DE102004026048A1

DE102004026048A1 - Spaltverluststromsteuerung

Info

Publication number: DE102004026048A1
Application number: DE102004026048A
Authority: DE
Inventors: Felix Arnold
Original assignee: Cor Pumps and Compressors AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-29
Also published as: WO2005116403A1; US20070253851A1; JP5244385B2; JP2008500482A; EP1749145B1; EP1749145A1; ES2425363T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit Antriebsrotor (4) und Abtriebsrotor (3), deren Drehachsen einen bestimmten axialen Winkel einschließen und deren Zähne ineinander kämmen, wobei einer der Rotoren im Gehäuse (1, 2) axial verstellbar ist und durch eine Stellkraft belastet ist, die der durch den Arbeitsdruck bewirkten Kraft entgegenwirkt, und wobei durch entsprechendes Verschieben des Rotors ein Kurzschlussspalt zwischen den Zähnen der Rotoren entsteht.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter oder Motor arbeiten kann, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Drehkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art (DE PS 42 41 320, EP PS 1 005 604) ist, auch durch die Gestaltung der Zähne, eine hohe Dichtigkeit zwischen den Arbeitsräumen angestrebt, um möglichst geringe Verlustströme von einem Arbeitsraum zum danebenliegenden Arbeitsraum über die Flanken mit Linienberührung zwischen Antriebsrotor zu Abtriebsrotor und umgekehrt zu erhalten. Hierbei laufen die Zahnkämme des einen Rotors linienförmig an den Flanken des eine zykloidische Abwicklung der Lauffläche aufweisenden anderen Rotors ab.

Je nach Einsatz solcher Drehkolbenmaschinen ändert sich die geforderte Leistung während des Betriebs, wofür unterschiedliche Steuer- oder Regelungsverfahren bekannt sind. Die einfachste Methode ist Druckseite und Saugseite der Maschine zu verbinden, was jedoch bezüglich der von der Maschine aufgenommenen hohen Energie kaum einen Unterschied bedeutet. In vielen Fällen, insbesondere beim Einsatz als Schmierpumpe in der Kfz-Branche, aber auch als Vorförderpumpe für Dieseleinspritzeinlagen, ist angestrebt, die Energieaufnahme der Maschine so gering wie möglich zu halten und der tatsächlichen Leistungsabgabe derselben anzupassen (siehe DE OS 100 25 723).

Die Erfindung und ihre Vorteile

Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Energieaufnahme der Drehkolbenmaschine unmittelbar der tatsächlichen Leistungsabgabe derselben entspricht. Aus einem nie ganz vermeidbaren Spaltverlust einer solchen Maschine ist eine durch gezielte Änderung der Spaltbreite gegebene Mengensteuerung, bzw. Verlustmengensteuerung geworden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass, beispielsweise bei Förderung von Kraftstoffen oder Öl, ein Aufschäumen weitgehend unterbunden wird, was beispielsweise bei der Steuerung eines Rückstromkanals entstehen kann.

Es ist zwar bei Förderpumpen bekannt, durch unmittelbares Verbinden von Saug- und Druckseite eine entsprechende Verringerung der Energieaufnahme zu erzielen ( DE 100 25 723 ), nur handelt es sich hierbei nicht um auf den Stirnseiten der Rotoren gelegene Arbeitsräume, sondern um Zahnradpumpen mit radial angeordneten Zähnen oder Zahnringen mit einer von vornherein völlig anderen Arbeitsweise (Verdrängung in Axialrichtung), so dass derartige vielfältig bekannte Lösungen nicht bei der Erfindung Anwendung finden können. So ist es bei einer ebenfalls mit Zahnrad und Zahnring arbeitenden Ölpumpe bekannt (US PS 5,085,187), die Pumpenarbeitsräume seitlich durch einen Deckel zu verschließen, der bei ausreichendem Förderdruck verschoben und eine Verbindung zwischen dem Saugraum und Druckraum der Ölpumpe herstellt.

Zur Anpassung der Energieaufnahme an die tatsächliche Leistungsabgabe ist es bekannt, bei Drehkolbenmaschinen mit stirnseitiger Verzahnung (US PS 2,049,775) den Abtriebsrotor innerhalb seiner kugeligen Lagerung zu verschwenken, um dadurch den axialen Winkel zwischen den Drehachsen zu verändern, was entsprechend zu einer Fördermengenänderung bis hin zu Null-Förderung führen kann. Der Nachteil einer solchen Konstruktion besteht nicht nur in dem erheblichen höheren konstruktiven Aufwand und der stärker begrenzten Leistungsfähigkeit, sondern vor allem in der Abdichtung der Arbeitsräume zu der Verstelleinrichtung hin.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens der axial verschiebbare Rotor in einem entsprechend zylindrischen Steuerraum des Maschinengehäuses axial und radial geführt. Der verschiebbare Rotor ist dabei achsgleich mit dem zylindrischen Steuerraum angeordnet.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stellkraft willkürlich steuerbar und arbeitet mit hydraulischen, gasförmigen und/oder elektrischen Mitteln. Maßgebend ist, dass den Drücken in den Arbeitsräumen Kräfte auf der Rückseite des Rotors entgegenwirken, um die gewünschte axiale Verstellung des Rotors und damit den Verluststrom zwischen den Arbeitsräumen zu steuern.

Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist der von der Rückseite des Rotors begrenzte Raum druckdicht geschlossen, um mittels eines flüssigen oder gasförmigen Mediums die Stellkraft zu erzeugen.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient zur Erzeugung der Stellkraft das zu fördernde Medium. Hierdurch kann der Förderdruck der Maschine unmittelbar zur Regelung der Stellkraft verwendet werden. Entsprechend besteht nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine Verbindung für das zu fördernde Medium zwischen den Arbeitsräumen und dem Steuerraum.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einen der Rotoren (Wellenrotor) auf seiner den Arbeitsräumen abgewandten Seite kugelsphärisch ausgebildet und in einer entsprechend kugeligen Ausnehmung im Gehäuse gelagert. In diese Kugelsphäre kann die radiale Lagerung des Rotors einschneiden um dessen axiale Drehachse festzulegen.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an den Rotoren im mittleren Stirnseitenbereich zentral eine Kugelfläche an einem Rotor vorhanden, die auf einer entsprechenden sphärischen Ausnehmung am anderen Rotor gelagert ist und die Arbeitsräume radial nach innen begrenzt. Bei der axialen Verschiebung des einen Rotors wird über diesen Bereich zusätzlich eine Verbindung für den Verluststrom zwischen den Arbeitsräumen hergestellt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine im Längsschnitt dargestellte Kraftstoffförderpumpe.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In einem Gehäuse 1 ist ein Inlay 2 verdrehgesichert angeordnet, in welchem verdrehbar und radial geführt und axial verschiebbar ein Gegenrotor 3 angeordnet ist, der mit einem von außerhalb der Pumpe angetriebenen Wellenrotor 4 zusammenwirkt. Wellenrotor 4 und Gegenrotor 3 weisen auf der einander zugewandten Stirnseite eines ineinandergreifende Verzahnung auf, durch die in bekannter Weise Arbeitsräume voneinander getrennt werden und über die der Gegenrotor 3 durch den Wellenrotor 4 angetrieben wird. Eine von den beiden Stirnverzahnungen weist einen zykloidischen Querschnitt auf, um dadurch eine linienförmige Verbindung zwischen den Zahnkämmen des anderen Teils und dieser zykloidischen Oberfläche zu bilden. Die hier im Einzelnen nicht dargestellten Arbeitsräume, die sich auf Grund des zwischen den Drehachsen der Rotoren 3 und 4 eingeschlossenen Winkels während des Betriebs in ihrem Volumen laufend ändern, sind entsprechend der Förderaufgabe mit einem Saugkanal (Saugniere) und einem Druckkanal (Druckniere) verbunden.
Der Gegenrotor 3 ist in einer Gleitlagerbuchse 5 verdrehbar angeordnet, wobei zwischen der Gleitlagerbuchse 5 und dem Gegenrotor 3 eine Gleitlagerwelle 6 angeordnet ist, die in der Gleitlagerbuchse 5 radial und axial gelagert ist und einschließlich dem Gegenrotor 3 innerhalb der Gleitlagerbuchse 5 axial verschiebbar ist.
Auch der Wellenrotor 4 ist in einem Gleitlager 7 radial und axial gelagert, wobei zwischen dem Wellenrotor 4 und der Gleitlagerbuchse 7 das hutförmig ausgebildete Ende einer Antriebswelle 8 ragt, wobei der Wellenrotor 4 mit einem entsprechenden zylindrischen Abschnitt in diese hutförmige Ausbildung eintaucht. Zwischen dem Boden des hutförmigen Abschnitts der Antriebswelle 8 und dem eintauchenden Abschnitt des Wellenrotors 4 ist eine Feder 10 angeordnet, die einerseits zur Mitnahme des Wellenrotors 4 bei der Drehbewegung der Welle 8 dient und andererseits den Wellenrotor 4 in Richtung Gegenrotor 3 belastet.
Das Gehäuse 1 ist auf der der Welle 8 abgewandten Seite durch Deckel 11 und 12 verschlossen, wobei der innengelegene Deckel 11 sich einerseits an der Gleitlagerbuchse 5 und andererseits am außenliegenden Deckel 12 abstützt, der als eigentliches Verschlussteil des Gehäuses 1 der Pumpe dient und nach außen durch einen Sicherungsring 9 in seiner axialen Lage gesichert ist.
Erfindungsgemäß ist der Gegenrotor 3 axial in Richtung seiner Drehachse verschiebbar. Diese Verschiebung kann erfindungsgemäß durch entsprechende Mittel erfolgen, wobei der sich in den Arbeitsräumen entwickelnde Druck eine entsprechende am Gegenrotor 3 angreifende Verstellkraft bildet. Dieser Verstellkraft wirkt dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine durch Flüssigkeit gebildete Rückstellkraft entgegen, die den in die Gleitlagerbuchse 5 tauchenden, den Arbeitsräumen abgewandten Abschnitt des Gegenrotors beaufschlagt. Zur Steuerung dieser Gegenkraft ist eine nicht dargestellte Verbindung zwischen diesen Räumen vorhanden, wobei die Kräfte, insbesondere auf Grund der beaufschlagten Flächen, aufeinander abgestimmt sein müssen.
Im Bereich der Welle 8 ist im Inlay 2 ein Einsatz 13 dichtend angeordnet, der zur axialen Halterung der Gleitlager 7 dient und außerdem zur Aufnahme einer Gleitringdichtung 17, in welcher die Welle 8 drehbar angeordnet ist. Die Welle 8 ist außerdem in diesem Inlayeinsatz 13 über ein Kugellager 18 gelagert, wobei zwischen Inlayeinsatz 13 und Inlay 2 sowie zwischen Inlay 2 und Gehäuse 1 Rundschnurringe 16 für die erforderliche Abdichtung sorgen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Drehkolbenmaschine, die als Pumpe, Verdichter und/oder Motor arbeitet, – mit mindestens zwei aus Antriebsrotor (Wellenrotor 4) und Abtriebsrotor (Gegenrotor 3) zusammenwirkenden beweglichen Drehkolben, deren Drehachsen einen bestimmten axialen Winkel zueinander aufweisen, – mit ineinander kämmenden Zähnen auf den einander zugewandten Stirnseiten der Rotoren (3, 4), – mit einem Maschinengehäuse (1, 2), in welchem die Rotoren (3, 4) radial und axial gelagert sind und welches mit deren axialen Stirnseiten Arbeitsräume begrenzt und – mit einem Saugkanal und einem Druckkanal im Maschinengehäuse (1, 2), welche beim Laufen der Rotoren (3, 4) intermittierend mit den Arbeitsräumen verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lagerung mindestens eines der Rotoren im Maschinengehäuse (1, 2) eine axiale Verstellbarkeit in Richtung der Drehachse des Rotors (3) aufweist, – dass an diesem Rotor (3) eine axiale Stellkraft angreift, die der im Arbeitsraum durch den Arbeitsdruck bewirkten und am Rotor (3) angreifenden Kraft entgegenwirkt und – dass die Größe dieser Stellkraft änderbar ist, um durch axiales Verschieben des Rotors (3) in Achsrichtung einen Kurzschlussspalt zwischen den durch die Zähne der Rotoren voneinander getrennten Arbeitsräume miteinander zu erzielen.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der axial verschiebbare Rotor (3) in einem entsprechend zylindrischen Steuerraum des Maschinengehäuses (2) axial und radial geführt ist.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft willkürlich steuerbar ist und mit hydraulischen, gasförmigen und/oder elektrischen Mitteln arbeitet.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Steuerraum druckdicht schließbar ist.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Stellkraft das zu fördernde Medium dient.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung für das zu fördernde Medium zwischen den Arbeitsräumen und dem Steuerraum besteht.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Rotoren (4) auf seiner den Arbeitsräumen abgewandten Seite kugelsphärisch ausgebildet in einer entsprechend kugeligen Ausnehmung im Gehäuse (2) gelagert ist.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rotoren (3, 4) im mittleren Stirnseitenbereich eine Kugelfläche an einem Rotor vorhanden ist, die auf einer entsprechenden sphärischen Ausnehmung am anderen Rotor gelagert ist und die Arbeitsräume radial zum Zentrum hin begrenzt.