DE10128066A1 - Radialkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe, in der ein auf einer stationären Achse (11) drehbarer Exzenter (12) mehrere sternförmig angeordnete Kolben (3) antreibt. Da eine derartige Pumpe mit sogenannter Saugregelung arbeitet, sind die Förderräume ab einem mittleren Drehzahlbereich nur noch teilgefüllt. Dadurch entstehen beim Aufprall des Kolbens (3) auf das auszuschiebende Ölvolumen Druckstöße, die Geräusche verursachen. Diese Druckstöße kann man verringern, wenn man den Exzenter (12) nachgiebig gestaltet, indem er aus Innenring (18), Außenring (19) und aus einem zwischen diesen Ringen im oberen Totpunkt angeordneten Dämpfungselement (16) zusammengesetzt wird. Ein solcher Exzenter läßt den Kolben beim Beginn des Druckhubes geringfügig einfedern, so daß Druckspitzen abgebaut und die Geräusche vermindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, ins­ besondere Radialkolbenpumpe.

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Maschine mit ei­ nem Zylindergehäuse, das mehrere radial angeordnete Zylinderbohrungen aufweist. In jeder Zylinderbohrung befindet sich ein radial verschiebbarer Kolben, der mittelbar auf einem relativ zum Zylindergehäuse dreh­ baren Exzenter abgestützt ist. Vorzugsweise ist das Zylindergehäuse stationär und der Exzenter drehbar; die umgekehrte Bauweise ist jedoch ebenfalls möglich. In den meisten Fällen handelt es sich also um eine Ra­ dialkolbenpumpe mit stationärem Zylindergehäuse und mit einem drehbaren Exzenter, der zum Antrieb der Pum­ pe an ein im Betrieb rotierendes Bauteil gekoppelt ist.

Zum Stand der Technik wird auf die DE 43 36 673 A1 hingewiesen.

Eine Radialkolbenpumpe hat den durch ihr Arbeitsprin­ zip bedingten Vorteil, daß der Förderstrom ab einer mittleren Drehzahl von z. B. 1600 U/min durch die An­ saugdrosselung begrenzt ist. Oberhalb dieser Drehzahl ist der Kolbeninnenraum nicht mehr vollständig ausge­ füllt. Dies bedeutet, daß der Förderbeginn von der Füllung abhängig ist, nachdem der Kolben seine zugehö­ rige Saugöffnung verschlossen hat. Beim Förderbeginn trifft der Kolben daher mit drehzahlabhängiger Ge­ schwindigkeit auf die eingeschlossene Ölsäule auf und schiebt das Öl über ein als umlaufende Bandfeder aus­ geführtes Rückschlagventil, das alle Auslaßbohrungen der Kolben verschließt, in einen mit dem Verbraucher verbundenen Sammelkanal aus. Da der Kolben nicht mit der Geschwindigkeit Null zu fördern beginnt, entsteht ein starker Druckstoß im Kolbeninnenraum. Die durch einen solchen Druckstoß erzeugte Druckspitze über­ steigt den Auslaßdruck im Sammelkanal um ein Mehrfa­ ches. Die Druckstöße verstärken sich prinzipbedingt mit steigender Drehzahl. Die Druckstöße sämtlicher Kolben regen den Körperschall an, der über die Gehäu­ sewand als Luftschall abgestrahlt wird.

Zudem führt ein starrer Kolbenantrieb zu einer Zwangs­ bewegung des Kolbens und damit zu einem zeitlich genau definierten Fördermengenverlauf durch das Rückschlag­ ventil. Das führt dazu, daß während des Öffnens des Ventils, wenn also der Querschnitt noch nicht seine endgültige Größe erreicht hat, schon der maximale Vo­ lumenstrom durch das Ventil gefördert wird. Dadurch kommt es zu Druckspitzen im Kolbenraumfluid, was wie­ derum ein Geräusch verursacht.

Bei der aus DE 43 36 673 A1 bekannten Bauweise wurde schon versucht, die durch die genannten Druckstöße verursachten Druckspitzen abzusenken und dadurch die Radialkolbenmaschine leiser zu machen. Vorgesehen war dort ein radial wirkendes Dämpfungsglied (ausgebildet z. B. als Wellfeder), das zwischen zwei Gleitringe ein­ gesetzt ist, die sich zwischen den Kolbenfüßen und dem Exzenter befinden. Wohl führte dieser Lösungsversuch zu einer gewissen Geräuschminderung. Es zeigte sich jedoch der Nachteil, daß der äußere Gleitring zeitwei­ lig sehr hoch auf Biegung beansprucht ist; hierdurch ist seine Lebensdauer unzureichend.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs beschriebene Radialkolbenmaschine (vorzugs­ weise Radialkolbenpumpe) dahingehend weiterzuentwi­ ckeln, daß zwei Forderungen gleichzeitig erfüllt wer­ den, nämlich bestmögliche Geräuschminderung im Betrieb der Maschine und möglichst geringe Beanspruchung der einzelnen Bauteile, so daß eine hohe Lebensdauer bzw. ein langer störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann.

Der Hauptgedanke dieser Anmeldung besteht darin, von dem bisherigen, im wesentlichen massiven Exzenter ab­ zugehen und statt dessen einen nachgiebigen, d. h. ei­ nen relativ leicht verformbaren Exzenter zu schaffen. Dies erfolgt dort dadurch, daß der Exzenter einen Au­ ßenring aufweist, der zu einem Innenring exzentrisch angeordnet und federnd nachgiebig ausgebildet ist. Der Exzenter hat somit wenigstens einen Hohlraum, der be­ grenzt ist von dem genannten Innenring und von dem hierzu exzentrischen, federnd nachgiebigen Außenring. Man erreicht hierdurch, daß der mit den Kolbenfüßen in Kontakt stehende äußere Gleitring nicht nur an einzel­ nen Stellen, sondern flächig auf dem darunter liegen­ den Bauelement abgestützt ist. Beim Entstehen eines starken Druckstoßes in einem der Kolbeninnenräume wird nicht nur der äußere Gleitring sondern auch der nach­ giebige Exzenter elastisch verformt. Mit anderen Wor­ ten: durch die stets sichergestellte flächige Unter­ stützung des äußeren Gleitringes ist nicht nur das Ausmaß der Verformung geringer, sondern es wird auch für eine geringere Biegebeanspruchung gesorgt. Eine Überlastung des äußeren Gleitringes wird somit vermie­ den. Außerdem kann das aus DE 43 36 673 A1 bekannte Dämpfungsglied entfallen. In der Regel sind zwischen dem Exzenter und den Kolbenfüßen zwei ineinanderge­ steckte Gleitringe vorgesehen, die in Umfangsrichtung aneinander gleiten.

Nach einem ersten Aspekt (Anspruch 1) der hier vorlie­ genden Erfindung ist wiederum vorgesehen, daß der Ex­ zenter einen Außenring und einen hierzu exzentrischen Innenring aufweist, und daß diese Ringe nur im Bereich des oberen Totpunktes (d. h. im Bereich größter radia­ ler "Exzenter-Dicke") mittels eines Dämpfungselements miteinander verbunden sind, das in Umfangsrichtung ei­ ne höhere Nachgiebigkeit als in der Exzenter-Ebene hat.

Durch diese Maßnahmen wird folgendes erreicht: Beim Auftreten eines starken Druckstoßes in einem der Zy­ linderräume oder (mit anderen Worten) wenn im Bereich des Förderbeginns ein Kolbenkraftstoß auftritt, dann wird wiederum der Exzenter elastisch verformt, nämlich indem der Außenring, unter der Wirkung des Kolben­ kraftstoßes, relativ zum Innenring vorübergehend aus­ weicht.

Im Ergebnis erzielt man im Betrieb eine beträchtliche Geräuschminderung und gleichzeitig eine geringere Be­ lastung der Bauteile, insbesondere des mit den Kolben­ füßen in Kontakt stehenden Gleitringes.

Ein ähnlich oder gleich gutes Ergebnis kann erzielt werden, wenn man - nach einem zweiten Aspekt (Anspruch 10) der vorliegenden Erfindung - folgendes vorsieht: Die beiden zueinander exzentrischen Ringe (Außen- und Innenring) des Exzenters sind nunmehr mittels eines (im Bereich der Förderzone eine Ausnehmung aufweisen­ den) Füllkörpers miteinander verbunden. Dadurch ist zwar die relative Beweglichkeit der zwei Ringe (verglichen mit der zuerst beschriebenen Lösung) ver­ ringert; nunmehr ist jedoch der Außenring umhüllt von einer hierzu konzentrischen Gleitschale mit einer da­ zwischen befindlichen Elastomer-Schicht, die eine vor­ zügliche Dämpfungswirkung besitzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die Gegen­ stand der abhängigen Ansprüche sind, werden nachfol­ gend, im Rahmen der Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen, mit Hilfe der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine Radialkolben­ pumpe, deren Exzenter nachgiebig ist;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine erste Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Exzenters;

Fig. 4 eine zweite Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Exzenters;

Fig. 5 und 6 je einen Schnitt entlang Linie V bzw. VI der Fig. 4;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der elastischen Verformung des in Fig. 1 gezeigten Exzenters.

Die Pumpe nach Fig. 1 und 2 ist z. B. in ein Automatik­ getriebe integriert und weist in Zylinderbohrungen 1 eines Zylindergehäuses oder eines "Pumpengehäuses" 2 eine Anzahl von becherförmigen Kolben 3 auf. Jeder Kolben 3 ist durch eine Feder 4 belastet, die sich an einem die Zylinderbohrung 1 verschließenden Stopfen 5 abstützt. Eine Bandfeder 6 umspannt ringartig alle Stopfen 5 und verschließt die an alle Kolbeninnenräume 7 anschließenden Auslaßbohrungen 8 gegen eine Sammel­ ringnut 10. Die Bandfeder 6 ist mit Stiften 9 auf dem Pumpengehäuse 2 in ihrer Lage gesichert.

Starr mit dem Pumpengehäuse 2 verbunden ist eine kon­ zentrische stationäre Achse 11 (auch "Leitradhohl­ welle" genannt). Auf dieser ist drehbar ein Exzenter 12 gelagert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dies ein nachgiebiger Exzenter, zusammengesetzt aus Innen­ ring 18 und Außenring 19, falls erforderlich auch mit einer am Innenring fixierten Seitenscheibe 20 (die nur in der oberen Hälfte der Fig. 2 dargestellt ist). In das Innere des Exzenters hinein erstreckt sich ein Antriebsfinger 14 einer im Betrieb rotierenden Hohl­ welle 13 (gelagert auf der Achse 11 mittels Nadellager 13a). Zwischen den Kolben 3 und dem Exzenter 12 ist vorzugsweise nur ein einziger Gleitring 15 vorgesehen.

Beim Rotieren des nachgiebigen Exzenters 12 können die jeweils das Drucköl ausschiebenden Kolben 3 auf dem zugehörigen Abschnitt des Gleitringes 15 geringfügig einfedern, so daß sich die zu Beginn eines Druckhubes auftretenden Druckspitzen absenken lassen. Die Bandfe­ der 6 wölbt sich von ihrer Sitzfläche über jeweils dem Kolben 3 auf, der gerade einen Druckhub ausführt. Die Kolben 3 saugen das Drucköl an ihrer Oberkante über Saugöffnungen 17 an.

Gemäß den Fig. 1 und 2 sind Innenring 18 und Außen­ ring 19 des Exzenters 12 durch ein Dämpfungselement 16 miteinander verbunden. Dieses Dämpfungselement kann als ein Elastomerblock ausgebildet sein, vorzugsweise mit einer bei 26 angedeuteten elastischen Blecheinla­ ge, die in dem Elastomerblock in etwa radialer Rich­ tung positioniert ist. Dadurch hat der Elastomerblock 16 in Umfangsrichtung eine höhere Nachgiebigkeit als in radialer Richtung (d. h. als in der Richtung der Ex­ zenter-Ebene A). Er ist z. B. mittels Vulkanisation mit den Ringen 18, 19 verbunden.

In Fig. 7 erkennt man von einem Exzenter 12 schema­ tisch den Innenring 18, den Außenring 19 und das Dämp­ fungselement 16. Deren Normalposition ist in vollen Linien dargestellt. Mit strichpunktierten Linien ist gezeigt, wie der Außenring 19 unter einem Kolbenkraft­ stoß F_K relativ zum Innenring 18 vorübergehend aus­ weicht und wie sich hierbei der Elastomerblock 16 ela­ stisch verformt. Der letztere ist stets im Bereich der Exzenterebene A im Bereich des oberen Totpunktes OT angeordnet. Die Drehrichtung des Exzenters ist durch den Pfeil D kenntlich gemacht. Ein Kolben, der den Kolbenkraftstoß F_K auf den Außenring 19 ausübt, liegt stets im Bereich des Förderbeginns, also in einem Win­ kelbereich W zwischen etwa 55° und 100° vor dem oberen Totpunkt OT (bezogen auf die Drehrichtung D).

Wenn der besagte Kolben an den oberen Totpunkt ge­ langt, also am Förderende, dann befindet sich der Kol­ ben wieder auf praktisch der gleichen Bahn wie bei Verwendung eines starren Exzenters. Dies ist so dank der wesentlich geringeren Nachgiebigkeit des Dämp­ fungselements 16 in radialer Richtung. Somit wird - trotz der zur Körperschalldämpfung dienenden Nachgie­ bigkeit des Exzenters - eine Druckabhängigkeit des Fördervolumens zumindest weitgehend vermieden.

Gemäß Fig. 3 ist ein Dämpfungselement 16a vorgesehen, welches als metallisches Vierkant-Hohlprofil ausgebil­ det ist. Es ist zwischen Innenring 18 und Außenring 19 als "Federstütze" eingeschweißt, so daß zwei biegeela­ stische radiale Stege 27 die zwei Ringe 18, 19 mitein­ ander verbinden. Das Element 16a hat zumindest sehr weitgehend die gleichen Eigenschaften und Wirkungen wie der oben beschriebene Elastomerblock 16. Der An­ triebsfinger 14 greift unmittelbar am Dämpfungselement 16a an, z. B. an dessen Außenseite. Der Außenring 19 ist auf seiner Außenseite mit einer Gleitschicht oder Gleitbuchse 24 versehen. Ebenso kann an der Innenseite des Innenringes eine Gleitbuchse vorhanden sein (nicht dargestellt).

Das Dämpfungselement 16 bzw. 16a bildet die einzige Verbindung zwischen den Ringen 18 und 19. Im unteren Totpunkt UT verbleibt stets ein kleiner Spalt a zwi­ schen den Ringen 18, 19.

Der in den Fig. 4-6 dargestellte Exzenter 12' weicht von den oben erläuterten Bauformen dadurch ab, daß zwischen Innenring 18 und Außenring 19' ein Füll­ körper 25 vorgesehen ist, und daß der relativ dünne Außenring 19' umhüllt ist von einer Elastomerschicht 23 und einer zum Außenring 19' konzentrischen (oder geringfügig exzentrischen) und ebenfalls relativ dün­ nen Gleitschale 22. Man könnte auch sagen: Der Außen­ ring 19 der Fig. 1 bis 3 ist ersetzt durch ein nachgiebiges "Außenring-Paket" 19', 23, 22.

Der Füllkörper 25 ist gebildet aus einem relativ wenig elastischen Werkstoff z. B. aus einem Kunststoff. Er hat jedoch im Bereich der Förderzone (die bezüglich der Drehrichtung D vor dem oberen Totpunkt OT liegt) eine quer durchgehende, sich vorzugsweise über die Förderzone erstreckende, Ausnehmung 21. Dadurch wird die Nachgiebigkeit des "Außenring-Paketes" 19', 23, 22 gerade im Bereich der Förderzone (wo der oben erwähnte Förderkraftstoß auftritt) noch erhöht. Es ergibt sich also die gleiche Wirkung wie oben anhand der Fig. 1 bis 3 und 7 beschrieben.

Bezugszeichen

1

Zylinderbohrungen

2

Pumpengehäuse

3

Kolben

4

Feder

5

Stopfen

6

Bandfeder

7

Innenräume

8

Auslaßbohrungen

9

Stifte

10

Sammelringnut

11

stationäre Achse

12

,

12

' drehbarer Exzenter

13

rotierende Hohlwelle

13

a Nadellager

14

Antriebsfinger

15

Gleitring

16

,

16

a Dämpfungselement

17

Saugöffnungen

18

Innenring

19

,

19

' Außenring

20

Seitenscheibe

21

Ausnehmung (im Füllkörper

25

)

22

Gleitschale

23

Elastomer-Schicht

24

Gleitbuchse

25

Füllkörper

26

Blecheinlage

27

Steg

Claims (12)

1. Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolben­ pumpe, mit den folgenden Merkmalen:

• 1. 1.1 ein Zylindergehäuse (Pumpengehäuse 2) weist mehrere radial angeordnete Zylinderbohrungen (1) auf;
• 2. 1.2 in jeder Zylinderbohrung (1) befindet sich ein radial verschiebbarer Kolben (3), der mittel­ bar auf einem Exzenter (12) abgestützt ist; dadurch gekennzeichnet,
• 3. 1.3 daß der Exzenter (12) aus einem zum Zylinder­ gehäuse (2) koaxialen Innenring (18) und aus einem hierzu exzentrischen, federnd nachgiebi­ gen Außenring (19), sowie aus einem zwischen diesen Ringen angeordneten Dämpfungselement (16 oder 16a) zusammengesetzt ist,
• 4. 1.4 und daß das die Ringe (18, 19) nur im Bereich des oberen Totpunktes miteinander verbindende Dämpfungselement (16 oder 16a) in Umfangsrich­ tung eine höhere Nachgiebigkeit als in der Richtung der Exzenter-Ebene (A) aufweist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 mit den fol­ genden Merkmalen:

• 1. 2.1 das Zylindergehäuse (2) ist stationär;
• 2. 2.2 der Exzenter (12) ist an ein im Betrieb ro­ tierendes Bauteil (13) gekoppelt.

3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (16 oder 16a) das einzige Verbindungselement zum gegenseitigen Verbinden der genannten Ringe (18, 19) ist.

4. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Totpunkt (UT) zwischen den Ringen (18, 19) ein Abstand (a) vorhanden ist.

5. Radialkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (16) aus einem elastomeren Stoff gebildet ist.

6. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (16) mittels Vulkanisation mit den Ringen (18, 19) verbunden ist.

7. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Dämpfungselement (16) eine elastische Blechein­ lage (26) in wenigstens angenähert radialer Rich­ tung positioniert ist.

8. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein elastischer (vorzugsweise metalli­ scher) Steg (27) sich wenigstens angenähert in ra­ dialer Richtung im Bereich des oberen Totpunktes (OT) vom Innenring (18) zum Außenring (19) er­ streckt.

9. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stege (27) vorgesehen sind, als Teile eines als metallisches Hohlprofil ausgebildeten Dämp­ fungselements (16a).

10. Radialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (12') einen Innenring (18) und einen hierzu exzentrischen Außenring (19') aufweist so­ wie einen dazwischen angeordneten Füllkörper (25), der eine quer durchgehende, sich entlang der För­ derzone erstreckende Ausnehmung (21) aufweist.

11. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (19') umhüllt ist von einer zu ihm vorzugsweise konzentrischen Gleitschale (22), und daß Außenring und Gleitschale mittels einer Ela­ stomerschicht (23) miteinander verbunden sind.

12. Radialkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kolben (3) und dem Exzenter (12 oder 12') nur ein einziger Gleitring (15) vorhanden ist.