnehmer gefördert wird, sondern auch in den Druckraum strömt und dort einen Druck im Druckraum aufbaut.
Hierdurch wird insbesondere die Möglichkeit geschaffen, eine Flügelzellenpumpe mittels eines Motors, insbesondere eines Elektromotors, sowohl im Niederdruckmodus (Anforderung 1) als auch im Hochdruckmodus (Anforderung 2) zu betreiben. Dennoch kann dadurch, dass das Pumpenvolumen variabel ist, der Motor bei nur einem Arbeitspunkt, also einer gewissen Drehzahl bzw. einem gewissen Drehmoment, betrieben werden. Der Arbeitspunkt liegt dabei selbstverständlich günstigerweise im Bereich des maximalen Wirkungsgrads und damit der maximal verfügbaren Antriebsleistung des Elektromotors. Vorzugsweise wird der Rotor von einem als Rotorantrieb ausgebildeten Elektromotor angetrieben. Hierbei wird der Rotorantrieb vorteilhafterweise sowohl dann, wenn der Verstellkäfig in der Grundendlage ist, als auch, wenn der Verstellkäfig aus der Grundendlage ausgelenkt ist, im Nenndrehzahlbereich betrieben. Der Nenndrehzahlbereich ist dabei der Drehzahlbereich des Elektromotors, in dem dieser seine höchsten Wirkungsgrad aufweist. Es handelt sich also um den Bereich, um den maximalen Wirkungsgrad des Elektromotors herum. Selbstverständlich wird der Motor vorzugsweise in der Nenndrehzahl selbst, also mit dem maximalen Wirkungsgrad, betrieben. Der Wirkungsgrad geht auch mit dem verfügbaren Antriebsmoment einher, sodass der Motor hier auch sein größtes verfügbares Antriebsmoment aufweist.
Denkbar wäre auch, die Drehzahl des Motors zu variieren. Insbesondere ein Variieren im Nennndrehzahlbereich wäre denkbar. So könnte die Drehzahl des Motors, wenn der Verstellkäfig in der Grundendlage ist, von der Drehzahl des Motors, wenn der Verstellkäfig aus der Grundendlage ausgelenkt ist, abweichen. Insofern kann mittels vorliegender Erfindung sowohl eine Drehzahlvarianz des Motors, als auch eine Hubraumvarianz der Flügelzellenpumpe auf Grund der Verstellbarkeit des Verstellgehäuses bereitgestellt werden. Somit können zwei Parameter, nämlich Drehzahl des Motors und Hubraum der Flügelzellenpumpe, verändert werden. Hierdurch kann eine Flügelzellenpumpen bereitgestellt werden, die hinsichtlich Wirkungsgrad, Gewicht und Kosten besonders vorteilhaft ist.
Bei dem Elektromotor kann es sich insbesondere um einen von einer Steuereinrichtung regelbaren Elektromotor handeln, der insbesondere mit einer Drehzahl bis 6000 Umdrehungen/min betreibbar ist. Die Nenndrehzahl kann insbesondere bei ca. 3000 bis 4000 Umdrehungen/min, insbesondere bei 3500 U/min, liegen.
Besonders vorzugsweise wird der Motor hierbei sowohl in der Grundendlage des Verstellkäfigs, als auch, wenn der Verstellkäfig aus der Grundendlage ausgelenkt ist, mit derselben oder im Wesentlichen derselben Drehzahl betrieben. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Verstellkäfig beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße entweder abrupt oder mit steigender Grenzbetriebsgröße kontinuierlich in eine Auslenkendlage bewegt wird. Wird der Verstellkäfig mit steigender Grenzbetriebsgröße kontinuierlich bewegt, so liegt folglich eine Kennlinie zwischen Volumenstrom, aufbringbarem Druck sowie der Betriebsgröße vor. Mit steigender Betriebsgröße kann folglich eine kontinuierliche Veränderung der Pumpcharakteristik insbesondere des Fördervolumens der Pumpe bereitgestellt werden, indem der Verstellkäfig nach und nach mit steigendem Druck in die Auslenkendlage bewegt wird. Wird der Verstellkäfig mit steigender Grenzbetriebsgröße hingegen abrupt bewegt, so wird der Verstellkäfig beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße im Wesentlichen sofort aus der Grundendlage in die Auslenkendlage bewegt.
Vorzugsweise sind die Drehzahl und das Drehmoment des Rotorantriebs in der Grundendlage und der Auslenkendlage hierbei identisch oder im Wesentlichen identisch. Insbesondere kann die Drehzahl identisch sein, während das Drehmoment geringfügig ansteigt.
Vorteilhafterweise ist das Fördervolumen in der Grundendlage 1,5 bis 4 ccm/U, insbesondere 2,4 bis 3 ccm/U, und das Fördervolumen in der Auslenkendlage 0,2 bis 1,4 ccm/U, insbesondere 0,3 bis 0,7 ccm/U, und/oder das Fördervolumen in der Grundendlage 5 bis 20 L/min, insbesondere 8 bis 12 L/min, und das Fördervolumen in der Auslenkendlage 0,5 bis 4 L/min, insbesondere 1 bis 2 L/min.
Vorzugsweise kann die Flügelzellenpumpe in der Auslenkendlage einen Druck zwischen 30 und 60 bar, insbesondere zwischen 35 und 45 bar, auf einen Druckabnehmer aufbringen. Ein derartiger Hochdruck-Zustand der Pumpe ist insbesondere zum Befüllen eines Öldruckspeichers geeignet.
Eine beispielhafte und besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich sodann wie folgt: Um ein Getriebe zu Kühlen und zu Schmieren, wird die Flügelzellenpumpe mit dem Kühlkreislauf verbunden und im Niederdruckmodus (Anforderung 1) betrieben. Hierzu wird die Pumpe mit einem Pumpenvolumen von 2,857 ccm/U im Niederdruckmodus bei bis zu ca. 5 bar Pumpendruck mittels eines Elektromotors mit einer Drehzahl von 3500 U/min und einem Drehmoment von 0,227 Nm betrieben, um 10 L/min Fluid zu fördern. Dabei befindet sich der Verstellkäfig in der Grundendlage. Die Drehzahl von 3500 U/min entspricht dabei der Nenndrehzahl, in der der Elektromotor seinen maximalen Wirkungsgrad und damit seine maximal verfügbare Antriebsleistung aufweist.
Um einen Druckspeicher zu laden, wird die Flügelzellenpumpe zunächst mit diesem verbunden und nicht mehr mit dem Kühlkreislauf. Beim Befüllen des Druckspeichers baut sich ein Gegendruck auf, der rasch einen Druck von 5 bar überschreitet. Mit steigendem Pumpendruck wird der Verstellkäfig sodann in die Auslenkendlage ausgelenkt. In der Auslenkendlage beträgt das Pumpenvolumen 0,571 ccm/U. Die Drehzahl ist dabei identisch wie im Niederdruckmodus und beträgt 3500 U/min. Das Drehmoment ist nahezu identisch wie im Niederdruckmodus und beträgt 0,364 Nm. In diesem Hochdruckmodus (Anforderung 2) werden 2 L/min Fluid gefördert. Dabei wird der Druckspeicher auf bis zu ca. 40 bar mit Fluid befüllt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Rückstellelement senkrecht zur Rotorachse verläuft und/oder dass das Rückstellelement sich einerseits am Gehäuse und anderseits am Verstellkäfig abstützt. Hierdurch kann eine besonders einfach aufgebaute Flügelzelle bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise begrenzen das Gehäuse und der Verstellkäfig den Druckraum und einen gegenüberliegenden Rückstellelementraum dichtend. Folglich ist der Verstellkäfig beidseitig mit einer Kraft beaufschlagbar. Zum einen mit der Rückstellkraft der Feder und zum anderen mit der dazu entgegengesetzt wirkenden Druckraft im Druckraum ausgeübt durch das sich im Druckraum befindliche Fluid. Beiden Räume sind folglich dicht voneinander getrennt. Dadurch kann eine besonders einfach aufgebaute Flügelzellenpumpe bereitgestellt werden. Die Rückstellkraft des Rückstellelements wirkt dabei folglich gegen den Druckraum, während der Druck im Druckraum gegen die Rückstellkraft wirkt.
Vorteilhaft ist auch, wenn das Gehäuse einen mit der Druckseite verbundenen Druckauslass aufweist, wobei der Druckauslass mit dem Druckraum über eine Fluidleitung fluidverbunden ist. Die Fluidleitung kann dabei insbesondere vom Druckauslass durch einen Durchbruch im Gehäuse in den Druckraum hineingeführt sein. Hierdurch kann eine besonders einfache verstellbare Flügelzellenpumpe bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt ist, wenn der Verstellkäfig in der Grundendlage an einem ersten gehäuseseitigen Anschlag anliegt und wenn der Verstellkäfig in der Auslenkendlage an einem zweiten gehäuseseitigen, dem ersten Anschlag gegenüberliegenden Anschlag anliegt. Die Anschläge können dabei einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein. Andererseits ist auch denkbar, dass die Anschläge verlagerbar sind, um hierüber die Pumpencharakteristik zu verändern. Der erste Anschlag kann dabei insbesondere im Druckraum vorgesehen sein, während der zweite Anschlag insbesondere im Rückstellelementraum vorgesehen sein kann.
Besonders bevorzugt ist ferner, wenn der Verstellkäfig zylindrisch, insbesondere quaderförmig, ausgebildet ist. Hierdurch kann ein besonders einfaches bereitstellen und Abdichten des Druckraums sowie des gegenüberliegenden Rückstellelementraums bereitgestellt werden. Eine Quaderseite kann dabei den Druckraum begrenzen, während eine gegenüberliegende Quaderseite den Rückstellelementraum begrenzt. Die vier anderen Quaderseiten können folglich am Gehäuse anliegen, sodass eine dichte Trennung des Druckraums vom Rückstellelementraum bereitgestellt werden kann. Das Gehäuse wirkt folglich auch als Führung für den Verstellkäfig.
Zusätzlich oder alternativ kann das Gehäuse zweiteilig mit einem kastenförmigen Grundteil und einem plattenförmigen Gehäusedeckel ausgebildet ist. Dabei kann der Motor insbesondere am Gehäusedeckel befestigt sein, sodass eine besonders kompakt aufgebaute Flügelzellenpumpe bereitgestellt wird.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass die Grenzbetriebsgröße als Grenzdruck ausgebildet ist. Durch fluiddichte Verbindung der Druckseite, insbesondere des Druckauslasses mit dem Druckraum, kann somit unmittelbar über den Pumpendruck eine Verstellung des Verstellkäfigs erfolgen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grenzdruck zwischen 1 und 7 bar, insbesondere zwischen 2 und 5,5 bar, liegt, und/oder dass die Auslenkendlage bei einem Druck von 0,5 bis 10 bar über dem Grenzdruck erreicht wird. Bei Überschreitung des Grenzdrucks wird die Rückstellkraft des Rückstellelelements folglich überwunden und der Verstellkäfig ausgelenkt.
Andererseits kann die Grenzbetriebsgröße als Grenztemperatur ausgebildet sein, wobei ein temperatursensitives Element derart vorgesehen ist, dass der Verstellkäfig beim Überschreiten der Grenztemperatur entgegen der Rückstellkraft des Rückstellelements ausgelenkt wird. Hierdurch kann auch eine temperaturgesteuerte Verstellung des Stellgehäuses erfolgen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen System umfassend eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe und ein dem Druckauslass nachgeordnetes Umschaltventil zur Fluidverbindung der Druckseite mit einem ersten Druckanschluss oder einem zweiten Druckanschluss, wobei der zweite Druckanschluss mit einem Druckabnehmer derart verbunden ist, dass bei Fluidverbindung der Druckseite mit dem zweiten Druckanschluss nach Überschreiten der Grenzbetriebsgröße der Verstellkäfig im Druckraum aus der Grundendlage ausgelenkt wird.
Insbesondere kann der erste Druckabnehmer ein Ölkühlkreislauf mit insbesondere einem Wärmetauscher für ein Getriebe sein. Ferner kann der zweite Druckabnehmer insbesondere ein Öldruckspeicher sein. Beim Befüllen eines Öldruckspeichers wird die Grenzbetriebsgröße, insbesondere der Grenzdruck, nach kurzer Zeit überschritten, sodass die Pumpe im Hochdruckmodus den Öldruckspeicher befüllen kann.
Schließlich wird die eingangs gestellte Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems, umfassend die folgenden Schritte: Umschalten des Umschaltventils, sodass die Druckseite mit dem Druckspeicher verbunden ist und der Druckspeicher befüllt wird; Auslenken des Verstellkäfigs beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße und weiteres Befüllen des Druckspeichers; Umschalten des Umschaltventils, sodass die Druckseite mit dem Kühlkreislauf verbunden ist, entweder nach einer eingestellten oder einstellbaren Zeit oder beim Überschreiten eines Grenzdrucks im oder vor dem Druckspeicher.
Hierdurch kann der Druckspeicher gefüllt werden, indem die Pumpe beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße, insbesondere des Grenzdrucks, auf den Hochdruckmodus umstellt und somit beispielsweise den Druckspeicher bis auf 40 bar mit Öl befüllen kann. Nach dem Umschalten, sodass der Kühlkreislauf wieder mit der Druckseite verbunden ist, kann der Druck insbesondere innerhalb kürzester Zeit wieder absinken, sodass der Grenzdruck unterschritten wird und die Pumpe in die Grundendlage zurück bewegt wird, wobei die Pumpe den Niederdruckmodus einnimmt.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
1 Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen verstellbaren Flügelzellenpumpe;
2 Rückansicht der verstellbaren Flügelzellenpumpe gemäß 1;
3 Seitenansicht der verstellbaren Flügelzellenpumpe gemäß 1;
4 Querschnitt entlang der Linie IV-IV gemäß 3 mit dem Verstellkäfig in Grundendlage;
5 Querschnitt entlang der Linie IV-IV gemäß 3 mit dem Verstellkäfig in Auslenkendlage;
6 Schematische Darstellung des Verstellkäfigs in Grundendlage;
7 Schematische Darstellung des Verstellkäfigs in Auslenkendlage;
8 Schaltbild eines erfindungsgemäßen System mit dem Verstellkäfigs in Grundendlage; und
9 Schaltbild eines erfindungsgemäßen System mit dem Verstellkäfigs in Auslenkendlage.
10 Auftragung des Wirkungsgrads des Elektromotors zum Antreiben der Flügelzellenpumpe gemäß 1 gegen dessen Drehzahl;
1 zeigt eine verstellbare Flügelzellenpumpe 10, die ein zweiteiliges Gehäuse 12 mit einem kastenförmigen Grundteil 13 und einem Gehäusedeckel 26 umfasst. Im Pumpenraum 14 (vgl. auch 4 und 5) ist ein um eine Rotorachse 16 drehbar angeordneter Rotor 18 vorgesehen. Zur Drehung des Rotors 18 ist dieser mittels einer Rotorwelle 20 drehgekoppelt. Der Rotor 18 dient zur Mitnahme von im Rotor 18 in radialer Richtung verschieblich gelagerten Flügeln 22. Zum Rotieren des Rotors 18 ist ein Elektromotor 19 am Gehäusedeckel 26 angeschraubt, wobei die vom Elektromotor 19 angetriebene Rotorwelle 20 sich durch den Gehäusedeckel 26 hindurch zum Rotor 18 erstreckt.
In axialer Richtung, also in Richtung der Rotorachse 16 wird der Pumpenraum 14 von einer ersten oberen Anlauffläche 24 und von einer dazu parallel ausgebildeten, zweiten unteren Anlauffläche 27 begrenzt. Die obere Anlauffläche 24 wird dabei vom Gehäusedeckel 26 gebildet; die untere Anlauffläche 27 vom Gehäuseboden 30 des Grundteils 13 gebildet.
Im Gehäuse 12 ist ein zwischen dem Gehäusedeckel 28 und dem Gehäuseboden 30 angeordneter, den Rotor 18 und die Flügel Flüge 22 umgebender und quer zur Rotorachse 16 verstellbarer Versteckkäfig 32 vorgesehen.
Der Verstellkäfig 32 sowie der Gehäusedeckel 28 und der Gehäuseboden 30 umschließen den Pumpenraum 14. Der Verstellkäfig 32 sowie der Rotor 18 mit den Flügeln 22 befinden sich folglich in axialer Richtung gesehen zwischen den beiden Anlaufflächen 24 und 26.
Wie insbesondere aus den 1, 4 und 5 deutlich wird, liegen die radial außen liegenden Flügelspitzen der Flügel 22 an der Innenwand des Verstellkäfigs 32 an. Der Rotor 18 ist exzentrisch im Pumpenraum 14 angeordnet. Der Rotor 18 nimmt folglich auch relativ zum Verstellkäfig eine exzentrische Lage ein.
Bei Drehung des Rotors 18 entsteht im Pumpenraum 14 ein Druckgefälle. Folglich umfasst die Pumpe 10 eine Saugseite 19 und eine Druckseite 21.
Aus den 1 und 2 geht hervor, dass im Gehäuseboden 30 zum einen an der Saugseite 19 ein Saugeinlass 47, sowie zum anderen ein davon räumlich getrennter Druckauslass 48 an der Druckseite 21 vorgesehen sind. Der Saugeinlass 47 und der Druckauslass 48 erstrecken sich dabei in axialer Richtung durch den Gehäuseboden 30 in den Pumpenraum 14. Bei Drehung des Rotors 18 wird folglich über den Saugeinlass 47 das Fluid, insbesondere Getriebe- oder Motoröl, angesaugt und über den Druckauslass 48 aus der Pumpe 10 gefördert. Der im Gehäusedeckel 30 vorgesehene Druckauslass 48 mündet in einen Druckkanal 49 (vgl. 8 und 9). Über den Druckkanal 49 kann das von der Pumpe 10 geförderte Medium dem jeweiligen Verbraucher zugeführt werden.
Der Verstellkäfig 32, das Grundteil 13 sowie der Gehäusedeckel 28 begrenzen einen Druckraum 38 sowie einen Rückstellelementraum 33, die in 4 und 5 deutlich zu erkennen sind. Der Verstellkäfig 32 ist dabei quaderförmig ausgebildet. Zwei gegenüberliegende Quaderseiten begrenzen folglich zusammen mit dem Gehäuse 12 den Druckraum 38 sowie den Rückstellelementraum 33. Die anderen vier Seiten liegen am Gehäuse 12 dicht an, sodass der Druckraum 38 vom Rückstellelementraum 33 dicht getrennt ist. Hierzu können auch entsprechende Dichtungen vorgesehen sein. Das Gehäuse 12 dient folglich auch als Führung für den Verstellkäfig 32.
Der Verstellkäfig 32 kann, wie in den 6 und 7 gezeigt ist, in Richtung des Pfeiles 34 quer zur Rotorachse 16 verstellt werden.
Dabei sind im Rückstellelementraum 33 zwei als Rückstellfedern ausgebildete Rückelemente 36 vorgesehen, die den Verstellkäfig 32 in die Grundendlage drängen, die in den 6 und 7 gezeigt ist.
Wie aus den 4 und 5 deutlich hervorgeht, verlaufen die Rückstellelemente 36 senkrecht zur Rotorachse 16. Ferner stützen sich die Rückstellelemente 36 einerseits am Grundteil 13 und andererseits am Verstellkäfig 32 ab. Der Verstellkäfig 32 liegt in der Grundendlage, an einem ersten gehäuseseitigen Anschlag 52 an, der druckraumseitig vorgesehen ist, und der vom Grundteil 13 des Gehäuses 12 ausgebildet wird.
Aus den 6 und 7 geht hervor, dass der Druckauslass 48 ist mit dem Druckraum 38 über eine Fluidleitung 41 fluidisch verbunden. Folglich ist die Druckseite 21 mit dem Druckraum 38 fluidisch verbunden. Die Fluidleitung verläuft dabei vom Druckauslass 48 der Flügelzellenpumpe 10 außerhalb des Gehäuses 12 zu einem Durchbruch 51 (vgl. 1) im Gehäuse 12 und erstreckt sich durch diesen Durchbruch 51 in den Druckraum 38. Das von der Pumpe 10 geförderte Fluid, insbesondere öl wird folglich vom Druckauslass 48 nicht nur zu einem Abnehmer gepumpt, sondern strömt auch in der Druckraum 38. Ein Verstellen des Verstellkäfigs 32 erfolgt folglich allein in Abhängigkeit des Drucks und der dadurch ausgeübten Druckkraft F_p im Druckraum, ausgeübt durch das von der Pumpe 10 geförderte Fluid.
Wird folglich ein Grenzdruck am Druckauslass 48 und damit auch im Druckraum 38 überschritten, so überschreitet die Druckkraft F_P die entgegengesetzt wirkende Rückstellkraft F_R der Rückstellelemente 36, sodass der Verstellkäfig 32 ausgelenkt wird. Hierbei wird der Verstellkäfig 32 entweder abrupt oder mit steigendem Druck im Druckraum 38 kontinuierlich in eine Auslenkendlage, die den 5 und 7 gezeigt ist, bewegt. Bei einem abrupten Verstellen wird bei Überschreiten des Grenzdrucks im Wesentlichen sofort die Auslenkendlage eingenommen. Bei einem kontinuierlichen Verstellen wird nach Überschreiten des Grenzdrucks mit steigendem Druck im Druckraum 38 der Verstellkäfig 32 nach und nach in die Auslendendlage bewegt.
In der Auslenkendlage liegt der Verstellkäfig 32 an einem zweiten Anschlag 54 an, der rückstellraumseitig vorgesehen ist, und der vom Grundteil 13 des Gehäuses 12 ausgebildet wird.
Durch Verstellung des Verstellkäfigs 32 ändert sich exzentrische Lage des Rotors 18 innerhalb des Verstellkäfigs 32 und damit auch die Größe des Pumpenraums 14. In der Grundendlage, ist der Pumpenraum sichelförmig (vgl. 6) ausgebildet, wäre dieser in der Auslenkenendlage (vgl. 7) kreisringförmig ist. Entsprechend ändert sich die Förderleistung der Pumpe.
In der Grundendlage beträgt das Fördervolumen (Hubraum) der Pumpe 10 ca. 2,5 ccm/U, während das Fördervolumen in der Auslenkenendlage ca. 0,5 ccm/U beträgt. Der Grenzdruck liegt hierbei zwischen 2 und 5 bar, eine dementsprechende Gegenkraft F_R bringen folglich die Stellelemente 36 auf. In der Auslenkenendlage kann die Pumpe einen Druck bis zu 40 bar auf einen Druckabnehmer aufbringen.
Sowohl in der Grundendlage, als auch beim Auslenken des Verstellkäfigs 32 aus der Grundendlage und in der Auslenkendlage wird der Elektromotor 19 mit seiner Nenndrehzahl b von ca. 3500 U/min betrieben. Wie aus 10 deutlich hervorgeht sind der Wirkungsgrad und damit auch die verfügbare Antriebsleistung bei der Nenndrehzahl b maximal. Der Elektromotor 19 wird folglich bei nur einem Arbeitspunkt b betrieben. Die Veränderung der Pumpencharakteristik, insbesondere des geförderten Fluidvolumens pro Minute, erfolgt allein über die betriebsinterne Auslenkung des Verstellkäfigs 32 aus der Grundendlage.
Andererseits wäre auch denkbar, die Drehzahl ganz leicht innerhalb des Nenndrehzahlbereich a (vgl. 10) zu variieren. Hierbei ist der Wirkungsgrad lediglich geringfügig schlechter als der maximale Wirkungsgrad des Elektromotors 19. Dennoch kann eine Anpassung der Drehzahl an den Niederdruck- bzw. Hochdruckmodus erfolgen.
8 und 9 zeigen die Anordnung der Flügelzellenpumpe 10 in einem System 80. Dabei wird aus einer Ölwanne 70 Öl mittels der Flügelzellenpumpe 10 zum Druckauslass 48 durch einen Filter 71 gefördert. Hierbei ist dem Druckauslass 48 ein Magnet-Umschaltventil 56 nachgeschaltet. Dieses ist wie ebenso der Elektromotor 19 zum Antreiben des Rotors 18 von einer Steuereinrichtung 58 steuerbar. Mittels des Umschaltventils 56 kann die Druckseite der Flügelzellenpumpe 10 somit einerseits mit einem ersten Druckanschluss 60 oder andererseits mit einem zweiten Druckanschluss 62 fluiddicht verbunden werden.
Der zweite Druckanschluss 62 ist mit einem als Druckspeicher ausgebildeten Druckabnehmer 64 verbunden. Mittels des Öls des Druckabnehmers 64 können insbesondere Schaltstangen 75 in Getrieben bewegt werden. Der erste Druckanschluss 60 mündet in einen Wärmetauscher 66 eines Kühlmittelkreislaufs 69.
In der in 8 gezeigten Schaltstellung ist der erste Druckanschluss 60 mit der Flügelzellenpumpe 10 fluidisch verbunden. Hierbei wird im Niederdruckmodus eine vergleichsweise große Menge Öl mit geringem Druck zum Kühlen beispielsweise eines Getriebes 73 gefördert.
In der in 8 gezeigten Fluidverbindung des Kühlkreislaufs mit der Flügelzellenpumpe 10 kann es beim Kaltstart des Fahrzeugs oder einer Verschmutzung des Wärmetauschers vorkommen, dass das zu fördernde Öl derart viskos ist, dass ein Fließwiderstand aufgebaut wird, der bewirkt, dass der Grenzdruck im Druckraum 38 überschritten wird. Dies bewirkt, dass der Verstellkäfig 32 aus der Grundendlage ausgelenkt wird. Hierdurch schält die Pumpe 10 in den Hochdruckmodus (Anforderung 2) mit niedrigem Fördervolumen in vorteilhafterweise um und baut somit einen ausreichend hohen Druck auf, um das Öl im Kühlkreislauf zu fördern. Sobald das Öl sich mit der Betriebsdauer des Fahrzeugs erwärmt, sinkt der Fließwiderstand. Dadurch wird der Grenzdruck im Druckraum 38 wieder unterschritten, sodass die Rückstellfedern 36 der Verstellkäfig 32 in die Grundendlage zurückbewegen und somit Öl im Niederdruckmodus (Anforderung 1) zum Kühlen des Getriebes 73 durch den Kühlkreislauf 69 gefördert wird.
Gemäß 9 ist durch Umschalten des Umschaltventils 56 der zweite Druckanschluss 62 zum Befüllen des Druckspeichers 64 mit der Flügelzellenpumpe 10 fluiddicht verbunden ist. Das Umschalten erfolgt dabei entweder in regelmäßigen eingestellten oder einstellbaren Zeitabständen. Andererseits kann dies auch erfolgen, wenn der Druck im Druckspeicher, gemessen mittels des Drucksensors 74, einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
Sodann wird der Druckspeicher 64 befüllt. Um einen Rückfluss des Öls aus dem Druckspeicher in die Flügelzellenüumpe 10 zu verhindern, ist hierbei ein Rückschlagventil 68 vorgesehen. Mit zunehmendem Füllstand des Druckspeichers 64 wird ein derart hoher Druckwiderstand auf den Durckauslass 48 ausgeübt, dass der Grenzdruck im Druckraum 38 überschritten wird. Dies deswegen, da der Grenzdruck bei ca. 2 bar liegt und der Druckspeicher 64 auf bis zu ca. 40 bar mit Öl befüllt wird. Ein Überschreiten des Grenzdrucks bewirkt, dass der Verstellkäfig 32 ausgelenkt wird. Hierdurch ändert sich die Pumpencharakteristik, sodass der Hochdruckmodus (Anorderung 2) eingenommen wird. Hierbei wird der Druckspeicher 64 mit hohem Druck aufgefüllt.
Die Steuereinrichtung 58 kann Druckwerte einerseits des Kühlmittelkreislaufs mittels eines Sensors 72 oder andererseits Druckwerte vor dem Druckspeicher mittels des Drucksensors 74 messen und in Reaktion auf die gemessenen Werte das Umschaltventil 56 umschalten. Ferner kann die Temperatur im der Ölwanne 70 mittels des Temperatursensors 76 abgegriffen werden und in Abhängigkeit von diesen Werten das Umschaltventil 56 umschalten.
Eine beispielhafte und besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich sodann wie folgt: Um das Getriebe 73 zu Kühlen und zu Schmieren, wird die Flügelzellenpumpe 10 mit dem Kühlkreislauf 69 durch Umschalten des Umschaltventil 56 verbunden und im Niederdruckmodus (Anforderung 1) betrieben. Hierzu wird die Pumpe 10 mit einem Pumpenvolumen von 2,857 ccm/U im Niederdruckmodus bei bis zu ca. 5 bar Pumpendruck mittels des Elektromotors 19 mit einer Drehzahl von 3500 U/min und einem Drehmoment von 0,227 Nm betrieben, um 10 L/min Fluid zu fördern. Dabei befindet sich der Verstellkäfig in der Grundendlage. Die Drehzahl von 3500 U/min entspricht dabei der Nenndrehzahl, in der der Elektromotor 19 seinen maximalen Wirkungsgrad und damit seine maximal verfügbare Antriebsleistung aufweist.
Um den Druckspeicher 64 zu befüllen, wird die Flügelzellenpumpe 10 zunächst mit diesem verbunden und nicht mehr mit dem Kühlkreislauf 69. Beim Befüllen des Druckspeichers 64 baut sich ein Gegendruck auf, der rasch den Grenzdruck von 5 bar überschreitet. Mit steigendem Pumpendruck wird der Verstellkäfig 32 sodann in die Auslenkendlage ausgelenkt. In der Auslenkendlage beträgt das Pumpenvolumen 0,571 ccm/U. Die Drehzahl ist dabei identisch wie im Niederdruckmodus und beträgt 3500 U/min. Das Drehmoment ist nahezu identisch wie im Niederdruckmodus und beträgt 0,364 Nm. In diesem Hochdruckmodus (Anforderung 2) werden 2 L/min Fluid gefördert. Dabei wird der Druckspeicher auf bis zu ca. 40 bar mit Öl befüllt.
Erfindungsgemäß kann die Flügelzellenpumpe 10 folglich bei einer Anforderung 1 (hoher Volumenstrom bei niedrigem Pumpendruck) und einer Anforderung 2 (niedriger Volumenstrom bei hohem Pumpendruck) betrieben werden. Hierbei muss der Arbeitspunkt des Elektromotors 19 nicht verändert werden. Stattdessen wird die Flügelzellenpumpe 10 sowohl bei Anforderung 1 als auch bei Anforderung 2 mit demselben Arbeitspunkt des Elektromotors 19 betrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203193 A1 [0006]

Claims

Verstellbare Flügelzellenpumpe (10), insbesondere Öldruckpumpe, mit einer Saugseite (19) und einer Druckseite (21), mit einem Gehäuse (12) und mit einem im Gehäuse (12) um eine Rotorachse (16) drehbar gelagerten, wenigstens einen in radialer Richtung beweglich gelagerten Flügel (22) führenden Rotor (18), wobei das Gehäuse (12) quer zur Rotorachse (16) einen Gehäuseboden (30) und einen Gehäusedeckel (26) umfasst, und wobei im Gehäuse (12) ein zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel angeordneter, den Rotor (18) samt Flügel (22) umgebender und quer zur Rotorachse (18) verstellbarer Verstellkäfig (32) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) und der Verstellkäfig (32) einen mit der Druckseite (21) fluidverbundenen Druckraum (38) begrenzen, wobei ein Rückstellelement (36) vorgesehen ist, das den Verstellkäfig (32) in eine Grundendlage drängt, und wobei der Verstellkäfig (32) beim Überschreiten einer Grenzbetriebsgröße im Druckraum (38) aus der Grundendlage ausgelenkt wird.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor von einem als Rotorantrieb (19) ausgebildeten Elektromotor angetrieben wird, wobei der Rotorantrieb (19) sowohl dann, wenn der Verstellkäfig (32) in der Grundendlage ist, als auch, wenn der Verstellkäfig (32) aus der Grundendlage ausgelenkt ist, im Nenndrehzahlbereich (a), insbesondere bei identischer Drehzahl, betrieben wird.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorantrieb (19) mit der Nenndrehzahl (b) betrieben wird, sodass der Rotorantrieb (19) den maximalen Wirkungsgrad aufweist.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkäfig (32) beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße entweder abrupt oder mit steigender Grenzbetriebsgröße kontinuierlich in eine Auslenkendlage ausgelenkt wird.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Rotorantriebs (19) in der Grundendlage und der Auslenkendlage identisch oder im Wesentlichen identisch sind.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen in der Grundendlage 1,5 bis 4 ccm/U, insbesondere 2,4 bis 3 ccm/U, beträgt und dass das Fördervolumen in der Auslenkendlage 0,2 bis 1,4 ccm/U, insbesondere 0,3 bis 0,7 ccm/U, beträgt und/oder dass das Fördervolumen in der Grundendlage 5 bis 20 L/min, insbesondere 8 bis 12 L/min, beträgt und dass das Fördervolumen in der Auslenkendlage 0,5 bis 4 L/min, insbesondere 1 bis 2,5 L/min, beträgt.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auslenkendlage einen Druck zwischen 30 und 60 bar, insbesondere zwischen 35 und 45 bar, auf einen Druckabnehmer (64, 69) aufbringbar ist.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (36) senkrecht zur Rotorachse verläuft und/oder dass das Rückstellelement (36) sich einerseits am Gehäuse (12) und anderseits am Verstellkäfig (32) abstützt.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) und der Verstellkäfig (32) den Druckraum (38) und einen gegenüberliegenden Rückstellelementraum (33) dichtend begrenzen.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einen mit der Druckseite (21) verbundenen Druckauslass (48) aufweist, wobei der Druckauslass (48) mit dem Druckraum (38) über eine Fluidleitung (41) fluidverbunden ist.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkäfig (32) in der Grundendlage an einem ersten gehäuseseitigen Anschlag (52) anliegt und dass der Verstellkäfig (32) in der Auslenkendlage an einem zweiten gehäuseseitigen, dem ersten Anschlag gegenüberliegenden Anschlag (54) anliegt.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkäfig (32) quaderförmig ausgebildet ist und/oder dass das Gehäuse (12) zweiteilig mit einem kastenförmigen Grundteil (13) und einem plattenförmigen Gehäusedeckel (26) ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzbetriebsgröße als Grenzdruck ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzdruck zwischen 1 und 7 bar, insbesondere zwischen 2 und 5,5 bar, liegt, und/oder dass die Auslenkendlage bei einem Druck von 0,5 bis 10 bar über dem Grenzdruck erreicht wird.
Flügelzellenpumpe (10) nach einem Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzbetriebsgröße als Grenztemperatur ausgebildet ist, wobei ein temperatursensitives Element derart vorgesehen ist, dass das Verstellkäfig (32) beim Überschreiten der Grenztemperatur entgegen der Rückstellkraft (F_R) des Rückstellelements (36) ausgelenkt wird.
System (80) umfassend eine Flügelzellenpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein der Druckseite (21) nachgeordnetes Umschaltventil (56) zur Fluidverbindung der Druckseite (21) mit einem ersten Druckanschluss (60) oder einem zweiten Druckanschluss (62), wobei der zweite Druckanschluss (62) mit einem Druckabnehmer (64) derart verbunden ist, dass bei Fluidverbindung der Druckseite (21) mit dem zweiten Druckanschluss (62) nach Überschreiten der Grenzbetriebsgröße der Verstellkäfig (32) im Druckraum aus der Grundendlage ausgelenkt wird.
System (80) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckabnehmer (69) ein Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher (66) ist, und/oder dass der zweite Druckabnehmer ein Druckspeicher (64) ist.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (80) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, umfassend die folgenden Schritte: 1. Umschalten des Umschaltventils (56), sodass die Druckseite (21) mit dem Druckspeicher (64) verbunden ist und der Druckspeicher (64) befüllt wird; 2. Auslenken des Verstellkäfigs (32) beim Überschreiten der Grenzbetriebsgröße und weiteres Befüllen des Druckspeichers (64); 3. Umschalten des Umschaltventils (56), sodass die Druckseite (21) mit dem Kühlkreislauf (69) verbunden ist, entweder nach einer eingestellten oder einstellbaren Zeit oder beim Überschreiten eines Grenzdrucks im oder vor dem Druckspeicher.