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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe variabler Förderkapazität.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Pumpe variabler Förderkapazität mit festgelegter
Verdrängung.
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Allgemein
besteht bei der Zufuhr von Fluiden und insbesondere bei der Zufuhr
für Fahrzeugantriebe
oder Schmierflüssigkeiten
ein Bedarf nach einem hohen Fluss bei geringen Betriebsgeschwindigkeiten und
gleichzeitig einem möglichst
konstantem Fluss bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten.
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Derzeit
wird dies erzielt unter Verwendung von Pumpen, die sich im Design
und im Betrieb unterscheiden und insbesondere durch Verwendung von
Pumpen mit fester Verdrängung
aber variabler Förderkapazität, auf welche
sich die nachfolgende Beschreibung lediglich beispielsweise bezieht.
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Bekannterweise
steigt in Pumpen des obigen Typs der Fluss und der Zufuhrdruck proportional mit
der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit der Rotationsteile und
die Wasserverdrängung
wird während
der Konzeption der Pumpe ausgewählt,
um den gewünschten
Fluss bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten sicherzustellen.
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Um
den Fluss bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu reduzieren, enthält die Pumpe
normalerweise eine Bypassventilanordnung, die mit dem Pumpenauslass
in Verbindung steht und so gesteuert ist, dass sie bei geringen
Geschwindigkeiten ungenutzt bleibt und der Fluss aus der Pumpe gänzlich der
Nutzeranordnung zugeführt
wird, wohingegen sie oberhalb einer gegebenen Grenze der Maschinengeschwindigkeit
aktiviert wird, um einen Teil oder selbst sogar den gesamten Fluss
von der Pumpe abzuführen.
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Zum
Beispiel zeigt die
DE 199 33
484 (Bayerische Motorenwerke AG) eine Pumpe variabler Förderkapazität für ein Fluid.
Eine derartige Pumpe enthält:
- – wenigstens
einen Pumpenaufbau, der wiederum einen Rotor aufweist, der durch
eine Antriebswelle in Drehung versetzt wird; und
- – eine
Kupplung, die zwischen der Antriebswelle und dem Rotor angeordnet
ist, um den Rotor mit der Antriebswelle zu verbinden oder abzukuppeln, um
die physikalischen Charakteristiken des Fluids an die Anforderungen
einer Nutzereinrichtung anzupassen.
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Darüber hinaus
beschreiben die
DE 196 20 700 (IAV
Motor GmbH, die
GB 548 500 (Morris
Motors Ltd. Et al.) und die EP-A-1 094 221 (Bayerische Motorenwerke
AG et al.) ähnliche
Pumpen.
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Obwohl
sie weithin benutzt werden, haben Pumpen des obigen Typs mehrere
Nachteile, weil sie keinen konstanten Grad an Effizienz bereitstellen können und
weil sie insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten vergleichsweise
uneffizient sind, das bedeutet, wenn ein Teil des Flusses von der
Pumpe durch das Bypassventil abgeleitet wird, im Gegensatz zur Zuführung zu
der Benutzereinrichtung.
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Es
ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe variabler Förderkapazität zu schaffen,
die eine einfache Lösung
der oben genannten Nachteile schafft, und welche insbesondere hohe
Flüsse
bei geringen Betriebsgeschwindigkeiten bereitstellt und gleichzeitig
einen hohen Effizienzgrad über
den gesamten Betriebsbereich der Pumpe aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Pumpe variabler Förderkapazität für ein Fluid geschaffen, welche
wenigstens eine Pumpstufe bzw. einen Pumpenaufbau enthält, der
wiederum einen durch eine Antriebswelle angetriebenen Rotor enthält. Die
Pumpe ist dadurch charakterisiert, dass eine Kupplungseinrichtung
zwischen der Antriebswelle und dem Rotor angeordnet ist, wodurch
der Rotor mit der Antriebswelle verbindbar oder abtrennbar ist,
um die physikalischen Charakteristiken des Fluids an die Bedürfnisse
einer Benutzereinrichtung anzupassen, welche Kupplungseinrichtung
ein vorgespanntes elastisches Teil enthält, welches um die Antriebswelle
gewunden ist, wobei das elastische Teil als Friktionsteil zwischen
der Antriebswelle und dem wenigstens einen Rotor fungiert.
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Ein
nicht eingrenzendes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Pumpe
variabler Förderkapazität;
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2 einen
ersten Längsschnitt
der Pumpe variabler Förderkapazität aus 1;
und
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3 einen
zweiten Längsschnitt
der Pumpe variabler Förderkapazität aus 1,
wobei Teile aus Gründen
der Klarheit nicht in dem Schnitt dargestellt sind.
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Das
Bezugszeichen 10 aus 1 zeigt
eine zweistufige Pumpe, insbesondere für die Zufuhr von Hochdrucköl in einem
Schmiersystem einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt).
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Wie
es in den 2 und 3 dargestellt ist,
enthält
die Pumpe 10 zwei parallele Pumpstufen bzw. Pumpaufbauten 11a, 11b.
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Bekannterweise
enthält
die erste Pumpstufe 11a einen Hauptkörper 12, der zwei
exzentrische Getrieberotoren 13 und 14 aufweist,
welche in Eingriff stehen bzw. kämmen,
um dem Fluid eine gegebene mechanische Energie in der Form von Geschwindigkeit
und Druck zuzuführen.
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Insbesondere
wird das Fluid, vorzugsweise Schmieröl, von einem Tank (nicht dargestellt) über eine
Ansaugkammer 15 angesaugt und über die Rotoren 13, 14 bei
einem höheren
Druck zu einer Auslasskammer 16 zugeführt. Der Rotor 14 ist
in bekannter Weise mit einer Antriebswelle 17 verbunden,
die durch eine (nicht dargestellte) Maschine über eine Symmetrielängsachse
A in eine Rotationsrichtung gedreht wird, die durch den Vektor w
dargestellt ist. Die Rotoren 13 und 14 stehen
in Eingriff bzw. kämmen,
um das Fluid in bekannter Weise dem gewünschten Pumpvorgang zu unterwerfen,
wenn das Fluid von der Ansaugkammer 15 zur Auslasskammer 16 geführt wird.
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Das
unter Druck stehende Fluid wird durch bekannte Einrichtungen (nicht
dargestellt) über
eine Leitung C1 von der Auslasskammer 16 zu einer Zufuhrpassage
M geführt,
die mit der zweiten Stufe 11b (siehe unten) geteilt wird
und die hydraulisch über
ihren Auslass S mit einer Benutzereinrichtung verbunden ist.
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Die
zweite Stufe 11b, die detaillierter in 1 gezeigt
ist (in welcher der erste Aufbau 11a aus Gründen der
Klarheit nicht dargestellt ist), enthält einen Hauptkörper 19,
der zwei exzentrische Getrieberotoren 20, 21 umfasst,
welche kämmen
bzw. eingreifen, um dem Fluid eine gegebene mechanische Energie
in der Form von Geschwindigkeit und Druck zuzuführen.
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Weil
die Stufen 11a und 11b parallel sind, wird der
Fluss, der durch die Stufe 11b geliefert wird, an der Ausgangspassage
M zu dem Fluss der Stufe 11a hinzuaddiert.
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Wie
in der Stufe 11a wird das Fluid gleichzeitig in der Stufe 11b von
einer Ansaugkammer 18 (welche das Fluid aus einem nicht
dargestellten Tank ansaugt) zu einer Auslasskammer 23 gespeist
und zu einer Ringkammer 24 und wird von der Auslasskammer 23 entlang
einer Leitung C2 zu der Auslasspassage M gespeist, von wo aus es
durch bekannte Einrichtungen (nicht dargestellt) einer (nicht dargestellten)
Benutzereinrichtung zugeführt
wird.
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Wie
es in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, ist eine Kupplungseinrichtung 25 zwischen
den Rotoren 20, 21 und der Antriebswelle 17 angeordnet,
um den Rotor 20 mit der Antriebswelle 17 zu verbinden
oder zu trennen bzw. abzukuppeln, entsprechend dem Fluidfluss, z.B.
Schmieröl,
welches von der Nutzereinrichtung stromabwärts der Pumpe 10 benötigt wird.
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Die
Kupplungseinrichtung 25 enthält eine Feder 26,
die um die Antriebswelle 17 in der gleichen Richtung wie
der Vektor w gewunden ist, und die ein erstes Ende 26a hat,
welches (durch bekannte Einrichtungen) mit der Antriebswelle 17 verbunden
ist, und ein freies zweites Ende 26b, das eine Klinke aufweist,
aus Gründen
die später
detailliert beschrieben werden.
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Wie
es klarer aus den 2 und 3 ersichtlich
ist, ist die Feder 26 in einem Spalt 27 zwischen
der Oberfläche 17a der
Antriebswelle 17 und der Oberfläche 20a der Montagebohrung 28 in
dem Rotor 20 angeordnet und wird während der Montage so vorgespannt
und positioniert, dass sie mit einer gegebenen Vorspannung an der
Oberfläche 20a der Montagebohrung 28 anliegt
und das Drehmoment von der Antriebswelle 17 auf die Rotoren 20, 21 überträgt, um an
der zweiten Stufe 11b die gewünschte Pumptätigkeit
hervorzurufen.
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Bei
einer geringen Geschwindigkeit der Antriebswelle 17 ist
die Kupplungseinrichtung 25 daher im Eingriff, um den Rotor 20 wie
gewünscht
mit der Antriebswelle 17 zu verbinden.
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Wie
es insbesondere in 2 dargestellt ist, ist die Feder 26 vorzugsweise
aus einem Silikonfederstahldraht hergestellt, der an zwei Oberflächen abgeflacht
ist, die 180° einander
abgewandt sind, um die Kontaktfläche
zwischen den Windungen der Feder 26 und der Oberfläche 20a einerseits
und zwischen den Windungen der Feder 26 und der Außenfläche 17a der
Antriebswelle 17 andererseits zu erhöhen.
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Um
den Antriebseffekt der Feder 26 auf den Rotor 20 zu
eliminieren, enthält
die Kupplungseinrichtung 25 eine Betätigungseinrichtung 29,
die mit der Feder 26 über
die Klinke 26c verbunden ist.
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Insbesondere
enthält
die Betätigungseinrichtung 29 einen
hydraulischen Kolben 30, der in einer in der Antriebswelle 17 ausgebildeten
Aufnahme bzw. Sitz 31 angeordnet ist.
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Der
hydraulische Kolben 30 teilt die Aufnahme 31 idealerweise
in eine erste Kammer 31a, die mit dem Druckfluid gefüllt ist
und in eine zweite Kammer 31b, die den hydraulischen Kolben 30 selbst
aufnimmt, welcher innerhalb der zweiten Kammer 31b gleitet,
um das Volumen der zweiten Kammer 31b auf Kosten der ersten
Kammer 31a zu reduzieren oder zu erhöhen, welche, wie bereits zum
Ausdruck gebracht, eine gegebene Menge an Druckfluid enthält.
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Der
hydraulische Kolben 30 ist winkelmäßig festgelegt und gleitet
axial in einer Richtung, die durch die Achse A definiert ist. Um
jegliche Rotation des hydraulischen Kolbens 30 (2)
um die Achse A zu verhindern, ist ein Schlüssel oder Stift 32 durch eine
Durchbohrung 32a der Verbindungsfläche 17a der Antriebswelle 17 in
die Aufnahme 31 eingeführt. Ein
Ende des Stifts oder Schlüssels 32 ragt
in eine Nut 33, die an der Oberfläche des hydraulischen Kolbens 30 ausgeformt
ist, um diesen von der Rotation um die Achse A abzuhalten.
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Die
erste Kammer 31a kommuniziert hydraulisch mit der Ringkammer 24 des
zweiten Aufbaus 11b über
ein Durchgangsloch 34.
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Die
Auslasskammer 23 und die Ringkammer 24 sind hydraulisch über eine
Leitung 35 verbunden, die in dem Hauptkörper 19 ausgebildet
ist.
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Obwohl
die Ausführungsform
in den beigefügten
Zeichnungen lediglich eine Durchgangsbohrung 34 zeigt,
kann eine zweite Bohrung (nicht dargestellt) in einem Winkel von
180° zu
der ersten Bohrung für
eine bessere Ausbalancierung vorgesehen sein.
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Der
Fluiddruck in der Kammer 31a ist offensichtlich der gleiche
wie in der Ringkammer 24.
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Zusätzlich zu
der Nut 33, um die Rotation um die Achse A zu verhindern,
hat die Oberfläche
des hydraulischen Körpers 30 auch
einen Schlitz 36, der mit Bezug auf die Achse A geneigt
ist.
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In
dem Schlitz 36 greift ein erstes Ende 37a (1)
eines Stifts 37 ein, dessen zweites Ende 37b von
der Oberfläche 17a durch
eine Öffnung 38 hervorsteht,
welche die Oberfläche 17a mit
der zweiten Kammer 31b verbindet.
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Der
Stift 37 wird dazu gezwungen einen Weg entlangzulaufen,
entlang dessen er immer senkrecht zur Achse A ist.
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Die
Symmetrielängsachse
der Durchgangsöffnung 38,
welche bogenförmig
ist, erstreckt sich daher in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur
Achse A liegt. Und die Klinke 26c der Feder 26 liegt
an dem zweiten Ende 37b des Stifts 37.
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Mit
anderen Worten bildet die Verbindung des Schlitzes 36 und
der Durchgangsöffnung 38 durch
den Stift 37 einen Nockenmechanismus, wobei z.B. die Verdrängung des
hydraulischen Kolbens 30 in der durch den Pfeil F1 angezeigten
Richtung in eine Verschiebung des Stifts 37 in Richtung
des Pfeils F2 konvertiert wird und vice versa.
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Weil
wie gesagt die Klinke 26c, die mit dem zweiten Ende 26b der
Feder 26 verbunden ist, an dem zweiten Ende 37b des
Stifts 37 anliegt, zieht eine Verschiebung in Richtung
des Pfeils F2 die Windungen der Feder 26 um die Oberfläche 17a und
befreit sie somit von der Oberfläche 20a der
Montageöffnung 28 in
dem Rotor 20, so dass der Rotor 20 von der Feder 26 abgekuppelt
wird, welche daher als ein Lager agiert. Ganz klar reduziert ein
Abfall des Drucks in der Ringkammer 24 auch den hydraulischen
Druck in der Kammer 31a der Aufnahme 31, was es
dem hydraulischen Kolben 30 ermöglicht, sich in Gegenrichtung
zum Pfeil F1 zu bewegen, und die Bewegung des hydraulischen Kolbens 30 wird ebenfalls
durch die Feder 26 unterstützt, deren eines Ende 26b,
wie bereits gesagt, elastisch über
die Klinke 26c auf den Stift 37 einwirkt.
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Die
Pumpe 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung funktioniert wie folgt:
- – wenn die
Antriebswelle 17 mit einer geringen Geschwindigkeit rotiert,
sind beide Pumpstufen 11a und 11b aktiv und pumpen
das Fluid so, um dessen Druck und Fluss zu erhöhen;
- – in
diesem Fall wird der Rotor 20 der zweiten Stufe 11b mit
der Antriebswelle 17 über
die Feder 26 verbunden, deren äußere Fläche – die vorzugsweise aber nicht
notwendigerweise abgeflacht ist – an der Oberfläche 20a der
Montagebohrung 28 anliegt, so dass das Drehmoment, das
durch die Welle 17 induziert wird und in Richtung des Vektors
w rotiert, zu dem Rotor 20 übertragen wird, der über die
Feder 26 der Kupplungseinrichtung 25 mit der Welle 17 verbunden
wird.
- – wenn
die Geschwindigkeit der Maschine und daher der Antriebswelle 17,
die mechanisch damit verbunden ist, ansteigt, steigt auch der Druck
in der Ringkammer 24 an und somit auch der Druck in der
Kammer 31a;
- – der
Druckanstieg in der Kammer 31a bewegt den hydraulischen
Kolben 30 in Richtung des Pfeils F1;
- – die
Verschiebung des hydraulischen Kolbens 30 in Richtung des
Pfeils F1 wird konvertiert über
den Nockenmechanismus in eine Verschiebung des Stifts 37 in
Richtung des Pfeils F2, womit die äußere Fläche der Feder 26 von
der Fläche 20a der Montagebohrung 28 durch
die Windungen der Feder 26 freigegeben wird, die um die
Oberfläche 17a der
Antriebswelle 17 festgezogen werden;
- – als
Resultat wird der Rotor 20 von der Welle 17 losgelöst bzw.
abgekuppelt, womit die zweite Stufe 11b deaktiviert wird;
- – ein
Abfall des Fluiddrucks in der Kammer 31a bewegt den hydraulischen
Kolben 30 in Gegenrichtung zum Pfeil F1, was in einer entsprechenden
Bewegung des Stifts 37 in Gegenrichtung zum Pfeil F2 resultiert,
welche Rückbewegung durch
die elastische Tätigkeit
der Feder 26 auf den Stift 37 und daher auf den
hydraulischen Kolben 30 unterstützt wird.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der vorstehenden Beschreibung
ersichtlich.
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Insbesondere
macht die Pumpe 10 der vorliegenden Erfindung das Vorsehen
einer Bypassventilanordnung an dem Auslass der Pumpe entbehrlich. Die
Verwendung einer Ventilanordnung resultiert in einer irregulären und
insbesondere relativ schlechten Effizienz, insbesondere bei hohen
Drehzahlen der Antriebswelle, bei welchen anstatt der Benutzereinrichtung
zugeführt
zu werden, ein Teil des Flusses, der von der Pumpe erzeugt wird,
direkt abgeleitet wird, womit die Gesamteffizienz der Pumpe beeinträchtigt wird.
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Wenn
es erforderlich ist, d.h. wenn die Rotationsgeschwindigkeit der
Antriebswelle einen gegebenen Schwellwert überschreitet, wird der gleiche
Effekt erzielt, indem eine Stufe oder ein Aufbau einer mehrstufigen
Pumpe leicht und zuverlässig
wie oben mit Bezug auf die 1–3 beschrieben,
von der Pumpe abgeschaltet wird. Hierdurch wird die Pumpeffizienz
beträchtlich
verbessert, weil nicht überflüssiges Fluid
gepumpt wird, welches durch die Nutzereinrichtung nicht benötigt wird.