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Die
Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe mit
einer Verstellung ihres spezifischen Fördervolumens. Die Pumpe umfasst
wenigstens zwei drehgelagerte Förderräder, die
miteinander in einem Fördereingriff
sind, um bei einem Drehantrieb von wenigstens einem der Förderräder ein
Arbeitsfluid unter Druckerhöhung
von einer Niederdruckseite der Pumpe zu einer Hochdruckseite der
Pumpe zu fördern.
In bevorzugten Verwendungen dient die Pumpe der Versorgung eines
Verbrennungsmotors mit Schmieröl,
d.h. sie bildet in dieser Verwendung die Schmierölpumpe des Motors. Als spezifisches
Fördervolumen wird
das auf eine Drehzahl von einem der Förderräder bezogene Fördervolumen
der Pumpe [Fördervolumen/Drehzahl]
verstanden.
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Bei
Verdrängerpumpen,
beispielsweise Zahnradpumpen, ist das spezifische Fördervolumen konstant
und das Fördervolumen
daher proportional der Drehzahl der Förderräder, solange der Füllgrad der
von den Förderrädern gebildeten
Förderzellen 100
% ist.
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In
vielen Anwendungsfällen
ist diese Proportionalität
störend.
Bei einer Presse beispielsweise ist für den Eilgang eine hohe Liefermenge
an Drucköl notwendig,
in der Endphase des Arbeitshubs der Presse wird jedoch nur noch
hoher Druck gefordert, während
der Bedarf an Öl-Fördervolumen
auf Null zurückgeht.
Da die Antriebsdrehzahl der Pumpe in der Regel konstant bleibt,
entsteht ein unter hohem Druck stehender Ölstromüberschuss, der Energieverlust
behaftet in einen Öltank
zurückströmt.
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Störend ist
ein Ölstromüberschuss
beispielsweise auch bei Motorschmierpumpen und Ölversorgungspumpen von automatischen
Getrieben von Kraftfahrzeugen. Diese Aggregate benötigen zwar bei
niedriger Motordrehzahl und damit niedriger Pumpendrehzahl, insbesondere
im Leerlauf, ein Mindestfördervolumen
und bei hoher Drehzahl einen Mindestöldruck, der Fluidbedarf bei
höherer
Drehzahl liegt aber weit unterhalb der Proportionalitätslinie.
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Das
spezifische Fördervolumen
von Pumpen sollte dem Bedarf des Verbrauchers, beispielsweise ein
Verbrennungsmotor, ein Automatikgetriebe oder eine Presse, angepasst
sein, d.h. es sollte verstellbar sein. Die Verstellung des spezifischen
Fördervolumens
erfolgt bei bekannten Verdrängerpumpen durch
eine Verstellung des Fördereingriffs
der Förderräder. Hierfür sind eine
ganze Reihe von Verstellmechanismen bekannt.
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In
der
DE 198 47 132
C2 wird eine Außenzahnradpumpe
beschrieben, deren spezifisches Fördervolumen abgeregelt ist,
so dass es ab einer vorgegebenen Grenzdrehzahl mit weiter steigender
Antriebsdrehzahl der Pumpe nur noch unterproportional zur Drehzahl
steigt oder sogar konstant bleibt. Die Pumpe weist zwei außenverzahnte
Stirnräder
auf, die in einer Förderkammer
der Pumpe aufgenommen sind und miteinander kämmen. Der Fördereingriff wird durch den
Zahneingriff der beiden Stirnräder
gebildet. Um das spezifische Fördervolumen
der Pumpe zu begrenzen, ist eines der beiden Stirnräder auf einem
Kolben drehgelagert. Der Kolben ist in einem Gehäuse der Pumpe geradverschiebbar
aufgenommen und wird zum Zwecke seiner Verschiebung auf einer Kolbenseite
mit dem von der Pumpe geförderten
Fluid von der Hochdruckseite der Pumpe beaufschlagt. Dem Fluiddruck
wirkt auf der gegenüberliegenden
Kolbenseite ein Federelement entgegen. Aus dem Kräftegleichgewicht
von Fluiddruck und Federkraft ergibt sich die Verschiebeposition
des Kolbens und damit auch die axiale Position des auf dem Kolben
gelagerten Stirnrads relativ zu den anderen, nicht verschiebbaren
Stirnrad. Es wird daher durch die Verschiebebewegung des Kolbens
die axiale Eingriffslänge
der beiden Stirnräder
und dadurch das spezifische Fördervolumen
der Pumpe verändert. Der
Kolben wird mit dem Fluid der Hochdruckseite so beaufschlagt, dass
mit zunehmendem Fluiddruck die Eingriffslänge der beiden Stirnräder gegen
die rückstellende
Federkraft des Federelements verringert wird.
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In
Bezug auf die Verstellung des spezifischen Fördervolumens vergleichbare
Außenzahnradpumpen
sind aus der
DE 41
21 074 A1 und der
DE 35
28 651 A1 bekannt.
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Aus
der
EP 1 182 351 A1 ist
auch eine Innenzahnradpumpe bekannt, deren spezifisches Fördervolumen
verstellbar ist. Die Pumpe weist ein außenverzahntes Innenrad und
ein innenverzahntes Hohlrad auf, die um exzentrische Drehachsen
in einer Förderkammer
des Pumpengehäuses
drehbar aufgenommen sind und für
die Fluidförderung
drehangetrieben werden. Die beiden Förderräder bilden in Drehrichtung
von einer Stelle tiefsten Zahneingriffs bis zu einer Stelle geringsten
Zahneingriffs expandierende Förderzellen
und von der Stelle geringsten Zahneingriffs bis zu der Stelle tiefsten
Zahneingriffs komprimierende Förderzellen.
Im Bereich der expandierenden Förderzellen
mündet
ein Einlass in die Förderkammer
und im Bereich der komprimierenden Förderzellen mündet in
die Kammer ein Auslass. Die expandierenden Fluidzellen saugen Fluid
von dem Einlass an, und die komprimierenden Förderzellen verdrängen das
Fluid durch den Auslass. Um das spezifische Fördervolumen der Pumpe verstellen
zu können,
ist das Hohlrad in einem Exzenterring drehbar gelagert. Der Exzenterring
ist in dem Gehäuse um
eine zu der Drehachse des Hohlrads exzentrische Drehachse ebenfalls
drehbar gelagert. Durch eine Verstellung der Drehwinkelposition
des Exzenterrings relativ zu dem Einlass und dem Auslass wird die
Verstellung des spezifischen Fördervolumens vorgenommen.
Um die Drehwinkelposition des Exzenterrings zu verstellen, wirkt
ein Kolben über
eine Zahnstange auf den Exzenterring, so dass axiale Kolbenbewegungen
in Verstelldrehbewegungen des Exzenterrings übertragen werden. Der Kolben
wird, wie bereits der Kolben bei den bekannten Außenzahnradpumpen,
auf einer Seite mit dem Fluiddruck der Hochdruckseite beaufschlagt
und dem Fluiddruck entgegenwirkend mit der Federkraft eines rückstellenden
Federelements.
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Die
bekannten Verstellmechanismen erfordern große Rückstellkräfte während des gesamten Pumpenbetriebs.
Falls das Rückstellelement,
das dem auf den Kolben wirkenden Fluiddruck entgegenwirkt, ein Federelement
ist, muss der Federraum, der das Federelement aufnimmt, wegen der
erforderlichen Federkräfte
sehr lang sein. Gegebenenfalls muss das Federelement als Mehrfachfeder,
beispielsweise Doppelfeder, ausgebildet sein.
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Aus
der
DE 100 43 842
A1 ist eine Zahnradpumpe bekannt, deren spezifisches Fördervolumen verstellbar
ist. Die Pumpe umfasst eine fördermengenverändernde
Verschiebeeinheit, die zwischen einer ersten Druckkammer und einer
zweiten Druckkammer verschiebbar ist, wobei in der zweiten Druckkammer
eine auf die Verschiebeeinheit wirkende Druckfeder angeordnet ist.
Die Druckkammern sind über
eine Verbindungsleitung, in der eine Drossel angeordnet ist, in
hydraulischer Wirkverbindung. Die zweite Druckkammer ist über die
Drossel in allen Betriebszuständen
der Pumpe mit deren Hochdruckseite verbunden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Verdrängerpumpe zu schaffen, die
eine raumsparende, preiswerte und im Dauerbetrieb standfeste Verstelleinrichtung
für eine
Verstellung des spezifischen Fördervolumens
der Pumpe aufweist.
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Die
Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe, deren
spezifisches Fördervolumen
verstellbar ist und die ein Gehäuse
mit einer Förderkammer,
wenigstens zwei in der Förderkammer
aufgenommene Förderräder und
eine Verstelleinrichtung für
die Verstellung ihres spezifischen Fördervolumens umfasst. In die
Förderkammer
münden
wenigstens ein Einlass und wenigstens ein Auslass für ein von
der Pumpe zu förderndes
Fluid. Der Einlass ist mit einer Niederdruckseite der Pumpe und
der Auslass ist mit einer Hochdruckseite der Pumpe verbunden. Als
Niederdruckseite wird das gesamte Fluidführungssystem von einem Fluidreservoir
bis hin zu dem Einlass in die Förderkammer,
d.h. das gesamte Fluidführungssystem
stromaufwärts
von dem Einlass einschließlich der
in dem Gehäuse
gebildeten Fluidzuführkanäle verstanden.
Als Hochdruckseite wird das gesamte Fluidführungssystem unmittelbar stromabwärts von dem
Auslass aus der Förderkammer
bis wenigstens zu einem nächsten
Aggregat verstanden, das von der Pumpe mit dem Fluid versorgt wird.
Muss eine Mehrzahl von Aggregaten versorgt werden, so bildet derjenige
Teil des Fluidführungssystems
die Hochdruckseite, der sich von dem Abfluss stromabwärts bis
wenigstens einschließlich
dem letzten der zu versorgenden Aggregate erstreckt.
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Die
wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei, Förderräder sind drehantreibbar und
stehen miteinander in einem Fördereingriff,
um das Fluid unter Druckerhöhung
von dem Einlass zu dem Auslass zu fördern. Um das spezifische Fördervolumen
der Pumpe verstellen zu können,
sind die Förderräder relativ
zueinander oder relativ zu dem Zufluss oder relativ zu dem Abfluss
oder relativ zu dem Zufluss und dem Abfluss verstellbar.
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Die
Verstelleinrichtung umfasst einen Kolben, der für die Verstellung der Förderräder mit
wenigstens einem der Förderräder gekoppelt
ist. Die Kopplung kann insbesondere bei Ausbildung der Verdrärngerpumpe
als Außenzahnradpumpe
darin bestehen, dass eines der Förderräder, wie
bei den bekannten Außenzahnradpumpen,
auf dem Kolben drehgelagert und zusammen mit dem Kolben und relativ
zu dem anderen Förderrad
axial verschiebbar ist. Die Kopplung kann jedoch auch erst von einem Verstellgetriebe
gebildet werden, das eine Verstellbewegung des Kolbens in eine Verstellbewegung
der Förderräder umwandelt.
Ein Beispiel für
solch eine Kopplung ist für
eine Innenzahnradpumpe beispielsweise aus der genannten
EP 1 182 351 A1 bekannt.
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Zu
der Verstelleinrichtung gehören
ferner ein erster Druckraum und ein zweiter Druckraum je für eine Beaufschlagung
des Kolbens mit dem Fluiddruck der Hochdruckseite. Der Kolben ragt
mit einer ersten Kolbenfläche
in den ersten Druckraum und mit einer zweiten Kolbenfläche in den
zweiten Druckraum. Der in dem ersten Druckraum auf den Kolben wirkende
Fluiddruck wirkt dem in der zweiten Druckkammer auf den Kolben wirkenden
Fluiddruck entgegen. Die beiden Druckräume sind je über eine
Fluidverbindung mit der Hochdruckseite verbunden.
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Die
Verstelleinrichtung umfasst ferner ein Federelement, vorzugsweise
eine mechanische Feder, das dem in dem ersten Druckraum auf den
Kolben wirkenden Fluiddruck entgegenwirkt. Ein Federraum, in dem
das Federelement angeordnet ist, wird vorzugsweise von dem zweiten
Druckraum gebildet. Grundsätzlich
wäre es
jedoch auch denkbar, dass das Federelement außerhalb des zweiten Druckraums
angeordnet ist und dem Fluiddruck in dem ersten Druckraum entgegenwirkt.
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In
einer Ausgangsstellung des Kolbens sind die Fluiddrücke in den
beiden Druckräumen
vorzugsweise gleich, so dass das Federelement in der Ruhestellung
nicht mit Fluiddruck belastet ist. Die Fluiddrücke können grundsätzlich jedoch auch in der Ausgangsstellung unterschiedlich
gewählt
sein. So kann der Fluiddruck in der zweiten Druckkammer kleiner sein
als der Fluiddruck in der ersten Druckkammer, um das Federelement
in der Ausgangsstellung des Kolbens unter einer Vorspannung zu halten.
In der Ausgangsstellung des Kolbens ist die Stellung der Förderräder vorzugsweise
so, dass die Pumpe ihr größtes spezifisches
Fördervolumen
aufweist. Durch die Verstellbewegung des Kolbens gegen die Federkraft
des Federelements wird das spezifische Fördervolumen in dieser bevorzugten
Ausführung
somit verkleinert. Es ist aber durchaus auch ein anderer Verlauf
des spezifischen Fördervolumens über der Drehzahl
denkbar, in dem das spezifische Fördervolumen von einem der Ausgangsstellung
des Kolbens entsprechenden Ausgangswert mit zunehmender Drehzahl
beispielsweise zunächst
steigt und bei Überschreiten
einer dem maximalen spezifischen Fördervolumen entsprechenden
Antriebsdrehzahl abfällt.
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Die
Verstelleinrichtung weist des Weiteren einen Regler auf, der den
Fluiddruck von wenigstens einem der beiden Druckräume in Abhängigkeit
von einer für
die Fluidförderung
maßgeblichen
Regelgröße der Hochdruckseite
regelt, so dass sich eine in Bezug auf das spezifische Fördervolumen
vorteilhafte Fördercharakteristik
der Pumpe einstellt. Die Regelgröße wird
an der Hochdruckseite abgenommen und kann beispielsweise die Temperatur
des Fluids oder eines zu versorgenden Aggregats, die Viskosität des Fluids
oder die Drehzahl eines Hubkolbenmotors sein, den die Pumpe mit
Schmieröl
versorgt. Vorzugsweise ist jedoch der Fluiddruck die Regelgröße und wird
im folgenden zur Unterscheidung von anderen Fluiddrücken als
Fluidregeldruck bezeichnet, um auf die Verwendung als Regelgröße hinzuweisen. Der
Fluidregeldruck kann insbesondere unmittelbar einem als Fluidikregler
ausgebildeten Regler aufgegeben werden, um den Regler zu beeinflussen.
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Vorzugsweise
wird durch den Regler der Druck des zweiten Druckraums verändert, beispielsweise
mit steigendem Fluidregeldruck kontinuierlich oder bevorzugter in
einer oder mehreren Stufen verkleinert. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, mit
steigendem Fluidregeldruck den Druck des ersten Druckraums stattdessen
zu vergrößern. Denkbar wäre es auch,
die Drücke
in beiden Druckräumen
abgestimmt zu regeln, um die gewünschte
Fördercharakteristik
zu erhalten.
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Der
Regler ist vorzugsweise ein Mehrzustandsregler, der mehrere diskrete
Schaltzustände bzw.
Schaltstellungen einnehmen kann. Welche der Schaltstellungen der
Regler einnimmt, wird von der Regelgröße bestimmt. Werden als Regelgröße der Fluidregeldruck
und als Regler ein Fluidikregler; insbesondere ein Regelventil,
verwendet, so wird die Schaltstellung bevorzugt durch die Differenz
aus der Kraft, die der Fluidregeldruck ausübt, und einer dem Fluidregeldruck
entgegenwirkenden Rückstellkraft bestimmt.
In einer einfachen, besonders bevorzugten Ausführung ist der Regler ein Zweizustandsregler, der
den zweiten Druckraum in einer ersten von zwei Schaltstellungen
mit der Hochdruckseite der Pumpe und in der zweiten Schaltstellung
mit der Niederdruckseite der Pumpe verbindet. Vorzugsweise bildet ein
Regelventil den Regler, besonders bevorzugt ein Mehrwegeventil mit
wenigstens zwei Schaltstellungen.
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Die
Verdrängerpumpe
ist vorzugsweise als Zahnradpumpe ausgeführt, wobei sowohl Außenzahnradpumpen
als auch Innenzahnradpumpen bevorzugte Ausführungsbeispiele sind. Bildet
eine Außenzahnradpumpe
die Verdrängerpumpe,
so werden das erste und das zweite Förderrad je von einem außenverzahnten
Stirnrad gebildet. Die Förderkammer wird
im Wesentlichen von den Mantelflächen
des Gehäuses,
die die in Zahneingriff befindlichen Stirnräder umgeben, und Dichtflächen gebildet,
die den Stirnflächen
der Stirnräder
axial zugewandt gegenüberliegen.
Eines der beiden Stirnräder
ist auf dem Kolben drehgelagert und zusammen mit dem Kolben in dem Gehäuse relativ
zu dem anderen Stirnrad axial geradverschiebbar. Der Kolben bildet
die dem derart bewegbar gelagerten Stirnrad axial zugewandten Dichtflächen der
Förderkammer.
Der erste Druckraum und der zweite Druckraum befinden sich in der
dieser Ausführung
in der axialen Verlängerung
zu beiden Seiten des verschiebbaren Stirnrads. Bevorzugte Details
einer Außenzahnradpumpe
werden in der
DE 198
47 132 C2 beschrieben.
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Bildet
eine Innenzahnradpumpe die Verdrängerpumpe,
so bildet ein Zahnradlaufsatz aus einem außenverzahnten Innenrad und
einem innenverzahnten Hohlrad, die miteinander in einem kämmenden
Zahneingriff sind, das erste und das zweite Förderrad. In Bezug auf eine
bevorzugte Ausführung wird
auf Anspruch 9 verwiesen.
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Ferner
wird in Bezug auf weitere besonders bevorzugte Merkmale der Erfindung
auch auf die Unteransprüche
hingewiesen.
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Anhand
von Figuren werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Außenzahnradpumpe
in einem Längsschnitt,
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2 die
Außenzahnradpumpe
in einem Querschnitt,
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3 eine
Innenzahnradpumpe in einer Ausgangsstellung in einem Querschnitt,
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4 die
Innenzahnradpumpe in einer Endstellung,
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5 die
Innenzahnradpumpe in einem Längsschnitt
und
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6 die
Innenzahnradpumpe in einem weiteren Querschnitt.
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1 in
einem Längsschnitt
und 2 in dem Querschnitt A-A zeigen eine Außenzahnradpumpe,
die in Bezug auf ihr spezifisches Fördervolumen so geregelt wird,
dass in einem unteren Drehzahlbereich das Fördervolumen der Pumpe und zusammen
damit der Fluiddruck der Hochdruckseite mit der Drehzahl stärker ansteigen
als in einem oberen Bereich. Im Ausführungsbeispiel ist die Regelung zweistufig
mit einem konstanten spezifischen Fördervolumen in dem unteren
Drehzahlbereich bis zu der Grenzdrehzahl. Bei Erreichen der Grenzdrehzahl wird
die Pumpe abgeregelt, d.h. es wird das spezifische Fördervolumen
so verringert, dass der Fluiddruck bei einer weiteren Drehzahlerhöhung konstant bleibt.
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Ein
Gehäuse 3 der
Pumpe bildet eine Förderkammer 4,
in der ein erstes Förderrad 1 um
seine Drehachse D1 und ein zweites Förderrad 2 um
seine Drehachse D2 drehbar aufgenommen sind.
Die Förderräder 1 und 2 sind
außenverzahnte
Stirnräder.
Die beiden Außenverzahnungen
sind mit 1a und 2a bezeichnet. Die Förderräder 1 und 2 sind
mit ihren Verzahnungen 1a und 2a in einem kämmenden
Zahneingriff. In den Eingriffsbereich der Förderräder 1 und 2 mündet zu
einer Seite ein Einlass 5 und zu einer gegenüberliegenden
Seite ein Auslass 6, wie am besten in 2 zu
erkennen ist. Bei einem Drehantrieb der Förderräder 1 und 2 wird
durch den Zahneingriff Fluid von dem Einlass 5 angesaugt
und durch den Auslass 6 unter Druckerhöhung verdrängt. In 2 ist dieser
Fördervorgang durch
Richtungspfeile für das
Fluid und die Drehrichtung der Förderräder 1 und 2 angedeutet.
Die gesamte Fluidführung
in und außerhalb
der Pumpe bis zu der Druckerhöhung
wird im Sinne der Erfindung als Niederdruckseite verstanden.
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Der
Drehantrieb der Förderräder 1 und 2 erfolgt über eine
Antriebswelle, die von dem Gehäuse 3 drehgelagert
ist. Das Förderrad 1 ist
auf der Antriebswelle verdreh- und verschiebegesichert befestigt.
Das angetriebene Förderrad 1 kann
relativ zu dem Gehäuse 3 lediglich
Drehbewegungen um seine Drehachse D1 ausführen.
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Das
zweite Förderrad 2 ist
zwischen zwei Kolbenkörpern 7 und 8 auf
einem Verbindungsabschnitt, der die beiden Kolbenkörper 7 und 8 miteinander
verbindet, um seine Drehachse D2 drehbar
gelagert und relativ zu den Kolbenkörpern 7 und 8 nicht verschiebbar.
Die beiden Kolbenkörper 7 und 8 bilden
einen doppelt wirksamen Kolben, der in einer Bohrung des Gehäuses 3 entlang
der Drehachse D2 des Förderrads 2 hin und
her geradverschiebbar ist. Durch eine Verschiebebewegung, die der
Kolben 7/8 gemeinsam mit dem zweiten Förderrad 2 relativ
zu dem ersten Förderrad 1 ausführt, wird
die axiale Länge
des Zahneingriffs der beiden Förderräder 1 und 2 und
infolgedessen das spezifische Fördervolumen der
Pumpe verändert.
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Das
Gehäuse 3 bildet
zu einer Seite des Kolbens 7/8 einen ersten Druckraum 9 und
auf der anderen Seite des Kolbens 7/8 einen zweiten Druckraum 10,
der dem ersten Druckraum 9 entlang der Drehachse D2 gegenüberliegt.
Der Kolben 7/8 dichtet mit seinem Kolbenkörper 7 den
ersten Druckraum 9 und mit seinem Kolbenkörper 8 den
zweiten Druckraum 10 ab. Die in dem ersten Druckraum 9 mit
einem Druck P9 beaufschlagbare Kolbenfläche des
Kolbenkörpers 7 ist
genauso groß wie
die in dem zweiten Druckraum 10 mit einem Druck P10 beaufschlagbare Kolbenfläche des
Kolbenkörpers 8,
so dass an beiden, einander gegenüberliegenden Kolbenseiten die gleiche
Kraft auf den Kolben 7/8 wirkt, wenn in den beiden Druckräumen 9 und 10 der
gleiche Druck wirkt.
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In
dem zweiten Druckraum 10 ist eine mechanische Druckfeder
als Federelement 13 aufgenommen. Das Federelement 13 ist
axial an einem Boden des Druckraums 10 und axial gegenüberliegend
an dem Kolbenkörper 8 abgestützt. Wenn
das Federelement 13 axial unter Druckspannung steht, wirkt
es dem in dem ersten Druckraum 9 auf den Kolben 7/8 wirkenden
Fluiddruck P9 entgegen. Der zweite Druckraum 10 bildet
gleichzeitig auch den Federraum, d.h. den Einbauraum, für das Federelement 13.
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Um
die Druckräume 9 und 10 unter
Druck setzen zu können,
wird der erste Druckraum 9 von einer ersten Fluidverbindung 11 mit
der Hochdruckseite verbunden. Um auch den zweiten Druckraum 10 mit
der Hochdruckseite verbinden zu können, ist eine zweite Fluidverbindung 12 vorgesehen.
Die zweite Fluidverbindung 12 ist über ein Regelventil 15 mit
der Hochdruckseite verbunden. Das Regelventil 15 ist ein
Wegeventil mit zwei Schaltstellungen. Das Regelventil 15 verbindet
in einer in 1 dargestellten ersten Schaltstellung
die zweite Fluidverbindung 12 mit der ersten Fluidverbindung 11 und
schafft so den Anschluss des zweiten Druckraums 10 an die
Hochdruckseite. In einer zweiten Schaltstellung sperrt es die erste
Fluidverbindung 11, so dass der erste Druckraum 9 weiterhin
mit der Hochdruckseite verbunden bleibt, und verbindet den zweiten
Druckraum 10 mit der Niederdruckseite. Im Ausführungsbeispiel ist
der zweite Druckraum 10 in der zweiten Schaltstellung des
Regelventils 15 mit einem Fluidreservoir 20 verbunden.
In bevorzugten Verwendungen der Pumpe, beispielsweise als Schmierölpumpe für einen Verbrennungsmotor,
handelt es sich bei dem Fluidreservoir 20 um einen Fluidsumpf.
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Die
Fluidverbindungen 11 und 12 sind in unmittelbarer
Nähe der
Pumpe angeordnet, vorzugsweise sind sie in das Gehäuse 3 der
Pumpe integriert. Vorzugsweise ist auch das Regelventil 15 in das
Gehäuse 3 integriert
oder doch zumindest außen an
dem Gehäuse 3 montiert.
Der erste Druckraum 9 und in der ersten Schaltstellung
des Regelventils 15 auch der zweite Druckraum 10 beziehen
ihr Druckfluid somit bevorzugt von innerhalb des Gehäuses 3. Grundsätzlich wäre es jedoch
auch denkbar, dass sie ihr Druckfluid von einer geeigneten Stelle
der Hochdruckseite stromabwärts
von dem Gehäuse 3 beziehen.
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Das
Regelventil 15 wird in Abhängigkeit von einem Fluidregeldruck
PR geschaltet. Es wird von einem Rückstellelement 16,
das im Ausführungsbeispiel
als mechanisches Federelement ausgeführt ist, in der ersten Schaltstellung
gehalten, die einer Ausgangsstellung des Regelventils 15 und
des Kolbens 7/8 entspricht. Das Rückstellelement 16 wirkt
dem Fluidregeldruck PR entgegen. Sobald
der Fluidregeldruck PR einen Grenzdruck
erreicht hat, springt das Regelventil 15 gegen die rückstellende
Kraft des Rückstellelements 16 aus
der ersten Schaltstellung in seine zweite Schaltstellung.
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Der
Fluidregeldruck PR wird von der Hochdruckseite
der Pumpe abgenommen. Grundsätzlich kann
er zwar unmittelbar in der Förderkammer 4 an deren
Hochdruckseite, an deren Auslass 6, von innerhalb des Gehäuses 3 hinter
der Förderkammer 4 oder
in unmittelbarer Nähe
stromabwärts
von dem Gehäuse 3 abgenommen
werden, bevorzugt wird jedoch der Fluidregeldruck PR an
einer Stelle der Hochdruckseite abgenommen, an der der Fluiddruck
dem Fluiddruck eines von der Pumpe mit dem Fluid zu versorgenden
Verbrauchers möglichst
genau entspricht. Handelt es sich bei dem Verbraucher beispielsweise
um den Hubkolbenmotor eines Kraftfahrzeugs, so ist der Fluidregeldruck
PR vorzugsweise der Druck der sogenannten
Hauptgalerie. Dementsprechend ist das Regelventil 15 über eine
Fluidverbindung mit der betreffenden Stelle der Hochdruckseite verbunden.
Eine geeignete Stelle für
die Abnahme des Fluidregeldrucks PR befindet
sich insbesondere zwischen dem Verbraucher und einem letzten Filter
vor dem Verbraucher.
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Die
Wirkungsweise der Pumpenregelung wird nachfolgend für eine bevorzugte
Verwendung der Pumpe als Schmierölpumpe
für einen
Hubkolbenmotor beschrieben, wobei unterstellt wird, dass die Pumpe
von der Kurbelwelle des Motors unmittelbar oder über ein Getriebe und somit
in Abhängigkeit von
der Drehzahl des Motors angetrieben wird.
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Die
Einstellung des Regelventils 15 ist derart, dass es in
einem unteren Drehzahlbereich des Motors, der sich bei beispielsweise
einem Personenkraftwagen bis 1500 oder auch 2000 Umdrehungen pro
Minute erstrecken kann, seine erste Schaltstellung einnimmt, in
der es beide Druckräume 9 und 10 mit
der Hochdruckseite verbindet und in beiden Druckräumen der
gleiche Druck P9 = P10 der
Hochdruckseite herrscht. Der Druck P10 im
zweiten Druckraum 10 ist in dem unteren Motordrehzahlbereich
daher genauso hoch wie der Druck P9 im ersten
Druckraum 9. Im unteren Drehzahlbereich, insbesondere im
Motorleerlauf, wird ein möglichst
großes
spezifisches Fördervolumen
gewünscht,
um die Schmierölversorgung
des Motors auch bei geringen Drehzahlen sicherstellen zu können. In der
ersten Schaltstellung des Regelventils 15 ist die axiale
Eingriffslänge der
beiden Förderräder 1 und 2 daher,
wie in 1 dargestellt, maximal. Die maximale Eingriffslänge entspricht
im Ausführungsbeispiel
der Länge
der beiden gleich langen Förderräder 1 und 2.
Sie wird bei Nullförderung,
insbesondere im Stillstand der Förderräder 1 und 2,
und, wie gesagt, im unteren Drehzahlbereich des Motors und damit
auch im unteren Drehzahlbereich der Förderräder 1 und 2 bis
zu einer von dem Regelventil 15 vorgegebenen Grenzdrehzahl beibehalten.
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Das
erste Förderrad 1 wird
um seine Drehachse D1 von der Kurbelwelle
her drehangetrieben und treibt über
den Zahneingriff das zweite Förderrad 2
um dessen Drehachse D2 ebenfalls an. Durch
den Zahneingriff wird Schmieröl
von der Niederdruckseite, d.h. vom Ölsumpf 20 durch den
Einlass 5 in die Förderkammer 4 angesaugt.
In der Förderkammer 4 erfolgt
die Fluidförderung
durch einen Förderraum, der
von Mantelflächen
des Gehäuses 3 um
die Zahnkopfkreise der Förderräder 1 und 2 herum
sowie von axialen Dichtflächen
dicht umschlossen wird, zu dem Auslass 6. Die axialen Dichtflächen werden
für das Förderrad 1 von
dem Gehäuse 3 und
für das
Förderrad 2 von
den beiden Kolbenkörpern 7 und 8 gebildet. Auf
der Hochdruckseite der Pumpe wird das Öl über einen Ölfilter zu dem Motor gefördert, hinter
dem Motor in einem Kühler
gekühlt
und schließlich
in den Sumpf 20 zurückgeführt und
dabei auf den Druck der Niederdruckseite entspannt.
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Wird
die Motordrehzahl und damit gleichzeitig auch die Pumpendrehzahl
erhöht,
so erhöht
sich der Fluidregeldruck PR entsprechend
der Pumpencharakteristik. Ist die Grenzdrehzahl erreicht, ist auch der
Fluidregeldruck PR so groß, dass
unter seiner Wirkung das Regelventil 15 in seine zweite
Schaltstellung umschaltet. Der zweite Druckraum 10 ist
in der zweiten Schaltstellung des Regelventils 15 mit der
Niederdruckseite, nämlich
mit dem Sumpf 20 verbunden. Im zweiten Schaltzustand des
Regelventils 15 stehen somit der erste Druckraum 9 unter
dem hohen Druck P9 der Hochdruckseite und
der zweite Druckraum 10 unter dem dagegen vernachlässigbaren
Druck P10 der Niederdruckseite. Der Kolben 7/8 und
damit zusammen das von ihm drehgelagerte zweite Förderrad 2 werden
unter der Wirkung des Drucks P9 gegen die
Elastizitätskraft
des Federelements 13 axial verschoben. Durch die Verschiebung wird
die Eingriffslänge
der Förderräder 1 und 2 und damit einhergehend
das spezifische Fördervolumen der
Pumpe verringert. Die Verringerung des spezifischen Fördervolumens
hat eine Absenkung des Fluiddrucks auf der Hochdruckseite, d.h.
des Fluidregeldrucks PR, zur Folge. Fällt der
Fluidregeldruck PR unter den Grenzwert,
so fällt
das Regelventil 15 wieder in seine erste Schaltstellung
zurück,
in der es den zweiten Druckraum 10 über die beiden Fluidverbindungen 11 und 12 mit
dem ersten Druckraum 9 verbindet. Die Pumpe wird somit
ab Erreichen der Grenzdrehzahl auf Einhaltung des Grenzwerts des Fluidregeldrucks
PR geregelt. Durch die Regelung wird eine
Druckbegrenzung und damit auch eine Fördervolumenbegrenzung der Pumpe
erhalten. Der Fluiddruck der Hochdruckseite steigt im unteren Drehzahlbereich
des angetriebenen ersten Förderrads 1 bis
zu der Grenzdrehzahl im Wesentlichen proportional zu der Drehzahl
und knickt bei der Grenzdrehzahl in eine Horizontale ab, d.h. der
Fluiddruck der Hochdruckseite bleibt in dem Drehzahlbereich über der
Grenzdrehzahl konstant.
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Durch
Ersatz des Regelventils 15 durch ein anderes Regelventil
mit mehr als zwei Schaltstellungen können auch andere Druckverläufe verwirklicht werden.
So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der geschilderte
Druckverlauf in dem unteren Drehzahlbereich und einem sich daran
anschließenden
mittleren Drehzahlbereich eingestellt wird, der Fluiddruck der Hochdruckseite
aber in einem sich an den mittleren Drehzahlbereich anschließenden hohen
Drehzahlbereich wieder mit der Drehzahl des angetriebenen ersten
Förderrads 1 ansteigt.
Für die Verwirklichung
solch eines Druckverlaufs könnte
das Regelventil 15 des Ausführungsbeispiels durch ein Regelventil
mit drei Schaltstellungen ersetzt werden und den zweiten Druckraum 10 im
oberen Drehzahlbereich über
ein Druckreduzierelement, beispielsweise eine Blende, mit der Hochdruckseite
verbinden, um das Federelement 13 zu unterstützen.
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Die 3 bis 6 zeigen
eine Innenzahnradpumpe mit ebenfalls einer erfindungsgemäßen Verstellung
des spezifischen Fördervolumens
der Pumpe.
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Die 3 und 4 zeigen
die Innenzahnradpumpe je in einem Querschnitt. Das erste Förderrad 1 der
Innenzahnradpumpe wird von einem drehangetriebenen Innenrad mit
einer Außenverzahnung 1a gebildet.
Das zweite Förderrad 2 wird
von einem Hohlrad mit einer Innenverzahnung 2i gebildet. Die
Außenverzahnung 1a hat
einen Zahn weniger als die Innenverzahnung 2i. Das erste
Förderrad 1 sitzt verdrehsicher
auf einer drehangetriebenen Welle. Das zweite Förderrad 2 ist in dem
Gehäuse 3 der Pumpe
drehbar gelagert. Die Drehachse D1 des ersten
Förderrads 1 verläuft parallel
beabstandet, d.h. exzentrisch, zu der Drehachse D2 des
zweiten Förderrads 2.
Die Exzentrizität
ist mit „e" bezeichnet.
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Das
erste Förderrad 1 und
das zweite Förderrad 2 bilden
zwischen sich einen Fluidförderraum, der
in gegeneinander druckdicht abgeschlossene Förderzellen 24 unterteilt
ist. Die einzelnen Förderzellen 24 sind
jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen des ersten Förderrads 1 und
des zweiten Förderrads 2 gebildet.
Von einem Ort tiefsten Zahneingriffs bis zu einem Ort geringsten
Zahneingriffs werden die Förderzellen 24 in
Drehrichtung zunehmend größer, um
anschließend
von dem Ort geringsten Zahneingriffs bis zu dem Ort tiefsten Zahneingriffs
wieder abzunehmen. Die größer werdenden, d.h.
expandierenden Förderzellen 24 sind
mit dem Einlass 5 der Förderkammer 4 und
die kleiner werdenden, d.h. komprimierenden Förderzellen 24 sind mit
dem Auslass 6 der Förderkammer 4 verbunden. Der
Einlass 5 und der Auslass 6 wird durch seitlich
an die Förderzellen 25 sich
anschließende,
nierenförmige
Nutöffnungen
in Dichtflächen
des Gehäuses 3 gebildet,
die den Förderrädern 1 und 2 axial
zugewandt gegenüberliegen.
Die den Einlass 5 bildende Öffnung überdeckt expandierende Förderzellen 24 und
die den Auslass 6 bildende Öffnung überdeckt komprimierende Förderzellen 24 der
beiden Förderräder 1 und 2.
Im Bereich des Orts tiefsten Zahneingriffs und im Bereich des Orts
geringsten Zahneingriffs bildet das Gehäuse Dichtstege zwischen dem
Einlass 5 und dem Auslass 6. Bei einem Drehantreiben
der Förderräder 1 und 2 wird
Fluid von den expandierenden Förderzellen 24 von
der Niederdruckseite angesaugt, über
den Ort geringsten Zahneingriffs transportiert und auf der Hochdruckseite
unter höherem Druck
durch den Auslass 6 verdrängt.
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Um
das spezifische Fördervolumen
verändern
zu können,
ist das zweite Förderrad 2 in
einem Exzenterring 21 aufgenommen, der von dem Gehäuse 3 drehbar
gelagert wird und relativ zu dem Gehäuse 3 in Bezug auf
seine Drehwinkelposition verstellt werden kann. Das zweite Förderrad 2 ist
in dem Exzenterring 21 mittels eines Gleitdrehlagers frei
drehbar gelagert. 3 zeigt den Exzenterring 21 und
die Förderräder 1 und 2 in
einer Ausgangsstellung, in der das spezifische Fördervolumen der Pumpe sein
Maximum aufweist. Indem der Exzenterring 21 gegen die Drehrichtung
der Förderräder 1 und 2 gedreht wird,
wandert die Drehachse D2 des zweiten Förderrads 2 aus
der Ausgangsstellung entgegen der Drehrichtung um die Drehachse
D1 des ersten Förderrads 1. 4 zeigt
den Exzenterring 21 in seiner Endstellung, in der das spezifische
Fördervolumen
der Pumpe sein Minimum erreicht hat. Die in 4 gezeigte Endstellung
ist die Nullstellung der Pumpe, in der im Idealfall kein Fluid gefördert wird.
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Die 5 und 6 zeigen
einen Verstellmechanismus zur Verstellung der Drehwinkelposition des
Exzenterrings 21. Der Exzenterring 21 ist topfförmig mit
einem Ringkörper,
der den eigentlichen Exzenterring als Topfwandung bildet, einem
Topfboden und einem von dem Topfboden axial abragenden Zapfen 22.
Der Zapfen 22 ist zu dem Ringkörper des Exzenterrings 21 konzentrisch.
Der Zapfen 22 ist mit einer Stirnverzahnung 23 versehen.
Die Verzahnung 23 ist mit der Verzahnung 26 eines
Kolbens 25 in Zahneingriff. Der Kolben 25 ist
in dem Gehäuse 3 der Pumpe
hin und her verschiebbar gelagert und bildet mit seiner Verzahnung 26 eine
Zahnstange. Der Kolben 25 dichtet an einer Kolbenseite
einen ersten Druckraum 9 und an einer zweiten Kolbenseite
einen zweiten Druckraum 10 ab.
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Was
die Beaufschlagung des Kolbens 25 mit dem Druckfluid der
Hochdruckseite anbetrifft, entspricht der Kolben 25 des
zweiten Ausführungsbeispiels
dem Kolben 7/8 des ersten Ausführungsbeispiels. Auch das Federelement 13 entspricht
seiner Funktion nach demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Der Regelkreis
zur Beaufschlagung der beiden Druckräume 9 und 10 mit
dem Druckfluid der Hochdruckseite einschließlich des Regelventils für die von
Fluidregeldruck abhängige
Druckbeaufschlagung oder Druckentlastung des zweiten Druckraums 10 entspricht
ebenfalls dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen
zum ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen sei.
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Durch
die per Fluiddruck und Federelement 13 bewirkte Verschiebung
des Kolbens 25 wird über den
Zahneingriff der beiden Verzahnungen 26 und 23 der
Exzenterring 21 um seine Drehachse D1 verdreht. Die
Drehverstellung des Exzenterrings 21 bewirkt, wie bereits
geschildert, die Drehverstellung der Förderräder 1 und 2 relativ
zu dem Einlass 5 und dem Auslass 6 in die Förderkammer 4 der
Pumpe. Im Ergebnis wird für
die Innenzahnradpumpe die gleiche Art der Verstellung des spezifischen
Fördervolumens wie
bei der Außenzahnradpumpe
des ersten Ausführungsbeispiels
erhalten.
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In
Bezug auf weitere Details der Innenzahnradpumpe und deren Verstellung
wird die
EP 1 182 351
A1 der Anmelderin in Bezug genommen, so dass auf eine ausführlichere
Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
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- 1
- Förderrad
- 1a
- Verzahnung
- 2
- Förderrad
- 2a,
2i
- Verzahnung
- 3
- Gehäuse
- 4
- Förderkammer
- 5
- Einlass
- 6
- Auslass
- 7
- Kolbenkörper
- 8
- Kolbenkörper
- 9
- Druckraum
- 10
- Druckraum
- 11
- Fluidverbindung
- 12
- Fluidverbindung
- 13
- Federelement
- 14
-
- 15
- Regler,
Regelventil
- 16
- Rückstellelement
- 17
-
- 18
-
- 19
-
- 20
- Fluidsumpf
- 21
- Exzenterring
- 22
- Zapfen
- 23
- Verzahnung
- 24
- Förderzellen
- 25
- Kolben
- 26
- Verzahnung
- D1
- Drehachse
- D2
- Drehachse
- P9
- Fluiddruck
- P10
- Fluiddruck
- PR
- Fluidregeldruck