Hydraulikpumpe

Abstract

 Hydraulikpumpe mit fallender Kennlinie des Nutzstromes über der Drehzahl. Ein Stromregelventil (40) besitzt einen Schieberkolben (41) mit einem hohlen (50) Fortsatz (49) und einen Ringraum (52) mit zwei Steuerkanten (53, 56), die mit den Nutzstrombohrungskanal (38) und einem Entladekanal (19) zur Bildung von gegenläufigen Drosseln zusammenarbeiten. Der Nutzstrombohrungskanal (38) und der Entladekanal (9) sind im wesentlichen radial zum Schieberkolben angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Hydraulikpumpe, insbesondere zur Lenkhilfe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

[0002] Lenkhilfpumpen sind gewöhnlich in der Bauart als Flügelzellenpumpen ausgebildet und mit dem Antriebsmotor des Fahrzeugs starr verbunden, in welchem die Lenkhilfe angewendet wird. Mit steigender Motordrehzahl nimmt demnach der Pumpenförderstrom zu. Bei höheren Drehzahlen des Motors wird aber gewöhnlich keine starke Lenkunterstützung benötigt. Deshalb wird meist ein Stromregelventil dazu verwendet, einen Teil.des Pumpenförderstroms abzuregeln, während der verbleibende geregelte Nutzstrom über das Lenkventil zurück zum Tank geleitet wird. Dabei entspannt sich die unter dem sogenannten Staudruck stehende Hydraulikflüssigkeit, was zu einem entsprechenden Leistungsverlust führt, wenn die Leistung nicht von der Lenkung aufgenommen wird. Eine derart hohe Leistungsaufnahme kommt praktisch im hohen Drehzahlbereich nicht vor, weil man bei rascher Fahrt nicht scharf einlenken kann. Im hohen Drehzahlbereich der Pumpe wird demnach eine ständige Leistungsbereitschaft aufrecht erhalten, die in ihrer Höhe nicht benötigt wird und somit zu einem unnötigen Leistungsverlust führt.

[0003] Um diesen Nachteil zu beheben, ist es bereits bekannt, das Stromregelventil für einen fallenden Kennlinienast der Nutzstrom-Pumpendrehzahl-Charakteristik auszulegen und zu gestalten (DE-A-22 65 097 und DE-A-26 52 707). Die Druckeinlaßöffnung zum Stromregelventil ist dabei radial angeordnet, ebenso der Entladekanal , während der Nutzstromauslaß axial, in Richtung der Bewegung des Schieberkolbens des Stromregelventils, angeordnet ist. Der Fortsatz am Schieberkolben ist als Ventilnadel mit Nadelkopf ausgebildet, wobei sich die Ventilnadel durch den axialen Auslaß erstreckt, so daß eine Meßblende gebildet wird, deren Weite von der Stellung des Nadelkopfes zum axialen Auslaß abhängt. Nachteilig ist dabei der Umstand, daß bereits sehr geringe Änderungen der Stellung zu erheblichen Änderungen der durchströmten Querschnittsfläche des axialen Auslasses führen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hydraulikpumpe der oberbegrifflichen Art so zu gestalten, daß durch geringfügige Änderungen am Stromregelventil ein breiter Bereich von fallenden Kennlinienästen der Nutzstrom-Pumpendrehzahl-Charakteristik erzeugt werden kann. Es soll also eine für den Anwendungsfall angepaßte Charakteristik erzeugt werden können.

[0005] Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruchs gelöst.

[0006] Der an dem Fortsatz des Schieberkolbens ausgebildete Ringraum hat eine gewisse Überdeckungsbreite mit Bezug auf die Meßblenden-Bohrung und die vorzugsweise doppelt vorhandenen Entladekanäle. Der Ringraum wird von einem Hohlraum im Fortsatz des Schieberkolbens gespeist. Im Ringraum teilt sich der Strom im Sinne des Nutzstroms und des abgeregelten Förderstromes. Letzterer wird auf kurzem Wege wieder in den Einlaß der Pumpe entladen, so daß geringe Strömungsverluste entstehen. Die Aufteilung des Stromes im Ringraum hat den weiteren Vorteil, daß die ausgeübten Impulskräfte einander entgegengesetzt sind, so daß eine weitgehende Kompensation der Strömungskräfte auf den Schieberkolben eintritt.

[0007] Nach einer Weiterbildung der Erfindung besitzt der Nutzstrombohrungskanal einen zweiten Zulauf, gebildet durch einen Ringspalt zwischen dem Fortsatz des Ventilschiebers und der Ventilbohrungswand im Be-wegungsbereich dieses Fortsatzes. Dieser Zulaufquerschnitt ist kleiner als der normale Öffnungsquerschnitt zwischen Ringraum und Nutzstrom-Bohrungskanal.

[0008] Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann der Fortsatz des Schieberkolbens verschiedene geometrische Gestaltungen aufweisen, um Einfluß auf den Verlauf der Nutzstrom-Pumpendrehzahl-Charakteristik zu nehmen.

[0009] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Flügelzellenpumpe, teilweise abgebrochen;

Fig. 2 einen horizontalen Längsschnitt entlang der Linie II-II in Fig.1, teilweise abgebrochen;

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1, 2, schematisiert;

Fig. 5 - 8 Kolbenformen und zugehörige Diagramme des abgegebenen Nutzstroms über der Pumpendrehzahl.

[0010] Die Flügelzellenpumpe weist ein Gehäusehauptteil 1 und einen Gehäusedeckel 2 auf, die einen Innenraum 1a druckmitteldicht einschließen. Im Innenraum 1a sitzen - gehäusefest angeordnet - eine Druckplatte 4 und ein Nockenring 5, die durch Stifte 6 drehgesichert sind. Innerhalb des Nockenrings 5 und zwischen dem Gehäusedeckel 2 und der Druckplatte 4 ist ein Rotor 7 angeordnet, der (Fig. 3) eine Reihe von radialen Führungsschlitzen besitzt. Innerhalb dieser Führungsschlitze sind Flügel 8 radial verschieblich gelagert. Der Rotor 7 ist über eine Welle 9 antreibbar, die in einer Lagerbohrung des Gehäusedeckels 2 gelagert ist. Der Rotor 7 ist zylindrisch geformt, während der Nockenring 5 einen angenähert ovalen Innenumriß aufweist, dessen kleine Achse etwa dem Durchmesser des Rotors entspricht, während die große Achse die Auszugslänge der Flügel 8 bestimmt. Auf diese Weise liegen zwischen dem Nockenring 5 und dem Rotor 7 zwei sichelförmige Verdrängerbereiche 11, 12, die von den Flügeln 8 in eine Anzahl von Zellenräumen unterteilt werden. Bei der Saugseite des Systems vergrößern sich die Zellenräume,und bei der Druckseite verkleinern sie sich.

[0011] Die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit erfolgt von einem Tank 14 (Fig. 3) und einem Verteilbereich 16 über zwei leicht schräg fallende Bohrungen 17 (Fig. 2), knieförmige Zufuhrkanalabschnitte 18 und Eingangsöffnungen 20 in die jeweiligen Verdrängerbereiche der Pumpe. Die knieförmigen Zuführkanalabschnitte 18 weisen jeweils einen radialen Schenkel auf, der in einen Entladekanai 19 (Fig. 2 und 4) einmündet.

[0012] Die Abfuhr der Hydraulikflüssigkeit erfolgt über Auslaßöffnungen 33 (Fig. 1) durch die Druckplatte 4 hindurch auf deren Rückseite in einen Druckraum 35. Bei einem Stromregelventil 40 teilt sich der Pumpenförderstrom auf in einen über eine Bohrung 38 fließenden, geregelten Nutzstrom zu einem äußeren Pumpenauslaß 37 (Fig. 2) und einen durch die Entladekanäle 19 abfließenden, abgeregelten Förderstrom. Die Bohrung 38 stellt einen Nutzstromkanal und gleichzeitig einen Teil einer Meßblende 36 dar, die vom Nutzstrom durchflossen wird und dessen Spannungsabfall abgegriffen wird. Der Nutzstrom gelangt über einen schräg verlaufenden Abfuhrkanal 39 (Fig. 1) zum Pumpenauslaß 37 (Fig. 2). Von diesem führt eine Verbindung zu einem Steuerraum 47 des Stromregelventils 40 über eine Dämpfungsdrossel 48. Das Stromregelventil 40 weist einen in einer Ventilbohrung 55 geführten Schieberkolben 41 auf, der durch die Kraft einer Feder 42 in Richtung auf die Druckplatte 4 gedrängt und gegebenenfalls dort zur Anlage gebracht wird. Der Schieberkolben 41 weist eine erste und zweite Kolbenfläche 53, 54 sowie zwei Kolbenbunde 43, 44 auf, zwischen denen sich eine Ringnut 45 erstreckt. Der Kolbenbund 43 ist schmäler als die Entladekanäle 19 (Fig. 2), welche auf die Ringnut 45 treffen. Von der Ringnut 45 führt ein teilweise radial und teilweise axial sich erstreckender Kanal 46 durch den Schieberkolben 41 in den Steuerraum 47, und der Kanal 46 wird von einem Kegelventil beherrscht, welches beim Überschreiten eines bestimmten zulässigen Drucks im Steuerraum 47 anspricht und diesen Raum entlädt, so daß der Schieberkolben 41 als gesteuertes Druckbegrenzungsventil wirkt, wie es bekannt ist. Ob als Stromregelventil oder als Druckbegrenzungsventil, beim Ansprechen nimmt das Ventil 40 die in Fig.4 dargestellte Lage ein.

[0013] Der Schieberkolben 41 weist einen Fortsatz 49 auf, in welchem ein Hohlraum 50 untergebracht ist. Dieser steht über eine Reihe von Bohrungen 51 mit einem Ringraum 52 der Breite b in Verbindung . Der Ringraum 52 wird von der ersten Kolbenfläche 53 sowie einer dritten Kolbenfläche 56 begrenzt, welche im Zusammenwirken mit den Entladekanälen 19 und dem Nutzstrom-Bohrungskanal 38 als Steuerkanten arbeiten, so daß das Ventil 40 einen ZweikantenregJer darstellt. Die radiale Bohrung 38 und der radiale Entladekanal 19 sind in Fig. 4 in der gleichen Axialebene des Ventils 40 dargestellt, während sie in Wirklichkeit in unterschiedlichen Axialebenen liegen, die beispielsweise einen Winkel von 90° zueinander einschließen. Projiziert auf die in Fig. 4 dargestellte axiale Schnittebene ergibt sich ein Achsabstand a zwischen dem Entladekanal 19 und der Bohrung 38 mit einer Stegdicke c. Die Kanäle 19 und 38 brauchen nur eine allgemeine radiale Richtung zum Ventil 40 einzunehmen, wichtig ist, daß ein Stegabstand c gebildet wird. Wie ersichtlich, ist der Abstand b größer als der Abstand c, d.h. der Ringraum 52 vermag in einer bestimmten Stellung des Schieberkolbens 41 die Bohrung 38 mit dem Entladekanal 19 zu verbinden. Der Durchmesser des Fortsatzes 49 ist mit d₂ bezeichnet, während die Ventilbohrung 55 im Bereich dieses Fortsatzes einen Durchmesser von d₁ hat.

[0014] Der Betrieb der Pumpe geht wie folgt vor sich: Der Rotor 7 wird über die Welle 9 angetrieben, und die Flügel 8 durchwandern die Verdrängerbereiche 11 und 12, so daß Flüssigkeit über das Flüssigkeitsauslaßsystem 33, 35, 50, 38, 39 dem äußeren Pumpenauslaß 37 zugeführt und über den äußeren Pumpeneinlaß 16 sowie das Plüssigkeitszufuhrsystem 17, 18, 20 Flüssigkeit nachgesaugt wird. Wenn der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrung 38 den ge- wünschten Wert übersteigt, ist das Druckgefälle an dieser-Bohrung 38 genügend groß, die Kraft der Ventilfeder 42 zu überwinden, d.h. die Druckkraft auf die Kolbenfläche 53 ist größer als die Druckkraft auf die Kolbenfläche 54 plus die Federkraft 42. Nunmehr wird ein Teil des geförderten Pumpenstroms über den Entladekanal 19 abgeregelt, während der Nutzstrom weiterhin über die Bohrung 38 entnommen wird. Deren wirksame Querschnittsfläche nimmt infolge der sich in Schließrichtung bewegenden Steuerkante 56 ab, d.h. die Meßblende 36 wird enger und der Druckabfall des Nutzstromes größer.

[0015] Fig. 4 zeigt ein Diagramm des geregelten Nutzstroms Q gegenüber der Pumpendrehzahl n bei d₁≈d₂. Solange der Ringraum 52 nur mit der Bohrung 38 in Verbindung steht, steigt der Nutzstrom linear mit der Drehzahl n an. Danach wird ein immer größerer Anteil des Pumpenstroms abgeregelt, bis schließlich die Steuerkante 56 den Nutzstrom ganz absperrt. Durch entsprechende Bemessung der Größen a, b, C, d₃₁ d₄ kann der Verlauf des fallenden Astes der Charakteristik beeinflußt werden, d.h. der Wert n bestimmt werden, bei dem der Nutzstrom Q auf Null geht.

[0016] Fig. 5 zeigt einen Schieberkolben 41, dessen Fortsatz 49 einen Durchmesser d₂ aufweist, der kleiner als der Durchmesser d₁ der Ventilbohrung 55 ist. Dadurcn wird ein Ringspalt zwischen Fortsatz 49 und Ventilbohrung 55 gebildet, durch den - unabhängig von der Stellung des Schieberkolbens 41 - ein Strom zwischen Druckkammer 35 und Bohrung 38 fließen kann. Deshalb geht der Nutzstrom Q nicht auf Null zurück, wenn die Kante 56 die Bohrung 38 absperrt. Es versteht sich, daß die durch den Ringspalt fließende Menge vom auftretenden Druckgefälle.abhängt, was im zugeordneten Diagramm durch eine gestrichelte bzw. strichpunktierte Linie angedeutet ist.

[0017] In Fig. 6 ist ein Schieberkolben 41 dargestellt, dessen Fortsatz 49 leicht konisch ausgebildet ist. Der Ringraum 52 erstreckt sich deshalb gewissermaßen bis zur Vorderkante 57 des Schieberkolbens 41. Wenn sich demnach der Schieberkolben 41 entgegen der Kraft seiner Ventilfeder 42 bewegt, wird die Öffnungsweite des Ringspaltes zwischen dem Fortsatz 49 und der Ventilbohrung 55 enger, wobei die Verengungsgeschwindigkeit bei der Annäherung der Kante 57 an die Ventilbohrung 55 stark zunimmt, so daß der Anteil des Nutzstroms, der über den Ringspalt zwischen Fortsatz 49 und Ventilbohrung 55 fließt, stark abnimmt. Je nachdem, um wieviel der Innendurchmesser d₁ der Ventilbohrung 55 größer ist als der Außendurchmesser d₂ des Fortsatzes 49, bleibt jedoch ein gewisser Anteil des Nutzstromes vorhanden, wie dies in der zugeordneten Charakteristik dargestellt ist.

[0018] Fig. 7 zeigt einen Schieberkolben 41 mit einem Fortsatz 49, der aus den Formen des Fortsatzes nach Fig. 5 und 6 zusammengesetzt ist, also einen zylindrischen Bereich 58 und einen konischen Bereich 59 aufweist. Wenn die Fläche 53 mit dem Entladekanal 19 in Verbindung kommt, wird ein immer größerer Anteil des geförderten Pumpenstromes abgeregelt, jedoch kann ein bestimmter Anteil des Nutzstromes durch den Ringspalt zwischen dem konischen Bereich 59 und der Ventilbohrung 55 in die Bohrung 38 fließen, bis bei einer bestimmten Stellung des Schieberkolbens 41 der zylindrische Bereich 58 in die Ventilbohrung 55 eintritt. Je nachdem, um wieviel der Außendurchmesser d₂ des zylindrischen Bereichs 58 kleiner ist als der Innendurchmesser d der Ventilbohrung, wird dann noch ein größerer oder kleinerer restlich verbleibender Nutzstrom erzielt, wie dies in der zugeordneten Nutzstrom-Drehzahl-Charakteristik angedeutet ist.

[0019] Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schieberkolbens 41 mit einem Fortsatz 49, der eine Kugeloberfläche besitzt. Diese Form ist der Ausbildung nach Fig.7 angenähert,und demgemäß wird eine ähnliche Nutzstrom-Drehzahl-Charakteristik erzielt.

[0020] In durchgeführten Versuchen wurden die Größen a, b, c, d₁, d₂, d₃, d₄ variiert, womit der Verlauf der dargestellten Charakteristiken noch weiter beeinflußt werden konnte. In der Ausführungsform nach Fig. 4 war _{a = 10},_{3 mm}, _{d4 = 5},_{5 mm}, _{d3 =} 3,₁ bis 6,0 mm und b = 7,7 bis 10,7 mm. Mit d₃ nahm auch der Nutzstrom Q zu, d.h. der maximale Nutzstrom wurde statt bei n = 1000 1/min erst bei n = 1700 1/min erreicht und war demgemäß höher. Von dort fiel der Nutzstrom Q auf 0 bei etwa n = 6 -18000 1/min ab, wobei die höheren Werte bei höheren Drücken erreicht wurden. Bei relativ kleinen Werten von b fiel der falJende Ast der Charakteristik stärker ab als bei relativ größerem b.

[0021] In der Ausführungsform nach Fig. 5 wurde die Spaltweite d minus d₂ = 0,21 bis 0,71 mm variiert. Je größer die Spaltweite, umso weniger steil neigte sich der abfallende Ast der Charakteristik gegen die Nullinie. Bei höheren Drücken konnte auch ein konstanter Nutzstrom unabhängig von der Pumpendrehzahl n erzielt werden. Das _{Maß b} wurde zwischen 7,7 und 8,7 mm variiert, wobei bei höheren Werten von b höhere Nutzstromwerte erzielt wurden, d.h. der fallende Ast der Charakteristik fiel weniger stark ab oder blieb konstant.

[0022] Es kann somit festgestellt werden, daß die Charakteristik des geregelten Nutzstromes Q derart beein- flußt werden kann, daß nach Ansprechen des Ventils bei einer bestimmten Pumpendrehzahl die Höhe des geregelten Nutzstromes Q wie folgt abgesenkt wird:

a) bei steigender Drehzahl n langsam abfallend auf Null;

b) bei steigender Drehzahl n langsam abfallend auf einen Mindestwert, und

c) bei steigender Drehzahl n zunächst konstant, dann abfallend auf Null oder einen Mindestwert.

[0023] In allen Fällen sind die Strömungskräfte auf den Ventilkolben 41 teilweise gegeneinander gerichtet, so daß eine weitgehende Kompensation stattfindet.

Ansprüche

1. Hydraulikpumpe, insbesondere zur Lenkhilfe, mit folgenden Merkmalen:

die Hydraulikpumpe weist einen mit wechselnder Drehzahl (n) angetriebenen Rotor (7) auf, der mit feststehenden Pumpenteilen wenigstens einen Verdrängerbereich (11, 12) bildet, zu dem Einlaßöffnungen (20) und Auslaßöffnungen (33) führen;

die Einlaßöffnungen (20) jedes Verdrängerbereichs sind mit einem Zufuhrsystem (17, 18) und die Auslaßöffnungen (33) jedes Verdrängerbereiches mit einem Druckraum (35) verbunden;

der Druckraum (35) und das Zufuhrsystem stehen über ein Stromregelventil (40) miteinander in Verbindung, das einen abgeregelten Förderstrom in einen Entladekanal (19) des Zufuhrsystems (17, 18) entlädt und einen geregelten Nutzstrom (Q) an einen äußeren Pumpenauslaß (37) abgibt;

das Stromregelventil (40) enthält einen in einer Ventilbohrung (55) geführten Schieberkolben (41) mit einer ersten druckhöheren Kolbenfläche (53) und einer zweiten druckniedrigeren Kolbenfläche (5.4), eine Ventilfeder (42) sowie eine Meßblende (36) , an der ein Druckabfall des geregelten Nutzstroms (Q) abgegriffen und den beiden Kolbenflächen (53, 54) des Schieberkolbens (41) zugeführt wird;

der Schieberkolben (41) weist einen Fortsatz (49) auf , dessen Stellung die wirksame Weite der Meßblende (36) mit steigender Pumpendrehzahl (n) herabsetzt, so daß ein insgesamt fallender Kennlinienast der Nutzstrom-Pumpendrehzahl-Charakteristik erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßblende (36) an einem sich im allgemeinen raaial in Richtung zum Stromregelventil (40) erstreckenden Nutzstrombohrungskanal (38) gebildet ist, daß der Nutzstrombohrungskanal (38) und der jeweilige Entladekanal (19) einen axialen Abstand (c) , gerechnet in Verschieberichtung des Schieberkolbens (41), voneinander haben, der kleiner ist als die Breite (b) eines Ringraums (52), der am Schieberkolben (41) zwischen der ersten Kolbenfläche (53) und einer dritten Kolbenfläche (56) gebildet ist; und daß der Ringraum (52) über einen Hohlraum (50) im Schieberkolben (41) mit dem Druckraum (35) verbunden ist.

2. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (49) des Schieberkolbens (41) einen Außendurchmesser (d₂) besitzt, der um ein geringes Maß kleiner ist als der Innendurchmesser (d₁) der Ventilbohrung (55) im Bewegungsbereich dieses Fortsatzes (49).

3. Hydraulikpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geringe Maß zwischen 0,1 bis 1 mm liegt.

4. Hydraulikpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geringe Maß zwischen 0,2 und 0,7 mm liegt.

5. Hydraulikpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (49) konisch mit zum Ringraum (52) sich verjüngender Oberfläche (59) ausgebildet ist.

6. Hydraulikpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (49) eine sphärische Oberfläche aufweist, die sich zum Ringraum (52.) hin neigt.

7. Hydraulikpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (52) sich spaltförmig am Außenumfang des Fortsatzes (49) des Schieberkolbens (41) fortsetzt.

Zeichnung