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Die Erfindung betrifft Außenzahnrad-Ölpumpen mit mehreren Förderstufen und mit verstellbarer Fördermenge. Derartige Ölpumpen werden insbesondere für die Schmierölversorgung von Verbrennungsmotoren verwendet, wobei durch die verstellbare Fördermenge und daraus resultierend geringerer Antriebsleistung der Ölpumpe für den Verbrennungsmotor Kraftstoff-Verbrauchsvorteile erzielt werden. Mehrstufige Ölpumpen haben die Aufgabe, über eine oder mehrere Druckstufen durch deren gefördertes Öl einen Öldruck im Schmierölsystem zu erzeugen. Eine oder mehrere Förderstufen können auch als Saugstufen für Trockensumpf-Schmierölsysteme von Verbrennungsmotoren arbeiten, um rückfließendes Öl betriebssicher wieder der Ansaugseite der Druckstufe zuzuführen. In der Fördermenge verstellbare Ölpumpen werden auch als Regelölpumpen bezeichnet. Eine mehrstufig ausgebildete Außenzahnrad-Ölpumpe benötig einen ihren Funktionen gemäßen Bauraum. Im einfachsten Ausführungsfall werden die einzelnen Förderstufen hintereinanderliegend in Reihe angeordnet, wobei die Förderzahnräder der einzelnen Förderstufen dann auf gleichen Achsen liegen. Durch eine Ausbildung einer Außenzahnrad-Ölpumpe mit drei Förderzahnrädern kann in bekannter Weise gegenüber einer üblichen Ausbildung mit nur zwei Förderzahnrädern die Fördermenge verdoppelt werden, um beispielsweise größere Verbrennungsmotoren ausreichend mit Schmieröl versorgen zu können.
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Die
DE 10144693 B4 zeigt eine mehrstufige Ölpumpe mit einer als Außenzahnrad-Regelölpumpe ausgebildeten Druckstufe, die mit drei weiteren Saugstufen in Reihenanordnung der Pumpenstufen ausgebildet ist. Hierbei sind die Förderzahnrädern auf Wellen bzw. Zapfen auf zwei parallelen Achsen angeordnet. Eine in Achsrichtung durch Öldruck axial bewegliche Verstelleinheit der Regelölpumpe ist so ausgebildet, das eine dem Öldruck entgegenwirkende Feder den Saugstufen gegenüberliegt.
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Weiterhin sind auch kürzer bauende, mehrstufige Ölpumpen mit Parallelanordnung von Förderstufen und dann jedoch erhöhter Wellenanzahl bekannt. Hierzu zeigt die
DE 10305781 B4 eine Ausführung mit einer Außenzahnrad-Regelölpumpe als Druckstufe und bis zu drei Saugstufen, die verschachtelt im Umfeld der Druckstufe angeordnet sind.
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Die
DE 10 2011 114 892 A1 zeigt eine sehr kompakte Ausführung einer zweistufigen Außenzahnrad-Regelölpumpe, bei der ein gemeinsames erstes Förderzahnrad mit zwei gegenüberliegend jeweils zweiten Förderzahnrädern in Zahneingriff steht. Hierbei ist das mittlere der drei Förderzahnräder axial verstellbar ausgebildet, wobei beide Förderstufen als Druckstufe mit variabler Fördermenge arbeiten. Eine derartig zweistufige Förderstufe mit insgesamt drei Förderzahnrädern kann auch als zweiflutige Förderstufe bezeichnet werden. Für die bei zweiflutigen Förderstufen erforderliche Zusammenführung der zwei jeweiligen Saugseiten sowie der zwei jeweiligen Druckseiten zeigt die
DE 10 2011 114 892 A1 eine vorteilhafte Lösung, bei der sich eine Verbindung der beiden Druckseiten und eine Verbindung der beiden Saugseiten beidseitig einer sie trennenden Dichtung eines Deckels der Ölpumpe kreuzen. Die Verbindung der beiden Druckseiten erfolgt dabei durch eine ohnehin mit Öldruck zu beaufschlagende Kammer der Verstelleinheit im Gehäuse der Ölpumpe, während die Verbindung der beiden Saugseiten andererseits der Dichtung über den Deckel erfolgt.
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Die
DE 10 2010 051 141 B3 zeigt eine Außenzahnrad-Regelölpumpe, deren Verstelleinheit von einem Regelkolben mit bekannter Regelfunktion gesteuert wird, der eine vorteilhaft ausgebildete Regelkolbenanordnung aufweist. Der Regelkolben regelt bei einstufiger Ausbildung permanent ein konstantes Öldruckniveau. Ein zweistufig ausgebildeter Regelkolben ermöglicht über ein Magnetventil eine Umschaltung zwischen zwei verschieden hoch eingeregelten Öldruckwerten.
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Die
DE 10 2007 039 589 A1 zeigt eine Außenzahnrad-Regelölpumpe mit einer sich an einem Gehäuse über eine Feder abstützenden Verstelleinheit, in dessen Bolzen ein Regelkolben mit einer Regelfeder für die Regelung des Öldrucks angeordnet ist. Eine zusätzlich auf den Regelkolben wirkende Steuerfeder stützt sich am Gehäuse ab, wodurch abhängig vom Verstellweg der Verstelleinheit der Öldruck beeinflusst wird.
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Die Reihenanordnung der Förderstufen bei der
DE 10144693 B4 ist hinsichtlich der Pumpenbaulange dadurch nachteilig, dass ihre als Druckstufe arbeitende Außenzahnrad-Regelölpumpe für eine Verstellung der Fördermenge eine Baulänge beanspruchende, axial verschiebliche Verstelleinheit aufweist. Insbesondere leistet auch die am Pumpenende befindliche Feder der Verstelleinheit einen zusätzlichen Beitrag zur Gesamtbaulänge der aus mehreren Förderstufen bestehenden Pumpe.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Ölpumpe, bestehend aus einer Außenzahnrad-Regelölpumpe als Druckstufe und mindestens einer weiteren Förderstufe, in kompakter Bauweise auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung der Ölpumpe entsprechend den in Anspruch 1 kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die jeweils ersten Förderzahnräder der ersten und der zweiten Förderstufe sind auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet, während die jeweils zweiten Förderzahnräder eine gemeinsame Achse aufweisen. Die Länge der mehrstufigen Ölpumpe wird dadurch minimiert, dass die auf die Verstelleinheit der Außenzahnrad-Regelölpumpe wirkenden Federn bei maximaler Verstellung der Verstelleinheit bauraumneutral angeordnet sind. Hierzu weist ein Bolzen der Verstelleinheit, auf dem das zweite Förderzahnrad der ersten Förderstufe zwischen zwei Kolben angeordnet ist, eine axial einseitige Bohrung zur Aufnahme der ersten Feder auf. Eine die erste Feder unterstützende zweite Feder ist bei maximaler Verstellung der Verstelleinheit von einer ringförmigen Kontur eines der Kolben aufgenommen. Während die in der Bohrung des Bolzens angeordnete erste Feder einen kleinen Durchmesser bei einer größeren Länge aufweist, ist die zweite Feder bei großem Durchmesser sehr kurz ausgebildet. Daraus resultiert für die erste Feder eine eher große Federsteifigkeit, während die unterstützende zweite Feder eine nur geringe Federsteifigkeit aufweist. Bei einer großen Federsteifigkeit der ersten Feder resultiert mit zunehmendem Verstellhub der Verstelleinheit auch eine große Zunahme der Federkraft. Hierdurch kann der über die verstellbare Fördermenge einzuregelnde niedrigste Sollöldruck von beispielsweise 1,5 bar dann bei maximaler Verstellung nicht mehr einstellbar sein. Im Sinne einer vorteilhaft geringeren Federsteifigkeit der ersten Feder ist diese also mit einer möglichst großen Länge auszubilden. Die Anordnung in dem Bolzen der Verstelleinheit ist eine erste Voraussetzung für die Realisierung einer langen ersten Feder. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Federn der Verstelleinheit auf der der zweiten Förderstufe zugewandten Seite kann ein das zweite Förderzahnrad der zweiten Förderstufe lagernder Zapfen eine axial einseitige Bohrung aufweisen, um zusätzlich eine dann vorteilhaft noch längere ersten Feder der Verstelleinheit aufzunehmen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit beigefügten Zeichnungen in Schnittdarstellung. Diese zeigen in
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1 eine Außenzahnrad-Regelölpumpe als Druckstufe mit einer weiteren Förderstufe
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2 eine Schnittdarstellung zu 1
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3 eine zweiflutige Außenzahnrad-Regelölpumpe als Druckstufe mit einer weiteren zweiflutigen Förderstufe
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4 eine erste Schnittdarstellung zu 3
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5 eine zweite Schnittdarstellung zu 3
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Außenzahnrad-Ölpumpe, mit einer Regelölpumpe als eine Öldruck erzeugende Druckstufe und mit einer zweiten Förderstufe mit konstanter Fördermenge. Sie weist eine in einem Gehäuse 1 gelagerte Antriebswelle 2 mit einem ersten Förderzahnrad 3 auf, das mit einem zweiten Förderzahnrad 4 in Zahneingriff steht. Das zweite Förderzahnrad 4 ist Bestandteil einer Verstelleinheit 5, die im Gehäuses 1 relativ zum ersten Förderzahnrad 3 axial verschiebbar angeordnet ist. Die Verstelleinheit 5 weist zur Lagerung des Förderzahnrads 4 einen Bolzen 6 auf, auf dem rechtsseitig ein erster Kolben 7 und linksseitig ein zweiter Kolben 8 angeordnet sind. Das Gehäuse 1 ist von einem Deckel 9 verschlossen, der mit einer zylindrische Auswölbung 10 bis zum Förderzahnrad 3 in das Gehäuse 1 eintaucht. Der Kolben 7 der Verstelleinheit 5 umschließt mit eine bogenförmige Ausnehmung die Auswölbung 10 und in der gezeigten Stellung der Verstelleinheit 5 bei reduzierter Fördermenge entsprechend auch das Förderzahnrad 3. Abhängig vom in einer ersten Kammer 11 mit einer Bohrung 12 wirkenden Öldruck der Ölpumpe verschiebt sich die Verstelleinheit 5 mit Förderzahnrad 4 axial relativ zu Förderzahnrad 3, wodurch in bekannter Weise die Fördermenge der Ölpumpe verstellt werden kann. Der Verschiebung der Verstelleinheit 5 durch den in der ersten Kammer 11 herrschenden Öldruck wirkt eine erste Feder 13 entgegen, die in einer Bohrung des Bolzens 6 der Verstelleinheit 5 angeordnet ist. In eine zweite Kammer 14 kann zur Verbesserung der Regelung der Verstellung der Fördermenge über eine Bohrung 15 zusätzlich auch ein Regeldruck eingespeist werden, der von einem in 1 nicht sichtbaren Regelkolben 23 in bekannter Weise bereitgestellt wird. In der zweiten Kammer 14 kann eine zweite Feder 16 angeordnet sein. Sie ist jedoch durch ihren gegenüber der Feder 13 größeren Durchmesser und insbesondere wegen ihrer bei maximaler Verstellung der Verstelleinheit 5 bis zur axialen Anlage am Gehäuse 1 sehr kurzen Minimallänge innerhalb des Kolbens 8 nur als die Feder 13 unterstützende Nebenfeder wirksam. Die auf den Bolzen 6 wirkende Feder 13 benötigt aufgrund ihres geringen Durchmessers eine relativ große Länge, um für die Verschiebung der Verstelleinheit 5 nicht durch eine zu hohe Federrate zu steif zu sein. Eine als weitere Druckstufe ausgebildete zweite Förderstufe mit konstanter Fördermenge weist ein auf der Antriebswelle 2 angeordnetes drittes Förderzahnrad 17 auf, das mit einem vierten Förderzahnrad 18 in Zahneingriff steht. Das Förderzahnrad 18 ist auf einem Zapfen 19 gelagert, der in einem das Gehäuse 1 verschließenden Deckel 20 fixiert ist. Die Anordnung des Zapfens 19 auf einer gemeinsamen Achse 21 mit der Verstelleinheit 5 ermöglicht durch eine Abstützung der Feder 13 in einer Bohrung des Zapfens 19 und im Bolzen 6 der Verstelleinheit 5 eine vorteilhaft große Federlänge. Die erfindungsgemäße Anordnung der Federn 13 und 16 ist bauraumneutral und ermöglich dadurch eine minimale Baulänge der Ölpumpe. Die Mantelfläche des Kolbens 7 weist einen als umlaufende Nut ausgebildeten Kanal 22 auf, der bei größerer Verschiebung der Verstelleinheit 5 und dann bestehender Überdeckung mit dem Förderzahnrad 3 zwischen dessen Saug- und Druckseiten eine Verbindung herstellt. Hierdurch fließt in bekannter Weise zu viel gefördertes Öl der ersten und auch der zweiten Förderstufe als sog. Bypass-Ölmenge zur Saugseite zurück, um in extremen Betriebssituationen einen zu hohen Öldruck zu vermeiden.
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Die 2 zeigt die Ölpumpe von 1 in einer Schnittdarstellung senkrecht durch die Verstelleinheit 5. Unterhalb der Verstelleinheit 5 ist im Gehäuse 1 der Regelkolben 23 angeordnet, der über die Bohrung 15 in bekannter Weise in der Kammer 14 einen Regeldruck zur Steuerung der Fördermenge durch axiale Verschiebung der Verstelleinheit 5 bewirkt. Der Regelkolben 23 ist rechtsseitig mit dem Öldruck einer dritten Kammer 24 beaufschlagt, die über die Bohrung 12 in Druckverbindung mit der Kammer 11 steht. Der Regelkolben 23 stützt sich über eine in einer vierten Kammer 25 angeordneten Regelfeder 26 am Gehäuse 1 ab. Sobald der Öldruck einen durch die Kraft der Regelfeder 26 vorgegebenen Solldruck unterschreitet, verschiebt sich der Regelkolben 23 nach rechts. Hierdurch öffnet ein die Bohrung 15 abdeckender Zapfen 27 eine Druckverbindung zwischen der Kammer 24 und der Kammer 14, wodurch über eine Zentralbohrung 28 und eine Querbohrung 29 des Regelkolbens 23 sowie über die Bohrung 15 Öl in die Kammer 14 einfließt. Hierdurch wird der in Kammer 14 herrschende Regeldruck erhöht und eine Verschiebung der Verstelleinheit 5 im Sinne einer Fördermengenerhöhung zwecks dadurch resultierender Öldruckerhöhung bewirkt. Entsprechend wird bei Erreichen des Sollöldrucks die Öleinspeisung in die Kammer 14 durch den Regelkolben 23 gestoppt, bei Überschreiten des Sollöldrucks bewirkt der sich verschiebende Regelkolben 23 einen Ölabfluss aus der Kammer 14 über eine Bohrung 30 des Gehäuses 1, so dass durch Absenkung des Regeldrucks in Kammer 14 sich der Öldruck in bekannter Weise durch Reduzierung der Fördermenge wieder auf den Sollöldruck absenkt. Bei der gezeigten Ausbildung des Regelkolbens 23 kann über ein Elektroventil 50 die Kammer 25 entweder mit Öldruck beaufschlagt oder aber druckentlastet werden, wodurch sich in bekannter Weise zwei unterschiedliche Öldrücke einregeln lassen. Das Elektroventil 50 kann beispielsweise von einem Steuergerät eines mit Schmieröl zu versorgenden Verbrennungsmotors angesteuert werden, um je nach betriebsabhängigem Öldruckbedarf ein höheres oder ein geringeres Öldruckniveau einzustellen. Alternativ zum Regelkolben 23 kann der Regeldruck in Kammer 14 auch in bekannter Weise von einem nicht dargestellten, elektrisch angesteuerten Proportionalventil eingeregelt werden, wodurch dann eine stufenlos veränderliche Einstellung des Öldrucks möglich ist.
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Die 3 zeigt eine Ölpumpenausführung, bei der alternativ zu 1 die Außenzahnrad-Regelölpumpe zweiflutig ausgebildet ist. Das auf der Antriebswelle 2 fixierte Förderzahnrad 3 steht mit dem Förderzahnrad 4 einer Verstelleinheit 31 in Zahneingriff. Die axial verschiebliche Verstelleinheit 31 ist in einer Position für eine minimale Fördermenge mit axialer Anlage an einem Gehäuse 32 dargestellt. Das Förderzahnrad 4 der Verstelleinheit 31 steht weiterhin mit einem Förderzahnrad 33 in Zahneingriff, dass gegenüberliegend zu Förderzahnrad 3 auf einer im Gehäuse 32 gelagerten Welle 34 angeordnet ist. Ein Deckel 35 verschließt das Gehäuse 32 mit einer Dichtung 36, wobei zwei zylindrische Auswölbungen 37 und 38 die Förderzahnräder 3 und 33 axial abdecken. Ein rechtsseitig auf dem Bolzen 6 der Verstelleinheit 31 angeordneter Kolben 39 umschmiegt mit zwei bogenförmigen Ausnehmungen die zylindrischen Auswölbungen 37 und 38 bzw. die Förderzahnräder 3 und 33. Der aus einer Kammer 40 mit Öldruck beaufschlagten Verstelleinheit 31 wirken wie in 1 bzw. 2 die Federn 13 und 16 sowie der über die Bohrung 15 vom unterhalb der Verstelleinheit 31 befindlichen Regelkolben 23 eingespeiste Regeldruck entgegen. Eine als Konstantpumpe arbeitende zweite Förderstufe in 3 ist wie die erste Förderstufe auch zweiflutig ausgebildet. Sie besteht aus dem auf der Antriebswelle 2 angeordneten Förderzahnrad 17, dem auf dem Zapfen 19 angeordneten Förderzahnrad 18 sowie einem auf der Welle 34 angeordneten Förderzahnrad 41. Ein den Zapfen 19 aufnehmender Deckel 42 verschließt linksseitig das Gehäuse 32. Die bei zweiflutigen Ölpumpen bestehenden beiden Druckseiten wie auch die beiden Saugseiten sind jeweils über eine unter Öldruck stehende Druckverbindung 43 und eine Saugverbindung 44 beidseitig der sie trennenden Dichtung 36 des Deckels 35 zusammengeführt. Die Druckverbindung 43 durchläuft die ohnehin unter Öldruck stehende Kammer 40, aus der auch die Bohrung 12 den verdeckt liegenden Regelkolben 23 mit Öldruck beaufschlagt. Die im Gehäuse 32 befindliche Bohrung 45 dient wie die drei weiteren Bohrungen zur Befestigung der Ölpumpe.
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Die 4 zeigt einen Schnitt mittig durch die Förderzahnräder 3 und 33 der zweiflutigen Regelölpumpe aus 3. Von der maximal verschobenen Verstelleinheit 31 ist jedoch nicht das Förderzahnrad 4, sondern der Kolben 39 geschnitten zu sehen, der mit seinen bogenförmigen Ausnehmungen die Förderzahnräder 3 und 33 umschmiegt. Unterhalb des Kolbens 39 ist der auch in 2 verwendete Regelkolben 23 zu sehen. Das von allen Förderzahnrädern der mehrstufigen Außenzahnrad-Ölpumpe angesaugte Öl fließt über einen Eingangskanal 51 des Gehäuses 32 zu den Saugseiten der einzelnen Förderzahnräder, um danach unter Öldruck von deren Druckseiten über einen Ausgangskanal 52 beispielsweise einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor zugeführt zu werden. Alle Saugseiten der einzelnen Förderstufen sind über die als Bohrungen das Gehäuse 32 ausgebildete Saugverbindungen 53 und 54 und über die Saugverbindung 44 im Deckel 35 (3) zusammengeführt. Entsprechend sind auch alle Druckseiten über die als Bohrungen ausgebildeten Druckverbindungen 55 und 56 und über die Druckverbindung 43 der Kammer 40 (3) zusammengeführt. Zusätzlich sind alle Druckverbindungen (43, 55, 56) mit ”D” und alle Saugverbindungen (44, 53, 54) mit ”S” gekennzeichnet. Zur Vermeidung eines zu hohen Öldrucks in extremen Betriebssituationen, in denen trotz minimaler Fördermenge der Regelölpumpe der Ölversorgungsbedarf des Verbrennungsmotors überschritten wird, ist auch für die zweiflutige Druckstufe ein Bypass-Kurzschluss zwischen ihren Saug- und Druckseiten erforderlich. Hierzu weist der Kolben 39 der zweiflutigen Druckstufe wie die einflutige Druckstufe von 1 ebenfalls den umlaufenden Kanal 22 auf, so dass bei dessen Überdeckung mit den Druckseiten ein Rückströmen von unter Öldruck stehendem Öl zu den Saugseiten erfolgt. Alternativ zur umlaufenden Kanal 22 könnten bei der zweiflutigen Druckstufe auch zwei tangential waagerechte Ausnehmungen oder auch zwei waagerechte Bohrungen im Kolben 39 einen Ölrückfluss zwischen den Druck- und Saugseiten bewirken.
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Die 5 zeigt einen weiteren Schnitt der Ölpumpe von 3 durch die drei Förderzahnräder 17, 18 und 41 der zweiten Förderstufe, die als Druckstufe mit konstanter Fördermenge im Wesentlichen die Grundversorgung des Verbrennungsmotors vornimmt. Über die Saugverbindungen 53 und 54 und über die im Deckel 35 befindliche Saugverbindung 44 (3) sind alle Saugseiten der einzelnen Förderstufen miteinander verbunden, während eine Verbindung aller Druckseiten über die Druckverbindungen 55, 56 und 43 in Kammer 40 (3) gegeben ist. Da sowohl alle Druckseiten wie auch alle Saugseiten permanent je miteinander in Verbindung stehen, wirkt die Bypass-Ölableitung über den Kanal 22 (4) für alle Druckstufen der Ölpumpe.
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Die zweite Förderstufe der Außenzahnrad-Ölpumpe mit den Förderzahnrädern 17, 18 und 41 kann alternativ zur bisher beschriebenen Funktion als Druckstufe auch als Saugstufe arbeiten, um dann beispielsweise bei weitgehend hydraulischer Trennung von der als Druckstufe arbeitenden ersten Förderstufe mit dieser ein Trockensumpf-Schmierölsystem zu bilden.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Förderstufen einer mehrstufigen Ölpumpe, bestehend aus einer Außenzahnrad-Regelölpumpe als Druckstufe und weiteren Förderstufen als Saugstufen oder auch weitere Druckstufen, wird eine kompakte Ölpumpeneinheit geschaffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10144693 B4 [0002, 0007]
- DE 10305781 B4 [0003]
- DE 102011114892 A1 [0004, 0004]
- DE 102010051141 B3 [0005]
- DE 102007039589 A1 [0006]