DE102019106255A1

DE102019106255A1 - Gerotorpumpe sowie Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe

Info

Publication number: DE102019106255A1
Application number: DE102019106255.1A
Authority: DE
Inventors: Tilo Schäfer; Jens Dittmar
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist, wobei mindestens eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Saugbereich der Gerotorpumpe und dem Sauganschluss der Gerotorpumpe erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist, wobei mindestens eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Saugbereich der Gerotorpumpe und dem Sauganschluss der Gerotorpumpe erfolgt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Druckausgleich in einer Gerotorpumpe.
Stand der Technik
In Getrieben, vor allem in Doppelkupplungsgetrieben werden Gerotorpumpen zur Betätigung von Kupplungen benötigt. Während des Betriebs einer solcher Pumpe baut sich nach der Pumpe ein Druck entsprechend einer nachgeschalteten Drossel im Druckkanal auf. Im Arbeitsbereich der Pumpe ergibt sich ein annähernd linearer Anstieg des Drucks mit der Pumpendrehzahl, wobei der benötigte Betätigungsdruck der Kupplung, insbesondere bei niedrigeren Öltemperaturen bereits bei geringer Drehzahl erreicht wird, was zu akustisch auffälligen Pulsationen im-Hydrauliksystem führen kann.
Bei bekannten Gerotorpumpen muss der Hubraum entsprechend so klein gewählt werden, dass der Druckaufbau erst bei etwas höheren Drehzahlen erfolgt, welche zu akustisch weniger kritischen Pulsationen führen. Nachteil hierbei ist, dass solche Pumpen gegenüber größeren Pumpen schlechtere Wirkungsgrade, insbesondere bei höheren Temperaturen und geringer Ölviskosität aufweisen.
Bei Gerotorpumpen mit einer hoch integrierten Bauart, wie sie in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2017 223 715 beschrieben wird, sind elektro-motorischer Rotor und Außen-Gerotor als gemeinsames Bauteil ausgeführt.
In der Gerortorpumpe wird gezielt Druck im Motorraum der Pumpe aufgebaut, um die Pumpe abzudichten und das Axiallager zu entlasten. Dieser Druck stellt sich anhand der Leckage zwischen Außen-Gerotor und stirnseitiger Platte, sowie einer Drossel zur Entlastung des Raums hin zum Saugraum ein. Bei der Anwendung solcher Pumpen als Kupplungs- Aktuator- Pumpe in einem Doppelkupplungsgetriebe stellt sich der Druck nach der Pumpe entsprechend der nachgeschalteten Drossel im Druckkanal, sowie der Drossel zwischen Motorraum und Saugraum ein.
In jedem Fall führen die beiden Festdrosseln zu einem vorgegebenen, von der Pumpendrehzahl im Arbeitsbereich annähernd linear abhängigen Anstieg des Drucks mit der Drehzahl.
Der Zustrom zu diesem Raum wird durch die Leckage im besagten Spalt selbst bedingt, mehr Zustrom bedeutet also mehr Innendruck und somit verbesserte Dichtwirkung, was regelungstechnisch einer Gegenkopplung gleichkommt. Der Abstrom aus besagtem Motorraum findet durch eine hohle Welle in den Bereich des Sauganschlusses oder einen Leckage- Pfad direkt zu demselben statt. Zur Abstimmung des sich ergebenden Druckniveaus im Motorraum wird im Abstrom-Pfad, also z. B. in der Welle ein fester Drosselquerschnitt vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Gerotorpumpe mit verbessertem Druckverhalten zu schaffen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist, wobei mindestens eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Saugbereich der Gerotorpumpe und dem Sauganschluss der Gerotorpumpe erfolgt, wobei der Druckausgleich durch eine variable Drossel erfolgt.
Durch die variable Drossel wird erreicht, dass der Volumenstrom, den die Pumpe fördert nicht so schnell mit der Pumpendrehzahl steigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Vorrichtung aus einer Abstrombohrung in der Welle sowie mindestens einer Ausnehmung zwischen Abstrombohrung und dem Sauganschluss, wobei in der Ausnehmung eine druckabhängiger Regelschieber angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Vorrichtung aus einer Abstrombohrung in der Welle, sowie mindestens einer Verbindung zwischen der Abstrombohrung der Welle und dem Sauganschluss der Gerotorpumpe, wobei auf dem Rotor ein Fliehkraft-Regelschieber eine Öffnung zwischen Saugraum und Motorraum regelnd verschließt.
Die Aufgabe wird des Weiteren mit einem Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe gelöst, wobei ein Zufluss von unter Druck stehende Medium in den Motorraum der Gerotorpumpe erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum und dem Saugbereich vorliegt, über die das Medium abgeführt wird, wobei ein Regelschieber durch Druckaufbau im Sinne einer regelungstechnischen Mitkopplung den Durchfluss regelt.
Die Aufgabe wird alternativ mit einem Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe gelöst, wobei ein Zufluss von unter Druck stehende Medium in den Motorraum der Gerotorpumpe erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum und dem Saugbereich vorliegt, über die das Medium abgeführt wird, wobei ein Fliehkraft-Regelschieber eine Öffnung durch Fliehkräfte infolge von Rotation des Rotors regelbar verschliesst.
Figurenliste

1 zeigt Schnitt durch eine Pumpe mit fester Drossel im Abstrom vom Motorraum zum Saugraum (SdT),
2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit einem Druck betätigten Ventil in offener Stellung (Start),
3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit einem Druck betätigten Ventil in geschlossener Stellung (Betrieb).
4 zeigt Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit Ventil in offener Stellung bei kleiner Drehzahl (Start),
5 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit Ventil in geschlossener Stellung bei großer Drehzahl (Betrieb),
6 zeigt den Verlauf der Fördermenge in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl.

1 zeigt ein Gehäuse 2, das mit einem Flansch 3 verschlossen wird. Im Inneren ist ein Innenrotor 4 und ein Außenrotor 5 mit einer Welle 6 zu erkennen. Am Flansch 3 sind elektrische Verbindungen zu erkennen. Die Gerotor-Pumpe weist einen Druckanschluss 8 und einen Sauganschluss 7 auf.
In dem Gehäuse 2 sind in einem Pumpenarbeitsraum der Gerotorpumpe 1 der Innenrotor 4 und der Außenrotor 5 drehbar angeordnet.
In dem Gehäuse 2 ist eine stehende Welle 6 um eine Drehachse drehbar gelagert. Der Flansch 3 dient als Gehäusedeckel, mit welchem das Gehäuse 2, das im Wesentlichen topfartig ausgebildet ist, abgeschlossen wird.
In das Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 ist ein Elektromotor 30 mit einem Rotor 31 und einem Stator integriert. Der Stator 15 umfasst ein Statorblechpaket mit Wicklungen, die zusammen mit dem Statorblechpaket in ein Kunststoffmaterial eingebettet sind. Das Kunststoffmaterial ist, zum Beispiel in einem Spritzgussverfahren, so geformt, dass es das Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 darstellt.
Der Rotor 31 des Elektromotors 30 umfasst ein Rotorblechpaket und eingegossene Magnete 36. Das Rotorblechpaket ist zusammen mit den Magneten 36 mit einem Kunststoffmaterial umspritzt. Der Rotor 31 des Elektromotors 30 ist durch das Kunststoffmaterial einstückig mit dem Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 verbunden. Stator und Rotor des Elektromotors bilden einen Motorraum 33 aus, in dem kein Druck herrscht.
Das Kunststoffmaterial dient also sowohl zur Darstellung des Rotors 31 des Elektromotors 30 als auch zur Darstellung des Außenrotors 5 der Gerotorpumpe 1. So wird der Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 durch den Rotor 31 des Elektromotors 30 direkt angetrieben.
Dabei ist der Rotor 31 des Elektromotors 30 zusammen mit dem Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 auf der Welle 6 in dem Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 gelagert. Der Innenrotor 4 der Gerotorpumpe 1 ist unabhängig von dem Außenrotor 5 auf einem Exzenter gelagert. Dadurch ist der Innenrotor 4 der Gerotorpumpe 1 exzentrisch zu der Welle 6 und dem Außenrotor 5 angeordnet.
Die Gerotorpumpe 1 weist oberhalb der Welle 6 einen Entlastungsbereich 22 und einen Druckbereich auf.
Über den Entlastungsbereich 22 steht der Motorraum zumindest über Leckagespalte mit der Welle 6 in Verbindung, die einen sich entlang der Drehsachse erstreckenden Hohlraum in Form einer Abstrombohrung 26 aufweist.
Der Abstrom aus dem Motorraum findet durch die Abstrombohrung 26 und die verbindungsbohrung 13 in den Bereich des Sauganschlusses 7 statt.
Zur Abstimmung des sich ergebenden Druckniveaus im Motorraum wird im Abstrom- Pfad, also z. B. in der Welle ein definierter Querschnitt vorgesehen.
Die durch eine Hohlwelle zustande gekommene Durchströmung des Motorraums der Gerotorpumpe hat den Nebeneffekt, dass Verlustwärme von Elektromotor 30 und der Elektronik von der entstandenen Strömung abgeführt werden, sowie eine Versorgung der Lager verbessert werden kann.
Durch Entlasten eines Axiallagers im Elektromotor wird die Reibung des Rotors minimiert, wobei gleichzeitig durch Vergrößern der Flächenpressung in einem Spalt zwischen Rotor und Seitenwand die Leckage minimiert wird.
Der Zustrom des Mediums in den Motorraum wird durch eine Leckage in einem Spalt selbst bedingt.
Die Erfindung sieht vor, den festen Drosselquerschnitt variabel zu gestalten, bzw. durch ein Ventil zu ersetzen.
Dieses kann wiederum durch den Druckaufbau selbst im Sinne einer regelungstechnischen Mitkopplung in der Ausführungsform nach den 2 und 3 erfolgen oder durch Fliehkräfte infolge von Rotation des Rotors nach 4 und 5 betätigt werden.
In jedem Fall führt ein solches Ventil zu einem verzögerten Druckaufbau, während die Pumpe einen Bereich kleinerer Drehzahlen und akustisch kritischerer Frequenzen durchläuft, ohne im Bereich des größeren bis maximalen Druckaufbaus mehr Drehzahl zu benötigen, was in 6 dargestellt ist.
In der 2 ist das erste. Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung in der Gerotorpumpe dargestellt. Der untere Teil der 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt des oberen Bereiches der Figur. Dabei wird ein mit Druck betätigten Ventil in offener Stellung gezeigt. Es handelt sich um einen Regelschieber 50, der in einer waagrecht verlaufenden Ausnehmung 55 angeordnet ist. Die waagrecht angebrachte Ausnehmung 55 ist mit der Abstrombohrung 26 der Welle 6 verbunden. Weiterhin wird durch die Ausnehmung 55 die Abstrombohrung 26 über die Abstromverbindung Saugraum 51 mit dem Sauganschluss 7 verbunden. Der Regelschieber 50 ist in der Startanordnung ganz nach links verschoben und liegt an einer Kugel 54 an.
Die Öffnung der Abstrombohrung 26 ist somit frei und das Fluid kann über den rechten Bereich der waagrechten Ausnehmung 55 in den Sauganschluss 7 fließen. Die Regel kannte 53 verschließt die Öffnung der Abstrombohrung 26 nicht. In der waagrechten Ausnehmung 55 ist auf der rechten Seite noch eine Feder 52 vorgesehen, gegen die der Regelschieber 50 verschiebbar angeordnet ist.
In der 3 ist das druckgesteuerte Ventil dargestellt, wenn ein Pumpendruck aufgebaut ist. Der Regelschieber 50 wird durch den Druck waagrecht in Richtung auf die Feder 52 verschoben. Die Regelkante 53 bewegt sich somit über den offenen Querschnitt der Abstrombohrung 26. bei noch weiterer Druckerhöhung kann die Öffnung der Abstrombohrung 26 komplett verschlossen werden. Dadurch drückt der Regelschieber gegen die Feder 52. Bei nachlassendem Druck stellt die Feder 52 den Regelschieber 50 wieder in Ruheposition in Richtung auf die Kugel 54 zurück.
Damit wird über den Druck, der sich durch die zunehmende Pumpendrehzahl aufbaut eine Regelung des Abstroms des Fluid erreicht.
In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Ventil dargestellt, dass über Fliehkraft betätigt wird. Wenn die Pumpe startet, also bei kleinen Drehzahlen, ist der Regelschieber 60 geöffnet. Der Regelschieber 60 ist Teil einer der Baueinheit der Rotorbaugruppe und ist oberhalb der Rotorbaugruppe installiert.
Eine Öffnung 66 stellt die Verbindung zwischen dem Entlastungsbereich 22 und dem Motorraum 33 der Pumpe her. Der Regelschieber 60 reguliert das Maß, mit der die Öffnung für den Durchfluss zur Verfügung steht. In der 4 ist die Regelkante 63 verschoben gegenüber der Öffnung 66 zu sehen. Der Fliehkraft-Regelschieber 60 verdeckt die Öffnung somit nicht. Er liegt im nicht aktivierten Zustand an einem Stopfen 65 an und wird auf der rechten Seite von einer Feder 64 begrenzt.
In 5 ist dargestellt, wie die Situation aussieht, wenn die Pumpendrehzahl erhöht ist und der Fliehkraft-Regelschieber sich in Richtung auf die Feder 64 verschiebt. Die Regelkante 63 verdeckt dann die Öffnung 66 zwischen Entlastungsbereich 22 und Motorraum 33.
Die Öffnung 66 wird damit regelbar durch die Pumpendrehzahl verdeckt.
Unabhängig von der Ausführungsform sind die Vorteile einer drehzahl- oder druckabhängigen Ventilanordnung in 6 dargestellt.
Der Graph zeigt die Fördermenge der erfindungsgemäßen einer Pumpe über der Pumpendrehzahl. Die gestrichelte Linie stellt einen idealisierten Volumenstrom ohne Strömungswiderstände I dar.
Die Kurve D zeigt einen Verlauf eines idealisierten Volumenstroms über ein festes drosselt Element, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Man erkennt das im unteren Drehzahlbereich der Volumenstrom nahezu dem idealisierten Volumenstrom ohne Strömungswiderstand ähnelt. Hier setzt die erfindungsgemäße Lösung ein.
Die Kurve R zeigt einen Volumenstrom einer erfindungsgemäßen Pumpe mit drehzahlabhängiger Drosselfunktion. Man erkennt, dass die Fördermenge gerade im Bereich kleiner Pumpendrehzahlen deutlich reduziert wird.
Bezugszeichenliste

1: Gerotorpumpe
2: Gehäuse
3: Flansch
4: Innenrotor
5: Außenrotor
6: Welle
7: Sauganschluss
8: Druckanschluss
13: Verbindungsbohrung
15: Stator
22: Entlastungsbereich
26: Abstrombohrung
30: Elektromotor
31: Rotor
33: Motorraum
36: Magnet
50: Regelschieber
51: Abstromverbindung Saugraum
52: Feder
53: Regelkante
54: Kugel
55: Ausnehmung
60: Fliehkraft-Regelschieber
63: Regelkante
64: Feder
65: Stopfen
66: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017223715 [0004]

Claims

Gerotorpumpe (1) mit einem Innenrotor (4) und einem Außenrotor (5), der auch Rotor (31) eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse (2) und einem das Gehäuse (2) mit dem Motorraum (33) verschließenden Flansch (3), wobei der Rotor (31) auf einer Welle (6) angeordnet ist, wobei mindestens eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Entlastungsbereich (22) der Gerotorpumpe (1) und dem Sauganschluss (7) der Gerotorpumpe (1) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleich durch eine variable Drossel erfolgt.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einer Abstrombohrung (26) in der Welle (6) sowie mindestens einer Ausnehmung (55) zwischen Abstrombohrung (26) und dem Sauganschluss (7) besteht, wobei in der Ausnehmung (55) eine druckabhängiger Regelschieber (50) angeordnet ist.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einer Abstrombohrung (26) in der Welle (6), sowie mindestens einer Verbindung (13) zwischen der Abstrombohrung (26) der Welle (6) und dem Sauganschluss (7) der Gerotorpumpe (1) besteht, wobei auf dem Rotor (31) ein Fliehkraft-Regelschieber eine Öffnung (66) zwischen Entlastungsbereich (22) und Motorraum (33) regelnd verschließt.
Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom der Gerotorpumpe (1) nichtlinear mit der Pumpendrehzahl ansteigt, wobei der Anstieg unterproportional erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass ein Zufluss von unter Druck stehende Medium in den Motorraum (33) der Gerotorpumpe (1) erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum (33) und dem Entlastungsbereich (22) vorliegt, über die das Medium abgeführt wird, wobei ein Regelschieber (50) durch Druckaufbau im Sinne einer regelungstechnischen Mitkopplung den Durchfluss regelt.
Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass ein Zufluss von unter Druck stehende Medium in den Motorraum (33) der Gerotorpumpe (1) erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum (33) und dem Entlastungsbereich (22) vorliegt, über die das Medium abgeführt wird, wobei ein Fliehkraft-Regelschieber (60) eine Öffnung (66) durch Fliehkräfte infolge der Rotation des Rotors regelbar verschliesst.