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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen verwenden fluidbetriebene Systeme hydraulischen bzw.
hydrostatischen Druck und Fluss, um dem System die erforderliche
Fluidleistung zu verschaffen. Solche Systeme stützen sich auf eine Hydraulikpumpe,
um mit Druck beaufschlagtes Fluid bereitzustellen, das dann durch
ein Ventilsystem, das ein oder mehrere Ventile umfasst, reguliert
und gesteuert wird. Das Ventilsystem reguliert den Druck, um den
Fluiddruck, wenn er zu hoch wird und eine Beschädigung der Pumpe und anderer
Systeme verursachen kann, zu verringern. Außerdem leitet das Ventilsystem
nach Bedarf Energie zu verschiedenen Systemen (siehe z. B. WO 01/53702A1).
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Eine
herkömmliche
Pumpe des Flügelzellentyps
oder Flügelpumpe
umfasst einen Nockenring (Pumpenring) mit einer im Wesentlichen
elliptischen Nockenoberfläche,
einen Rotor, der sich in dem Nockenring drehen kann, und mehrere
Flügel,
die sich in radialen Schlitzen, die in dem Rotor ausgebildet sind,
hin und her bewegen können.
Der Nockenring ist stationär,
wobei die Außenkanten
der Flügel
die Innenseite der Oberfläche
des Nockenrings berühren.
Wegen der im Wesentlichen elliptischen Form des Nockenrings gleiten
die Flügel
in ihre Schlitze und aus diesen heraus und halten Kontakt mit der
innen liegenden Oberfläche
des Nockenrings, wenn sich der Rotor darin dreht. Infolge des elliptisch
geformten Nockenrings verändert
sich das Volumen jedes Pumphohlraums ständig. Das Volumen nimmt zu,
wenn sich die Flügel
durch den ansteigenden Abschnitt des Nockenrings bewegen, wodurch
Fluid durch einen Einlassanschluss ange saugt wird. Wenn sich die
Flügel
in dem "abfallenden" Abschnitt des Ringumrisses
bewegt, nimmt das Volumen ab und drückt das Fluid durch die Förderanschlüsse heraus. Ein
Einlassabschnitt der Hydraulikpumpe nimmt Niederdruck-Hydraulikfluid
aus einem Pumpenbehälter auf.
Unter hohem Druck abgegebenes bzw. gefördertes Fluid strömt zu einem
gewünschten
Systemort. Im Fall eines Kraftfahrzeug-Hydrauliksystems kann der
gewünschte
Systemort beispielsweise ein Lenksystem sein, das für ein kraftunterstütztes Lenken sorgt.
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Bei
Pumpen mit fester Verdrängung
oder Konstantpumpen kann das Betriebssystem bei niedrigen Motordrehzahlen
das von der Pumpe gelieferte Hydraulikfluidvolumen steuern. Da die
Pumpe gewöhnlich über die
Kurbelwelle direkt angetrieben wird, nimmt der Leitungsdruck bei
höheren
Motordrehzahlen stark zu, da die Pumpe, weil sie schneller läuft, ein
größeres Fluidvolumen
pro Einheitszeit ansaugt und abgibt. Diese Bedingungen erhöhen die Betriebstemperaturen
und verkürzen
die Haltbarkeit und die Betriebslebensdauer der Pumpe. Die Systemleitungen
und Systemdichtungen werden ebenfalls beansprucht. Außerdem nimmt
das zum Antreiben der Pumpe erforderliche Drehmoment bei höheren Systemgegendrücken zu,
was einer zusätzlichen Leistung
(Energie), die erforderlich ist, um den Systemgegendruck wirksam
zu überwinden
und das Fluid in dem gesamten System zu verteilen, entspricht und
dabei zum Erzeugen unnötiger
Leitungsdrücke Kraftstoff
verschwendet wird.
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Eine
gewöhnliche
Lösung
des Standes der Technik für
Pumpen mit fester Verdrängung
ist gewesen, sich auf das Ventilsystem zu stützen, um bei übermäßig hohen
Betriebsdrücken
den Fluss von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Systems "kurzzuschließen". Eine weitere Pumpe,
die herkömmlicherweise
verwendet wird, ist eine Pumpe mit variabler Verdrängung. Eine
Pumpe mit variabler Verdrängung
bewirkt eine Reduktion des Flusses als Funktion der Betriebsbedingungen
und erfordert daher kostenaufwändigere
Wellenunterstützungslösungen.
Da Pumpen mit variabler Verdrängung
typischerweise mit Einzelhub sind, erfordern die Pumpen außerdem eine
größere Packungsgröße, um dieselbe
Pumpenleistung zu erbringen. Eine Ventilanordnung bei einer Pumpe
mit variabler Verdrängung macht
diese Pumpe im Betriebszustand vollständiger Verdrängung weniger
leistungsfähig.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Hier
wird eine Hydraulikpumpe offenbart, die ein Gehäuse, einen primären Förderauslass,
einen zusätzlichen
Förderauslass,
ein Durchflusssteuerventil, einen ersten Fluiddurchlass in dem Gehäuse, durch
den sich Fluid von einem ersten Förderanschluss zu dem primären Förderauslass
bewegt, einen zweiten Fluiddurchlass in dem Gehäuse, durch den sich Fluid von
einem zweiten Förderanschluss
zu einem gemeinsamen Anschluss des Durchflusssteuerventils bewegt,
einen dritten Fluiddurchlass in dem Gehäuse, durch den sich Fluid von
einem ersten geschalteten Anschluss des Durchflusssteuerventils
zu dem zusätzlichen
Förderauslass
bewegt, und einen vierten Fluiddurchlass in dem Gehäuse, der
einen zweiten geschalteten Anschluss des Durchflusssteuerventils
mit dem primärem
Förderauslass
verbindet, umfasst. Der primäre
Förderauslass
und der zusätzliche
Förderauslass
sind jeweils für
eine Verbindung mit externen Leitungen eines Hydrauliksystems geeignet.
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Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten
Hydrauliksystems werden von Fachleuten auf dem Gebiet aus der folgenden
genauen Beschreibung erkannt und verstanden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Hydrauliksystems
für eine
Hydraulikpumpe mit zweifacher Förderung;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines typischen hydraulischen Lenksystems
des Standes der Technik;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Pumpe mit einem Ausgang;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Pumpe des Flügelzellentyps
in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform;
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5 ist
eine axiale Querschnittsansicht der in 4 gezeigten
beispielhaften Pumpe des Flügelzellentyps;
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die 6A und 6B sind
eine Vorderansicht bzw. eine perspektivische Seitenansicht eines beispielhaften
elektronischen Durchflusssteuerventils;
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7 ist
eine Seitenansicht in einem Schnitt des Durchflusssteuerventils
von 6, das in der Pumpe von 4 eingebaut
ist;
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8 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Hydrauliksystems,
wobei sich ein Durchflusssteuerventil in einer ersten Position befindet;
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9 zeigt
eine schematische Darstellung des Hydrauliksystems von 8,
wobei sich das Durchflusssteuerventil in einer zweiten Position
befindet;
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10 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Hydrauliksystems;
und
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die 11A und 11B zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Profilansicht einer Hydraulikpumpe,
die in einem Gehäuse
eines kontinuierlich variablen Getriebes eingebaut ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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1 zeigt
in schematischer Form ein Hydrauliksystem, bei dem eine Pumpe des
Flügelzellentyps 20 einen
primären
Förderauslass
aufweist, der mit einer Hochdruckseite 2 oder einer Hochdruckleitung
des Systems in Fluidverbindung steht. Die Hochdruckleitung 2 speist
Hochdruck-Hydraulikfluid in
eine primäre
Last 3 ein, die hier als Kraft- oder Servolenkeinheit gezeigt
ist. Das Diagramm zeigt ein Servolenksystem, jedoch sind die Vorteile
dieses Systems selbstverständlich
auf jedes System, das hydraulische Kraft benötigt, übertragbar, wobei in dieser
Hinsicht die primäre
Last 3 durch irgendeine Systemlast oder irgendwelche Systemlasten
substituiert werden kann. Die Niederdruckleitungen 4 speisen
in einen oder mehrere Eingangseinlässe 6 der Pumpe 20 ein.
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Über den
zusätzlichen
Förderauslass 88 bewegt
sich optional ein Teil des von der Pumpe 20 förderbaren
Fluids 88 zur Umgehungsleitung 140. Wie noch näher beschrieben
wird, ist die Pumpe 20 so konstruiert, dass der primäre Förderauslass 86 und der
sekundäre
Förderauslass 88 unanhängig voneinander
sind und nicht in Fluidverbindung stehen, so dass an jedem Auslass
in Abhängigkeit
davon, was sich stromabwärts
von ihnen befindet, verschiedene Drücke aufrechterhalten werden
können.
Da bei dem in 1 gezeigten System der zusätzliche
Förderauslass 88 mit
der Niederdruckseite 4 des Systems verbunden ist, ist an
diesem Auslass nur ein geringer Fluiddruckbetrag vorhanden.
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Ein
weiteres beispielhaftes Hydrauliksystem ist in 8,
die die inneren Flüsse
der Pumpe 20, die hier durch eine geschlossene gestrichelte
Linie dargestellt ist, zeigt, schematisch dargestellt. Die Pumpe 20 umfasst
eine interne Flügelpumpenbaueinheit 40 mit
einem ersten Förderanschluss 80 und
einem zweiten Förderanschluss 82.
Wie noch näher
beschrieben wird, steht der erste Förderanschluss 80 mit
dem primären
Förderauslass 86 in
Fluidverbindung, während
der zweite Förderanschluss 82 mit dem
Durchlusssteuerventil 120 in Fluidverbindung steht, das
Fluid entweder zu dem primären
Förderauslass 86 oder
dem zusätzlichen
Förderauslass 88 leitet.
Bei diesem System ist der primäre
Förderauslass 86 mit
der primären
Last 3 verbunden, die eine hydraulische Getriebekupplung,
z. B. für
ein kontinuierlich variables Getriebe, ist. Eine zusätzliche
Last 7 ist über
eine Hochdruckleitung außerhalb
der Pumpe 20 mit dem zusätzlichen Förderauslass 88 verbunden.
In diesem Fall ist die zusätzliche
Last 7 ein Stabilisatorkolben und wird optional in Abhängigkeit
von der Position des Durchflusssteuerventils 120 mit Druckfluid
versorgt.
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Eine
Steuereinheit 35 betätigt
das Durchflusssteuerventil 120 in Reaktion auf eine gestiegene Anforderung
nach mehr Fluid an der primären
Last 3, z. B. bei niedrigen Motordrehzahlen, in die in 8 gezeigte
Position. In der gezeigten Position vereinigt sich Fluid von dem
zusätzlichen
Förderauslass 88 mit Fluid,
das den primären
Förderauslass 86 verlässt, so
dass z. B. bei niedrigen Motordrehzahlen die primäre Last 3 unter
allen Betriebsbedingungen ausreichend mit Druckfluid versorgt wird.
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9 zeigt
das System von 8, wobei sich das Durchflusssteuerventil 120 in
einer zweiten Position befindet. In dieser Position wird der Fluss von
dem zusätzlichen
Förderauslass 88 zu
der zusätzlichen
Last 7 geführt,
die hier als Stabilisatorkolben gezeigt ist. Bei höheren Drehzahlen
kann ein Stabilisatorkolben nach Bedarf mit Fluid versorgt werden,
um ein übermäßiges Rollen
des Fahrzeugs während
Wendemanövern
zu verhindern. Fluid, das die zusätzliche Last 7 verlässt, kehrt
zu dem Einlass 6 über
einen Einlassstrahlverstärker 37 zurück, der verfügbare Energie
des die zusätzliche
Last 7 verlassenden Fluids dazu verwendet, den Druck des
in die Pumpe 20 eindringenden Fluids nach Kombination mit
Fluid aus dem Behälter 5 und
durch das Filter 8 hindurch zu erhöhen.
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10 zeigt
ein System, das zu dem in 1 gezeigten ähnlich ist,
jedoch mit Hinzufügung des
Hydraulikstrahlverstärkers 37,
um den Fluiddruck am Einlass zur Pumpe 20 zu erhöhen, wenn
in der binären
Betriebsart gearbeitet wird, wodurch die Leistung gegenüber dem
in 1 gezeigten System weiter verbessert wird.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten
des Implementierens einer Pumpe mit zweifacher Förderung, wie sie hier beschrieben
ist, um die Gesamtleistung zu verbessern. Die Pumpe mit zweifacher
Förderung, wie
sie hier offenbart wird, bietet die Vorteile einer Tandempumpe,
jedoch mit verbesserter Packung, verbesserten Kosten und verbesserter
Gesamtleistung. Das Folgende ist eine Möglichkeit dazu unter Verwendung
der hydraulischen Kupplung und von Stabilisatorkolben als primäre und zusätzliche
Lasten: Während
des Startens des Fahrzeugs erfordert die hydraulische Kupplung (primäre Last 3)
in dem kontinuierlich variablen Getriebe, dass beide Förderanschlüsse Fluid
zuführen,
um den geforderten Druck für
die Riemenscheiben in dem kontinuierlich variablen Getriebe zu erzeugen.
Das Stabilisatorsystem (zusätzliche
Last 7) benötigt
zu dieser Zeit kein Fluid. Somit bewegt (lenkt) die Steuereinheit 35 das Durchflusssteuerventil 120 in
die in 8 gezeigte Position.
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Wenn
der Motor festgelegte Umdrehungen pro Minute (d. h. eine festgelegte
Motordrehzahl) erreicht, bewegt die Steuereinheit 35 das
Durchflusssteuerventil 120 in die in 9 gezeigte
Position und versetzt dadurch das Hydrauliksystem in eine binäre Betriebsart,
in der sowohl das primäre
als auch das zusätzliche
Hydrauliksystem versorgt werden. Während dieser Zeit verwendet
das Stabilisatorsystem Fluid, das von der Pumpe bereitgestellt wird,
zum Stabilisieren des Fahrzeugs während Wendemanövern. Die
Pumpe 120 unterstützt
daher zwei Lasten aus zwei verschiedenen Förderanschlüssen, wovon jeder unabhängig vom
anderen arbeiten kann. Diese Fähigkeit
zur Unabhängigkeit
verringert den Energieverbrauch stets dann, wenn entweder die Primärlastanforderung
oder die Zusatzlastanforderung reduziert ist.
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Wenn
das Fahrzeug in den Leerlaufzustand zurückkehrt, schaltet die Steuereinheit 35 zurück in die
in 8 gezeigte Position und führt dabei die Pumpe 120 in
die normale Pumpenbetriebsart zurück. Sowohl der primäre Förderauslass 86 als
auch der zusätzliche
Förderauslass 88 führen der
hydraulischen Kupplung für
den nächsten
Fahrzeugstart Fluid zu. Das Stabilisatorsystem benötigt zu
dieser Zeit kein Fluid.
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Obwohl
die Steuereinheit 35 eine getrennte Entität, wie sie
oben beschrieben worden ist, sein kann, kann sie auch das Hauptcomputersystem
des Fahrzeugs sein, das gesteuert werden kann, um das Ventil zu
steuern und die oben angeführten
Schritte auszuführen.
Natürlich
können
andere primäre
und zusätzliche
Lasten anstelle der hydraulischen Kupplung und des Stabilisatorkolbens
verwendet werden. Obwohl beabsichtigt ist, dass eine einzige Pumpe, die
für ein
kontinuierlich variables Getriebe intern ist, Fluid an eine zusätzliche
Vorrichtung liefern kann, wie oben beschrieben worden ist, ist auch
beabsichtigt, dass eine Hydraulikpumpe, die Fluid sowohl zu einem
kontinuierlich variablen Getriebe als auch zu einem zusätzlichen
Hydrauliksystem liefert, extern für das Getriebe ist, wie in
den 11A und 11B gezeigt
ist. Hier ist eine Pumpe 20, wie sie hier beschrieben ist,
an einem äußeren bzw.
externen Gehäuseelement 152 eines
kontinuierlich variablen Getriebes 150 befestigt. Ein zusätzlicher
Förderauslass 88 stellt
dem zusätzlichen
System (in den 11A, 11B nicht
gezeigt) Fluid bereit. Von der zusätzlichen Last 7 wird
Fluid in einen Behälter
oder einen Strahlverstärker 37,
der für
das kontinuierlich variable Getriebe 150 intern ist, zurückgeführt.
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Mit
Bezug auf die 1-7 wird nun
die Konstruktion der Pumpe 20 ausführlicher erläutert. Die
Pumpe 20 arbeitet in einer Weise, die für Pumpen des Flügelzellentyps
typisch ist. Es ist ein elliptischer Nockenring 44 vorgesehen,
in dem ein Rotor 46 drehbar angebracht ist. Der Rotor 46 weist
mehrere Schlitze auf, in denen mehrere radiale Flügel 9 gleitend
angebracht sind, wobei der Abstand zwischen jeder Flügelgruppe
eine Fluidkammer 60 definiert. Die Flügel können in radialer Richtung nach
außen federbelastet
sein oder einfach durch die Zentrifugalkraft in jene Richtung gezwungen
werden. Ungeachtet dessen werden die Flügel 9 gezwungen, dem
Umriss des Nockens 44 zu folgen und dadurch zu bewirken,
dass sich die Kammern 60 zwischen den Flügel erweitern
und verengen. Um zuzulassen, dass Fluid aus der Niederdruckleitung 4 in
die sich erweiternden Kammern gesaugt wird, sind Beschickungsanschlüsse angeordnet.
Um Fluid, das für
den Transport über den
Förderauslass 86 zu
den Hochdruckleitungen 2 aus den sich verengenden Kammern
gedrückt
wird, aufzunehmen, sind Förderanschlüsse vorgesehen. Vorzugsweise
sind zwei Beschickungsanschlüsse und
zwei Förderanschlüsse vorhanden,
die jeweils um 180 Grad zueinander versetzt um die Mittelachse des
Rotors 46 angeordnet sind.
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Wenn
sich der Rotor 46 um seine Achse dreht, wird folglich Fluid
in die Einlassanschlüsse 6 gesaugt,
wobei ein Teil des Fluids durch einen ersten Auslassanschluss, d.
h. einen Förderanschluss 80, wie
in den 4, 5 zu sehen ist, ausgestoßen wird
und das restliche Fluid durch einen zweiten Förderanschluss 82 ausgestoßen wird.
Die Pumpe ist in der Weise konstruiert, dass das gesamte Fluid,
dass den Förderanschluss 80 verlässt, zu
dem Pumpen-Förderauslass 86 geführt wird,
während
das Fluid, das den zweiten Förderanschluss 92 verlässt, entweder
zu dem primären
Förderauslass 86 oder
zu dem zusätzlichen
Förderauslass 140 geführt wird.
In 1 wird Fluid, das den primären Förderauslass 86 verlässt, zur
Hochdruckseite 2 geführt,
während
Fluid, das den zusätzlichen
Förderauslass 88 verlässt, über die
Umgehungsleitung 140 direkt zur Niederdruckseite 4 geführt wird.
Wenn die Pumpe 20 so konfiguriert ist, dass sich Fluid
von dem zweiten Förderanschluss 82 zu
dem zusätzlichen
Förderauslass 88 bewegt,
wirken folglich die Flügel 9 auf
einer Seite des Rotors 46 nicht dem Gegendruck der Last 3 entgegen,
weshalb das zum Drehen des Rotors 46 erforderliche Drehmoment
wesentlich kleiner ist. Das in 1 gezeigte
System kann mit einem typischen System des Standes der Technik,
wie es in 2 gezeigt ist, verglichen werden.
Hier ist ein Druckbegrenzungsventil 15 oder ein anderer
Durchflusssteuerungsmechanismus in die Hochdruckseite 2 des
Systems eingesetzt. Diese externe Einheit ist so konfiguriert, dass
sie Hochdruckfluid von der Hochdruckseite 2 über eine
Umgehungsleitung 140 zur Niederdruckseite 4 des
Systemsführt
und dadurch eine übermäßige Druckdifferenz
an der Pumpe und der Last (d. h. zwischen der Hochdruckseite und
der Niederdruckseite) verhindert. Unter Umständen, unter denen eine herkömmliche
Pumpe 10 mit einer hohen Drehzahl und unter niedrigen hydraulischen
Lasten betrieben wird, geht folglich eine große Menge an Energie, die beim
Erzeugen eines Hochdruckfluids in (an) dem Auslass 16 aufgewendet
wird, verloren, weil das Druckbegrenzungsventil 15 das überschüssige Fluid zur
Niederdruckseite 2 des Systems drosselt. Das in 1 gezeigte
System besitzt jedoch die Option, Fluid von einem Förderanschluss über die
Umgehungsleitung 140 direkt zur Niederdruckseite 4 zu
leiten. Da das System von 1 das Fluid
nicht drosselt (oder im Fall, in dem die Last ein Druckbegrenzungsventil
umfasst, weniger Fluid drosselt), geht nur eine geringe Menge an
Energie verloren.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer typischen Flügelpumpe 10, wie sie
in 2 gezeigt ist. Die herkömmliche Pumpe 10 umfasst
eine Pumpe mit zweifachen inneren Förderanschlüssen, die an einem gemeinsamen
Förderauslass 16 zusammenführen. Wie
an sich bekannt ist, definieren die Flügel in dem Rotor und dem Nockenring
(nicht gezeigt) Pumpkammern. Genauer definiert der Raum zwischen
dem Rotor, dem Ring und jeweils zwei benachbarten Flügeln eine
einzelne Pumpkammer. Der Rotor wird durch eine Antriebswelle 11 angetrieben.
Die Drehung des Rotors und die Bewegung der Flügel bewirkt, dass sich das
Volumen jedes Pumphohlraums, bedingt durch die Form des Nockenrings,
der typischer eine ovale (elliptische) Form besitzt, ständig verändert. Wenn
sich die Flügel
durch den "ansteigenden" Abschnitt des Nockenrings
bewegen, nimmt das Volumen jedes Pumphohlraums zu, was dazu führt, dass
das Fluid durch den Förderanschluss
der Pumpe angesaugt wird. Wenn sich umgekehrt die Flügel in den "abfallenden" Abschnitt des Nockenringumrisses
bewegen, nimmt das Volumen jedes Pumphohlraums ab. Ein abnehmendes
Volumen im Pumphohlraum bewirkt jeweils eine Zunahme des Drucks
im jeweiligen Pumphohlraum, was dazu führt, dass das Fluid aus dem
Pumphohlraum heraus durch den ersten Förderanschluss 12 und den
zweiten Förderanschluss 14 der
Pumpe gezwungen wird.
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Da
jede Seite des Rotors dem gleichen Einlassdruck und dem gleichen
Auslassdruck ausgesetzt ist, sind die durch den Fluiddruck hervorgerufe nen
radialen Kräfte
auf den Rotor ausgeglichen, was die Belastung der Lager, die den
Rotor unterstützen, wesentlich
reduziert. Pumpen, deren Pumpkammern symmetrisch um den Umfang des
Rotors angeordnet sind, werden allgemein als "ausgeglichene" oder "symmetrische" Pumpen bezeichnet. Da die radialen Kräfte an einer
symmetrischen Pumpe ausgeglichen sind, kommen sie mit weniger robusten
Lagern aus. Dies ist stets als Hauptvorteil von Flügelpumpen
mit mehreren Anschlüssen
erkannt worden. Um diesen Vorteil beizubehalten, muss jedoch jede
Seite des Rotors dem gleichen Druck ausgesetzt sein.
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Die
in 3 gezeigte herkömmliche symmetrische Pumpe 10 weist
einen ersten Förderanschluss 12 und
einen zweiten Förderanschluss 14 auf.
Bei diesem Entwurf sind der erste Förderanschluss 12 und
der zweite Förderanschluss 14 zu
einem gemeinsamen Förderauslass 16 geleitet.
Die Fluid-Strömungspfade
von dem ersten Förderanschluss 12 und
dem zweiten Förderanschluss 14 sind allgemein
durch Richtungspfeile 18 angegeben. In diesem Beispiel
muss die Pumpe 10 das Fluid durch den gemeinsamen Förderauslass 16 drücken. Folglich
arbeiten beide Förderanschlüsse 12, 14 gegen denselben
Systemgegendruck.
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Wie
bekannt ist, ist der Energieverbrauch der Pumpe mit dem Betrag des
zum Antreiben der Einheit erforderlichen Drehmoments verknüpft, wobei dann,
wenn der Gegendruck zunimmt, ebenso eine Zunahme des zum Antreiben
der Pumpe 10 erforderlichen Drehmoments beobachtet wird
und der Energieverbrauch ansteigt. Da die Pumpe 10 eine
Pumpe mit fester Verdrängung
ist, nimmt ferner bei einer Zunahme der Drehzahl der Pumpe der Durchfluss
entsprechend zu. Folglich kann der Durchfluss bei hohen Pumpendrehzahlen
die Anforderungen des Systems übersteigen
und ein wesentlicher Teil des von der Pumpe geförderten Fluids über das
Druckbegrenzungsventil 15 zu dem Behälter 5 geleitet werden.
Die Pumpe 10 wird daher unter weniger effizienten Bedingungen
betrieben, da das gesamte geförderte
Fluid dem Betriebs-Leitungsdruck des Systems ausgesetzt ist, obwohl
nur ein Anteil des geförderten Fluids
wirklich für
die Verrichtung von Nutzarbeit verwendet wird.
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Es
sei außerdem
angemerkt, dass die von der Pumpe geleistete Nutzarbeit mit der
Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite
des Systems zusammenhängt.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen gibt eine hohe Drehzahl häufig an,
dass das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt. Bei hoher Geschwindigkeit
ist für
bestimmte Systeme wie etwa Servolenksysteme häufig weniger hydraulische Arbeit
erforderlich. Die zusätzliche Druckdifferenz
zwischen der Hochdruckleitung und der Niederdruckleitung bei hoher
Drehzahl ist daher unnötig,
weshalb die Belastung des Systems und die zur Überwindung des erhöhten Pumpendrehmoments
aufgebrachte Energie verschwendet sind.
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In
den 1, 4-7 ist eine
Doppelanschluss-Konstantpumpe effizienter gemacht, indem das Volumen
des geförderten
Fluids, z. B. Öl das
dem Leitungsdruck der primären
Hydrauliklast oder Hydrauliklasten unterworfen wird, begrenzt wird.
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In 4 umfasst
die Pumpe 20 ein Pumpengehäuse 22, das einen
inneren Gehäusehohlraum 24 mit
einer großen Öffnung 26 an
einem seiner Enden und einer kleineren Öffnung 28 an seinem
anderen Ende aufweist. Durch die kleinere Öffnung 28 erstreckt
sich eine Antriebswelle 30, die in einem Wellenlager 51,
das in der Öffnung 28 befestigt
ist und durch eine Wellendichtung 32, die ebenfalls in
der Öffnung 28 befestigt
ist, kontaktiert ist, drehbar gelagert ist. In der Baueinheit ist
eine angemessene Wellenunterstützung
angebracht, um die Biegelasten, die sich aus dem unsymmetrischen
Zustand ergeben, wenn die Pumpe 20 in einer kraftstoffsparenden Betriebsart
oder Nebenbetriebsart arbeitet, auszuhalten. Die Wellendichtung 32 dient
dazu, ein Eindringen von Umgebungsluft in die Pumpe 20 und
ein Entweichen von Fluid aus der Pumpe 20 zu verhindern.
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In
dem Gehäusehohlraum 24 befindet
sich eine Flügelpumpenbaueinheit,
die allgemein mit 40 bezeichnet ist und eine Druckplatte 42,
einen Nockenring 44, einen Rotor 46, mehrere Flügel (nicht gezeigt)
sowie eine Endabdeckung 49 und eine Schubplatte 50 umfasst.
Die Endabdeckung 49 wirkt mit einem ringförmigen Dichtungsring 52 und
einem Sicherungsring 54 zusammen, um die große Öffnung 26 zu
verschließen.
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Der
Rotor 46 weist mehrere Schlitze auf, in den die mehreren
Flügel
gleitend angeordnet sind, wie an sich bekannt ist. Die mehreren
Flügel
kontaktieren die innere Oberfläche
des Nockenrings 44, um so mehrere Pumpkammern 60 am
Umfang zu schaffen, die sich mit der Drehung des Rotors 46,
wenn dieser durch eine Antriebswelle 30 angetrieben wird, erweitern
und verengen. Die Schubplatte 50 weist im Folgenden näher beschriebene
Förderanschlussanordnungen
auf, die das von der Flügelpumpenbaueinheit 40 getriebene
Fluid zu Förderdurchlässen und
Förderauslässen der
Pumpe 20 zu lenken, die dazu dienen, das Fluid zu den anderen
Komponenten des Systems zu verteilen. Das von den Pumpkammern 60 der
Flügelbaueinheit 40 geförderte Fluid bewegt
sich durch die Schubplatte 50 zu ersten bzw. zweiten Förderanschlüssen 80 und 82,
die ihrerseits mit einem Pumpen-Förderdurchgang (in 4 nicht gezeigt),
der in dem Pumpengehäuse 22 ausgebildet ist,
in Fluidverbindung stehen.
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5 zeigt
eine axiale Querschnittsansicht der in 4 gezeigten
beispielhaften Pumpe 20. 5 zeigt
den Zweifach-Fluidförderanschluss-Entwurf der Pumpe 20.
Ein erster Förderanschluss 80 kommuniziert
fluidisch mit einem primären
Förderauslass 86.
Wie in der in 3 gezeigten herkömmlichen
Pumpe 10 ist der erste Förderanschluss 80 Teil eines
primären
Förderdurchlasses 90 für das in
Reaktion auf die Pumptätigkeit
strömende
Fluid. In 5 ist durch den Richtungspfeil 92 ein
primärer Förderpfad
gezeigt, in dem Fluid aus dem ersten Förderanschluss 80 strömt. Da der
erste Förderanschluss 80 mit
dem primären
Förderauslass 86 direkt verbunden
ist, ist dieser primäre
Förderdurchlass 90 unter
allen Betriebsbedingungen der Pumpe dem Betriebs-Leitungsdruck einer
primären
Last oder von primären
Lasten ausgesetzt.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform definiert
der zweite Förderanschluss 82 einen
zweiten Förderpfad
für das
in Reaktion auf die Tätigkeit der
Pumpe 20 strömende
Fluid. In der gezeigten exemplarischen Ausführungsform kommuniziert der zweite
Förderanschluss 82 fluidisch
mit einem zweiten Förderdurchlass 110,
so dass Fluid, das durch den zweiten Förderanschluss 82 strömt, zu dem zweiten
Förderdurchlass 110 geleitet
wird.
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Der
zweite Förderdurchlass 110 weist
ein Durchflusssteuerventil 120 auf. Das Durchflusssteuerventil 120 ist
eingebaut, um das Fluid, das aus dem zweiten Förderanschluss 82 und
dem zweiten Förderdurchlass 110 in
den gemeinsamen Anschluss 125 des Ventils 120 zu
leiten. Das Ventil wird dann den Fluss entweder durch einen ersten
geschalteten Ventilanschluss zu einem zusätzlichen Anschluss 88 oder
durch einen zweiten geschalteten Ventilanschluss in eine Verbindungsleitung 114 entsprechend einem
Strömungspfad,
der durch den Richtungspfeil 130 angegeben ist, und weiter
zu dem Förderauslass 86 herausleiten,
um sich mit dem Strömungspfad 92 zu
vereinigen. Mit anderen Worten, das Durchflusssteuerventil 120 bestimmt,
ob das Fluid, das aus dem zweiten Förderanschluss strömt, zur
Hochdruckseite 2 des Systems geht oder über die Umgehungsleitung 140 zur
Niederdruckseite 4 umgeleitet wird. Es sei ange merkt, dass
aufgrund dessen, dass das Ventil 120 nur einen Förderanschluss
steuert, der maximale Fluidfluss, der zu dem zusätzlichen Förderauslass 88 umgeleitet
werden kann, unter der Annahme einer Gleichheit des ersten Förderanschlusses 80 und
des zweiten Förderanschlusses 82 50
% der Gesamtmenge beträgt.
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In
den 6A, 6B und 7 kann das Durchflusssteuerventil 120 irgendeine
Anzahl geeigneter Ventile umfasst, die so beschaffen sind, dass sie
auf das Anlegen eines elektronischen Signals hin ansprechen, das
vorzugsweise so beschaffen ist, dass es mit dem Eintreten eines
im Voraus bestimmten Ereignisses, wie etwa jenem, wenn das Fluid,
das durch das System strömt,
eine im Voraus bestimmte Rate überschreitet
oder wenn die Druckdifferenz an der Pumpe einen im Voraus bestimmten
Pegel überschreitet
oder wenn die Pumpe und der Automotor eine im Voraus bestimmte Drehzahl
oder andere Kennwerte oder geeignete Kombinationen davon überschreiten,
zusammenfällt.
Die Erfassung solcher Bedingungen kann durch Sensoren und Schaltungen,
wie sie an sich bekannt sind, ausgeführt werden.
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In
den 6A und 6B weist
ein bevorzugtes Steuerventil 120 ein Stellglied 121 und
einen Eingangsanschluss 122, der ein elektrisches Signal zum
Steuern des Stellglieds 121 empfängt, auf. Außerdem sind
wenigstens ein gemeinsamer Anschluss 125 und zwei geschaltete
Anschlüsse,
ein erster geschalteter Anschluss 123 und ein zweiter geschalteter
Anschluss 124, vorgesehen. Wenn das Stellglied einen ersten
Zustand einnimmt, steht der erste geschaltete Anschluss 123 mit
dem gemeinsamen Anschluss 125 in Fluidverbindung. Wenn
das Stellglied einen zweiten Zustand einnimmt, steht der zweite
geschaltete Anschluss 124 mit dem gemeinsamen Anschluss 125 in
Fluidverbindung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied 121 ein
Elektromagnet-Stellglied, das nur einen ersten und einen zweiten
Zustand besitzt, so dass der Fluidfluss entweder insge samt durch
den einen geschalteten Anschluss oder durch den anderen geleitet
wird.
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In 7 umfasst
das Durchflusssteuerventil 120 ein elektronisch gesteuertes
Ventil, das so beschaffen ist, dass es anspricht, wenn das Fluid,
das in dem zweiten Förderdurchlass 110 strömt, einen
im Voraus bestimmten Durchfluss erreicht. Vor jenem Ereignis nimmt
das Stellglied 121 den ersten Zustand ein, so dass Fluid,
das von dem zweiten Förderanschluss 82 (in
dieser Figur nicht gezeigt) kommt, in den gemeinsamen Ventilanschluss 125 eindringt
und sich durch den zweiten geschalteten Ventilanschluss 124 bewegt,
wie durch den Strömungspfeil 130 angedeutet
ist. In diesem Stadium verhält
sich die Pumpe wie eine Doppelanschlusspumpe ähnlich jener, die in 3 gezeigt
ist.
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Nach
der Betätigung
des Durchflusssteuerventils 120 in Richtung des zweiten
Zustands wird das Fluid, das durch das Ventil strömt, zu dem
zusätzlichen
Förderauslass 88,
der z. B. mit der Niederdruckseite des Systems fluidisch kommuniziert,
wie in 1 gezeigt ist, oder zu einer zusätzlichen
Last oder zusätzlichen
Lasten, wie weiter unten näher
beschrieben wird, umgeleitet. Um Steuerdrähte zum Eingangsanschluss 122 des
Ventils zu führen,
ist ein Kabelkanal 126 vorgesehen.
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Da
die Steuerung des Ventils elektronisch geschieht, hat der Entwickler
des Systems eine große
Flexibilität,
zu bestimmen, welche erste Menge von Betriebsbedingungen bewirken
soll, dass das Ventil den ersten Zustand einnimmt, und welche zweite
Menge von Betriebsbedingungen ein Umschalten des Ventils in Richtung
des zweiten Zustands auslösen
soll. Das Umschalten kann in Reaktion auf solche Betriebsbedingungen
wie etwa unter anderem eine zu hohe Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite
und der Niederdruckseite, eine zu hohe Pumpendrehleistung (Umdrehungen
pro Minute) oder ein zu hoher Fluiddurchfluss erfolgen. Der Entwickler
kann sich für
ein Stetigventil entscheiden, so dass der Wechsel von dem ersten
in den zweiten Zustand ruckfrei und stetig erfolgt. Der Entwickler
hat dann eine sehr feine Kontrolle über das System und kann sehr
spezifische Reaktionen auf Änderungen der
Systembetriebsbedingungen zuschneiden.
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Selbstverständlich kann
ein Fachmann auf dem Gebiet Abänderungen
an der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Umfangs der
Ansprüche
vornehmen. Beispielsweise können Merkmale
und Vorteile des vorliegenden Systems in eine Anzahl von Typen von
Pumpbaueinheiten einschließlich
Kolbenpumpen, Pumpen des Flügelzellentyps
und Zahnradpumpen integriert werden; jedoch ist das vorliegende
System ausschließlich
zum Zweck der Veranschaulichung bezüglich einer beispielhaften
Doppelanschluss-Konstantpumpe des Flügelzellentyps beschrieben worden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in einer spezifischen Ausführungsform
beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, diese dadurch zu
begrenzen, vielmehr ist beabsichtigt, die Erfindung im Umfang der
Ansprüche
abzudecken.