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Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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In Kraftfahrzeugen mit Automatikgetrieben wird ein Hydrauliksystem zur Ölversorgung benötigt, welches das Betriebsmedium unter höherem Druck für das Betätigen der Schaltelemente (Bremsen und Kupplungen) und unter niedrigerem Druck zur Kühlung und Schmierung des Getriebes bereitstellt. Das Betriebsmedium eines Automatikgetriebes ist üblicherweise Getriebeöl. Eine Ölversorgung mit einem höheren Druck wird nachfolgend als Hochdruck und eine Ölversorgung mit niedrigerem Druck als Niederdruck bezeichnet. Typischerweise wird für die Aktuierung der Schaltelemente ein höherer Druck bei geringem Volumenstrom (außerhalb Schaltungen) benötigt und ein hoher Volumenstrom bei geringem Druck für die Kühlung und Schmierung. Im Zusammenhang mit einem Automatikgetriebe versteht man unter Hochdruck beispielsweise einen Druckbereich bis ca. 30 bar und unter Niederdruck beispielsweise einen Druck zwischen 2 und 3 bar, in besonderen Fällen auch bis 8 bar.
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Konventionelle Hydrauliksysteme weisen nur eine einzige Getriebepumpe auf, welche nachfolgend allgemein als Fördereinheit bezeichnet wird. Eine Fördereinheit kann sowohl als Verdrängerpumpe (hydrostatisch) als auch als Strömungsmaschine (hydrodynamisch) ausgebildet sein. Die Getriebepumpe konventioneller Hydrauliksysteme ist üblicherweise als Verdrängerpumpe ausgebildet und hat meist ein festes Verdrängungsvolumen (z.B. Zahnradpumpe). Bei der Ausgestaltung eines Hydrauliksystems mit nur einer einzigen Fördereinheit muss die gesamte Fördermenge auf den Hochdruck gebracht und in statischen Situationen über eine Ventileinrichtung auf Niederdruck abgesenkt werden, um den Kühl- und Schmierölkreis zu versorgen. Dabei geht die im Öl gespeicherte Leistung - das Produkt aus Volumenstrom und Druck - verloren. Unter statischen Betriebszuständen werden die Betriebszustände außerhalb einer Schaltung bezeichnet. Als Auslegungspunkt für das Verdrängungsvolumen der Pumpe wird üblicherweise der Volumenstrombedarf bei kritischen Schaltungen (z.B. getippten Schaltungen, Befüllen einer Kupplung bei Leerlaufdrehzahl, etc.) herangezogen. Pumpen mit festem, unveränderlichem Verdrängungsvolumen werden auch als Konstantpumpen bezeichnet. Die Gesamtfördermenge der Pumpe verhält sich ohne Berücksichtigung volumetrischer proportional zur Pumpendrehzahl. Ein Hydrauliksystem mit nur einer Fördereinheit wird auch als Einkreissystem bezeichnet.
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Um den Wirkungsgrad eines solchen Hydrauliksystems mit einer einkreisigen Konstantpumpe zu verbessern, wird für jedes Druckniveau ein Druckkreis mit jeweils einer eigenen Fördereinheit vorgesehen. So wird beispielsweise die Getriebepumpe als doppelhubige Flügelzellenpumpe ausgeführt, welche zwei unabhängige Fördereinheiten aufweist. Hierbei kann der zu erzeugende Druck der zweiten Flut außerhalb der Schaltungen auf das Druckniveau des Niederdrucks abgesenkt werden, um das Pumpenaufnahmemoment zu reduzieren.
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Solche Zweikreissysteme, wie beispielsweise aus der
DE 10041386 A1 bekannt, sind heute Stand der Technik. Der Nachteil dieses Hydrauliksystems ist, dass sich die Volumenströme der beiden parallel geschalteten Fördereinheiten addieren und in statischen Betriebszuständen zu viel Öl liefern. Unter einem statischen Betriebszustand ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass eine Übersetzungsstufe eingelegt ist und keine Gangschaltung erfolgt. Dies ist insbesondere bei konstanter Geschwindigkeit und konstantem Fahrwiderstand der Fall.
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Die Gesamtfördermenge der Pumpe verhält sich proportional zur Drehzahl. In statischen Betriebszuständen wird der Gesamtölbedarf des Getriebes auch bei geringen Motordrehzahlen abgedeckt (die Pumpengröße wird vom Ölbedarf bei Schaltungen bestimmt). Dadurch fördert die Pumpe zu viel Öl, welches nicht benötigt wird.
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Für dynamische Vorgänge (z.B. Schaltungen) kann der Niederdruckkreis auf das Hochdruckniveau angehoben werden, um den Hochdruckkreis zu unterstützen (Gesamtfördervolumen der Pumpe benötigt). Sobald der Hochdruckkreis den Soll-Druck erreicht hat wird der Druck im Niederdruckkreis wieder auf das niedrigere Niveau abgesenkt, wie aus der
DE 10041386 A1 bekannt. Die proportionale Abhängigkeit der Gesamtfördermenge von der Pumpendrehzahl ist nach wie vor gegeben.
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Die Größen der Verdrängungsvolumina der beiden Fördereinheiten einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe, auch als Fluten bezeichnet, kann bei Zweikreissystemen auch unsymmetrisch ausgeführt werden (z.B. Hochdruck 30% / Niederdruck 70%), da der Öl-Bedarf im Hochdruckkreis (in statischen Zuständen) gering ist und somit das Pumpenaufnahmemoment nochmal reduziert werden kann. Eine solche asymmetrische Aufteilung einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 025 764 A1 bekannt. Diese weist zwei Verdrängungsbereiche auf, innerhalb welcher das Betriebsmedium angesaugt und verdrängt wird. Somit ist sind diese Verdrängungsbereiche wie zwei Pumpen wirksam, d.h. diese können mit voneinander unabhängigen Drücken das Betriebsmedium fördern.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2012 113 102 ein Pumpensystem bekannt, welches eine Nieder- und eine Hochdruckpumpe beinhaltet, wobei die Hochdruckpumpe mit dem bereits auf Niederdruck angehobenen Öl gespeist wird und somit die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite der Hochdruckpumpe und damit die benötigte Leistung (Produkt aus Druckdifferenz und Volumenstrom) reduziert werden kann. Die beiden Fördereinheiten sind damit permanent in Reihe geschaltet, woraus sich folgender Nachteil ergibt: Dadurch, dass die Niederdruckpumpe den Hochdruckkreis nicht unterstützen kann, muss die Hochdruckpumpe so groß ausgeführt sein um hohen Volumenstrom für Schaltungen bereit zu stellen. Die Niederdruckpumpe muss mindestens das gleiche Fördervolumen wie die Hochdruckpumpe besitzen, da es sonst in der Hochdruckpumpe zu einer Unterversorgung kommt, dadurch müssen beide Pumpen überdimensioniert werden, weil eine Parallelschaltung sonst nicht möglich ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Hydrauliksystem mit mindestens zwei Druckkreisen und jeweils einer Fördereinheit mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demnach umfasst ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe mindestens zwei Fördereinheiten und mehrere Ventileinrichtungen, wobei mittels mindestens einer Ventileinrichtung das Hydrauliksystem in mindestens einen Hochdruckkreis und einen Niederdruckkreis aufteilbar ist. Hierbei ist die erste Fördereinheit dem Hochdruckkreis als Hochdruckpumpe und die zweite Fördereinheit dem Niederdruckkreis als Niederdruckpumpe zu deren jeweiliger Versorgung zugeordnet.
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Die Begriffe Hochdruckpumpe und Niederdruckpumpe sind in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass diese das Betriebsmedium fördern und einen Druck erzeugen. Es sind nicht zwangsläufig separate Pumpen darunter zu verstehen, sondern diese Pumpen können auch mehrere autarke Fördereinheiten sein, die in einer einzigen Pumpe ausgebildet sind, wie beispielsweise die Verdrängungsbereiche in einer mehrhubigen Flügelzellenpumpe oder die Zylinder in einer Kolbenpumpe. Unter der Saugseite einer Pumpe ist nachfolgend der Bereich zu verstehen, welcher sich vor dem Einlass der Pumpe befindet, d.h. auf der Seite der Pumpe welche dem Ölsumpfzugewandt ist. Die Saugseite der Hochdruckpumpe wird zur Vermeidung von Missverständnissen nachfolgend als Hochdruck-Saugseite und die Saugseite der Niederdruckpumpe als Niederdruck-Saugseite bezeichnet.
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Die Ventileinrichtungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass ein im Niederdruckkreis herrschender Niederdruck und ein im Hochdruckkreis herrschender Hochdruck auf ungleiche Werte einstellbar sind.
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Erfindungsgemäß ist zwischen einer Niederdruck-Saugseite und einer Hochdruck-Saugseite eine weitere Ventileinrichtung angeordnet. Die Ventileinrichtungen sind so angeordnet und ausgebildet, dass ab einem bestimmten Volumenstrom oder Druck von mindestens einer der beiden Fördereinheiten der Niederdruckkreis mit der Hochdruck-Saugseite verbunden ist, so dass zumindest ein Teilvolumenstrom des Betriebsmediums aus dem Niederdruckkreis zur Hochdruck-Saugseite geleitet und damit die Hochdruckpumpe aufgeladen wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bevorzugt wird die Hochdruck-Saugseite ab einem bestimmten Volumenstrom oder Druck von mindestens einer der beiden Fördereinheiten ausschließlich aus dem Niederdruckkreis mit dem Betriebsmedium versorgt, indem eine Verbindung von der Hochdruck-Saugseite zum Ölsumpf mittels der weiteren Ventileinrichtung unterbrochen bzw. verschlossen wird. Hierdurch sind ein größtmöglicher Aufladungseffekt und damit ein möglichst hoher Druck auf der Hochdruck-Saugseite gegeben.
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Es ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass beide Fördereinheiten mit einem Hochdruckventil verbunden sind, welches als Druckregelventil ausgebildet ist, wobei der Niederdruckkreis durch das Hochdruckventil mit der Kühlung und/oder Schmierung und der Hochdruckkreis durch das Hochdruckventil mit den Schaltelementen verbunden ist.
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Vorteilhafterweise ist es möglich dass das Hochdruckventil mit einer Druckstelleinrichtung derart verbunden ist, so dass das Hochdruckventil von der Druckstelleinrichtung mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist, wobei mit der Höhe des Steuerdrucks die Höhe des Hochdrucks einstellbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist stromabwärts des Hochdruckventils zwischen dem Hochdruckkreis und dem Niederdruckkreis ein als Druckregelventil ausgebildetes Niederdruckventil angeordnet, mittels welchem abhängig von der Höhe des Hochdrucks die Höhe des Niederdrucks einstellbar ist.
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Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Ventileinrichtung ein Rückschlagventil ist, welches eine Durchströmung vom Ölsumpf zur Hochdruck-Saugseite zulässt und eine Durchströmung in die Gegenrichtung versperrt. Damit ist es möglich, dass ab einem bestimmten Volumenstrom oder Druck von mindestens einer der beiden Fördereinheiten ausschließlich aus dem Niederdruckkreis mit dem Betriebsmedium versorgt wird, wodurch ein größtmöglicher Aufladungseffekt und damit ein möglichst hoher Druck auf der Hochdruck-Saugseite gegeben sind.
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In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass das Hochdruckventil durch mindestens einen Anschluss parallel sowohl mit der Kühlung und/oder Schmierung als auch mit dem Niederdruckventil verbunden ist, und dass das Niederdruckventil einen Anschluss zur Hochdruck-Saugseite aufweist. Hierbei ist das Niederdruckventil derart ausgebildet, dass dieses ab einem bestimmten Wert des Niederdrucks eine solche Stellung einnimmt, in welcher ein Teilvolumenstrom aus dem Niederdruckkreis zur Hochdruck-Saugseite geleitet wird.
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Alternativ zu der beschriebenen Variante ist es möglich, dass die weitere Ventileinrichtung ein als schaltbares Wegeventil ausgebildetes Aufladeventil ist, durch welches in einer ersten Schaltstellung die Hochdruck-Saugseite mit dem Ölsumpf verbunden ist. In einer zweiten Schaltstellung ist die Hochdruck-Saugseite mit dem Niederdruckkreis verbunden.
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Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Aufladeventil derart mit dem Hochdruckkreis und dem Niederdruckkreis verbunden ist, so dass ab einem bestimmten Wert des Verhältnisses von Hochdruck zu Niederdruck das Aufladeventil von der ersten in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass das Aufladeventil als Schieberventil ausgebildet ist, welches einen Aufladeventilkolben aufweist, der axial von einer Seite her vom Hochdruck aus dem Hochdruckkreis und von einer entgegengesetzten Seite her vom Niederdruck aus dem Niederdruckkreis beaufschlagbar ist. Das Schieberventil ist dabei so ausgebildet, dass der Aufladeventilkolben in die zweite Schaltstellung bewegt wird, wenn unter Berücksichtigung der druckbeaufschlagten Flächen des Aufladeventilkolbens eine axial wirkende Kraft aus dem Hochdruck größer ist als eine axial wirkende Kraft aus dem Niederdruck.
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In einer alternativen Variante weist das Aufladeventil eine Aufladeventilfeder auf, welche den Aufladeventilkolben mit ihrer Vorspannkraft belastet, so dass der Aufladeventilkolben in die zweite Schaltstellung bewegt wird, wenn unter Berücksichtigung der druckbeaufschlagten Flächen des Aufladeventilkolbens eine axial wirkende Kraft aus dem Hochdruck größer ist als die Summe der axial wirkenden Kräfte aus dem Niederdruck und der Aufladeventilfeder.
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In diesem Zusammenhang ist es vorgesehen, dass eine Niederdruckleitung des Niederdruckkreises zwischen der Niederdruckpumpe und dem Hochdruckventil mit dem Aufladeventil verbunden ist. Der Vorteil hierbei ist, dass der Niederdruck in diesem Bereich noch maximal ist und nicht durch Strömungsverluste im weiteren Verlauf des Hydrauliksystems reduziert ist. Dies erhöht den Druck auf der Hochdruck-Saugseite im aufgeladenen Zustand und damit den Wirkungsgrad des Hydrauliksystems. Unter einer Leitung, wie beispielsweise die Niederdruckleitung, ist nachfolgend jede Ausgestaltung zu verstehen, die geeignet ist eine Flüssigkeit zu leiten. Eine Leitung kann beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch, ein im Material ausgebildeter, spanend oder gusstechnisch hergestellter Kanal, oder auch ein Durchbruch oder Durchgang sein.
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Es ist hierbei möglich, dass das Aufladeventil mit dem Hochdruckkreis, dem Niederdruckkreis, der Niederdruck-Saugseite und der Hochdruck-Saugseite hydraulisch verbunden ist
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fördereinheiten Förderbereiche einer zumindest doppelhubigen Flügelzellenpumpe sind. Dies hat den Vorteil, dass der Anteil der Schleppmomente an Gesamtaufnahmemoment im Vergleich zu einer Ausgestaltung mit zwei separaten Pumpen deutlich reduziert ist, da mit einem Pumpenrotor zwei oder mehrere Druckkreise versorgt werden können. Hieraus resultiert eine Verbesserung des hydraulisch-mechanischen Wirkungsgrades der Pumpe und damit des Gesamtwirkungsrades des Hydrauliksystems.
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Bevorzugt sind die Verdrängungsvolumina der beiden Förderbereiche unterschiedlich groß gewählt, so dass eine vorteilhafte Anpassung der Volumenströme an den Volumenstrombedarf in Hochdruckkreis und Niederdruckkreis möglich ist. Dies hat ebenfalls einen positiven Effekt auf den Wirkungsgrad des Hydrauliksystems.
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Es ist darüber hinaus für eine sichere Funktion des Hydrauliksystems erforderlich, dass die Summe und das Verhältnis der Verdrängungsvolumina der Fördereinheiten so gewählt ist, dass bei einer gewünschten Pumpendrehzahl die Fördermenge des Niederdruckkreises ausreicht um den Ölbedarf von Hoch- und Niederdruckkreis abzudecken.
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Bevorzugt kann das Hydrauliksystem so ausgestaltet sein, dass der von der ersten Fördereinheit geförderte Volumenstrom 30% der Summe der von beiden Fördereinheiten geförderten Volumenströme beträgt und der von der zweiten Fördereinheit geförderte Volumenstrom 70% der Summe der von beiden Fördereinheiten geförderten Volumenströme beträgt. Mit dieser Aufteilung sind die von den Fördereinheiten geförderten Volumenströme an den Volumenstrombedarf des Automatikgetriebes angepasst.
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Ein Automatikgetriebe weist vorteilhafterweise ein vorstehend beschriebenes Hydrauliksystem auf, so dass der Getriebewirkungsgrad möglichst hoch ist.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
- 1 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems und
- 2 eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung anhand eines Hydraulikplans ein Hydrauliksystem 100 nach einem ersten Konzept. Das Hydrauliksystem 100 umfasst ein Hochdruckventil 101, ein Niederdruckventil 102, ein Aufladeventil 103, zwei Rückschlagventile 105 und 106, eine Hochdruckpumpe 1 und eine Niederdruckpumpe 2. Innerhalb des Hydrauliksystems 100 sind ein Hochdruckkreis H und ein Niederdruckkreis N ausgebildet.
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Der Hochdruckkreis H umfasst die Hochdruckpumpe 1, Leitungen 12 und 13, sowie Schaltelemente 6. Der Niederdruckkreis N umfasst die Niederdruckpumpe 2, Leitungen 22 und 23, sowie eine Kühlung und/oder Schmierung 5. Die sich in der Ansaugung der beiden Pumpen 1 und 2 befindlichen Elemente wie beispielsweise ein Saugfilter 3, ein Ölsumpf 4, eine Saugleitung 10, das Aufladeventil 103 und eine Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 sowie eine Niederdruck-Saugseite 21 der Niederdruckpumpe 2 zählen weder zum Hochdruckkreis H noch zum Niederdruckkreis N. Die Druckstelleinrichtung 7 befindet sich üblicherweise im Hochdruckkreis H, bzw. wird aus diesem versorgt.
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Der Hochdruckkreis H wird auch als Primärkreis und der Niederdruckkreis N als Sekundärkreis bezeichnet, da die Versorgung des Hochdruckkreises H und damit der Schaltelemente 6 Priorität hat. Die Versorgung der Kühlung/Schmierung 5 kann für eine begrenzte kurze Zeit auch ausgesetzt werden, ohne dass das Automatikgetriebe Schaden nimmt. Im Hochdruckkreis H herrscht ein Hochdruck pH, welcher von der Hochdruckpumpe 1 erzeugt wird, und im Niederdruckkreis N ein Niederdruck pN, welcher von der Niederdruckpumpe 2 erzeugt wird. Da der für die Betätigung der Schaltelemente 6 erforderliche Druck deutlich höher gewählt sein muss als jener für die Gewährleistung von Kühlung und Schmierung ist der Hochdruck pH üblicherweise höher als der Niederdruck pN.
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Die Hochdruckpumpe 1 und die Niederdruckpumpe 2 können als zwei separate Pumpen oder auch als zwei Fördereinheiten einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe ausgebildet sein. Theoretisch können auch mehr Fördereinheiten bei einer mehrhubigen Flügelzellenpumpe vorhanden sein. Die Verdrängungsvolumina bzw. die Förderströme der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2 bzw. der verschiedenen Fördereinheiten, können gleich oder unterschiedlich sein. Vorteilhafterweise sind diese an den Bedarf des Automatikgetriebes angepasst und daher unterschiedlich ausgebildet. Das Betriebsmedium, üblicherweise Getriebeöl, wird zumindest beim Anfahren des Hydrauliksystems 100 von den beiden Pumpen 1 und 2 aus einem Ölsumpf 4 durch einen Saugfilter 3 und eine Saugleitung 10 angesaugt.
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Das Hochdruckventil 101 umfasst einen Hochdruckventilkolben 110, welcher in einer Zylinderbohrung 114 verschiebbar geführt ist und im drucklosen Zustand des Hydrauliksystems 100, d.h. die Pumpen erzeugen keinen Druck, von der Kraft einer vorgespannten Feder 118 in eine erste Position gedrückt wird. Die Zylinderbohrung 114 ist von mehreren Anschlussräumen 121, 122, 123, 124, 125, 126 und 127 durchdrungen. Unter einem Anschlussraum ist nachfolgend eine radial nach außen gerichtete Vertiefung zu verstehen, die zumindest teilweise um die Ventilbohrung umlaufend ist und deren Innendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Ventilbohrung. Durch die Anschlussräume werden die Ventile mit dem restlichen Hydrauliksystem verbunden bzw. an dieses angeschlossen. Je nach Stellung des Ventilkolbens werden über die Eindrehungen des Ventilkolbens verschiedene Anschlussräume miteinander verbunden. Die in den Anschlussräumen und den Abschnitten der Ventilbohrung herrschenden Drücke wirken mit deren Kräften auf den Hochdruckventilkolben 110.
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Darüber hinaus wird das Hochdruckventil 101 durch die Anschlussräume mit dem restlichen Hydrauliksystem 100 hydraulisch verbunden. So ist das Hochdruckventil 101 durch den Anschlussraum 121 und eine Blende 152 sowie durch den Anschlussraum 125 und eine Leitung 12 mit der Hochdruckpumpe 1 verbunden. Der Anschlussraum 122 ist druckentlastet, d.h. mit einem drucklosen Bereich 8 des Automatikgetriebes verbunden, was beispielsweise auch der Ölsumpf 4 des Automatikgetriebes sein kann. Der Anschlussraum 123 ist auf einer Seite durch eine Niederdruckleitung 22 mit der Niederdruckpumpe 2 und auf der anderen Seite mit dem Hochdruckkreis H und letztendlich mit den Schaltelementen 6 verbunden. Zwischen dem Anschlussraum 123 und den Schaltelementen 6 sind zwei Rückschlagventile 105 und 106 angeordnet, die einen Durchfluss in Richtung der Schaltelemente 6 zulassen und die Gegenrichtung versperren. Werden die Schaltelemente 6 von dem Hochdruck pH beaufschlagt, versperrt dieser die Rückschlagventile 105 gegen den niedrigeren Niederdruck pN, der von der Niederdruckpumpe 2 erzeugt wird.
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Der Anschlussraum 124 ist durch eine Leitung 23 mit der Kühlung/Schmierung 5 und damit dem Niederdruckkreis N verbunden, ebenso der Anschlussraum 126. Der Anschlussraum 125 ist auf deine einen Seite durch eine Hochdruckleitung 12 mit der Hochdruckpumpe 1 und auf der anderen Seite durch das Rückschlagventil 106 mit den Schaltelementen 6 verbunden. Der Anschlussraum 127 mündet innerhalb der Zylinderbohrung 114 in einen Federraum 117 des Hochdruckventilkolbens 110 und ist durch eine Blende 153 mit einer Druckstelleinrichtung 7 verbunden, mittels welcher ein Steuerdruck pS in dem Anschlussraum 127 einstellbar ist. In dem Federraum 117 ist die Feder 118 angeordnet. Je nach Höhe des Steuerdrucks pS ist die Höhe des Hochdrucks pH einstellbar. Dem Steuerdruck pS und der Kraft der Feder 118 entgegen wirkt der Hochdruck pH im Anschlussraum 121 auf eine Stirnfläche 111 des Hochdruckventilkolbens 110.
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Die Versorgung der Schaltelemente 6, d.h. des Hochdruckkreises H erfolgt durch die Hochdruckpumpe 1, welche das Betriebsmedium durch den Anschlussraum 125 des Hochdruckventils 101 und das Rückschlagventil 106 in die Leitung 13 und damit zu den Schaltelementen 6 fördert. Das Rückschlagventil 105 verhindert, dass das unter dem Hochdruck pH stehende Betriebsmedium aus dem Hochdruckkreis H durch den Anschlussraum 123 in die Niederdruckleitung 22 und damit den Niederdruckkreis N gelangt, wodurch sich der Druck im Hochdruckkreis H auf das Niveau des Niederdrucks pN abbauen würde.
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Die Versorgung der Kühlung/Schmierung 5, d.h. des Niederdruckkreises N erfolgt durch die Niederdruckpumpe 2, welche das Betriebsmedium durch die Niederdruckleitung 22 und die Anschlussräume 123 und 124 und die Leitung 23 zur Kühlung/Schmierung 5 fördert. Ebenso mit der Leitung 23 verbunden ist der Anschlussraum 126, in welchem der Niederdruck pN auf eine Steuerfläche des Hochdruckventilkolbens 110 wirkt.
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An die zum Niederdruckkreis N gehörende Leitung 23 ist außerdem das Niederdruckventil 102 angeschlossen. Das Niederdruckventil 102 weist einen Niederdruckventilkolben 130 auf, der in einer Ventilbohrung axial beweglich ist. Die Ventilbohrung ist von fünf Anschlussräumen 141, 142, 143, 144 und 145 durchdrungen. Der Anschlussraum 141 ist durch eine Blende 154 mit der Leitung 23 verbunden. Der Anschlussraum 142 ist ebenfalls mit der Leitung 23 verbunden, so dass in den Anschlussräumen 141 und 142 der Niederdruck pN herrscht. Der Anschlussraum 143 ist mit der Saugleitung 10 verbunden. Der Anschlussraum 144 ist druckentlastet, d.h. mit einem drucklosen Bereich 8 verbunden, so dass im Anschlussraum 144 nur Umgebungsdruck p0 herrscht. Der Anschlussraum 145 ist mit der Leitung 13, d.h. dem Hochdruckkreis H verbunden, so dass der Anschlussraum 145 von dem Hochdruck pH beaufschlagt wird. Der Anschlussraum 145 mündet in einen Federraum 137 des Niederdruckventilkolbens 130. In dem Federraum 137 ist eine Feder 138 angeordnet, welche den Niederdruckventilkolben 130 in eine erste Anschlagstellung bewegt, wenn das Hydrauliksystem 100 drucklos ist. Die Aufgabe des Niederdruckventils 102 ist es, den Niederdruck pN auf einen bestimmten Wert einzustellen. Wenn dieser Wert überschritten wird, verschiebt sich der Niederdruckventilkolben 130 gegen die Feder 138, wodurch das Betriebsmedium aus der Leitung 23 und durch den Anschlussraum 142 in den Anschlussraum 143 in damit in die Saugleitung 10 gelangt, so dass die Ansaugung der Niederdruckpumpe 2 aufgeladen und der Druck in der Saugleitung 10 und damit an jeweiligen Saugseiten 11 und 21 der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2 erhöht wird.
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Die Hochdruckpumpe 1 fördert durch den Anschlussraum 125 des Hochdruckventils 101 und das Rückschlagventil 106 das Betriebsmedium in die Leitung 13 und damit zu den Schaltelementen 6, wobei überall auf diesem Weg zumindest annähernd der Hochdruck pH herrscht. Das Rückschlagventil 105 verhindert, dass das unter dem Hochdruck pH stehende Betriebsmedium aus dem Hochdruckkreis H durch den Anschlussraum 123 in die Niederdruckleitung 22 und damit in den Niederdruckkreis N gelangt, wodurch sich der Hochdruck pH im Hochdruckkreis H auf das Niveau des Niederdrucks pN abbauen würde.
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Erfindungsgemäß ist zwischen einer Niederdruck-Saugseite 21 der Niederdruckpumpe 2 und einer Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 ein Aufladeventil 103 angeordnet. Unter der Saugseite ist grundsätzlich die Seite einer Pumpe zu verstehen, von der das Betriebsmedium angesaugt wird, üblicherweise der Ölsumpf. Da es vom Ölsumpf bis zum Einlass in die Pumpe ein Druckgefällte gibt (hydraulische Verluste) ist in diesem Zusammenhang eine Stelle direkt am Einlass in die Pumpe als Saugseite bezeichnet, was unter dem später beschriebenen Vorteil der Erfindung eine Rolle spielt. Analog hierzu wird auch eine Stelle direkt nach dem Austritt aus der Pumpe als Druckseite bezeichnet.
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Das Aufladeventil 103 weist einen Aufladeventilkolben 160 auf, welcher in einer Aufladeventilbohrung 164 axial verschiebbar geführt ist. Der Aufladeventilkolben 160 wird von einer Feder 168 im drucklosen Zustand des Hydrauliksystems 100 in eine erste Position wie in 1 dargestellt vorgespannt. Die Aufladeventilbohrung 164 ist von fünf Anschlussräumen 171, 172, 173, 174 und 175 radial durchdrungen. Der Anschlussraum 171 ist mit einer Druckseite 15 der Hochdruckpumpe 1 verbunden, so dass im Betrieb des Hydrauliksystems 100 in dem Anschlussraum 171 der Hochdruck pH herrscht. Der Anschlussraum 172 ist mit der Niederdruck-Saugseite 21 der Niederdruckpumpe 2 und damit der Saugleitung 10 verbunden. Der Anschlussraum 173 ist mit einer Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 und der Anschlussraum 174 durch eine Aufladeleitung 162 mit einer Druckseite 17 der Niederdruckpumpe 2 und damit der Niederdruckleitung 22 verbunden. Der Anschlussraum 175 ist ebenfalls durch die Aufladeleitung 162 mit der Niederdruckleitung 22 verbunden. In dem Anschlussraum 175 und dem damit verbundenen Teil der Aufladeventilbohrung 164 beaufschlagen der Niederdruck pN und die Kraft der Feder 168 den Aufladeventilkolben 160 und wirken auf diesen in Richtung der dargestellten Position. In dieser Position besteht durch eine Eindrehung im Aufladeventilkolben 160 eine Verbindung zwischen den Anschlussräumen 172 und 173, so dass die Hochdruckpumpe 1 durch diese das Betriebsmedium aus dem Ölsumpf 4 ansaugen kann. Nach dem Anfahren der Pumpen 1 und 2 und bei niedrigen Drehzahlen, bzw. Volumenströmen befindet sich das Aufladeventil 103 in der beschriebenen Stellung und die beiden Pumpen 1 und 2 sind parallel geschaltet, so dass der Gesamtvolumenstrom in das Hydrauliksystem 100 der Summer der von Hochdruckpumpe 1 und Niederdruckpumpe 2 geförderten Volumenströmen entspricht.
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Mit der Erhöhung der von der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2 geförderten Volumenströme wird der Hochdruckkreis H gesättigt, wobei der Hochdruck pH in diesem ansteigt. Mit steigendem Hochdruck pH wird der Hochdruckventilkolben 110 verschoben und nun auch der Niederdruckkreis N versorgt. Ebenso wirkt der angestiegene Hochdruck pH durch einen Zweig der Hochdruckleitung 12 im Anschlussraum 171 und verschiebt den Aufladeventilkolben 160 entgegen der Kraft der Feder 168 und der Kraft des im Anschlussraum 175 wirkenden Niederdrucks pN. Derart verschoben, ist durch den Aufladeventilkolben 160 die Verbindung zwischen der Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 und dem Ölsumpf 4 unterbrochen, so dass die Hochdruckpumpe 1 hieraus kein Betriebsmedium mehr ansaugen kann. Stattdessen besteht nun durch die Aufladeleitung 162 eine Verbindung zwischen den Anschlussräumen 173 und 174 und damit zwischen der Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckleitung 22, so dass die Niederdruckpumpe 2 die Hochdruckpumpe 1 auflädt. Der vorteilhafte Effekt hieraus ist eine Verringerung der Druckdifferenz Δp der Drücke welche auf der Hochdruck-Saugseite 11 und der Druckseite 15 der Hochdruckpumpe 1 herrschen. Ein Druck p11 auf der Hochdruck-Saugseite 11 ist bei einer fördernden Pumpe von seiner absoluten Höhe geringer als der Umgebungsdruck p0. Ein Druck p15 auf der Druckseite 15 entspricht in etwa dem Hochdruck pH. Diese Druckdifferenz Δp mit Δp = p15 - p11 bestimmt die Leistungsaufnahme P1 der Hochdruckpumpe 1, die sich zu P1 = Δp*Q1 errechnet, wobei Q1 der von der Hochdruckpumpe 1 geförderte Volumenstrom ist. D.h. dass bei gesättigtem Hochdruckkreis H in dem erfindungsgemäßen Hydrauliksystem 100 die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe 1 gegenüber einem Hydrauliksystem nach dem Stand der Technik, bei welchem die Hochdruckpumpe nicht aufgeladen wird, zurückgeht. Hierdurch ist der Wirkungsgrad eines Automatikgetriebes mit einem erfindungsgemäßen Hydrauliksystem 100 höher als bei einem Automatikgetriebe nach dem Stand der Technik.
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Der Niederdruckkreis N und der Hochdruckkreis H werden bei dieser Ausgestaltung nach Sättigung des Hochdruckkreises H nur von einem von der Niederdruckpumpe 2 geförderten Volumenstrom Q2 versorgt, denn die Niederdruckpumpe 2 und die Hochdruckpumpe 1 sind durch das betätigte Aufladeventil 103 in Reihe geschaltet. Damit reduziert sich der Gesamtvolumenstrom in das Hydrauliksystem 100 auf den Volumenstrom Q2, den nur die Niederdruckpumpe 2 fördert. Dieser gelangt direkt in den Niederdruckkreis N und durch die Hochdruckpumpe 1 in den Hochdruckkreis H. Die Hochdruckpumpe 1 selbst kann aufgrund der Stellung des Aufladeventils 103 kein Betriebsmedium mehr aus dem Ölsumpf 4 ansaugen.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung anhand eines Hydraulikplans ein Hydrauliksystem 200 nach einem zweiten Konzept. Dieses besteht darin, dass eine erste Fördereinheit, in diesem Falle die Hochdruckpumpe 1, erst dann von der zweiten Fördereinheit, in diesem Falle von der Niederdruckpumpe 2, versorgt wird, nachdem der Niederdruckkreis N gesättigt ist.
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Das Hydrauliksystem 200 umfasst wie das Hydrauliksystem 100 in 1 eine Hochdruckpumpe 1, eine Niederdruckpumpe 2 und ein Hochdruckventil 101, welche alle gleich wie im Hydrauliksystem 100 ausgebildet sind. Das Hydrauliksystem 200 unterscheidet sich vom Hydrauliksystem 100 in der Ausgestaltung eines Niederdruckventils 202 sowie der Verbindung des Niederdruckventils 202 und des Hochdruckventils 101 mit der Saugleitung 10 und der Ausgestaltung der Saugbereiches der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2. Des Weiteren unterscheidet sich die Ausgestaltung des Druckbereichs der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2 von jener im Hydrauliksystem 100. Außerdem fehlt ein Aufladeventil zwischen den Saugseiten von Hochdruckpumpe und Niederdruckpumpe. Stattdessen ist zwischen den beiden Saugseiten ein Rückschlagventil 207 angeordnet.
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Der Unterschied zwischen den Niederdruckventilen 102 (1) und 202 besteht darin, dass das Niederdruckventil 202 sechs Anschlussräume 241, 242, 243, 244, 245 und 246 aufweist anstatt nur fünf wie beim Niederdruckventil 102. Hierbei ist der Anschlussraum 243 durch eine Aufladeleitung 262 mit der Hochdruck-Saugseite 11 der Hochdruckpumpe 1 verbunden. Der Anschlussraum 244 ist sowohl mit der Saugleitung 10 als auch durch eine Leitung 239 mit dem Anschlussraum 126 des Hochdruckventils 101 verbunden. Das Niederdruckventil 202 ist ansonsten gleich ausgestaltet wie das Niederdruckventil 102 und umfasst einen Niederdruckventilkolben 230.
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Sind Hochdruckkreis H und Niederdruckkreis N noch nicht gesättigt, wie dies beispielsweise beim Anfahren der beiden Pumpen 1 und 2 oder niedrigen Pumpendrehzahlen der Fall ist, saugt die Niederdruckpumpe 2 das Betriebsmedium durch die Saugleitung 10 aus dem Ölsumpf 4 an. Die Hochdruckpumpe 1 saugt das Betriebsmedium durch das Rückschlagventil 207 ebenfalls aus der Saugleitung 10 an.
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Steigt nun bei mit einer zunehmenden Pumpendrehzahl wachsendem Volumenstrom zur Kühlung/Schmierung 5 der Niederdruck in der Leitung 23 an, wird der Niederdruckventilkolben 230 entgegen der Kraft einer Feder 237 und einer Kraft des im Anschlussraum 246 wirkenden Hochdrucks pH verschoben, wobei zunächst der Anschlussraum 243 geöffnet wird und ein Teil des Volumenstromes aus den Niederdruckkreis N in die Aufladung der Hochdruckpumpe 1 strömt. Ein Überströmen des Aufladestroms zur Niederdruckpumpe 2 wird durch das Rückschlagventil 207 verhindert, da dieses nur von der Saugleitung 10 zur Hochdruckpumpe 1 durchströmbar ist und in der Gegenrichtung sperrt. Durch die Aufladung verringert sich an der Hochdruckpumpe 1 wie unter 1 beschrieben die Druckdifferenz zwischen Druckseite 15 und Hochdruck-Saugseite 11 und damit die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe 1. Zudem wird die Kavitationsgrenze der Hochdruckpumpe 1 zu höheren Drehzahlen verschoben, oder es tritt im gegebenen Betriebsbereich keine Kavitation mehr auf, was positive Auswirkungen auf Geräusch und Lebensdauer der Hochdruckpumpe 1 hat.
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Bei einer weiteren Steigerung des Niederdruckes in der Kühlung/Schmierung 5 verschiebt sich der Niederdruckventilkolben 230 weiter gegen die Kräfte aus Feder 237 und Hochdruck pH und öffnet den Anschlussraum 244 zur Saugleitung 10 hin, wodurch auch die Niederdruckpumpe 2 mit den beschrieben positiven Wirkungen aufgeladen wird. Analog zu der unter 1 beschriebenen Ausgestaltung entspricht auch beim Hydrauliksystem 200 der in dieses geförderte Gesamtvolumenstrom dem Volumenstrom Q2 der Niederdruckpumpe 2, da die Hochdruckpumpe 1 nur aus dem Niederdruckkreis N versorgt wird.
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Damit die Aufladung der Hochdruckpumpe 1 mittels der Niederdruckpumpe 2 möglich ist, müssen die Verdrängungsvolumina der Hochdruckpumpe 1 und der Niederdruckpumpe 2 so gewählt sein, dass der von der Niederdruckpumpe 2 bei der jeweiligen Drehzahl erzeugte Volumenstrom Q2 größer ist als der von der Hochdruckpumpe 1 geförderte Volumenstrom Q1. Zudem muss die Summe der Verdrängungsvolumina der beiden Fördereinheiten 1 und 2 sowie die Aufteilung der Verdrängungsvolumina der Fördereinheiten 1 und 2 so gewählt werden, dass bei einer gewünschten Motor-/Pumpendrehzahl der Volumenstrom Q2 des Niederdruckkreises N ausreicht um den Ölbedarf von Hochdruckkreis H und Niederdruckkreis N abzudecken, da sonst Getriebeschäden durch reduzierte Kühlung / Schmierung 5 auftreten können. Vorzugsweise sind entsprechend des Bedarfs die Verdrängungsvolumina von Hochdruckpumpe 1 und Niederdruckpumpe 2 sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 wie in 2 so gewählt, dass diese im Verhältnis von Q2/ Q1 = 7/3 stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochdruckpumpe, erste Fördereinheit
- 2
- Niederdruckpumpe, zweite Fördereinheit
- 3
- Saugfilter
- 4
- Ölsumpf, druckloser Bereich
- 5
- Kühlung / Schmierung
- 6
- Schaltelemente
- 7
- Druckstelleinrichtung
- 8
- druckloser Bereich
- 10
- Saugleitung
- 11
- Hochdruck-Saugseite
- 12
- Hochdruckleitung
- 13
- Leitung
- 15
- Druckseite Hochdruckpumpe
- 21
- Niederdruck-Saugseite
- 22
- Niederdruckleitung
- 23
- Leitung
- 100
- Hydrauliksystem
- 101
- Hochdruckventil
- 102
- Niederdruckventil
- 103
- Aufladeventil
- 105
- Rückschlagventil
- 106
- Rückschlagventil
- 110
- Hochdruckventilkolben
- 111
- Stirnfläche
- 112
- Bundfläche
- 114
- Zylinderbohrung
- 117
- Federraum
- 118
- Feder
- 121
- Anschlussraum
- 122
- Anschlussraum
- 123
- Anschlussraum
- 124
- Anschlussraum
- 125
- Anschlussraum
- 126
- Anschlussraum
- 127
- Anschlussraum
- 130
- Niederdruckventilkolben
- 131
- Stirnfläche
- 137
- Federraum
- 138
- Feder
- 141
- Anschlussraum
- 142
- Anschlussraum
- 143
- Anschlussraum
- 144
- Anschlussraum
- 145
- Anschlussraum
- 151
- Blende
- 152
- Blende
- 153
- Blende
- 154
- Blende
- 155
- Blende
- 156
- Blende
- 160
- Aufladeventilkolben
- 162
- Aufladeleitung
- 164
- Aufladeventilbohrung
- 168
- Aufladeventilfeder
- 171
- Anschlussraum
- 172
- Anschlussraum
- 173
- Anschlussraum
- 174
- Anschlussraum
- 175
- Anschlussraum
- 200
- Hydrauliksystem
- 202
- Niederdruckventil
- 207
- Rückschlagventil
- 230
- Niederdruckventilkolben
- 237
- Federraum
- 238
- Feder
- 239
- Leitung
- 241
- Anschlussraum
- 242
- Anschlussraum
- 243
- Anschlussraum
- 244
- Anschlussraum
- 245
- Anschlussraum
- 246
- Anschlussraum
- 262
- Aufladeleitung
- H
- Hochdruckkreis
- N
- Niederdruckkreis
- Δp
- Druckdifferenz
- pH
- Hochdruck, Primärdruck
- pN
- Niederdruck, Sekundärdruck
- pS
- Steuerdruck
- p11
- Druck Hochdruck-Saugseite
- p15
- Druck Druckseite Hochdruckpumpe
- P1
- Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe
- Q1
- Volumenstrom der Hochdruckpumpe
- Q2
- Volumenstrom der Niederdruckpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10041386 A1 [0005, 0007]
- DE 102004025764 A1 [0008]
- DE 102012113102 [0009]
