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Hydrauliksystem
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Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem mit Hydraulikpumpe, in
welchem der Förderstrom oder Förderdruck der Pumpe durch Verstellung einer Drossel
gesteuert oder geregelt wird. Derartige Hydrauliksysteme haben den Nachteil, daß
die Drosselung des Förderstroms eine Verlustarbeit bedeutet.
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Daher ist die Steuerung oder Regelung der Fördermenge oder des Förderdrucks
einer mit konstanter Drehzahl laufenden Pumpe stets in hohem Maße verlustbehaftet.
Einen Ausweg sucht man darin, daß die Pumpendrehzahl in Abhängigkeit von der gewünschten
Fördermenge oder dem gewünschten Förderdruck gesteuert oder geregelt wird. Diese
Möglichkeit ist jedoch nur in Grenzen einsetzbar, schon deswegen, weil hierzu die
Hydraulikpumpe durch einen drehzahlsteuerbaren Motor angetrieben werden muß.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, in einem Hydrauliksystem
den Förderstrom und/oder den Förderdruck ohne Verstellung der Pumpendrehzahl, aber
auch ohne eine Verlustarbeit durch Drosselung herbeizuführen.
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Dieses Hydrauliksystem zeichnet sich dadurch aus, daß als Hydraulikpumpe
eine Rotationszellenpumpe eingesetzt wird, die aus einer Mehrzahl einzelner Kompressionszellen
besteht. Jede dieser Kompressionszellen weist einen Auslaß auf, der mit einem Rückschlagventil
versehen ist und der in den allen Auslaßzellen gemeinsamen Förderkanal der Pumpe
einmündet. Die Beschickung der Kompressionszellen mit der Hydraulikflüssigkeit erfolgt
über einen Einlaßkanal, in dem sich eine verstellbare Drossel befindet. Die Pumpe
wird mit einer Drehzahl angetrieben, die im Drehzahlbereich mit konstanter Fördermenge
liegt. Das Eingangssignal für die Verstellung der Drossel bestimmt die Größe des
Förderstroms
oder Förderdrucks der Pumpe. Insbesondere ist eine
Regelung des Förderdrucks oder Förderstroms möglich, indem Förderstrom oder Förderdruck
gemessen und das Meßsignal in das Eingangssignal für die Verstellung der Drossel
umgeformt wird.
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Beim Betrieb der Hydraulikpumpe in dem Drehzahlbereich mit konstanter
Drehzahl bewirkt die Drosselung des Pumpeneingangs, daß die Kompressionszellen nur
eine Teilfüllung erhalten. Die Teilfüllung ist abhängig von der Stärke der Drosselung.
Im übrigen wird in den Kompressionszellen ein Vakuum gezogen. Die Erzeugung des
Vakuums ist im wesentlichen verlustfrei, da durch die Anordnung und Zuordnung je
eines Auslasses mit Rückschlagventil zu jeder Kompressionszelle gewährleistet wird,
daß die einzelnen Kompressionszellen erst dann mit dem Hydrauliksystem in Verbindung
treten, wenn sie so weit verkleinert und komprimiert sind, daß in ihnen mindestens
der Förderdruck des Hydrauliksystems besteht.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen
für die zum Einsatz kommenden Hydraulikpumpen anhand einer Schaltskizze für den
Hydraulikstromkreis und anhand eines Diagramms für die Fördercharakteristik der
Pumpe beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 eine Flügelzellenpumpe; Fig. 2 eine Innenzahnradpumpe;
Fig. 3 den Schaltplan eines Hydrauliksystems; Fig. 4 die Fördercharakteristik einer
Pumpe nach den Figuren 1 oder 2.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Rotationszellenpumpe handelt es sich
um eine doppelt wirkende Pumpe, die am Umfang zwei untere (21) und obere (22) Totpunkte
aufweist.
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Dabei wird hier die jeweilige Stelle der Bewegungsumkehrung der Pumpenflügel
2 als Totpunkt bezeichnet.
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Das stationäre Gehäuse 5 hat einen ovalen Innenraum. In diesem ist
auf Pumpenwelle 3 der kreiszylindrische Rotor 1 gelagert und drehend mit Drehrichtung
4 angetrieben. Der Rotor bildet in dem Innenraum des Gehäuses zwischen dessen Stirnabdeckungen
(nicht dargestellt) zwei sichelförmige Kammern. Diese werden durch Flügel 2, die
in Schlitzen des Rotors radial beweglich sind, in Zellen unterteilt, die mit dem
Rotor umlaufen und bei einer Rotor umdrehung in jedem Hubbereich zwischen dem unteren
Totpunkt 21 und dem oberen Totpunkt 22 volumengrößer werden, so daß in ihnen ein
Unterdruck entsteht, und zwischen dem oberen Totpunkt 22 und dem unteren Totpunkt
21 wieder volumenkleiner werden und folglich die zuvor angesaugte Zellenfüllug komprimieren.
Das Gehäuse 5 ist von einem Außenmantel 7 umgeben und bildet mit ihm einen ringförmigen
Sammelraum 6.
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Jeweils zwischen dem unteren Totpunkt 22 und dem in Drehrichtung 4
folgenden oberen Totpunkt 21 liegt Einlaß 10.
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Zwischen dem oberen Totpunkt 21 und dem folgenden unteren Totpunkt
22 sind die Auslaßbohrungen 11, 12 hintereinander angebracht. Sie verlaufen im wesentlichen
radial und münden in den Sammelraum 6, der in Form eines zylindrischen Ringes das
Pumpengehäuse 5 umgibt.
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Die Mündungen der Austrittsbohrungen 11, 12 im Sammelraum 6 sind durch
ein federndes Metallband 14, vorzugsweise ein Band aus dünnem Federstahl abgedeckt,
welches den Außenzylindermantel des Pumpengehäuses 5 federelastisch umklammert.
An seinen Enden 17 und 18 weist das Band je ein Langloch 19 und 20 auf und ist mit
Hilfe der in den Langlöchern
19 und 20 sitzenden Arretierungen 15
und 16 am Gehäuse längsbeweglich befestigt und gegen Verdrehung und Axialbewegung
gesichert, jedoch so, daß die Funktion als Rückschlagventil sichergestellt ist.
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Die in den Zufuhrleitungen 8 angeordnete Drossel 27 dient der Anpassung
der Fördercharakteristik an die Betriebsparameter, insbesondere blmengen- und öldruckbedarf
maximal und mindestens. Sie ist einstellbar.
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Durch die Verwendung von Doppel flügeln, dünne aufeinander liegende
Plättchen, wird erreicht, daß die Flügel mit ihrer Gesamtbreite die Einlaßöffnungen
10 positiv überdecken, so daß kein Kurzschluß zwischen benachbarten Flügelzellen
unterschiedlichen Drucks entsteht. Die Füllung einer Saugzelle hängt nun von der
in der Zeiteinheit angesaugten Ölmenge und der zur Verfügung stehenden Füllzeit
ab. Die in der Zeiteinheit angesaugte ölmenge hängt von der Drossel 27 in dem gemeinsamen
Einlaßkanal 8 ab sowie von dem entstehenden Vakuum der Saugzelle. Durch Einstellung
der Drossel kann die in der Zeiteinheit geförderte Ölmenge beeinflußt werden. Die
Förderzeit hängt zum einen von der Zellenteilung, zum anderen von der Drehzahl der
Pumpe ab. Die Drehzahl wird so und vorzugsweise so konstant eingestellt, daß sich
auch bei geringster Drosselung keine vollständige Füllung der Saugzellen ergibt.
Durch Einstellung der Drossel wird der Grad der Teilfüllung verstellt. In diesem
Falle wird der von einer Zelle angesaugte Ölstrom ohne Leistungsverlust abgeschnitten.
In der nur teilgefüllten Zelle entsteht ein Unterdruck. Wenn diese Zelle in den
Kornpressionsbereich gerät, so muß zunächst dieser Unterdruck ausgeglichen werden.
Dadurch, daß diese Zelle über einen gesonderten Auslaßkanal mit einem Rückschlagventil
an dem Betriebsdruck anliegt, wird durch die über dem Drehwinkel stetige Veränderung
des eingeschlossenen Zellenvolumens ein langsamer Druckaufbau erreicht, was Kavitations-
schäden
ausschließt. Erst wenn der Betriebsdruck in der Zelle mindestens erreicht ist, öffnet
sich das Rückschlagventil.
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Der Abstand der Auslaßkanäle darf die Zellenteilung nicht übersteigen,
da anderenfalls Druckstöße auftreten können.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Teilung der Auslaßkanäle kleiner ist
als die Zellenteilung.
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In Fig. 2 ist eine Innenzahnradpumpe gezeigt. Das Innenzahnrad 30
ist mit der Drehrichtung 31 angetrieben und nimmt dabei das Außenzahnrad 32 mit.
Das Außenzahnrad 32 ist auf der Sichel 33 geführt, welche zwischen den Stirnwänden
des Gehäuses 34 befestigt ist.
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Beidseits der Sichel sind Einlaßkanäle 8.1 und 8.2 vorgesehen. Es
kann sich dabei auch um Nieren handeln, die sich über einen Teilumfang längs der
Sichel erstrecken. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Einlaßöffnungen 8.1 in
Drehrichtung so weit vor dem Ende der Sichel enden, daß die den Einlaßkanal überdeckenden
Zellen keinen Kurzschluß mit der Auslaßseite herstellen. Durch Anordnung der Einlaßkanäle
beidseits der Sichel wird erreicht, daß die Zahnlücken beider Zahnräder gleich gefüllt
werden.
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Die Einlaßkanäle 8.1 und 8.2 können - wie hier dargestellt - in Umfangsrichtung
so begrenzt sein, daß sie von den Zahnhälsen des Innen- bzw. Außenrades positiv
überdeckt werden. Gleichzeitig befindet sich in den Einlaßkanälen 8.1 und 8.2 je
eine verstellbare Drossel oder die Einlaßkanäle werden über eine gemeinsame verstellbare
Drossel 27 beschickt, wie in Fig. 2 dargestellt. Hierdurch wird erreicht, daß nur
eine begrenzte Füllzeit zur Verfügung steht, die von der Drehzahl abhängig ist.
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Auf der Auslaßseite des Eingriffbereiches überschneiden sich die Kopfkreise
des Innenrades und des Außenrades, so daß es zur Kompression kommt. Die Zahnlücken
werden durch die Auslaßkanäle 35 entleert, die vom Grund jeder Zahnlücke ausgehend
über ein Rückschlagventil in den Druckraum 6 einmünden. Der Druckraum 6 ist durch
Kanal 29 an das Hydrauliksystem angeschlossen. Als Rückschlagventil dient wiedefum
ein Band, z.B. ein Metallband, Kunststoffband, das das Außenrad 32 infolge seiner
Eigenelastizität eng anliegend umschließt. Mittels Niet 36 ist das Metallband dagegen
gesichert, sich relativ zu dem Außenrad 32 zu verdrehen.
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Die Funktion entspricht derjenigen der Flügelzellenpumpe nach Fig.
1.
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Das Diagramm nach Fig. 4 zeigt eine Fördercharakteristik einer Pumpe
nach den Fig. 1 oder 2. Es ist ersichtlich, daß in einem Bereich mit geringer Drehzahl
ein direkter Zusammenhang zwischen der Fördermenge und der Drehzahl besteht.
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Dieser Bereich setzt sich mit steigender Drehzahl lediglich so weit
fort, bis die für die Füllung der Kompressionszellen zur Verfügung stehende Zeit
infolge der Drossel im Einlaß nicht mehr zur vollständigen Füllung ausreicht.
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Erfindungsgemäß wird die Hydraulikpumpe in dem Drehzahlbereich betrieben,
in dem im wesentlichen keine Abhängigkeit zwischen der Fördermenge und der Drehzahl
besteht. Dabei ist die Drehzahl vorzugsweise konstant. Es ist jedoch ersichtlich,
daß Drehzahlschwankungen der Hydraulikpumpe ohne Einfluß bleiben, solange der Drehzahlbereich
nicht verlassen wird, in dem der Förderstrom von der Drehzahl unabhängig ist.
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In Fig. 3 ist schematisch die erfindungsgemäße Anwendung der Pumpe
in einem Hydrauliksystem gezeigt. Die Pumpe ist mit 26 bezeichnet. Sie wird durch
einen nicht dargestellten Motor durch konstante oder auch nicht konstante Drehzahl
angetrieben.
Die Pumpe 26 wird über die einstellbare Drossel 27 vom Tank aus gespeist. Das Eingangssignal
für die Verstellung der Drossel kann von Hand oder auch mechanisch, hydraulisch,
elektrisch oder pneumatisch gegeben werden. Da die erfindungsgemäße Pumpe 26 bei
Überschreiten der Mindestdrehzahl eine im wesentlichen konstante Fördercharakteristik
hat, kann der Verbraucher 28, der hier als Hydromotor dargestellt ist, mit konstanter
Drehzahl angetrieben werden. Es ist ersichtlich, daß hierzu ein Regelkreis aufgebaut
werden kann, indem z.B. die Drehzahl des Verbrauchers mittels Drehzahlmesser 38
oder der Förderstrom gemessen und das Meßsignal über Wandler und Verstärker 39 auf
das Eingangssignal der einstellbaren Drossel zurückgeführt wird. Die Drehzahl des
Verbrauchers kann durch Vorgabe und Einstellung des Sollwertes ohne Eingriff in
die Drehzahl des Antriebs praktisch verlustfrei eingestellt und geregelt werden.
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Ebenso kann das Drehmoment des Verbrauchers oder der Förderdruck gemessen
und der Meßwert zur Verstellung der Drossel 27 aufgegeben werden, so daß das Drehmoment
oder der Förderdruck konstant bleiben.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Pumpenrad, Rotor, Innenrad 2 Pumpenflügel
3 Pumpenwelle 4 Drehrichtung 5 Pumpengehäuse, Außenmantel 6 Sammelraum, Auslaßkanal,
Druckkanal 7 Außenmantel 8 Zufuhrleitung 9 Drossel 10 Einlaß 11 erste Auslaßbohrung
12 zweite Auslaßbohrung 13 dritte Auslaßbohrung 14 Rückschlagventil, federndes Metall-,
Stahlband, Band 16 Arretierung 17 Bandende 21 unterer Totpunkt 22 oberer Totpunkt
26 Pumpe 27 einstellbare Drossel 28 Verbraucher, Hydromotor 29 Kanal, Auslaßkanal
30 Innenzahnrad 31 Drehrichtung 32 Außenrad 33 Sichel
34 Gehäuse
35 Auslaßkanäle 36 Nut 38 Drehzahlmeßfutter 39 Wandler und Verstärker