DE102006016466A1

DE102006016466A1 - Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE102006016466A1
Application number: DE200610016466
Authority: DE
Inventors: Horst RÖGNER; Dirk Winkler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe (1) zur Förderung von Fluiden mit einem antreibbaren Rotor (2), einem um den Rotor (2) angeordneten Kurvenring (6) und einer Vielzahl von Flügeln (5), welche in Schlitzen (4) des Rotors (2) radial beweglich angeordnet sind und durch Anlage am Kurvenring (6) Kammervolumina (8) bilden. Es wird vorgeschlagen, dass der Kurvenring (6) derart permanent magnetisiert oder derart magnetisierbar ist, dass sich zumindest einige der Flügel (5) in ständiger Anlage am Kurvenring (6) befinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe zur Förderung von Fluiden nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung derselben.
Flügelzellenpumpen zur Förderung von Fluiden sind bekannt, z. B. als Kraftstoffpumpen oder Ölpumpen für Kraftfahrzeuge, dort insbesondere bei Automatikgetrieben. Flügelzellenpumpen weisen einen angetriebenen Rotor auf, welcher auf seinem Umfang verteilt, radial angeordnete Schlitze aufweist, in welchen radial verschiebbare Flügel angeordnet sind. Der Rotor mit den Flügeln läuft in einem Hubring oder Kurvenring, dessen Innenkontur von der Außenkontur des Rotors abweicht. Bei zweiflutigen Flügelzellenpumpen (Konstantpumpen) ist der Hubring in etwa oval ausgebildet und besitzt den gleichen Mittelpunkt wie der Rotor. Bei sich drehendem Rotor werden die Flügel infolge von Zentrifugalkraft nach außen an die Innenkontur des Kurvenringes gedrückt und bilden sich über dem Drehwinkel ändernde Kammervolumina. Dabei finden pro Umdrehung zwei Ansaug- und zwei Verdrängungsvorgänge statt. Bei anderen Bauarten, so genannten einflutigen Flügelzellenpumpen, wird die Exzentrizität zwischen Kurvenring und Rotor verstellt und damit das Verhältnis der Kammervolumina im Saug- und Druckbereich; damit kann der Förderstrom stufenlos verändert werden.
Ein Problem der Flügelzellenpumpen besteht darin, dass die Flügel bei Stillstand des Rotors „einfallen", d. h. mit ihren Flügelspitzen nicht mehr an der Innenkontur des Kurvenringes anliegen. Beim Start bringt die Pumpe daher noch keine Förderleistung. Erst bei hoch laufendem Rotor und hinreichender Drehzahl beginnt die Zentrifugalkraft auf die Flügel zu wirken und bringt diese durch Radialverschiebung zur Anlage am Kurvenring. Erst dann, d. h. nach einer gewissen Zeitspanne, bringt die Pumpe den vollen Förderstrom. Nachteilig ist die lange Ansprechzeit.
Man hat bereits versucht, dieses Problem zu lösen, indem man die Flügel durch Federelemente belastet. Durch die DE 101 42 712 A1 wurde eine Flügelzellenpumpe zur Förderung von Fluiden bekannt, bei welcher ein Rotor mit in radialer Richtung geführten Flügeln in einem exzentrisch zum Rotor angeordneten Hubkurvenring umläuft, welcher Bestandteil eines Gehäuses bzw. eines Stators ist. Die Flügel weisen in ihrem radial äußeren Bereich Dichtkanten auf, welche gegen eine Hubkurve, d. h. die Innenfläche des Hubkurvenringes anlaufen. Die Flügel sind in radialer Richtung durch Federelemente belastet, welche sich einerseits am Rotor abstützen und andererseits die Flügel radial nach außen drücken, damit die Dichtkanten auch bei niedriger Rotordrehzahl an der Hubkurve anliegen und keine Verluste durch Leckage entstehen. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Flügel unabhängig von der Drehzahl ständig an der Hubkurve der Pumpe anliegen. Nachteilig bei der bekannten Lösung ist, dass zusätzliche Bauteile in Form der Federelemente notwendig sind, die am Rotor montiert werden müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Flügelzellenpumpe der eingangs genannten Art die Ansprechzeit beim Hochlauf der Pumpe zu verkürzen, damit unmittelbar nach dem Start der Pumpe die volle Förderleistung zur Verfügung steht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruchs 2 gelöst.
Demnach ist in einer ersten erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass der Kurvenring der Flügelzellenpumpe derart permanent magnetisiert ist, dass er eine ständige Anziehungskraft auf die Flügel ausübt, sodass sich diese in ständiger Anlage an der Innenkontur des Kurvenringes befinden. Wird die Pumpe nach Stillstand gestartet, so kann die Pumpe sofort den vollen Förderstrom und entsprechenden Druck bereitstellen. Die Ansprechzeit beim Hochlaufen der Pumpe wird somit minimiert.
Voraussetzung für die permanente Magnetisierung des Kurvenringes ist ein ferro-magnetisches, d. h. magnetisierbares Material, aus dem der Kurvenring gefertigt ist, z. B. Eisen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie konstruktiv sehr einfach ist und einen sehr geringsten Aufwand erfordert.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Kurvenring der Flügelzellenpumpe derart schaltbar magnetisierbar ist, dass er im eingeschalteten Zustand eine ständige Anziehungskraft auf die Flügel ausübt, sodass sich diese dann in ständiger Anlage an der Innenkontur des Kurvenringes befinden. Die schaltbare Magnetisierung des Kurvenrings erfolgt hierbei durch Elektromagnete, z. B. Spulen mit Magnetkern, welche in den Saug- und/oder Druckquadranten der Pumpe angeordnet sind. Konstruktiv ist der Kurvenring also ein Teil eines schaltbaren Elektromagneten. Wird die Pumpe nach Stillstand gestartet, so kann der Elektromagnet eingeschaltet, d. h. bestromt werden, sodass die Pumpe dann sofort den vollen Förderstrom und entsprechenden Druck bereitstellt. Die Ansprechzeit beim Hochlaufen der Pumpe wird somit minimiert.
Besonders vorteilhaft ist es, den den Kurvenring magnetisierenden Elektromagneten ereignisgesteuert oder zeitgesteuert ein- und auszuschalten. Gegenüber der permanenten Magnetisierung des Kurvenrings ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass der Zeitraum, während dem sich infolge der wirksamen Magnetisierung des Kurvenrings magnetisch leitfähige und Verschleiß fördernde Partikel wie z.B. Stahlspäne im Bereich der Flügelzellenpumpe absetzten können, minimiert wird. Ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung des Elektromagneten ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 14.
Zum Entmagnetisieren des Kurvenrings bei ausgeschaltetem Elektromagneten, also zum Abbau eines eventuell vorhandenen Rest-Magnetismus des Kurvenrings, kann an den Elektromagneten in bekannter Weise ein Wechselfeld anlegbar sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung beider erfindungsgemäßen Lösungen kann der Kurvenring entweder über den ganzen Umfang oder nur teilweise, z. B. in den Quadranten, wo sich die Druck- und Saugbereiche der Pumpe befinden, (permanent bzw. schaltbar) magnetisiert werden. Durch die (permanente bzw. schaltbare) Magnetisierung der einzelnen Quadranten ergibt sich einerseits eine Vereinfachung bei der Magnetisierung, andererseits auch eine erhebliche Verkürzung der Ansprechzeit.
Die Erfindung kann gleichermaßen für zwei- oder einflutige Flügelzellenpumpen, d. h. Konstantförderpumpen oder Regelpumpen mit verstellbarer Exzentrizität angewandt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung als Ölpumpe in einem Automatikgetriebe bei Kraftfahrzeugen, welche mit einer so genannten Start-Stopp-Funktionalität betrieben werden: Hierbei wird der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges in bestimmten Verkehrssituationen ausgeschaltet und nach einer Zeit des Stillstandes wieder gestartet. Mit dem Stillstand des Verbrennungsmotors ist auch die Ölpumpe nicht funktionsfähig. Beim Start des Motors kann die erfindungsgemäße, als Ölpumpe eingesetzte Flügelzellenpumpe sofort, d. h. ohne nennenswerte Ansprechzeit den vollen Druckölstrom zur Verfügung stellen und das Automatikgetriebe versorgen. Damit können auch – wie bisher üblich – elektrisch betriebene Zusatzpumpen für das Automatikgetriebe entfallen, die das Bordnetz des Fahrzeuges belasten; entsprechend entfallen auch die durch die Zusatzpumpen verursachten Mehrkosten für das Automatikgetriebe (Bauaufwand, Bauteilkosten, Montage), entsprechend entfällt auch das durch die hydraulische Anbindung der Zusatzpumpen verursachte erhöhte Risiko hinsichtlich Leckage und unerwünschtem Druckverlust.
Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung als Ölpumpe in einem Automatikgetriebe bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb. Bei einem Hybridantrieb kann das Kraftfahrzeug bekanntlich wahlweise oder gleichzeitig über einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor angetrieben werden. Soll nun das stillstehende Kraftfahrzeug in bestimmten Verkehrssituationen bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor ausschließlich mittels des Elektromotors wieder angefahren werden, so benötigt das Automatikgetriebe sofort eine ausreichende Ölversorgung, um in dem Getriebe den Kraftschluss sicherzustellen. Beim Anlaufen des Elektromotors des Kraftfahrzeugs kann die erfindungsgemäße, als Ölpumpe eingesetzte Flügelzellenpumpe sofort, d. h. ohne nennenswerte Ansprechzeit den vollen Druckölstrom zur Verfügung stellen und das Automatikgetriebe versorgen. Gleiches gilt natürlich auch beim Start des Verbrennungsmotors. Damit können elektrisch betriebene Zusatzpumpen für das Automatikgetriebe entfallen.
In Verbindung mit der schaltbaren Magnetisierung des Kurvenrings der Flügelzellenpumpe entsprechend der zweiten erfindungsgemäßen Lösung kann bei beiden genannten Verwendungsfällen vorgesehen sein, dass die Magnetisierung des Kurvenrings ereignisgesteuert oder zeitgesteuert geschaltet wird. Hierdurch wird die Möglichkeit eingeschränkt, dass sich infolge des magnetisierten Kurvenrings magnetisch leitfähige, Verschleiß fördernde Partikel wie z.B. Stahlspäne im Bereich der Flügelzellenpumpe absetzten. Kriterien, anhand derer der den Kurvenring magnetisierende Elektromagnet elektrisch bestromt bzw. eingeschaltet wird, können beispielsweise sein:

– „Motorstopp bei Fahrzeugstillstand und eingelegter Fahrposition des Getriebes"
– „Motormindestdrehzahl unterschritten"
– „Mindestdrehzahl der Getriebeeingangswelle unterschritten"
– „Mindestdrehzahl der Pumpe unterschritten"
– „Motorstillstand im Rahmen der Start-Stopp-Funktion UND Fahrzeugbremse gelöst"
– „Motorstillstand im Rahmen der Start-Stopp-Funktion UND Gaspedal betätigt"
– „Motorneustart wird erwartet"
– „elektrisches Anfahren des Fahrzeugs mit Hybridantrieb".

Kriterien, den zuvor bestromten bzw. eingeschalteten Elektromagnet, der den Kurvenring magnetisiert, elektrisch wieder abzuschalten, können beispielsweise sein:

– „Motorneustart beendet"
– „Motormindestdrehzahl erreicht"
– „Mindestdrehzahl der Getriebeeingangswelle erreicht"
– „Mindestdrehzahl der Pumpe erreicht"
– „Mindestdruck der Pumpe erreicht"
– „maximale Einschaltzeit des Elektromagneten erreicht".

Selbstverständlich ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe nicht auf die zuvor beschriebenen Fälle beschränkt. Generell ist die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe überall dort einsetzbar, wo eine gesicherte Ölversorgung oder gesicherte Zusatzölversorgung benötigt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Flügelzellenpumpe wird das "Einfallen" der Flügel zuverlässig durch die Magnetisierung des Kurvenrings verhindert; das bei Flügelzellenpumpen bekannte Problem, dass die Pumpe direkt beim Anlaufen keinen Druck aufbauen kann und das Fluid frei durch die Pumpe in den Fluidsumpf abfließt, tritt nunmehr nicht mehr auf.
So kann die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe beispielsweise sowohl als Hauptölpumpe als auch als Zusatzölpumpe für das Automatikgetriebe bzw. sowohl als Hauptölpumpe als auch als Zusatzölpumpe für das Aggregat, welches sie mit Drucköl versorgt, ausgebildet sein. Die Art des Antriebs der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist im Prinzip beliebig, beispielsweise kann hierfür ein Verbrennungsmotor oder auch ein Elektromotor vorgesehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben.
Die einzige Figur zeigt eine Flügelzellenpumpe 1 mit einem Rotor 2, welcher von einer Welle 3 angetrieben wird. Der Rotor 2 weist einen Mittelpunkt M und, über den Umfang verteilt, radial angeordnete Schlitze 4 auf, welche in sich radial bewegliche Flügel 5 aufnehmen. Um den Rotor 2 herum ist ein Kurvenring 6 angeordnet, welcher eine etwa oval geformte Innenkontur 7 aufweist. Kurvenring 6 und Rotor 2 haben denselben Mittelpunkt M. Zwischen der ovalen Innenkontur 7 des Kurvenringes und der kreisförmigen Außenkontur 2a des Rotors 2 werden sichelförmige Spalte gebildet, welche durch die an der Innenkontur 7 anliegenden Flügel 5 in Kammervolumina 8 unterteilt sind. Die Kammervolumina ändern sich mit dem Drehwinkel des Rotors 2, dessen Drehrichtung durch einen Pfeil D gekennzeichnet ist. Es entstehen somit bei wachsenden Kammervolumina 8 zwei Saugbereiche 9 und bei abnehmenden Kammervolumina zwei Druckbereiche 10; die Pumpe 1 ist somit zweiflutig.
Erfindungsgemäß ist der Kurvenring 6 magnetisiert, d. h. nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Dauer- oder Permanentmagnet ausgebildet. Die Magnetisierung des Kurvenringes 6 hat die Wirkung, dass die Flügel 5 einer ständigen Anziehungskraft unterliegen und die Flügelspitzen sich in ständiger Anlage an der Innenkontur 7 des Kurvenringes 6 befinden. Damit tritt ein „Einfallen" der Flügel 5 in die Schlitze 4 (radiale Einwärtsbewegung) nicht mehr auf, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 1 ist damit in der Lage, nach einem Stillstand sofort, d. h. ohne eine nennenswerte Ansprechzeit Fluid bzw. Öl in vollem Umfang zu fördern.
Nach einer bevorzugten Ausführung wird die erfindungsgemäße Pumpe als Ölpumpe bei Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Bei Start-Stopp-Funktionen kann die Ölpumpe bei einem Start des Verbrennungsmotors nach Stillstand sofort Druck- und Schmieröl zur Versorgung eines Automatikgetriebes liefern, d. h. die Schaltelemente zu befüllen, sodass ein Anfahrvorgang des Fahrzeuges ohne Verzögerung und ohne elektrische Zusatzpumpe möglich ist.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Pumpe auch für Regelpumpen mit verstellbarer Exzentrizität eingesetzt werden. Darüber hinaus ist auch eine Magnetisierung durch Elektromagnete möglich. Beispielsweise können im Saug- und/oder Druckbereich der Pumpe Magnetspulen vorgesehen werden, welche die erforderlich Anziehungskräfte auf die Flügel ausüben. Die Magnetspulen erfordern elektrische Anschlüsse, über welche Strom zugeführt oder abgeschaltet wird. In diesem Falle ist die Magnetisierung beliebig ein- oder ausschaltbar.

1: Flügelzellenpumpe
2: Rotor
2a: Außenkontur (Rotor)
3: Welle
4: Schlitze
5: Flügel
6: Kurwenring
7: Innenkontur (Kurvenring)
8: Kammervolumen
9: Saugbereich
10: Druckbereich
M: Mittelpunkt
D: Drehrichtung

Claims

Flügelzellenpumpe (1) zur Förderung von Fluiden mit einem antreibbaren Rotor (2), einem um den Rotor (2) angeordneten Kurvenring (6) und einer Vielzahl von Flügeln (5), welche in Schlitzen (4) des Rotors (2) radial beweglich angeordnet sind und durch Anlage am Kurvenring (6) Kammervolumina (8) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring (6) derart magnetisiert ist, dass sich zumindest einige der Flügel (5) in ständiger Anlage am Kurvenring (6) befinden, wobei der Kurvenring (6) als Permanentmagnet ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe (1) zur Förderung von Fluiden mit einem antreibbaren Rotor (2), einem um den Rotor (2) angeordneten Kurvenring (6) und einer Vielzahl von Flügeln (5), welche in Schlitzen (4) des Rotors (2) radial beweglich angeordnet sind und durch Anlage am Kurvenring (6) Kammervolumina (8) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring (6) derart magnetisierbar ist, dass sich zumindest einige der Flügel (5) in ständiger Anlage am Kurvenring (6) befinden, wobei der Kurvenring (6) als Teil eines Elektromagneten ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet zur Magnetisierung des Kurvenrings (6) ereignisgesteuert oder zeitgesteuert ein- und ausschaltet wird.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektromagneten ein Wechselfeld anlegbar ist zum Entmagnetisieren des Kurvenrings (6) bei ausgeschaltetem Elektromagneten.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring (6) über den gesamten Umfang magnetisiert bzw. magnetisierbar ist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring (6) nur über Teile des Umfanges, insbesondere Quadranten magnetisiert bzw. magnetisierbar ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der magnetisierten Quadranten die Saugbereiche (9) der Flügelzellenpumpe (1) angeordnet sind.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zweiflutig ausgebildet ist und der Kurvenring (6) eine ovale Innenkontur (7) aufweist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie als einflutige Regelpumpe mit verstellbarer Exzentrizität ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ölpumpe eines Automatikgetriebes, insbesondere für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hauptölpumpe des Automatikgetriebes ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Zusatzölpumpe des Automatikgetriebes ausgebildet ist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird bzw. antreibbar ist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie von einem Elektromotor angetrieben wird bzw. antreibbar ist.
Verfahren zur Ansteuerung einer Flügelzellenpumpe mit einem als Teil eines Elektromagneten ausgebildeten magnetisierbaren Kurvenring (6), der um einen von einem Motor antreibbaren Rotor (2) angeordnet ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei der Elektromagnet zur Magnetisierung des Kurvenrings (6) ereignisgesteuert oder zeitgesteuert ein- und ausschaltbar ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet elektrisch bestromt bzw. eingeschaltet wird, wenn zumindest eines der folgenden Kriterien erfüllt ist: – „Motorstopp bei Fahrzeugstillstand und eingelegter Fahrposition des Getriebes", – „Motormindestdrehzahl unterschritten", – „Mindestdrehzahl der Getriebeeingangswelle unterschritten", – „Mindestdrehzahl der Pumpe unterschritten", – „Motorstillstand im Rahmen einer Motor-Start-Stopp-Funktion und Fahrzeugbremse gelöst", – „Motorstillstand im Rahmen der Motor-Start-Stopp-Funktion und Gaspedal betätigt", – „Motorneustart wird erwartet", – „elektrisches Anfahren des Fahrzeugs mit Hybridantrieb".
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet elektrisch abgeschaltet wird, wenn zumindest eines der folgenden Kriterien erfüllt ist: – „Motorneustart beendet", – „Motormindestdrehzahl erreicht", – „Mindestdrehzahl der Getriebeeingangswelle erreicht", – „Mindestdrehzahl der Pumpe erreicht", – „Mindestdruck der Pumpe erreicht", – „maximale Einschaltzeit des Elektromagneten erreicht".