Die Erfindung betrifft eine Zahnringpumpe, deren spezifisches Fördervolumen verstellbar
ist. Das spezifische Fördervolumen ist das auf eine Pumpendrehzahl bezogene
Fördervolumen der Pumpe [Fördervolumen/Pumpendrehzahl]. Die Verstellung wird durch
eine Drehwinkellageänderung eines Exzenterrings bewirkt, der eine Drehlagerung von
einem von wenigstens zwei miteinander in Eingriff stehenden Förderrädern der
Zahnringpumpe bildet.
Bekannte Zahnringpumpen weisen ein systembedingt konstantes spezifisches
Fördervolumen auf, weil die Geometrie der Verdrängerzellen der Pumpen nicht verändert
werden kann. Aus der Konstanz des spezifischen Fördervolumens ergibt sich automatisch
eine Proportionalität des Fördervolumens der Pumpe über der Drehzahl, solange der
Füllgrad der Förderzellen 100% ist. In vielen Anwendungsfällen ist jedoch diese
Proportionalität störend. Bei einer Presse beispielsweise ist für den Eilgang eine hohe
Liefermenge an Drucköl notwendig, in der Endphase des Arbeitshubs jedoch wird nur
noch hoher Druck gefordert, der Bedarf an Öl-Fördervolumen geht auf Null zurück. Da
die Antriebsdrehzahl in der Regel konstant bleibt, entsteht ein unter hohem Druck
stehender Ölstromüberschuss, der energieverlustbehaftet in einen Öltank zurückströmt.
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, eine Mindestfördermenge und bei hoher
Drehzahl einen Mindestöldruck, der Ölmengenbedarf bei höherer Drehzahl liegt aber
weit unterhalb der Proportionalitätslinie.
Bei Zahnringpumpen, wie die Erfindung sie vorzugsweise betrifft, besteht die
Möglichkeit, dass eine Exzentrizität, die zwischen einer Drehachse eines inneren Rotors
und einer Drehachse eines äußeren Rotors der Pumpe besteht, gegenüber einem
Pumpengehäuse und somit gegenüber den Zufluss- und Abflussöffnungen im Gehäuse
verändert werden kann. Hierfür wird einer der Rotoren, vorzugsweise der äußere Rotor,
in einem Exzenterring drehbar gelagert. Der Exzenterring ist im Gehäuse drehbar
angeordnet, und die Winkellage des Exzenterrings ist relativ zu dem Gehäuse verstellbar.
Für eine in der praktischen Anwendung gewünschte Fördermengenverstellung bis nahe
an den Wert Null heran, ist eine Winkelverstellung der Exzentrizität über einen
Winkelbereich um eine der Rotordrehachsen bzw. die Exzenterringdrehachse von 90°
vorteilhaft. Es sollte daher möglich sein, den Exzenterring zur Verstellung der
Exzentrizität der Rotordrehachsen um bis zu 90°, d.h. um große Umfangswege, zu
verstellen. Zur Erzeugung einer Verstellkraft für die Verstellung des Exzenterrings wird
üblicherweise ein Stellkolben mit einem Teil des Öls von der Hochdruckseite der Pumpe
beaufschlagt. Die derart erzeugte Verstellkraft wird mittels eines Verstellgetriebes in die
Drehbewegung des Exzenterrings umgewandelt. Der Verstellkraft wirkt eine Gegenkraft
entgegen, die bei einem Nachlassen der Verstellkraft ein Zurückdrehen des Exzenterrings
in die Drehwinkellage für maximales spezifisches Fördervolumen bewirkt. Nachteilig bei
bekannten Pumpen ist, dass die zur Erzeugung der Gegenkraft verwendeten Federglieder
große Wege durchfahren, nämlich über die bis zu 90° Winkelverstellung des
Exzenterrings, was wegen einer vorteilhaft weichen Federkennlinie zu Problemen bei der
Auslegung der Federglieder führt.
Aus der EP 0 284 226 A2 ist eine Zahnringpumpe mit zwei Exzenterringen bekannt, die
zur Verstellung des spezifischen Fördervolumens im Gehäuse gegenläufig gedreht
werden. Zur Erzeugung der Verstellkraft wird ein Regelkolben mit dem Pumpendruck
beaufschlagt. Die Linearbewegung des Regelkolbens wird mittels einer an dem
Regelkolben starr befestigten Zahnstange über ein Zwischenzahnrad auf einen der
Exzenterringe übertragen. Hierfür kämmt das Zwischenzahnrad mit einer axial neben
einer äußeren Lagerfläche des Exzenterrings an dem Exzenterring ausgebildeten
Verzahnung. Mittels einer Abzweigung von dem Zwischenzahnrad wird der andere
Exzenterring in gleicher Weise gegenläufig gedreht. Eine Gegenkraft wird durch eine auf
den Regelkolben wirkende Druckfeder erzeugt, wobei eine Rückdrehung der
Exzenterringe durch diese Druckfeder nur zu einem Teil bewirkt wird. Zusätzlich zu der
Druckfeder ist für die Rückstellung eine Torsionsfeder vorgesehen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zahnringpumpe mit einem einfachen und
kompakten Mechanismus zur Verstellung des Fördervolumens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
Eine Zahnringpumpe, wie die Erfindung sie betrifft, weist wenigstens ein Gehäuse, einen
von dem Gehäuse aufgenommenen, drehbar gelagerten äußeren Rotor mit einer
Innenverzahnung, einen drehbar gelagerten inneren Rotor mit einer Außenverzahnung,
wenigstens eine Niederdrucköffnung und wenigstens eine Hochdrucköffnung, einen
Exzenterring, ein hin und her bewegbares Stellglied, vorzugsweise ein linear bewegbares
Stellglied, und ein Verstellgetriebe zur Übertragung von Stellbewegungen des Stellglieds
auf den Exzenterring auf. Die Außenverzahnung des inneren Rotors kämmt mit der
Innenverzahnung des äußeren Rotors. Vorzugsweise ist nur einer der beiden Rotoren
angetrieben und treibt durch den Zahneingriff den anderen der Rotoren mit an. Der
angetriebene Rotor wird mit der Drehzahl eines von der Pumpe versorgten Aggregats
oder einer davon abgeleiteten, über- oder untersetzten Drehzahl angetrieben. Der Rotor
kann beispielsweise unmittelbar auf einer Motorkurbelwelle oder einer Eingangswelle
eines Automatikgetriebes sitzen oder erst über ein davon abzweigendes Getriebe
angetrieben werden. Die Drehachsen der beiden Rotoren verlaufen parallel in einem
Abstand zueinander, d.h. sie sind zueinander exzentrisch. Die Innenverzahnung des
äußeren Rotors weist wenigstens einen Zahn mehr auf als die Außenverzahnung des
inneren Rotors. Vorzugsweise besitzt sie genau einen Zahn mehr. Der Zahneingriff der
beiden Rotoren ist derart, dass zwischen der Außenverzahnung und der Innenverzahnung
Förderzellen gebildet werden, die durch Zahnflankenberührung und an einer Stelle
geringsten Zahneingriffs durch Zahnkopfberührung gegeneinander abgedichtet sind,
wobei an der Stelle geringsten Zahneingriff durchaus auch ein gewisses Spiel verbleiben
kann. An der Stelle tiefsten Zahneingriffs kann auch eine Sichel für eine Abdichtung
sorgen.
Die Verstellung des spezifischen Fördervolumens der Pumpe erfolgt durch Drehung der
Exzentrizität der beiden Rotoren um eine Achse, vorzugsweise um eine der beiden
Rotordrehachsen. Durch die Drehung der Exzentrizität wird die Drehwinkellage der
Stelle tiefsten Zahneingriffs relativ zu der wenigstens einen Niederdrucköffnung und der
wenigstens einen Hochdrucköffnung verstellt. Die wenigstens eine Niederdrucköffnung
und die wenigstens eine Hochdrucköffnung sind vorteilhafterweise in dem Gehäuse als
feststehende Öffnungen ausgebildet. Ganz grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich,
die Lagen dieser Öffnungen relativ zu dem Gehäuse veränderlich zu gestalten, wobei
etwaige Lageänderungen dieser Öffnungen, insbesondere Drehwinkellagenänderungen,
abgestimmt mit der Exzentrizitätsverstellung erfolgen. Der Exzenterring wird von dem
Gehäuse um eine Exzenterringdrehachse drehbar gelagert und bildet selbst die
Drehlagerung für einen der Rotoren, vorzugsweise für den äußeren Rotor.
Dementsprechend weist der Exzenterring eine Lagerfläche auf, über die er selbst drehbar
gelagert ist, und eine Lauffläche, die eine Gleitlagerfläche oder eine Stützlagerfläche für
eine Wälzlagerung des von dem Exzenterring drehbar gelagerten Rotors bildet.
Das Stellglied ist vorzugsweise ein Stellkolben, der in einem Zylinder, der starr mit dem
Pumpengehäuse verbunden oder vorzugsweise durch das Pumpengehäuse selbst gebildet
wird, hin- und her geradverschiebbar aufgenommen ist. Der Kolben wird vorzugsweise
ständig mit dem Druck der Hochdruckseite der Pumpe beaufschlagt, indem ein Teil des
von der Pumpe geförderten Fluids in den Zylinder abgezweigt wird. Bei dem Fluid
handelt es sich vorzugsweise um eine Hydraulikflüssigkeit, insbesondere ein Schmieröl,
beispielsweise für einen Verbrennungsmotor, oder ein Arbeitsöl für ein Arbeitsaggregat,
beispielsweise ein Automatikgetriebe oder eine Presse. Die Pumpe bildet vorzugsweise
die Hauptpumpe zur Versorgung des Motors oder sonstigen Arbeitsaggregats. Die
Hydraulikflüssigkeit kann beispielsweise aber auch Wasser sein.
Nach der Erfindung wird eine Verstellkraft zum Drehen des Exzenterrings über einen
Schwenkarm, d.h. über eine getriebetechnische Schwinge, auf den Exzenterring
übertragen. Ein Stellweg des Stellglieds wird von der Schwinge entsprechend der Länge
des durch die Schwinge gebildeten Schwenkarms in einen an der Lagerfläche oder der
Lauffläche des Exzenterrings gemessenen Drehweg des Exzenterrings übersetzt, der
länger als der Stellweg des Stellglieds ist. Es werden bei gleichen Stellwegen größere
Drehwinkellageänderungen des Exzenterrings als bei den aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen erzielt.
Die Schwinge ist mit dem Exzenterring verdrehsicher verbunden, d.h. die Übertragung
der Drehbewegung der Schwinge erfolgt auf den Exzenterring schlupffrei, womit auch
eine Übertragung über ein schlupffreies Getriebe nicht von vornherein ausgeschlossen
sein soll. Der Exzenterring ist jedoch vorzugsweise vollkommen steif mit der Schwinge
verbunden. Der Exzenterring und die Schwinge werden besonders bevorzugt als ein
einziger, steifer Körper ausgebildet.
Das Verstellgetriebe umfasst bevorzugterweise wenigstens das Stellglied, ein
Kurvengetriebe mit wenigstens einem Kurvengelenk und die Schwinge. In bevorzugten
Ausführungsformen weist das Verstellgetriebe nur ein einziges Kurvengelenk auf, in dem
die vorzugsweise linearen Stellbewegungen des Stellglieds unmittelbar in die
Schwenkbewegungen der Schwinge umgewandelt werden.
Die Stellbewegungen des Stellglieds können mittels eines kurbelartigen Verstellgetriebes
in die Schwenkbewegungen des Exzenterrings übertragen werden, indem ein Schubglied
wie bei einem Kurbeltrieb mit einem Drehkörper, vorzugsweise unmittelbar mit der
Schwinge, gekoppelt ist. Eine Umwandlung von Linearbewegungen in Drehbewegungen
mittels einer Kulissenführung anstatt mit einem Wellengelenk ist grundsätzlich ebenfalls
denkbar. Vorzugsweise wird das Kurvengetriebe mit dem wenigstens einen
Kurvengelenk jedoch von einem Zahnradgetriebe gebildet. Das Zahnradgetriebe umfasst
das in diesem Fall bevorzugt als Zahnstange ausgebildete Schubglied und ein mit der
Zahnstange in Zahneingriff stehendes Zahnrad. Das Zahnrad kann erst über ein weiteres
Getriebeglied mit der Schwinge gekoppelt sein. Vorzugsweise ist das Zahnrad jedoch
verdrehsteif unmittelbar mit der Schwinge verbunden und wird durch einen oder an
einem zu der Exzenterringdrehachse konzentrischen Zapfen gebildet. Falls das
Kurvengetriebe ein Kurbeltrieb oder ein Gleitkurvengetriebe mit einer Kulissenführung
ist, wäre ein mit der Schwinge oder einem Zwischendrehkörper verbundener Zapfen
exzentrisch zur Exzenterringdrehachse anzuordnen.
Obgleich die Fördervolumenverstellung beispielsweise fest an die Pumpendrehzahl
gekoppelt oder anhand von Messsignalen, die das Fördervolumen und/oder den
Pumpendruck repräsentieren, motorisch vorgenommen werden kann, wird eine
selbsttätige Fördervolumenregelung bevorzugt. Bei der selbsttätigen
Fördervolumenregelung wird der Verstellkraft, die vorzugsweise durch Beaufschlagung
eines Stellkolbens mit dem Pumpendruck erzeugt wird, ständig eine elastische
Rückstellkraft eines Rückstellglieds als Gegenkraft entgegengesetzt. Die Rückstellkraft
kann durch Kompression eines kompressiblen Druckfluids erzeugt werden, das in einer
Druckkammer durch die Kolbenbewegung komprimiert wird. Vorzugsweise wird sie
jedoch durch Spannen eines mechanischen Rückstellglieds, insbesondere einer Feder oder
eines Federsystems, erzeugt. Eine momentane Differenz aus Verstellkraft und
Rückstellkraft bestimmt die Bewegungsrichtung des Stellglieds und damit die
Drehrichtung des Exzenterrings. Im Kräftegleichgewicht verharren das Stellglied, das
Verstellgetriebe und damit auch der Exzenterring in der gerade eingenommenen
Gleichgewichtsstellung.
Ist das Schubglied als Zahnstange ausgebildet, so sind die Verzahnung des Schubglieds
und das die Rückstellkraft erzeugende Federglied oder die genannte Druckkammer in
Bewegungsrichtung des Schubglieds gesehen nicht hintereinander, sondern vorzugsweise
einander überlappend angeordnet, wodurch eine kurze und damit steife Bauweise des
Verstellgetriebes erhalten wird.
Ein als Zahnstange ausgebildetes Schubglied wird bevorzugterweise durch einen
zylindrischen Körper mit der Verzahnung an einer Zylindermantelfläche gebildet.
Grundsätzlich kann der zylindrische Körper jedoch auch eine oder mehrere Kanten
aufweisen. Besonders bevorzugt ist der zylindrische Körper über seine gesamte Länge
rotationssymmetrisch. Vorteilhafterweise kann eine Aufnahmebohrung in einem
Aufnahmekörper für das Schubglied, vorzugsweise eine Aufnahmebohrung in dem
Pumpengehäuse, ebenfalls einfach rotationssymmetrisch bzw. kreiszylindrisch mit
gegebenenfalls unterschiedlichen Durchmessern in axialer Richtung ausgebildet sein. Das
Schubglied wird besonders bevorzugt durch einen hohlzylindrischen Körper gebildet, der
ein offenes Ende aufweist. In diesem Falle ist das Rückstellglied in dem
hohlzylindrischen Schubglied aufgenommen.
Der zylindrische Körper bildet vorteilhafterweise auch gleichzeitig den Stellkolben. Ist
das Rückstellglied in dem hohlzylindrischen Körper aufgenommen, so wird der
Stellkolben an dem Ende des zylindrischen Körpers gebildet, das dem offenen Ende
gegenüberliegt. Ein Federglied oder das Druckfluid eines pneumatischen Rückstellglieds
kann in diesem Fall ganz einfach gegen eine vordere Stirnfläche des hohlzylindrischen
Körpers drücken, die auch gleichzeitig einen Kolbenboden bildet. Eine besonders stabile
Geradführung eines als Zahnstange ausgebildeten Schubglieds ergibt sich dadurch, dass
das Schubglied beidseits der Verzahnung je eine Gleitführungsfläche bildet. Zur einen
Seite der Verzahnung wird diese Gleitführungsfläche vorzugsweise durch den Stellkolben
selbst gebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert.
Die anhand des Ausführungsbeispiels offenbarten Merkmale bilden je einzeln und in
jeder der offenbarten Merkmalskombinationen die Gegenstände der Ansprüche in
bevorzugte Richtungen weiter. Es zeigen:
- Figur 1a
- eine Zahnringpumpe mit einem verstellbaren Exzenterring in einer
Ausgangsstellung,
- Figur 1b
- die Zahnringpumpe der Figur 1a in einer Endstellung,
- Figur 2
- die Zahnringpumpe in einer Explosionsdarstellung,
- Figur 3
- die Zahnringpumpe in einem Längsschnitt und
- Figur 4
- die Zahnringpumpe in einem Querschnitt.
Die Figuren 1a und 1b zeigen eine Zahnringpumpe in einem Querschnitt. Die
Zahnringpumpe weist einen Innenrotor 4 mit einer Außenverzahnung 4a und einen
Außenrotor 5 mit einer Innenverzahnung 5i auf, die einen Zahnringlaufsatz bilden. Die
Außenverzahnung 4a hat einen Zahn weniger als die Innenverzahnung 5i. Der innere
Rotor 4 ist verdrehsicher mit einer drehangetriebenen Welle verbunden, im
Ausgangsbeispiel ist der Rotor 4 auf einen Zapfen 3 der Welle aufgeschrumpft.
Zwischen dem Wellenschrumpfsitz und dem inneren Rotor 4 sind axiale
Verbindungskanäle vorgesehen. Sowohl der Wellenzapfen 3 und damit der innere Rotor
4 als auch der äußere Rotor 5 sind in einem Gehäuseteil 1 eines Pumpengehäuses drehbar
gelagert. Das Pumpengehäuse ist zweiteilig, wie beispielsweise in Figur 2 zu erkennen
ist, mit einem Gehäuseteil 1 und einem Gehäuseteil 2, die in Achsrichtung des
Wellenzapfens 3 aneinander gesetzt und befestigt sind.
Eine Drehachse 4' des inneren Rotors 4 verläuft parallel beabstandet, d.h. exzentrisch,
zu einer Drehachse 5' des äußeren Rotors 5. Die Exzentrizität, d.h. der Abstand
zwischen den beiden Drehachsen 4' und 5', ist mit "e" bezeichnet.
Der innere Rotor 4 und der äußere Rotor 5 bilden zwischen sich einen Fluidförderraum.
Dieser Fluidförderraum ist in gegeneinander druckdicht abgeschlossene Förderzellen 7,
7' unterteilt. Die einzelnen Förderzellen 7, 7' sind jeweils zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Zähnen des inneren Rotors 4 und der Innenverzahnung 5i des
äußeren Rotors 5 gebildet, indem je zwei aufeinanderfolgende Zähne des inneren Rotors
4 Kopf- oder Flankenberührung mit je zwei aufeinanderfolgenden, gegenüberliegenden
Zähnen der Innenverzahnung 5i haben. Zwischen den Zahnköpfen kann an der Stelle
geringsten Zahneingriffs grundsätzlich auch ein geringes Spiel bestehen, wobei in diesem
Falle das geförderte Fluid, vorzugsweise eine Hydraulikflüssigkeit, zwischen den
einander gegenüberliegenden Zahnköpfen einen Dichtfilm bildet.
Von einem Ort tiefsten Zahneingriffs bis zu einem Ort geringsten Zahneingriffs werden
die Förderzellen 7 in Drehrichtung D zunehmend größer, um anschließend von dem Ort
geringsten Zahneingriffs wieder abzunehmen. Die größer werdenden Förderzellen 7
bilden eine Niederdruckseite und die kleiner werdenden Förderzellen 7' eine
Hochdruckseite. Die Niederdruckseite ist mit einem Pumpeneinlass und die
Hochdruckseite mit einem Pumpenauslass verbunden. In dem Gehäuse 1,2 sind seitlich
an die Förderzellen 7 und die Förderzellen 7' sich anschließende, nierenförmige
Nutöffnungen ausgenommen. Wenigstens eine dieser Öffnungen überdeckt Förderzellen
7 auf der Niederdruckseite und bildet dementsprechend eine Niederdrucköffnung, und
wenigstens eine andere dieser Öffnungen überdeckt Förderzellen 7' auf der
Hochdruckseite und bildet dementsprechend eine Hochdrucköffnung. Im Bereich des
Orts tiefsten Zahneingriffs und im Bereich des Orts geringsten Zahneingriffs bildet das
Gehäuse Dichtstege zwischen den angrenzenden Hoch- und Niederdrucköffnungen. Bei
einem Drehantreiben des einen der Rotoren 4 und 5 wird durch die expandierenden
Förderzellen 7 auf der Niederdruckseite Fluid angesaugt, über den Ort geringsten
Zahneingriffs transportiert und auf der Hochdruckseite unter höherem Druck wieder
abgefördert. Im Ausführungsbeispiel erhält die Pumpe ihren Drehantrieb von einem
Drehantriebsglied, das durch eine Antriebswelle gebildet wird. Der Wellenzapfen 3
dieser Antriebswelle ist in dem Gehäuse 1, 2 drehgelagert, wie in Figur 3 zu erkennen
ist. In einer bevorzugten Verwendung der Pumpe als Schmieröl - bzw. Motorölpumpe
für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Hubkolbenmotor, handelt es sich bei
der Antriebswelle üblicherweise unmittelbar um die Kurbelwelle oder die Ausgangswelle
eines Getriebes, dessen Eingangswelle die Kurbelwelle des Motors ist. Ebenso kann sie
durch eine Ausgleichswelle für einen Kraftausgleich oder Drehmomentenausgleich des
Motors gebildet werden.
Um das spezifische Fördervolumen verändern zu können, ist der äußere Rotor 5 in einem
Exzenterring 11 aufgenommen, der von dem Gehäuseteil 1 drehbar gelagert wird und
gegenüber dem Gehäuse 1,2 in Bezug auf seine Drehwinkellage verstellt werden kann.
Der äußere Rotor 5 ist in dem Exzenterring 11 mittels eines Gleitdrehlagers frei drehbar
gelagert. Die Lagerung des Exzenterrings 11 erfolgt in dem Gehäuse 1,2 ebenfalls
mittels eines Gleitdrehlagers. Eine äußere Mantelfläche des Exzenterrings 11 bildet eine
Lagerfläche 12 für den Exzenterring 11, und eine innere Mantelfläche 13 des
Exzenterrings 11 bildet eine Lauffläche 13, an welcher der äußere Rotor 4 abläuft. Die
Lagerfläche 12 ist konzentrisch zu der Drehachse 4' des inneren Rotors 4. Die
Lauffläche 13 bildet die Drehlagerfläche für den äußeren Rotor 5 und ist
dementsprechend konzentrisch zu dessen Drehachse 5'.
Figur 1a zeigt den Exzenterring 11 und den Zahnringlaufsatz 4,5 in einer
Ausgangsstellung, in der das spezifische Fördervolumen der Pumpe sein Maximum
aufweist. Indem der Exzenterring 11 gegen die Pumpendrehrichtung D gedreht wird,
wandert die Drehachse 5' des äußeren Rotors 5 aus der Stellung von Figur 1a entgegen
der Pumpendrehrichtung D um die Drehachse 4' des inneren Rotors 4. Der maximale
Verstellwinkel dieser Drehwinkellagenänderung des Exzenterrings 11 wird mittels eines
mechanischen Anschlags auf 90° begrenzt. Figur 1b zeigt den Exzenterring 11 in seiner
Endstellung, in der das spezifische Fördervolumen der Pumpe sein Minimum erreicht
hat. Die in Figur 1b gezeigte Endstellung ist die Nullstellung der Pumpe, in der im
Idealfall kein Fluid gefördert wird. In der Nullstellung erstrecken sich die Nutöffnungen
an der Niederdruckseite und der Hochdruckseite vorzugsweise symmetrisch zu beiden
Seiten der Orte tiefsten und geringsten Zahneingriffs.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen einen Verstellmechanismus zur Verstellung der
Drehwinkellage des Exzenterrings 11, wobei die grundsätzliche Wirkungsweise bereits
aus der Darstellung der Figur 2 hervorgeht und die Figuren 3 und 4 weitere Details
zeigen.
Der Exzenterring 11 ist Bestandteil eines in einem Stück gefertigten, vorzugsweise
gesinterten, Lagerkörpers 10. Der Lagerkörper 10 bildet einen Lagertopf mit dem
Exzenterring 11 als Topfwandung und einem radialen Steg 14 als Topfboden. Von dem
Steg 14 ragt an der dem Exzenterring 11 abgewandten Stirnfläche in axialer Richtung ein
Zapfen 15 ab. Der Zapfen 15 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und konzentrisch zu
der gemeinsamen Drehachse 4' des Exzenterrings 11 und des inneren Rotors 4
angeordnet. Der Zapfen 15 ist mit einer Außenverzahnung 16 versehen. Im
Ausführungsbeispiel ist die Außenverzahnung 16 als Geradverzahnung ausgebildet, die in
die äußere Mantelfläche des Zapfens 15 eingelassen oder nachträglich eingearbeitet ist.
In Achsrichtung beidseits der Verzahnung 16 verbleiben an dem Zapfen 15 glatte
Mantelflächen, die für den Lagerkörper 10 zusätzlich zu der Lagerfläche 12 des
Exzenterrings 11 als weitere Lagerflächen dienen.
Der innere Rotor 4 könnte auch drehbar im Zapfen 15 gelagert sein und von dem
Wellenzapfen 3 nur mitgenommen werden. Im Falle solch einer Lagerung kann das
Drehmoment des inneren Rotors 4 über das Drehlager die Verstelldrehung des
Exzenterrings 11 unterstützen. Solch eine Unterstützung kann auch durch Drehlagerung
des Exzenterrings 11 im Zapfen 15 auf dem Wellenzapfen 3 erhalten werden.
Der Zapfen 15 mit der Außenverzahnung 16 bildet das Abtriebsglied eines
Zahnradgetriebes. Das Antriebsglied des Zahnradgetriebes wird durch ein Schubglied 21
mit einer Verzahnung 22 gebildet. Die Verzahnung 22 ist als rotationssymmetrisches
Zahnprofil am äußeren Umfang des Schubglieds 21 vorgesehen. Das Schubglied 21
bildet in einem Stück auch gleichzeitig einen Stellkolben 20, auf den zur Verstellung ein
Pumpendruck der Hochdruckseite wirkt und die Verstellkraft erzeugt. Obgleich das Fluid
vorzugsweise unmittelbar im Pumpengehäuse abgezweigt wird, kann das Druckfluid für
den Stellkolben, grundsätzlich auch erst von einem Verbraucher oder zwischen der
Pumpe und einem Verbraucher abgezweigt und zurückgeführt werden.
Das Schubglied 21 wird durch einen rotationssymmetrischen, hohlzylindrischen Körper
gebildet, der in Achsrichtung drei Funktionsabschnitte aufweist. Ein vorderer Abschnitt
dieses Körpers bildet den Stellkolben 20, an den sich die Verzahnung 22 als mittlerer
Abschnitt anschließt. Ein hinterer Abschnitt 23 schließt sich am anderen Ende des
Schubglieds 21 an die Verzahnung 22 an und dient wie der Stellkolben 20 als
Gleitführungsfläche und Stützfläche für den mittleren Abschnitt mit der Verzahnung 22.
Mehrere in Achsrichtung hintereinander angeordnete Ringstege bilden die Zähne der
Verzahnung 22.
Eine Gegenkraft zu der Verstellkraft wird von einem Federglied 30 erzeugt, das als
Spiralfeder ausgebildet und als Druckfeder eingebaut wird. Das Federglied 30 wird in
das hohlzylindrische Schubglied 21 bis gegen eine vordere Stirnfläche eingeschoben,
wobei die Stirnfläche gleichzeitig auch einen Kolbenboden des Stellkolbens 20 bildet.
Rückwärtig ist das Federglied 30 im eingebauten Zustand gegen einen Verschlusskörper
31 abgestützt, der im eingebauten Zustand verschiebesicher mit dem Gehäuseteil 1
verbunden ist. In der Ausgangsstellung ist das Federglied 30 vorzugsweise vorgespannt.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Zahnringpumpe und insbesondere das Verstellgetriebe im
eingebauten Zustand in einem Längsschnitt entlang der Drehachse 4' (Figur 3) und in
einem rechtwinkligen Querschnitt (Figur 4) dazu. Die Schnitte verlaufen durch den
Eingriff der beiden Verzahnungen 16 und 22. Die Querschnittsdarstellung der Figur 4
beinhaltet einen Mittellängsschnitt durch den hohlzylindrischen Körper, der das
Schubglied 21 und den Stellkolben 20 bildet. Dieser hohlzylindrische Körper ist in einer
kreiszylindrischen Bohrung 25 in dem Gehäuseteil 1 aufgenommen und
geradverschiebbar gleitgeführt. Die Aufnahmebohrung 25 im Gehäuseteil 1 ist eine
Sackbohrung, an deren Ende eine Fluidverbindung zu der Hochdruckseite der Pumpe
mündet. Die Mündung ist in Figur 4 gestrichelt eingezeichnet und mit dem
Bezugszeichen 27 bezeichnet. Die Aufnahmebohrung 25 umgibt den hohlzylindrischen
Körper allseits eng, insbesondere im Bereich des Stellkolbens 20 und des weiteren
Führungsabschnitts 23. In dem Eingriffsbereich der Verzahnungen 16 und 22 ist die
Aufnahmebohrung 25 zu der Zapfenverzahnung 16 hin offen. In einem vorderen Bereich
der Aufnahmebohrung 25 bildet das Gehäuseteil 1 einen Zylinder für den Stellkolben 20.
Die Fluidverbindung zur Pumpenhochdruckseite mündet in einen von der
Aufnahmebohrung 25 gebildeten Zylinderdruckraum 26, der in einer Achsrichtung von
dem Stellkolben 20 begrenzt wird. An seinem vorderen Ende weist der Stellkolben 20
eine Nase auf, mit welcher der Stellkolben 20 in der in Figur 4 dargestellten
Verschiebestellung, die der Ausgangsstellung des Exzenterrings 11 der Figur 1a
entspricht, aufgrund der Federkraft des Federglieds 30 gegen die Stirnfläche des
Druckraums 26 gedrückt wird. Aufgrund der Nase weist der Druckraum 26 auch in der
Ausgangsstellung ein minimales Volumen auf, in dem die Mündung 27 der
Fluidverbindung angeordnet ist. Zwischen dem hinteren Ende des Führungsabschnitts 23
und einer Anschlagstirnfläche des Verschlusskörpers 31 verbleibt ein lichter Abstand, der
dem maximalen Stellweg des Stellkolbens 20 entspricht. Die Ausgangsstellung und die
Endstellung des Stellkolbens 20 und des Schubglieds 21 und damit auch die
Ausgangsstellung und die Endstellung des Exzenterrings 11 sind somit je durch einen
mechanischen Anschlag begrenzt und definiert. Den Anschlag für die Ausgangsstellung
bildet die Stirnfläche des Druckraums 26 und den Anschlag für die Endstellung bildet der
Verschlusskörper 31.
Ein Regelanfangsdruck, bei dem die Stellbewegung des Stellkolbens 20 aus der
Ausgangsstellung heraus beginnt, und ein Regelenddruck, bei dem an dem mechanischen
Anschlag bei 31 der Stellkolben 20 festgesetzt wird, werden durch eine Abstimmung der
Größe der Kolbenfläche und der Federkennlinie des Federglieds 30 eingestellt. Durch
Abstimmung der Kolbenfläche und der Federkennlinie oder bei vorgegebener
Kolbenfläche durch die Auswahl eines Federglieds 30 mit einer bestimmten
Federkennlinie kann die Verstellcharakteristik in weiten Grenzen den jeweiligen
Einsatzfällen der Pumpe angepasst werden.
Die kompakte Bauweise der Zahnringpumpe und insbesondere die kompakte und robuste,
da steife Bauweise des Verstellgetriebes tritt auch in Figur 3 hervor. Der
Zahnringlaufsatz mit dem inneren Rotor 4 und dem äußeren Rotor 5 ist komplett in dem
Lagertopf, der durch den Exzenterring 11 und den Steg 14 gebildet wird, zwischen dem
Steg 14 und dem gegenüberliegenden Gehäuseteil 2 und umgeben von dem Exzenterring
11 aufgenommen. Der Lagertopf ist in Achsrichtung gesehen wegen der bevorzugt genau
radialen Erstreckung des Stegs 14 sehr kurz. Das Schubglied 21 kann so angeordnet
werden, dass es über den Exzenterring 11 nicht oder nur geringfügig hinausragt.
Der für die Umwandlung der Stellbewegung des Stellkolbens 20 in die Drehbewegung
des Exzenterrings 11 maßgebliche Teilkreisdurchmesser der Verzahnung 16 ist erheblich
kleiner als der Durchmesser der Lagerfläche 12 und auch erheblich kleiner als der
geringste Abstand der Lauffläche 13 des Exzenterrings 11 von der Exzenterringdrehachse
4'. Zwischen dem Ort des Eingriffs der beiden Verzahnungen 16 und 22, d.h. der
Flankenberührung der Verzahnungen 16 und 22, und dem Exzenterring 11, insbesondere
der Lauffläche 13 des Exzenterrings 11, bilden der verzahnte Zapfen 15 und der Steg 14
eine Schwinge. In dem von den Verzahnungen 15 und 16 gebildeten Kurvengelenk wird
ein Verstellweg des Stellkolbens 20 zunächst in einen gleichlangen Umfangsweg des
Zapfens 15 umgewandelt, wobei dieser Umfangsweg entlang des Teilkreisdurchmessers
der Verzahnung 16 gemessen ist. Der dem Umfangsweg des Zapfens 15 entsprechende
Drehwinkel wird von dem durch die Schwinge 14, 15 gebildeten Schwenkarm 1:1 auf
den Exzenterring 11 übertragen. Entsprechend der Länge des Schwenkarms bewirken
bereits kleine Stellwege des Stellkolbens 20 große Verstellwege des Exzenterrings 11,
gemessen entlang der Lagerfläche 12 und der Lauffläche 13.
Wie insbesondere in Figur 3 zu erkennen ist, wird wegen der einfachen Ausführung der
beiden Verzahnungen 16 und 22 im Eingriffsbereich eine Punktberührung erhalten.
Stattdessen könnte beispielsweise die Verzahnung 16 über einen Teil des Umfangs der
Verzahnung 22 an die Verzahnung 22 angelegt sein, indem die Verzahnung 16 zu ihren
beiden axialen Rändern hin entsprechend ausläuft. Obgleich weniger bevorzugt, könnte
zur Erzielung einer Linienberührung die Verzahnung 22 statt durch Ringstege auch durch
Abplattung als ein quer zur Achsrichtung des Schubglieds 21 gerades Zahnstangenprofil
ausgebildet sein.
Da aufgrund der Erfindung die Stellwege des Stellkolbens 20 besonders kurz sein
können, wird zum einen erreicht, dass der Linearteil des Verstellgetriebes, im
wesentlichen das Schubglied 21, sehr kurz gehalten werden kann. Zum anderen ist
vorteilhaft, dass damit auch die Federwege des Federglieds 30 vorteilhaft kurz sind, so
dass die für eine selbsttätige Fördervolumenregelung erforderliche Federkraft allein
durch das Federglied 30 erzeugt werden kann. Das Verstellgetriebe der Erfindung
kommt mit zwei relativ zueinander bewegten, ein einziges Kurvengelenk bildenden
Teilen, nämlich dem Lagerkörper 10 und dem das Schubglied 21 und den Stellkolben 20
bildenden Körper, aus. Schließlich kann bei einer bevorzugt rotationssymmetrischen
Gestalt des zylindrischen Körpers 20, 21 auch die Aufnahmebohrung 25 für diesen
Körper einfach kreiszylindrisch ausgeführt sein, so dass die Herstellung des Körpers 20,
21 und der Aufnahmebohrung 25 sowie die Montage in der Aufnahmebohrung 25 einfach
und daher preiswert sind und auch eine hohe Betriebssicherheit für das Verstellgetriebe
erwarten lassen. Die Kolbenfläche des Stellkolbens 20 kann ferner nahezu frei gewählt
werden, wodurch es möglich wird, Federglieder mit geringen Federkräften und daher
auch besonders kompakte Federglieder zu verwenden.
Falls der Bauraum im Pumpengehäuse es zulässt, können auch zwei verzahnte
Schubglieder, die in die Verzahnung 16 an vorzugsweise diametral gegenüberliegenden
Stellen eingreifen, vorgesehen sein, um die Stellwege jedes dieser Schubglieder im
Vergleich zu dem Stellweg solch eines anhand des Ausführungsbeispiels beschriebenen
Einzelschubglieds zu verkürzen. Das eine der Schubglieder kann den Lagerkörper 10
über einen ersten Winkelbereich und das andere Schubglied kann den Lagerkörper 10
über einen anschließenden, zweiten Winkelbereich verdrehen. Die Länge des Eingriffs
der Schubglieder ist entsprechend einzustellen.
Bezugszeichenliste
- 1
- Gehäuseteil
- 2
- Gehäuseteil
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- innerer Rotor
- 4'
- Rotordrehachse, Exzenterringdrehachse
- 4a
- Außenverzahnung
- 5
- äußerer Rotor
- 5'
- Rotordrehachse
- 5i
- Innenverzahnung
- 6
- -
- 7
- Förderzellen Niederdruckseite
- 7'
- Förderzellen Hochdruckseite
- 8
- -
- 9
- -
- 10
- Lagerkörper
- 11
- Exzenterring
- 12
- Lagerfläche
- 13
- Lauffläche
- 14
- Steg
- 15
- Zapfen
- 16
- Verzahnung
- 17
- -
- 18
- -
- 19
- -
- 20
- Stellglied, Stellkolben
- 21
- Schubglied
- 22
- Verzahnung
- 23
- Führungsabschnitt
- 24
- -
- 25
- Aufnahmebohrung
- 26
- Druckraum
- 27
- Mündung
- 28
- -
- 29
- -
- 30
- Rückstellglied, Federglied
- 31
- Verschlusskörper