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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb, einen hydraulischen Motor, vorzugsweise zum Antreiben von Hilfsaggregaten, sowie eine hydraulisch angetriebene Pumpe, wie z.B. eine Kühlmittelpumpe.
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Der Begriff Antrieb wird in dieser Offenbarung als motorisch funktionale Baugruppe verstanden, die in einem universell einsetzbaren Motor oder direkt in einer anzutreibenden Vorrichtung, wie einem Hilfsaggregat für eine Verbrennungsmaschine, integriert werden kann, und sich in einer solchen Bauform ein Gehäuse und eine Antriebswelle gemeinsam mit dem Motor bzw. der Vorrichtung teilt.
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Aus dem Stand der Technik sind wenige hydraulisch angetriebene Hilfsaggregate wie Pumpen bekannt, die eine integrierte Bauform aufweisen, und auf eine niedrige hydraulische Leistungsklasse, wie z.B. bis zu einer Leistung von 1,5 kW ausgelegt sind. Diese Leistungsklasse eignet sich beispielsweise für Anwendungen im Thermomanagement oder einer Schmierölversorgung einer Verbrennungsmaschine im Fahrzeugbau.
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Die
DE 10 2007 004 187 A1 von derselben Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschreibt eine hydraulisch angetriebene Kühlmittelpumpe, die durch einen hydraulischen Antrieb mit zwei verzahnten Rotoren angetrieben wird. Aufgrund der doppelten Ausführung von Rotor, Welle, Lagerung und dergleichen, ist dieser Antriebstyp hinsichtlich des erforderlichen Bauraums und der Fertigungskosten mit Nachteilen behaftet.
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Ein weiteres Beispiel für eine Kühlmittelpumpe, die durch einen Hydraulikkreislauf angetrieben wird, ist in der
JP S63- 117 118 A beschrieben. In einer Ausführungsform der Pumpe ist der Hydraulikantrieb als Gerotor ausgestaltet, dessen innerer Rotor exzentrisch auf einer Pumpenwelle sitzt. Die Pumpenwelle ist in einem einreihigen Wälzlager und einem Gleitlager seitens eines Ölzulaufs gelagert. Der innere Rotor steht über einen Stift mit der Pumpenwelle in Verbindung. Das Kühlmedium wird durch eine Gleitringdichtung zurückgehalten, wobei zwischen dem einreihigen Wälzlager und der Gleitringdichtung eine Leckageabführbohrung vorgesehen ist. In Bezug auf den bekannten Hydraulikantrieb ist die vorgeschlagene Konstruktion mit einem erheblichen Fertigungsaufwand verbunden.
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Die Offenlegungsschrift
DE 35 33 380 A1 beschreibt eine gattungsferne Rotationskraftmaschine zur Umwandlung kinetischer Energie von Treibgasen in ein Drehmoment, wobei das gasförmige Medium, tangential auf eine stufenförmige Kontur eines Rotor wirkend, eingeleitet und durch schwenkbar gelagerte Klinken zum Rotor abgedichtet wird, um eine Expansion auf eine Triebwelle zu übertragen. Die Vorrichtung ist mithin als Dampfantrieb ausgelegt.
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Die
DE 28 11 313 A1 beschreibt einen hydraulischen Antrieb mit einem außenliegenden Stator und einen innenliegenden Nockenrotor. Der Stator besitzt eine zylindrische Kammer, in deren Mantelfläche Gleitschlitztaschen ausgebildet sind. In den Gleitschlitztaschen sind Sperrflügel gleitfähig gelagert und stehen mit dem Nockenrotor in Gleitkontakt. Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf und Austrittskanäle für den Hydraulikrücklauf sind in der Mantelfläche des Stator ausgebildet.
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Die
DE 2621385 A1 beschreibt einen Rotationsdruckerzeuger, der ebenfalls einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Nockenrotor aufweist. Der Stator besitzt ebenfalls eine zylindrische Kammer, in deren Mantelfläche Gleitschlitztaschen ausgebildet sind. In den Gleitschlitztaschen sind Sperrflügel gleitfähig gelagert und stehen mit dem Nockenrotor in Gleitkontakt.
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Die genannten Antriebstypen aus dem Stand der Technik eignen sich in nachteiliger Weise nicht zur Miniaturisierung für eine untere hydraulische Leistungsklasse und bieten Raum zur Verbesserung hinsichtlich einer Kostenoptimierung zur Fertigung hoher Stückzahlen.
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Demnach besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen alternativen hydraulischen Antrieb zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und sich zur Integration in Hilfsaggregate eignet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen dementsprechenden hydraulischen Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und eine dementsprechend hydraulisch angetriebene Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb zeichnet sich aus durch: einen außenliegenden Stator mit einer zylindrischen Kammer, in deren Mantelfläche Gleitschlitztaschen ausgebildet sind, sowie mit zwei stirnseitigen Kammerwänden; einen innenliegenden Nockenrotor, der über radiale Nocken mit der Mantelfläche des Stators in Gleitkontakt steht, und mit dem eine Welle drehend antreibbar ist, die durch eine Öffnung in wenigstens einer Kammerwand in die Kammer einführbar ist; Sperrflügel, die in den Gleitschlitztaschen gleitfähig bis zur Mantelfläche versenkbar sind und mit dem Nockenrotor in Gleitkontakt stehen; Druckkanäle für einen Hydraulikzulauf, die in radial äußere Endabschnitte der Gleitschlitztaschen münden; Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf, die in einer Drehrichtung des Motors jeweils hinter einem Gleitkontakt der Sperrflügel mit dem Nockenrotor in die Kammer münden; und Austrittskanäle für einen Hydraulikrücklauf, die in der Drehrichtung des Motors jeweils vor einem Gleitkontakt der Sperrflügel mit dem Nockenrotor in die Kammer münden. Entweder verlaufen die Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf durch die Sperrflügel und stellen eine Verbindung von den radial äußeren Endabschnitten der Gleitschlitztaschen zu einer Rückseite der Sperrflügel in der Drehrichtung des Motors her oder die Eintrittskanäle und die Druckkanäle für den Hydraulikzulauf verlaufen getrennt und eine Verbindung zwischen dem Hydraulikzulauf und den Eintrittskanälen wird durch ein Druckventil freigegeben, wenn ein Druck des Hydraulikzulaufs, dem zugleich die Druckkanäle unterliegen, einen vorbestimmten Betriebsdruck überschreitet.
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Der Aufbau des hydraulischen Antriebs umfasst eine verhältnismäßig geringe Gesamtanzahl an Einzelbauteilen und eine nochmals geringere Anzahl verschiedenartiger Komponenten. Somit schafft der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb in einer Serienfertigung Vorteile bezüglich der Fertigungskosten, Montagekosten sowie einer Integration in eine anzutreibende Vorrichtung.
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Ferner stellt der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb eine hohe Leistungsdichte für eine untere hydraulische Leistungsklasse bereit und ermöglicht eine Realisierung äußerst kleiner Abmessungen. Dieser Vorteil wird im Vergleich zu den konkurrierenden Antriebstypen in dieser Klasse, wie einem Gerotortyp oder einem Flügelzellentyp ersichtlich, die eine Vielzahl von umfänglich angeordneten Arbeitskammern in einer Rotorverzahnung oder zwischen Drehflügeln aufweisen.
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Darüber hinaus erfordert der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb als funktionale Baugruppe keine eigene Welle und Wellenlagerung zur Lagerung eines Antriebsrotors. Diese konstruktive Eigenschaft ermöglicht die Integration in anderen Vorrichtungen mit kompakter Bauform, in denen sich die Antriebseinheit eine Welle und Wellenlagerung einer bestehenden Baugruppe teilt, womit eine Koppelung einer separat gelagerten Motorwelle und einer separat gelagerten Antriebswelle entfallen kann.
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Erfindungsgemäß können die Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf durch die Sperrflügel verlaufen und eine Verbindung von den radial äußeren Endabschnitten der Gleitschlitztaschen zu einer Rückseite der Sperrflügel in der Drehrichtung des Motors herstellen. Bei diesem Aufbau können eine separate Kanalführung für die Eintrittskanäle seitens des Stators bzw. der Kammerwände sowie ein Druckventil zur Priorisierung einer Druckbeaufschlagung der Sperrflügel als Startbedingung, wie später erläutert wird, entfallen. Somit können die Anzahl der Bauteile und Fertigungsschritte zugunsten der Herstellungskosten weiter verringert werden.
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Alternativ können die Eintrittskanäle und die Druckkanäle für den Hydraulikzulauf getrennt verlaufen; und eine Verbindung zwischen dem Hydraulikzulauf und den Eintrittskanälen durch ein Druckventil freigegeben werden, wenn ein Druck des Hydraulikzulaufs, dem zugleich die Druckkanäle unterliegen, einen vorbestimmten Betriebsdruck überschreitet. Dieser Aufbau stellt eine Leistungsoptimierung dar, bei welcher der Strömungsquerschnitt der Eintrittskanäle, der mit einer maximalen Leistungsaufnahme des hydraulischen Antriebs im Verhältnis steht, aufgrund einer separaten Leitungsführung vom Hydraulikzulauf bis zur Einmündung in die Kammer des Stators frei wählbar eingestellt werden kann.
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Der erfindungsgemäße hydraulische Motor zeichnet sich dadurch aus, dass er neben dem hydraulischen Antrieb folgende Merkmale umfasst: ein Motorgehäuse, in dem der Stator des hydraulischen Antriebs und wenigstens ein Wellenlager zu einer axialen Seite des Stators angeordnet ist, und das einen Zulaufeinlass, einen Rücklaufauslass und einen Druckkanalverteiler aufnimmt; und eine Motorwelle, die von dem Nockenrotor des hydraulischen Antriebs drehend angetrieben wird.
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Die Ausführungsform des hydraulischen Motors verwirklicht den hydraulischen Antrieb in einer kompakten Einheit, die mit zwei Anschlüssen in einen Hydraulikkreislauf eingebunden werden kann und eine angetriebene Motorwelle für universelle Antriebsanwendungen bereitstellt.
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Die erfindungsgemäße hydraulisch angetriebene Pumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sie neben dem erfindungsgemäßen hydraulischen Antrieb die folgenden Merkmale umfasst: eine hydraulische Antriebsgruppe mit einem Zulaufeinlass, einem Rücklaufauslass, und einem Druckkanalverteiler; eine Pumpenbaugruppe mit einem Pumpenlaufrad, einer Pumpenkammer, die das Pumpenlaufrad umgibt, sowie einem Pumpeneinlass und einem Pumpenauslass, die mit der Pumpenkammer verbunden sind; ein Pumpengehäuse, in dem die Antriebsgruppe, die Pumpenbaugruppe und wenigstens ein Wellenlager axial aufgenommen sind; und eine Pumpenwelle, auf der das Pumpenlaufrad drehfest fixiert ist, und die von dem Nockenrotor des hydraulischen Antriebs drehend angetrieben wird.
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Die Ausführungsform der hydraulisch angetriebenen Pumpe erläutert eine beispielgebende Integration des hydraulischen Antriebs in einem Hilfsaggregat für eine Verbrennungsmaschine.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des hydraulischen Antriebs, die eine Vereinfachung, Optimierung oder Miniaturisierung des hydraulischen Antriebs begünstigen, sind Gegenstand der nachfolgenden abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle beiderseits eines Sperrflügels stirnseitig in die Kammer münden.
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Hierdurch wird ein kleinerer Durchmesser des hydraulischen Antriebs ohne umfangsseitige Kanalführungen erzielt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Eintrittskanäle durch eine Kammerwand verlaufen und die Austrittskanäle durch die gegenüberliegende Kammerwand verlaufen.
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Somit wird die gesamte axiale Länge des linienförmigen Gleitkontakts genutzt, der eine Abdichtung zwischen einem benachbarten Eintrittskanal und einem Austrittskanal herstellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Druckkanäle an einer axialen Seite in die radial äußeren Endabschnitte der Gleitschlitztaschen münden, auf der die Eintrittskanäle in die Kammer münden.
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Dadurch wird eine Vereinfachung erzielt, bei der die Eintrittskanäle und die Druckkanäle durch ein stirnseitig angeordnetes Bauteil zum Stator bereitgestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Nockenrotor Erhebungen umfassen, die jeweils zwischen zwei Nocken angeordnet sind und eine geringere radiale Erstreckung als die Nocken aufweisen.
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Durch die Erhebungen wird ein gleichmäßigerer Volumenstrom während der Befüllung am Nockenrotor erzielt und ein Pulsieren des resultierenden Drehmoments verringert, wie in der ausführlichen Beschreibung nachstehenden erläutert ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Stator drei Gleitschlitztaschen für die Sperrflügel umfassen, und der Nockenrotor vier Nocken aufweisen.
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Dieses Verhältnis stellt eine Optimierung im Hinblick auf die Erzielung einer Miniaturisierung des hydraulischen Antriebs sowie die Herstellungskosten dar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kammerwände an den Stirnflächen, die dem Nockenrotor zugewandt sind, eine mit regelmäßigem Muster oder unregelmäßig eingebrachte Oberflächenstruktur mit einer Tiefe von vorzugsweise 1 bis 2 µm aufweisen.
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Durch das Einbringen einer Mikrostruktur in die Oberfläche der Kammerwände mittels Lasereinstrahlung oder elektro-chemischer Behandlung, werden die tribometrischen Eigenschaften und somit die Effizienz verbessert. Die Mikrostrukturierung bewirkt eine verbesserte Anlagerung der langkettigen Ölmoleküle an der Materialoberfläche und sorgt für eine bessere Anhaftung eines verbleibenden Schmierfilms zwischen den Gleitflächen unter Druckspitzen, wie sie beispielsweise verstärkt unter einwirkenden Querkräften auf den Nockenrotor partiell entstehen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zwischen dem Nockenrotor des hydraulischen Antriebs und der Motorwelle oder der Pumpenwelle eine formschlüssige Drehmomentübertragung mit Radialspiel bereitgestellt sein.
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Somit können die Pumpenwelle und der Nockenrotor gegenseitig von Querkräften entkoppelt werden. Demzufolge kann ein kleineres Wellenlager verwendet und Kosten eingespart werden. Andererseits werden der Verschleiß und die Reibungsverluste an dem Gleitkontakt zwischen den Nocken und der Mantelfläche, an denen ein eng eingestelltes Spiel vorliegt, minimiert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die formschlüssige Drehmomentübertragung mit Radialspiel durch eine toleranzbehaftete Passung mit einer radialen Kontur bereitgestellt sein, die drei abgeflachte Flächen und dazwischenliegenden Rundungen umfasst.
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Die Abflachung von drei Flächen kann in einfacher Weise am Wellenumfang vorgenommen werden, wobei dazwischen liegende Rundungsabschnitte dem verbliebenen Wellenumfang entsprechen. Darüber hinaus bietet diese Passungskontur eine größtmögliche verbleibende radiale Wandstärke des Nockenrotors. Dieser Aspekt begünstigt wiederum eine Miniaturisierung des hydraulischen Antriebs.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Zulaufeinlass oder der Rücklaufauslass den Hydraulikzulauf bzw. den Hydraulikrücklauf durch Wälzkörper des wenigstens einen Wellenlagers führen.
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Somit wird eine aktive Schmierung der Wellenlagerung durch das Hydrauliköl hergestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in dem Motorgehäuse bzw. in einem antriebsseitigen Abschnitt des Pumpengehäuses eine Presspassung für das Wellenlager, den Stator und ein Element, in dem der Druckkanalverteiler ausgebildet ist, bereitgestellt sein.
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Durch Verwendung eines zylindrischen Motorgehäuses ist somit bemerkenswerter Weise der gesamte Aufbau ohne Schrauben oder sonstige Schraubverbindungen umsetzbar. Dadurch werden der Montageaufwand bzw. die Fertigungskosten verringert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Pumpe ein einziges Wellenlager aufweisen, das zwei Wälzkörperreihen umfasst und zwischen der Antriebsgruppe und der Pumpenbaugruppe im Pumpengehäuse angeordnet ist.
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Durch diese Variante wird im Sinne der gewünschten kompakten Bauform der Pumpe eine Lagerung der Pumpenwelle in einem einzigen axialen Abschnitt ermöglicht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Pumpenbaugruppe als Radialpumpe mit einem radial beschleunigenden Pumpenlaufrad, einem Spiralgehäuseabschnitt, einem zentral gerichteten Pumpeneinlass und einem tangential gerichteten Pumpenauslass ausgestaltet sein.
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Eine Radialpumpe, die bevorzugt als Kühlmittelpumpe verwendet wird, stellt eine wesentliche Verwendungsform dar, die von den Vorzügen der Erfindung profitiert, und als handelsfähige Einheit mithin schutzbedürftig ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht auf den geöffnet vorliegenden hydraulischen Antrieb einer ersten Ausführungsform, der einer Schnittebene A aus 3 entnommen ist;
- 2 eine Querschnittsansicht auf die Stirnseite einer Kammerwand und eines Ventiltellers der ersten Ausführungsform des hydraulischen Antriebs, der einer Schnittebene B aus 3 entnommen ist;
- 3 eine Längsschnittansicht einer Pumpe mit dem hydraulischen Antrieb der ersten Ausführungsform, die einer Schnittebene C aus den 1 und 2 entnommen ist.
- 4 eine Längsschnittansicht durch eine Pumpe mit dem hydraulischen Antrieb der ersten Ausführungsform und einer alternativen Wellenlagerung und Einlassführung;
- 5 eine Längsschnittansicht durch eine Pumpe mit einer zweiten Ausführungsform des hydraulischen Antriebs;
- 6 eine Querschnittansicht durch die zweite Ausführungsform des hydraulischen Antriebs, die der Schnittebene C aus 5 entnommen ist.
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Nachstehend wird die Erfindung mit Fokus auf den hydraulischen Antrieb als funktionale Baugruppe in Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, wird der hydraulische Antrieb maßgeblich durch einen ringförmigen Stator 1, der eine zylindrische Kammer 10 umfasst, sowie einen Nockenrotor 2, der in diese Kammer 10 eingesetzt ist, gebildet. Der Nockenrotor 2 weist eine Nockenkontur mit vier Nocken 21 auf, welche die Bereiche mit dem größten radialen Durchmesser darstellen, und die an dem äußeren Scheitelpunkt der Nockenkontur in Gleitkontakt mit einer inneren Mantelfläche 11 der Kammer 10 stehen, so dass der Nockenrotor 2 in der zylindrischen Kammer 10 des Stators 1 drehbar geführt ist. Mit dem Nockenrotor 2 steht eine Welle 20 in Eingriff, wie später beschrieben wird.
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In dem Ringkörper des Stators 1 sind ferner drei radial ausgerichtete Gleitschlitztaschen 13 ausgebildet, welche in die Mantelfläche 11 münden und in einem radial äußeren Endabschnitt in dem Stator 1 enden. In jeder der drei Gleitschlitztaschen 13 ist ein Sperrflügel 30 eingesetzt. Die axiale Abmessung der Sperrflügel 30 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Gleitschlitztaschen 13 bzw. des Stators 1 und des Nockenrotors 2. Die radiale Abmessung der Sperrflügel 30 beträgt höchstens diejenigen der Gleitschlitztaschen 13, so dass die Sperrflügel 30 in Bezug zu der Mantelfläche 11 vollständig in den Gleitschlitztaschen 13 versenkbar sind. Die Abmessung der Sperrflügel 30 in Umfangsrichtung des Stators 1 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Gleitschlitztaschen 13, so dass die Sperrflügel 30 gleitfähig und zugleich abdichtend in radialer Richtung verschieblich gelagert sind.
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Zu den axialen Enden der Kammer 10 bzw. des Nockenrotors 2 ist der Stator 1 durch zwei Kammerwände 12a und 12b stirnseitig abgeschlossen. Eine Kammerwand 12a weist eine zentrale Öffnung auf, durch welche sich die angetriebene Welle 20 zum Eingriff mit dem Nockenrotor 2 in die Kammer 10 erstreckt, wie in 3 gezeigt ist.
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Der hydraulische Antrieb wird zum Betrieb in einem Hydraulikkreislauf an einen Hydraulikzulauf und einen Hydraulikrücklauf angeschlossen. Die Sperrflügel 30 werden durch Druckkanäle 3, die mit dem Hydraulikzulauf in Verbindung stehen und in die radial äußeren Endbereiche der Gleitschlitztaschen 13 münden, hydraulisch beaufschlagt. Dadurch werden die Sperrflügel 30 einwärts gegen die Nockenkontur des Nockenrotors 2 gedrängt. Durch einen Anpressdruck des Sperrflügels 30 an der Nockenkontur des Nockenrotors 2 wird sowohl im Stillstand als auch während der Umlaufbewegung des Nockenrotors 2 im Betrieb, an einem linienförmigen Kontakt eine Abdichtung zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des Sperrflügels 30 in Drehrichtung bewirkt.
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Auf einer Seite der Sperrflügel 30, welche zu der in 1 eingezeichneten Drehrichtung des Nockenrotors 2 die Rückseite der Sperrflügel 30 darstellt, sind in der Kammerwand 12a, die in 2 abgebildet ist, drei Eintrittskanäle 4 ausgebildet, die über ein Druckventil 6 bzw. ein Rückschlagventil ebenfalls mit dem Hydraulikzulauf verbunden sind. Auf der anderen Seite der Sperrflügel 30, die in Drehrichtung des Nockenrotors 2 die Vorderseite der Sperrflügel 30 darstellt, sind in der gegenüberliegenden Kammerwand 12b drei Austrittskanäle 5 ausgebildet, die mit dem zuvor genannten Hydraulikrücklauf verbunden sind.
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Der Nockenrotor 2 wird in eine Drehbewegung versetzt, wenn ein Hydraulikmedium des Hydraulikzulaufs durch einen der Eintrittskanäle 4, der in einer beliebigen Ruhestellung des Nockenrotors 2 nicht durch eine Nocke 21 verdeckt wird, in einen Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitt 31 gelangt. In zeitlicher Abhängigkeit eines Drehwinkels des Nockenrotors 2 werden die Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitte 31 zeitweise zwischen einer Nocke 21 und einer Rückseite eines Sperrflügels 30 gebildet.
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Während einer Befüllung durch den zugeordneten Eintrittskanal 4, bewirkt der Verdrängungsvorschub leistende Kammerabschnitt 31, anhand des zunehmenden Volumens unter dem hydrostatischen Betriebsdruck des Hydraulikzulaufs, zwischen einer Gleitabdichtung der entsprechenden Nocke 21 zur Mantelfläche 11 und einer Gleitabdichtung des entsprechenden Sperrflügels 30 zur Nockenkontur, eine Antriebskraft auf den Nockenrotor 2 in der angezeigten Drehrichtung. Das maximale Volumen des Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitts 31 ist erreicht, wenn die in Drehrichtung nachlaufende Nocke 21 nach einem Versenken des betreffenden Sperrflügels 30 die dahinter wirksame Eintrittsöffnung 4 passiert und abdeckt.
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In umlaufender Betrachtung wird das maximal befüllte Volumen zwischen zwei Nocken 21 in der Kammer 10 anschließend zu einem Verdrängungsausschub leistenden Kammerabschnitt 32, sobald die in Drehrichtung voranlaufende Nocke 21 den nächsten Sperrflügel 30 passiert und eine Verbindung zu der davor liegenden Austrittsöffnung 5 wirksam wird. Unter der fortschreitenden Drehbewegung des Nockenrotors 2 wird die Befüllung des Verdrängungsausschub leistenden Kammerabschnitts 32 durch das abnehmende Volumen zwischen der nachlaufenden Nocke 21 und dem passierten Sperrflügel 30, der aus der Gleitschlitztasche 13 auftaucht, aus dem zugeordneten Austrittskanal 5 ausgeschoben.
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Anschließend beginnt der Zyklus zwischen den beiden betrachteten Nocken 21 erneut, indem während der Dauer einer Befüllung hinter dem aufgetauchten Sperrflügel 30 unter dem zulaufseitigen Druck wieder eine Wirkungsweise als Verdrängungsvorschub leistender Kammerabschnitt 31 eintritt.
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Um einen drehwinkelabhängigen Volumenverlauf des Befüllungsvorgangs durch den Eintrittskanal 4 möglichst konstant zu halten, und somit ein Pulsieren des Antriebsdrehmoments am Nockenrotor 2 zu verringern, weist die Nockenkontur 21 zwischen den Nocken 21 eine leichte Erhebung 22 auf. Die Erhebung 22 erzeugt über einen möglichst breiten Drehwinkel eine konstantere radiale Querschnittsfläche des Befüllungsvolumens zwischen zwei Nocken 21, d.h. eine konstantere Rate des antriebswirksamen Hydraulikstroms durch die Eintrittskanäle 4, und folglich einen Ausgleich im drehwinkelabhängigen Drehmomentverlauf.
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Zwischen dem Hydraulikzulauf und den Eintrittskanälen 4 ist ein Druckventil 6 bzw. Rückschlagventil mit einem vorgespannten Ventilteller 60 und einer Ventilkammer 16 angeordnet. Wenn ein Druck des Hydraulikzulaufs einen an dem Druckventil 6 eingestellten Betriebsdruck überschreitet, öffnet der Ventilteller 60 einen Durchlass in die Ventilkammer 16, die eine Verbindung zu den Eintrittskanälen 4 herstellt.
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Demgegenüber sind die Druckkanäle 3 ohne ein Ventil direkt mit dem Hydraulikzulauf verbunden. Somit stellen die Druckkanäle 3 einen hydrostatischen Druck des Hydraulikmediums in den Gleitschlitztaschen 13 her, der die Sperrflügel 30 abdichtend gegen die Nockenkontur des Nockenrotors 2 drängt.
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Durch die Aufteilung des Hydraulikzulaufs, bei welcher der antriebswirksame Hydraulikstrom durch das Druckventil 6 zu den Eintrittskanälen 4 geleitet wird, und der im Wesentlichen strömungslose hydrostatische Druck in direkter Verbindung an den Druckkanälen 3 bereitgestellt ist, wird eine Startbedingung des hydraulischen Antriebs sichergestellt.
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In zeitlicher Betrachtung eines Druckaufbaus des Hydraulikzulaufs bei einer Inbetriebnahme, werden unterhalb des eingestellten Betriebsdrucks zunächst die Sperrflügel 30 gegen die Nockenkontur des Nockenrotors 2 abdichten beaufschlagt. Dabei bleibt der hydraulische Antrieb in Ruhestellung bis der Betriebsdruck erreicht wird. Danach drängt der Hydraulikzulauf den Ventilteller 60 des Druckventils 6 zurück und ein antriebswirksamer Hydraulikstrom tritt durch die Ventilkammer 16 und die Eintrittskanäle 4, wie obenstehend beschrieben, in die Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitte 31 der Kammer 10 ein. Zu diesem Zeitpunkt ist sichergestellt, dass der hydrostatische Druck, der die Sperrflügel zur Abdichtung der Kammerabschnitte 31 und 32 beaufschlagt, zumindest den vorbestimmten Betriebsdruck eingenommen hat, und sich eine expandierende Antriebswirkung der Befüllung zwischen den Gleitabdichtungen entfalten kann.
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Das Zahlenverhältnis einer über den Kammerumfang gleichmäßig verteilten Anordnung von Nocken 21 und Sperrflügeln 30 ist bevorzug derart gewählt, dass eine Anzahl von Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitten 31 und ggf. eines kurzzeitig maximal befüllt umlaufenden Volumens zwischen zwei Nocken 21, während der Umlaufbewegung stets größer als eine Anzahl der Verdrängungsausschub leistenden Kammerabschnitte 32 ist. Mit zunehmender Anzahl der Abschnitte kann ein Pulsieren der Antriebskraft verringert werden, wohingegen die Fertigungskosten zunehmen.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs als universell einsetzbarer Hydraulikmotor beschrieben. Diese nicht dargestellt Ausführungsform kann anhand der Antriebsbaugruppe 7 der anschließend beschriebenen hydraulisch angetriebenen Pumpe aus 3 beispielgebend nachvollzogen werden.
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In dem hydraulischen Motor ist der zuvor beschriebene hydraulische Antrieb durch eine Motorwelle und eine beliebige Wellenlagerung ergänzt, die in axialer Anordnung zu dem hydraulischen Antrieb in einem Motorgehäuse aufgenommen sind. Der hydraulische Motor umfasst ferner gehäuseseitige Anschlüsse für einen Hydraulikzulauf und einen Hydraulikrücklauf, um den hydraulischen Motor an einen Hydraulikkreislauf anzuschließen. Hierzu sind in dem Motorgehäuse einerseits ein Zulaufeinlass 74 und ein Druckkanalverteiler 73 angeordnet, die eine anschlussseitige Verbindung zum Druckventil 6 einerseits und zu den Druckkanälen 3 andererseits am Stator 1 herstellen. Ferner ist in dem Motorgehäuse ein Rücklaufauslass 75 angeordnet, der eine anschlussseitige Verbindung zu den Austrittskanälen 5 aus dem Stator 1 herstellt. Wie in 3 dargestellt ist, kann eine Kanalführung des Rücklaufauslasses 75 durch die Wälzkörper der Wellenlagerung 72 verlaufen, um eine aktive Schmierung des Wellenlagers 72 durch das Hydraulikmedium bereitzustellen.
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Zwischen dem Nockenrotor 2 und der Pumpenwelle 20 ist eine kraftschlüssige Verbindung bereitgestellt, die eine formschlüssige, mit Radialspiel behaftete Drehmomentmitnahme ermöglicht. In der dargestellten Ausführungsform wird die kraftschlüssige Verbindung mit Radialspiel durch einen Dreiflach mit entsprechenden Toleranzen in einer Passung zwischen der Pumpenwelle 20 und dem Nockenrotor 2 umgesetzt. Anderenfalls kann eine Verzahnung als kraftschlüssige Kontur gewählt werden, die unter Einhaltung eines Radialspiels, eine gewünschte Entkoppelung von Querkräften der Pumpenwelle 20 auf den Nockenrotor 2 ermöglicht.
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Die Wellenlagerung 72 weist in der Regel eine zylindrische äußere Mantelfläche auf. Der Stator 1 des hydraulischen Antriebs weist ebenso wie die Kammerwände 12a und 12b eine zylindrische äußere Mantelfläche auf. Ein dargestelltes Bauteil zur Ausbildung des Zulaufeinlasses 74 und des Druckkanalverteilers 73 ist ebenfalls mit einer zylindrischen äußeren Mantelfläche ausgestaltet. Durch Verwendung eines zylindrischen Motorgehäuses wird somit der gesamte Aufbau des hydraulischen Motors durch Presspassungen und ggf. eine Schweißverbindung, d.h. insbesondere ohne Schrauben oder sonstige Schraubverbindungen realisiert, was auf die konzentrische Gestalt des hydraulischen Antriebs zurückzuführen ist.
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Es versteht sich, dass der universelle hydraulische Motor nicht dargestellten Modifizierungen bezüglich des Motorgehäuses und der Motorwelle unterzogen werden kann. Beispielsweise kann der Aufbau des hydraulischen Motors anwendungsspezifisch dahingehend geändert werden, dass sich die Motorwelle durch beide Kammerwände 12a und 12b erstreckt und eine Lagerung des Motorrotors beidseitig des Stators 1 bereitgestellt ist. Bei derartigen Varianten ist gegenüber der beispielgebend ausgeführten Konstruktion eine Anpassungen der Kanalführungen ohne eine konzentrische Anordnung des Druckventils 6 in einem ansonsten gleichbleibenden funktionalen Aufbau erforderlich.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform einer hydraulisch angetriebenen Pumpe mit Bezug auf 3 erklärt.
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Die hydraulisch betriebene Pumpe, die eine beispielgebende Ausführungsform zur Integration des erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs in einem Hilfsaggregat erläutert, besteht im Wesentlichen aus einer Antriebsbaugruppe 7 und einer Pumpenbaugruppe 8. Die Antriebsbaugruppe 7 der Pumpe entspricht dabei dem zuvor beschriebenen hydraulischen Motor. Dabei wird das Motorgehäuse durch ein antriebsseitiges Pumpengehäuse 70 gebildet.
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Die hydraulisch angetriebene Pumpe weist eine Pumpenwelle 20 auf, die sich von der Antriebsbaugruppe 7 zu der Pumpenbaugruppe 8 erstreckt, um ein Pumpenlaufrad 82 anzutreiben. Die Wellenlagerung wird durch ein Wasserpumpenlager bereitgestellt, das charakteristischer Weise zwei Wälzlagerreihen aufweist. Wie zuvor beschrieben, verläuft eine Führung des Rücklaufauslasses 75 durch die Wälzkörper des Wellenlagers 72. An einem axialen Ende der Antriebsbaugruppen 7, die zu der Pumpenbaugruppe 8 weist, ist gehäuseseitig eine Wellendichtung 78 vorgesehen.
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Die Pumpenbaugruppe 8 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Radialpumpentyp, der zur Verwendung als Kühlmittelpumpe bevorzugt wird. Das Pumpengehäuse 80 bildet einen zentralen Einlass 84 aus, der das Pumpenlaufrad 82 axial anströmt. Das Pumpenlaufrad 82 weist eine radial wirkende Flügelanordnung auf, die ein anströmendes Fördermedium ansaugt und radial in einen Spiralgehäuseabschnitt 83 des Pumpengehäuses 80 beschleunigt. Anschließend verlässt das Fördermedium den Spiralgehäuseabschnitt 83 durch einen tangential austretenden Pumpenauslass 85.
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In einer alternativen Ausführungsform der Pumpe, die in 4 dargestellt ist und ebenso auf die Ausgestaltung eines dementsprechenden Gehäuses eines universellen hydraulischen Motors anwendbar ist, verläuft die Welle 20 durch den Nockenrotor 2 sowie beide Kammerwände 12a und 12b hindurch und ist beiderseits des Stators 1 gelagert. Hierzu sind in dem Gehäuse 70 axial zu dem Stator 1 einerseits ein Kugellager 72a und andererseits ein Nadellager 72b aufgenommen. Um eine axiale Gesamtabmessung durch die Aufnahme des Nadellagers 72b als zweites Wellenlager 72 nicht zu vergrößern, sind der Zulaufeinlasses 74 und das Druckventil 6 nicht zentral, sondern in einer radialen Richtung im Gehäuse 70 aufgenommen. Die Ventilkammer 16 ist nach dem Druckventil 16 als Ringkammer zu den Eintrittskanälen ausgebildet.
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Nachstehend wird mit Bezug auf die 5 und 6 eine zweite Ausführungsform des hydraulischen Antriebs erläutert, die ebenfalls als integrierte Baugruppe in einer Pumpe dargestellt ist.
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Die zweite Ausführungsform des hydraulischen Antriebs unterscheidet sich von der ersten Ausführung im Wesentlichen darin, dass die Eintrittskanäle nicht separat geführt durch die Kammerwand 12a in die Kammer 10 des Stators 1 münden, sondern von den radial äußeren Endabschnitten der Gleitschlitztaschen 13 durch die Sperrflügel 30 verlaufen und an der Rückseite derselben in die Kammer 10 münden.
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Dadurch verlaufen ab dem Hydraulikzulauf die Eintrittskanäle 4 und die Druckkanäle 3 nicht parallel bzw. separat, sondern die Eintrittskanäle 4 schließen sich stromabwärts hinter den Druckkanälen 3 und den Gleitschlitztaschen 13 in Reihe an. Die Bohrungen der Eintrittskanäle 4 in den Sperrflügeln 30 beschränken einen Strömungsquerschnitt gegenüber demjenigen der Gleitschlitztaschen 13 in der radialen Gleitrichtung der Sperrflügel 30. Durch den hydraulischen Widerstand der Querschnittsbegrenzung wird zeitgleich zu den Kammerbefüllungen eine Beaufschlagung der Sperrflügel 30 gegen den Nockenrotor 2 bewirkt, sodass neben der Kanalführung für die Eintrittskanäle 4 durch die Kammerwand 12a auch das Druckventil 6 und die Ventilkammer 16 entfällt.
