CH679172A5

CH679172A5 -

Info

Publication number: CH679172A5
Application number: CH3666/89A
Authority: CH
Inventors: Martin Gander; Hans Juerg Joesler; Elmar Morscher; Thomas Neher; Jean-Marie Zogg
Original assignee: Draegerwerk Ag
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-12-31
Also published as: JPH03124976A; US5102310A; EP0421461A1

Description

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CH 679 172 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige ventillose Pumpen mit einem einzigen Drehkolben werden beispielsweise als Dosierpumpen für Flüssigkeiten überall dort eingesetzt, wo exakt dosierte Mengen gefördert werden müssen. Je nach der Drehrichtung des Drehkolbens ist die Pumprichtung reversibel. Der Kolben verschliesst selbst jeweils die Druck' bzw. Saugseite, so dass keine Absperroder Rückschlagventile erforderlich sind. Die Förderleistung der Pumpe kann über die Drehzahl besonders einfach gesteuert werden.

Bei bekannten Pumpen wird die periodische axiale Bewegung des Kolbens durch eine Art Kurbelgetriebe erzeugt, wobei die Kurbel am Drehkolben befestigt ist und das Ende der Kurbel gelenkig an einer Exzenterscheibe an der Antriebswelle angelenkt ist Ein derartiges Getriebe ist beispielsweise in der US-A 3 168 872 dargestellt. Der Zylinder mit dem darin beweglichen Drehkolben ist so gelagert, dass die Kolbenachse relativ zur Achse der Antriebswelle ausgelenkt werden kann. Solange die Antriebswelle und der Kolben gleichachsig angeordnet sind, dreht sich der Kolben lediglich im Zylinder und legt keinen Hub zurück. Sobald die Kolbenachse ausgelenkt wird, verschiebt sich der Kolben im Zylinder infolge der unterschiedlichen Drehebenen von Exzenterscheibe und Kurbel. Der gewünschte Kolbenhub kann durch den Grad der Auslenkung der Kolbenachse relativ zur Achse der Antriebswelle eingestellt werden.

Ein Nachteil der bekannten Pumpenantriebe besteht darin, dass die Verschiebekupplungen relativ hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und daher störanfällig sind. Ausserdem ist es nicht in allen Fällen möglich oder wünschenswert, dass die Antriebswelle relativ zur Kolbenachse schräg-gestellt ist

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Axialkolbenpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei weicher die Hubbewegung des Kolbens auf einfachere Weise und möglichst ver-schleissfest ausgeführt werden kann. Ausserdem soll die Antriebswelle wenn möglich gleichachsig mit dem Drehkolben verlaufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer Axialkolbenpumpe gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 aufweist Das Kurvengetriebe ist wesentlich robuster und verschleissfester als die bekannten Kurbelkupplungen. Je nach Anordnung und Ausbildung von Kurventräger und Eingriffsglied können ganz unterschiedliche Lösungen gewählt werden, bei denen Jedoch in jedem Fall die Antriebswelle gleichachsig mit dem Kolben angeordnet sein kann. Die Antriebswelle könnte aber auch ohne weiteres schräg verlaufen, wobei die Kraftübertragung z.B. über ein konventionelles Kardangelenk erfolgt

Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn der Kurventräger eine rund um den Kolben verlaufende und relativ zu diesem fest angeordnete Steuerfläche ist und wenn das Eingriffsglied direkt oder indirekt fest mit dem Kolben verbunden ist und auf der Steuerfläche um die Kolbenachse drehbar ist. Das Eingriffsglied kann dabei entweder unter dem Einfluss der Schwerkraft oder unter Federvorspannung gegen die Steuerfläche pressbar sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Umwandlung der Drehbewegung in eine Axialbewegung absolut spielfrei vollzogen wird. Ein allfälliger Vèrschlelss am Eingriffsglied führt zu keiner Veränderung des Hubvolumens am Kolben.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn die Antriebswelle gleichachsig mit dem Kolben angeordnet ist und wenn zwischen der Antriebswelle und dem Kolben eine Druckfeder angeordnet ist, wobei die Druckfeder gleichzeitig als Kupplungselement zur Drehmomentübertragung dienen kann. Der Kolben führt dabei seine Hubbewegung unter Federvorspannung aus, wobei die Federspannung ggf. so eingestellt werden kann, dass die Reibung an der Steuerfläche nicht zu gross ist.

Die Steuerfläche ist besonders vorteilhaft unmittelbar auf einer Stirnseite des Zylinders angeordnet. Ein derartiger Zylinder lässt sich besonders einfach herstellen, indem er einseitig schräg angeschnitten bzw. angeschliffen wird. Das Hubvolumen wird durch den Winkel der Steuerfläche relativ zur Kolbenachse bestimmt. Die Steuerfläche könnte aber ohne weiteres auch an einem Steuerteil angeordnet sein, das austauschbar und/Oder verstellbar ist.

Das Eingriffsglied kann ein Stift oder ein ähnliches Gleitelement sein, oder es kann zum Reduzieren der Reibung auch ein Wälzkörper sein, der auf der Steuerfläche abrollt.

Wenn der Zylinder und der Kolben aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind, können besonders gute Laufeigenschaften erzielt werden, ohne dass eine zusätzliche Schmierung erforderlich ist Auch Kolbendichtungen oder dergleichen sind bei niederen Drücken nicht erforderlich, da der Kolben nahezu spielfrei im Zylinder läuft. Keramische Werkstoffe sind ausserdem korrosionsbeständig, so dass z.B. auch chemisch aggressive Medien problemlos gefördert werden könnten.

Weitere Vorteile und Einzelmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen und aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsge-mässe Pumpe in der unteren Hubstellung,

Fig. 2 die Pumpe gemäss Fig. 1 in der oberen Hubstellung,

Rg. 3 einen Schnitt durch Ebene A-A gemäss Fig. 2,

Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit verstellbarer Steuerfläche,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Taumelscheibe am Kolben,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer umlaufenden Nut als Kurventräger,

Fig. 7 den Kolben im Zylinder in vergrösserter Darstellung, und

Fig. 8 eine Ansicht von unten auf den Kolben gemäss Fig. 7.

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Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, besteht die Axialkolbenpumpe 1 im wesentlichen aus einem Zylinder 2, der fest mit einem Gehäuse 11 verbunden ist. Am unteren Ende des Zylinders ist im Zylindermantel je eine Saugöffnung 3 und eine Drucköffnung 4 angeordnet, wobei die beiden Öffnungen gleichachsig verlaufen, im Pumpengehäuse 11 ist dementsprechend je ein Anschluss 19 für eine Saugleitung und ein Anschluss 20 für eine Druckleitung angeordnet.

Im Zylinder 2 ist ein Kolben 6 geführt, der einerseits um seine eigene Achse in Pfeilrichtung X drehbar ist und der andererseits in Pfeilrichtung Y einen axialen Kolbenhub ausführen kann. Am unteren Ende des Kolbens 6 ist eine Ausnehmung 7 angeordnet, welche die Pumpenkammer vergrössert. Je nach der relativen Drehlage des Kolbens 6 kommuniziert die Ausnehmung 7 einmal mit der Saugöffnung 3 und einmal mit der Drucköffnung 4, wobei die jeweils andere Öffnung verschlossen wird. Auf an sich bekannte Weise kann der Kolben derart bei geschlossener Drucköffnung 4 Flüssigkeit oder Gas an der Säugöffnung ansaugen und beim Reversieren der Kolbenbewegung bei geschlossener Saugöffnung über die Drucköffnung wieder ausstossen. Der Kolben könnte, wie ebenfalls bereits bekannt, ohne weiteres auch als Duplex-Kolben mit zwei Pumpenkammern ausgebildet sein.

Der Kolben 6 ist beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel drehfest mit einer Kupplungsnabe 12 verbunden. An der Kupplungsnabe ist exzentrisch ein Eingriffsglied 9 in der Form eines Gleitstiftes befestigt. Die Stirnseite des Zylinders 2 ist unter einem Winkel Alpha angeschrägt und bildet so eine um den Kolben 6 umlaufende Steuerfläche 8. Anstelle einer planen Anschrägung könnte zum Erreichen einer bestimmten Pumpcharakteristik aber auch ein anderer Kurvenverlauf gewählt werden.

Zwischen der Kupplungsnabe 12 und der relativ zum Zylinder 2 feststehenden Antriebswelle 5 ist eine Druckfeder 10 gespannt. Diese Druckfeder presst das Eingriffsglied 9 gegen die Steuerfläche 8, so dass der Kolben 6 unter Federvorspannung hin und her bewegt wird. Die Druckfeder 10 dient aber gleichzeitig als Kupplung zur Drehmomentübertragung und erfüllt somit eine Doppelfunktion.

Die Kupplungsnabe 12 hat im oberen Bereich einen Zapfen 33, der mit einer tangentialen Feststell-fiäche 15 versehen ist. Der Zapfen greift in eine Kupplungsbüchse 13, an der radial eine Feststellschraube 14 gegen die Fläche 15 verspannt werden kann, so dass die Kupplungsnabe 12 lösbar mit der Druckfeder verbunden ist. Die Druckfeder 10 ist am unteren Ende drehfest mit der Kupplungsbüchse 13 und am oberen Ende drehfest mit der Wellennabe 17 verbunden. Die Wellennabe 17 kann mit einer Feststellschraube 18 an der Antriebswelle 5 verspannt werden, wobei gleichzeitig auch die Federvorspannung in Pfeilrichtung f eingestellt werden kann.

Auf der Kupplungsnabe 12 ist auch noch eine Kodierscheibe 16 befestigt, die einseitig abgeschnitten ist. Die Kodierscheibe wirkt mit einem Sensor, z.B. mit einem lichtempfindlichen Sensor 36 zusammen (Fig. 2) und dient der Drehzahlmessung. Die Kodierscheibe kann eine Strichmarkierung 21 aufweisen,

so dass z.B. nach dem Prinzip eines inkrementalen Messsystems auch noch die genaue Relativlage des Kolbens ermittelt werden könnte.

In Fig. 1 ist der Kolben 6 in der unteren Hubstellung dargestellt, in welcher er die Drucköffnung 4 und die Saugöffnung 3 verschliesst und in welcher soeben das gesamte Pumpvolumen ausgestossen wurde. Im Verlauf einer Drehung in Pfeitrichtung X gleitet das Eingriffsglied 9 auf der Steuerfläche 8 nach oben in die in Fig. 2 dargestellte Position. Dabei wird der Kolben 6 gegen die Kraft der Druckfeder 10 nach oben gepresst und erreicht eine obere Hubstellung, in welcher wiederum beide Öffnungen 3 und 4 verschlossen sind. Zwischen den beiden extremen Hubpositionen gemäss den Fig. 1 und 2 hat der Kolben 6 das Volumen der Pumpenkammer 34 vergrössert und dabei die entsprechende Menge des Fördermediums angesaugt, weil die Ausnehmung 7 mit der Saugöffnung 3 kommuniziert. Bei der weiteren Drehung des Kolbens gleitet das Eingriffsglied 9 auf der Steuerfläche 8 wieder in die unterste Relativlage, so dass der Kolben nach unten gepresst wird, wobei er den Inhalt der Pumpenkammer 34 über die Drucköffnung 4 ausstösst.

Die Kolbenform ist in den Fig. 7 und 8 nochmals vergrössert dargestellt. Die Ausnehmung 7 hat die Form eines tangentialen Ausschnitts, der oben gerundet ist. In Fig. 7 ist der Kolben im Vergleich zu Fig. 1 um 90° zurückgedreht, wobei er die Saugöffnung 3 verschliesst und die Hälfte seines Hubes zurückgelegt hat.

Der Winkel Alpha bestimmt ersichtlicherweise den maximalen Kolbenhub und damit die Pumpleistung. In vielen Fällen ist es überhaupt nicht nötig, dass der Kolbenhub verstellt werden kann. Fig. 4 zeigt jedoch ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Winkel Alpha um ein bestimmtes Mass verstellt werden kann. Die Steuerfläche 8 ist dabei nicht an der Stirnseite des Zylinders 2, sondern an einer Kurvenscheibe 22 angeordnet. Die Kurvenscheibe 22 ist von zwei sich diametral gegenüberliegenden Stellschrauben 23 gehalten, welche in Muttern 24 an der Kurvenscheibe eingreifen. Diese Muttern sind als Dreh- bzw. Gleitstücke ausgebildet, so dass die Neigung und die Distanzänderung kompensiert werden können. Durch Drehen der Stellschrauben 23 kann ersichtlicherweise der gewünschte Winkel Alpha eingestellt werden. Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist das Ein-griffsglied als Kugel 25 ausgebildet, welche auf der Steuerfläche 8 abrollt. Die übrigen Bauteile an diesem Ausführungsbeispiel sind gleich wie beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 bis 3. Anstelle einer stufenlos verstellbaren Kurvenscheibe 22 wäre es auch denkbar, einzelne Steuerteile herzustellen, welche auswechselbar mit der Stirnseite des Zylinders 2 verbunden werden können und welche Steuerflächen mit verschiedenen Winkeln aufweisen. Auf diese Weise könnte zwischen verschiedenen fest eingestellten Winkeln gewählt werden.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass der Kurventräger nicht unbedingt fest angeordnet sein muss. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolben 6 fest mit einer Taumelscheibe 26 verbunden, welche die

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Steuerkurve bildet. Die Taumelscheibe wird durch die Druckfeder 10 gegen einen Gleitfinger 27 ge-presst, der fest am Zylinder 2 angeordnet ist. Beim Drehen des Kolbens 6 bzw. der Taumelscheibe 26 erfolgt ersichtlicherweise ebenfalls eine Axialbewegung des Kolbens.

Schliesslich zeigt Fig. 6 noch ein Ausführungsbeispiel, bei welchem nicht unbedingt eine Feder-vorspannung erforderlich ist. Der Zylinder 2 hat einen Abschnitt 28 mit erweitertem Innendurchmesser. An diesem Abschnitt ist an der Innenseite eine schräggestellte bzw. kurvenförmige Nut 29 angeordnet Der erweiterte Kolbenabschnitt 35 hat einen Beizen 30, welcher radial in die Nut 29 eingreift. Beim Drehen des Kolbens 6 erfolgt ersichtlicherweise eine zwangsweise Bewegung in Axialrichtung entsprechend der Führung der Nut 29. Die axiale Rela-tiwerschiebung zwischen der Antriebswelle 5 und dem Kolben 6 kann durch eine Axialnut 31 kompensiert werden, welche drehfest über einer Axiaifüh-rung 32 an der Welle 5 gleitet Die Axialführung dient gleichzeitig der Drehmomentübertragung. Auf ganz ähnliche Weise könnte die Nut aber auch am erweiterten Kolbenabschnitt 35 angeordnet sein, während der Bolzen 30 fest am Innenmantel des Zylinders angeordnet ist

Bei allen Ausführungsbeispielen sind vorzugsweise der Zylinder 2 und der Kolben 6 aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Auf diese Weise kann der Kolben bis zu ca. 1 bar Druck dichtungsfrei im Zylinder geführt werden. Die Teile sind ausserdem sehr verschleissfest, was vor allem bedeutsam ist, wenn die Steuerfläche 8 unmittelbar am Zylinder 2 angeordnet ist

Claims

Patentansprüche

1. Axialkolbenpumpe (1) mit einem Zylinder (2) mit wenigstens zwei Zylinderöffnungen (3, 4) im Zylindermantel und mit einem an eine Antriebswelle (5) angekuppelten Kolben (6), der um seine Achse drehbar (X) und zum Ausführen einer Hubbewegung (Y) in Axialrichtung verschiebbar ist, wobei der Kolben an wenigstens einem Ende und im Bereich der Zylinderöffnungen eine Ausnehmung (7) aufweist, die beim Ausführen des Kolbenhubes wechselweise mit einer der Zylinderöffnungen (3, 4) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische axiale Bewegung (Y) des Kolbens (6) mit einem Kurvengetriebe ausführbar ist, das einen um die Kolbenachse umlaufenden Kurventräger (8, 26, 29) und ein mit dem Kurventräger in Wirkverbindung stehendes Eingriffsglied (9, 25r 27, 30) aufweist, wobei die Relativlage des Kurventrägers den Kolbenhub im Verlauf einer Umdrehung bestimmt.

2. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurventräger eine direkt oder indirekt mit dem Kolben (6) verbundene Taumelscheibe (26) ist, und dass das Eingriffsglied (27) direkt oder indirekt fest am Zylinder (2) angeordnet ist

3. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurventräger eine umlaufende Nut am Kolben oder an einem mit dem Kolben drehbaren Bauteil ist, und dass das direkt oder indirekt fest am Zylinder angeordnete Eingriffsglied radial in die Nut eingreift.

4. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurventräger eine umlaufende Nut (29) auf der Innenseite des Zylinders (2) ist, und dass das fest am Kolben (6) angeordnete Eingriffsglied (30) radial in die Nut eingreift.

5. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurventräger eine rund um den Kolben (6) verlaufende und relativ zu diesem fest angeordnete Steuerfläche (8) ist, und dass das Eingriffsglied (9) direkt oder indirekt fest mit dem Kolben (6) verbunden ist und auf der Steuerfläche (8) um die Kolbenachse drehbar ist

6. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsglied (9) unter Federvorspannung (f) gegen die Steuerfläche (8) pressbar ist

7. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) gleichachsig mit dem Kolben (6) angeordnet ist, und dass zwischen der Antriebswelle (5) und dem Kolben (6) eine Druckfeder (10) angeordnet ist.

8. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (10) gleichzeitig als Kupplungselement zur Drehmomentübertragung dient

9. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) mit einer Kupplungsnabe (12) verbunden ist, an welcher das Eingriffsglied (9) angeordnet ist, und dass die Kupplungsnabe lösbar mit der Druckfeder (10) verbunden ist

10. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kolbenseitige Ende der Druckfeder (10) mit einer Kupplungsbüchse (13) verbunden ist dass die Kupplungsnabe (12) in die Kupplungsbüchse eingreift und mit einer Feststellschraube (14) fixierbar ist.

11. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche (8) auf einer Stirnseite des Zylinders (2) angeordnet ist

12. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche (8) auf einem Steuerteil (22) angeordnet ist, das austauschbar und/oder verstellbar ist

13. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsglied (9) ein auf der Steuerfläche (8) gleitender Stift ist.

14. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsglied ein auf der Steuerfläche (8) abrollender Wälzkörper (25) ist.

15. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) und der Kolben (6) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind.

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