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Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Axialkolbenpumpe, mit wenigstens einer neigungsverstellbaren Schrägscheibe und wenigstens einem Abtastsystem zur Erfassung des Neigungswinkels, wobei das Abtastsystem wenigstens einen Sensor und wenigstens eine vom Sensor abtastbar angeordnete, mit der Schrägscheibe bewegliche Abtastfläche aufweist.
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Eine Axialkolbenpumpe mit diesen Merkmalen ist beispielsweise die Pumpe V60N der HAWE InLine Hydraulik GmbH. Über die Neigung der Schrägscheibe wird der Volumenstrom der Pumpe eingestellt. Zur Neigungsverstellung werden hydraulisch betriebene Verstellkolben eingesetzt. Die Neigung der Schrägscheibe wird über Abtastflächen am Umfang der Verstellkolben erfasst. Die Abtastflächen werden von dem Sensor abgetastet und sind in Bewegungsrichtung der Verstellkolben speziell konturiert, so dass jeder Stellung des Verstellkolbens ein Neigungswinkel eindeutig zugeordnet werden kann.
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Das bekannte Abtastsystem ist in zweierlei Hinsicht nachteilig: Zum einen sind die Verstellkolben schwer zugänglich, so dass ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss, um den Sensor nahe zu den Abtastflächen anzuordnen. Zum anderen führt das herkömmliche Abtastsystem zu einer größeren Bauform der Pumpen, weil die Kolben verlängert werden müssen, damit die Abtastflächen über den gesamten Kolbenhub vom Sensor abgetastet werden können. Insbesondere bei Pumpen mit hohen Volumenströmen führt dieses Abtastsystem zu nicht mehr hinnehmbaren Baugrößen.
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In Anbetracht dieser Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Pumpe zu schaffen, in der die Neigung der Schrägscheibe erfasst wird und die trotzdem auch bei hohen Volumenströmen klein baut.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für die eingangs genannte Pumpe dadurch gelöst, dass sich die wenigstens eine Abtastfläche an der Schrägscheibe befindet.
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Diese Lösung führt ohne großen konstruktiven Aufwand zu einer gegenüber den bekannten Pumpen kürzeren Bauform, denn die Verstellkolben müssen nicht mehr verlängert werden, um einen einfachen Zugang zu den Abtastflächen zu erhalten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass durch die sich an der Schrägscheibe befindliche Abtastfläche die Neigung der Schrägscheibe direkt erfasst wird. Bei dem herkömmlichen Abtastsystem, bei dem der Verstellkolben abgetastet wird, ist eine direkte Erfassung der Schrägscheibenneigung nicht möglich. Dies ist insofern von Nachteil, als die Verstellkolben an der Schrägscheibe angelenkt sind und somit ein mögliches, verschleißbedingtes Spiel im Gelenk zwischen Schrägscheibe und Verstellkolben nicht berücksichtigt wird.
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Im Folgenden sind weitere, jeweils für sich vorteilhafte und beliebig miteinander kombinierbare Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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So kann sich gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung die Abtastfläche an einer radial nach außen weisenden Umfangsfläche der Schrägscheibe befinden. Eine solche Anordnung der Abtastfläche ermöglicht eine verbesserte Genauigkeit, weil für eine vorgegebene Neigung die Auslenkung an der Außenfläche der Schrägscheibe am größten ist. Ist der zur Verfügung stehende Raum in radialer Richtung begrenzt, kann sich die Abtastfläche alternativ oder zusätzlich an einer in axiale Richtung weisenden Stirnfläche der Schrägscheibe befinden. Bei dieser Ausgestaltung kann der Zugang zur Abtastfläche in axialer Richtung erfolgen.
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Die Abtastfläche kann sich an wenigstens einem an der Schrägscheibe angebrachten, separaten Geberelement befinden. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass unterschiedlich konturierte Abtastflächen mit einer einzigen Bauform einer Schrägscheibe kombiniert werden können:
Die in der Pumpe verbaute Abtastfläche lässt sich bei ansonsten unveränderten Komponenten durch einen einfachen Austausch des Geberelements einfach an anwendungsspezifische Vorgaben anpassen. Der leichten Austauschbarkeit wegen ist das Geberelement bevorzugt wiederholt lösbar an der Schrägscheibe befestigt.
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Ist das Geberelement als separates Bauteil ausgestaltet, so kann es ohne großen Aufwand aus einem anderen Material als die Schrägscheibe gefertigt sein. Beispielsweise kann zumindest die Abtastfläche aus einem gehärteten und vorzugsweise geschliffenen Stahl hergestellt sein.
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Das Geberelement kann in einer weiteren Ausgestaltung keilförmig sein, um den in der Pumpe vorhandenen Bauraum in Anbetracht der Kippbewegung der Schrägscheibe möglichst gut zu nutzen. Die Ebene, in der das Geberelement Keilform aufweist, verläuft bevorzugt parallel zur Richtung einer Antriebsachse der Pumpe.
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Das Geberelement kann ein Flachkörper sein, so dass es in Umfangsrichtung zwischen vorhandene Bauelemente der Pumpe wie beispielsweise Verstell- und/oder Förderkolben passt. Flachseiten des Flachkörpers können dabei in Umfangsrichtung, Schmalseiten in radiale und/oder axiale Richtung weisen. Ein Flachkörper in einer dieser Ausgestaltungen lässt sich in herkömmliche Bauformen von Pumpen einbauen, ohne mit bestehenden Elementen zu kollidieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Geberelement in eine vorzugsweise nutförmige Aufnahme der Schrägscheibe eingesetzt sein. Dadurch ist eine sichere Befestigung des Geberelements möglich. Die Aufnahme kann sich in Richtung des Sensors vorzugsweise an und/oder jenseits der Abtastfläche weiten, um einen einfacheren Zugang zu der Abtastfläche zu ermöglichen. Insbesondere kann die lichte Weite der Abtastfläche größer sein als die Breite eines Sensors, so dass der Sensor in die Aufnahme einfahren kann.
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Vorteilhaft aufgrund der sich ergebenden Kompaktheit der Pumpe ist ferner, wenn das Geberelement nicht aus der Schrägscheibe ragt. Das Geberelement bzw. die Abtastfläche kann zumindest abschnittsweise in die Schrägscheibe versenkt sein. Wenn das Geberelement bei dieser Ausgestaltung in radialer Richtung nicht über die Schrägscheibe ragt, ist ebenfalls eine kompakte Bauform möglich. Insbesondere kann bei in einer Nut der Schrägscheibe aufgenommenem Geberelement dieses in radialer Richtung von der Nut überragt sein.
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Bevorzugt ist die Abtastfläche von radial und/oder axial außen zugänglich in einer Kammer der Pumpe angeordnet. Die Zugänglichkeit von außen erleichtert die Anbringung des Sensors in der Kammer. Die Abtastfläche kann ferner einer Gehäusewandung zugewandt sein und dieser bevorzugt unmittelbar gegenüber liegen, so dass der Sensor einfach in der Gehäusewandung angebracht wird.
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Der Sensor kann gemäß einer Weiterbildung in radialer und/oder axialer Richtung gegenüberliegend der Abtastfläche an einem Gehäuse oder einer Gehäusewand der Pumpe angebracht sein. Er kann in radialer und/oder axialer Richtung die Abtastfläche überlappen. Der Sensor kann insbesondere in eine Gehäusewand der Pumpe gegenüber der Abtastfläche eingeschraubt oder anderweitig befestigt sein.
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Um eine eindeutige Erfassung des Neigungswinkels sicherzustellen, kann in allen unterschiedlichen Stellungen der Schrägscheibe an wenigstens einer festen axialen und/oder radialen Position die Abtastfläche von einem fixen Gehäusepunkt jeweils unterschiedlich beabstandet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung besteht eine eindeutige Zuordnung der Neigung der Schrägscheibe zu dem Abstand zwischen dem fixen Gehäusepunkt und der Schrägscheibe. Dieser Abstand kann folglich zur eindeutigen Erfassung des Neigungswinkels verwendet werden. Der Abstand kann sich nicht-linear mit der Neigung der Schrägscheibe ändern. Die Abtastfläche kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gekrümmt verlaufen.
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Als Sensor kommt beispielsweise ein berührungslos arbeitender Sensor, beispielsweise ein optischer, kapazitiver, magnetischer, magneto-resistiver, induktiver und/oder elektromagnetischer Sensor in Betracht. Falls jedoch im Betrieb der Bereich zwischen dem Sensor und der Abtastfläche verschmutzt, beispielsweise weil sich an dieser Stelle Metallspäne absetzen, kann auch ein mechanischer Sensor verwendet werden. Der mechanische Sensor kann einen an der Abtastfläche anliegenden, beweglichen Abtastkopf aufweisen. Der mechanische Sensor kann bei einer solchen Ausgestaltung der Bewegung der Abtastfläche folgen.
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Ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform an einer in axialer Richtung gelegenen Seite der Schrägscheibe wenigstens ein Förder- und/oder Verstellkolben angeordnet, so kann die Abtastfläche zu der Seite des Kolbens hin von der Schrägscheibe vorspringen. Die Abtastfläche kann hierbei die Kolben bzw. Pumpen in radialer Richtung überlappen. Die Ausgestaltungen führen unabhängig voneinander zu einer kompakten, raumsparenden Bauform.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
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2 ein Detail „A“ der 1;
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3 eine schematische Perspektivdarstellung der Schrägscheibe der Pumpe nach 1;
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe.
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Pumpe mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert.
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1 zeigt eine Pumpe 1, hier eine Axialkolbenpumpe. Eine Antriebswelle 2 dreht einen Satz von Förderkolben 3, deren eines Ende an einer sich nicht mitdrehenden, neigungsverstellbaren Schrägscheibe 4 anliegt. Die Förderbewegung erfolgt im Zuge der Relativdrehung zwischen den Förderkolben 3 und der Schrägscheibe 4. Bei geneigter Schrägscheibe 4 fahren die gegen die Schrägscheibe 4 gedrückten, sich mit der Antriebswelle drehenden Förderkolben 3 in axialer Richtung 5 in Zylinder 6 ein- und aus und fördern das in der Förderkammer 7 enthaltene Fluid.
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Der von den Förderkolben 3 der Pumpe 1 geförderte Volumenstrom hängt von der Neigung 8 der Schrägscheibe 4 gegenüber einer zur axialen Richtung 5 senkrechten Bezugsebene 9 ab. Um die Förderleistung zu verändern, kann die Neigung 8 der Schrägscheibe 4 um eine in 1 senkrecht zur Bildebene verlaufende Achse 8’ verstellt werden. Zur Verstellung der Neigung 8 dient wenigstens ein Verstellkolben 10, der an der Schrägscheibe 4 angreift. Je mehr die Schrägscheibe 4 gegenüber der Bezugsebene 9 geneigt ist, umso größer ist der Hub der Förderkolben 3 bei einer Umdrehung und somit auch die pro Hub geförderte Fluidmenge. Ist die Schrägscheibe 4 senkrecht gestellt, also parallel zur Bezugsebene 9 ausgerichtet, werden die Förderkolben 5 bei einem Umlauf nicht ausgelenkt und das Fördervolumen ist Null.
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Zwischen den Verstellkolben 10 und der Schrägscheibe 4 sind Ausgleichsgelenke 11 angeordnet, die einen neigungsabhängigen Versatz in radialer Richtung 12 zwischen Schrägscheibe 4 und Verstellkolben 10 sowie eine relative Verschwenkung der Schrägscheibe 4 gegenüber den Verstellkolben 10 ausgleichen. Die Anzahl der Förderkolben 3 und Verstellkolben 10 variiert nach Bedarf und Bauform.
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Die Endpositionen 13, 14 der Neigung 8 der Schrägscheibe 4 können durch vorzugsweise gehäuseseitige Anschläge 15, 16 festgelegt sein. In der Endposition 14 liegt die Schrägscheibe 4’ am Anschlag 15 an, wobei sie senkrecht zur axialen Richtung 5 ausgerichtet ist. Liegt die Schrägscheibe 4, wie gezeigt, am Anschlag 16 an, ist sie maximal geneigt.
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Die Schrägscheibe 4 kann sich in einer Kammer 17 befinden, die bevorzugt gegenüber einer Pumpenumgebung 18 abgedichtet ist. Die Kammer 17 ist in radialer Richtung 12 außen von einer Gehäusewand 19, die Teil eines Gehäuses 20 ist, umgeben. Die Gehäusewand 19 liegt einer Umfangsfläche bzw. einem Außenumfang 21 der Schrägscheibe 4 gegenüber.
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Um während des Betriebs der Pumpe 1 die Neigung 8 der Schrägscheibe 4 zu erfassen, ist erfindungsgemäß ein Abtastsystem 22 vorgesehen, das wenigstens eine Abtastfläche 23 und einen Sensor 24 aufweist. Der Aufbau des Abtastsystems geht aus 2 hervor, in der das Detail „A“ der 1 vergrößert wiedergegeben ist.
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Die wenigstens eine Abtastfläche 23 bewegt sich mit der Schrägscheibe 4 mit, während der Sensor 24 gehäuseseitig stationär angeordnet ist. Die Abtastfläche 23 kann insbesondere, wie 1 zeigt, an der Schrägscheibe 4 angeordnet sein und sich vorzugsweise bewegungsstarr mit der Schrägscheibe 4 mitbewegen. Die Abtastfläche 23 ist in einem Abtastbereich 25 des Sensors 24 angeordnet, so dass eine Lageveränderung der Abtastfläche 23 bei einer veränderten Neigung der Schrägscheibe 4 vom Sensor 24 erfasst wird.
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Im Betrieb gibt der Sensor 24 ein für die Neigung 8 repräsentatives Neigungssignal 26 aus. Das Neigungssignal 26 kann die Neigung 8 in Form eines elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Signals analog oder digital kodiert enthalten. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Neigungssignal 26 ein hydraulisches Signal, bei dem ein Druck in einer an den Sensor angeschlossenen Steuerleitung (nicht gezeigt) die Neigung 8 repräsentiert.
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Der Sensor 24 kann berührungslos, beispielsweise induktiv, magnetisch oder optisch, arbeiten, oder die Abtastfläche 23 mechanisch abtasten. Eine solche mechanische Abtastung zeigt beispielhaft das Ausführungsbeispiel der 1 und 2. Der Sensor 24 weist demnach einen Abtastkopf 27 auf, der unter einer Anpresskraft 28 gegen die Abtastfläche 23 gedrückt ist. Die Anpresskraft 28 wird von einem pneumatischen, hydraulischen und/oder mechanischen Kraftgeber 29, hier einer Feder, erzeugt.
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Der Abtastkopf 27 ist vorzugsweise ausschließlich in radialer Richtung 12 beweglich geführt und folgt der Bewegung der Abtastfläche 23, wenn sich die Neigung 8 der Schrägscheibe ändert und sich die Abtastfläche 23 mit der Schrägscheibe 4 in radialer und axialer Richtung bewegt. Die Abtastfläche 23 ist so konturiert, dass sich mit der Neigung 8 der Schrägscheibe 4 ein Abstand 30 zwischen einem Abschnitt 31 des Gehäuses 20 und der Abtastfläche 23 im axial feststehenden Abtastbereich 25 ändert. Jeder Neigung 8 der Schrägscheibe 4 ist dabei ein anderer Abstand 30 zugeordnet. Der Abschnitt 31 kann derjenige Abschnitt des Gehäuses 20 sein, an dem der Sensor 24 angebracht ist.
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Der gehäuseseitige Sensor 24 erfasst den Abstand 30, indem der Abtastkopf 27 der Abtastfläche 23 in radialer Richtung 12 folgt und ein Steuerventil 32 öffnet oder schließt. Die Bewegung des Abtastkopfes 27 verändert über das Steuerventil 32 einen Steuerdruck, der als Neigungssignal 26 dient.
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Je nach Verlauf der Abtastfläche 23 in Neigungsrichtung kann ein linearer oder ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Neigung 8 der Schrägscheibe und dem Verlauf des Neigungssignals 26 hergestellt werden. Beispielsweise kann sich der Abstand 30 nicht-linear mit der Neigung 8 verändern. Dies erlaubt es, einen neigungswinkelabhängigen Steuerparameter unmittelbar in dem von der Abtastfläche 23 erzeugten Neigungssignal 26 zu berücksichtigen.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abtastfläche 23 in radialer Richtung 12 von außen zugänglich und der Sensor 24 in radialer Richtung überlappend mit der Abtastfläche angeordnet. Diese Ausgestaltung führt in axialer Richtung zu einer kompakten Bauweise der Pumpe 1. Der Sensor 24 erfordert jedoch Platz in radialer Richtung. Eine alternative Bauform ist weiter unten mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Die wenigstens eine Abtastfläche 23 kann Teil wenigstens eines separaten Geberelements 33 sein, das bevorzugt wiederholt lösbar an der Schrägscheibe 4 angebracht ist. Das Geberelement 33 kann keilförmig zulaufen, so dass es ohne großen Volumenbedarf der Bewegung der Schrägscheibe folgen kann.
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Das Geberelement 33 springt in axialer Richtung 5 gegenüber der Schrägscheibe 4 hervor, beispielsweise in Richtung der Verstellkolben 10 und/oder der Förderkolben 3.
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3 zeigt, dass das wenigstens eine Geberelement 33 ein Flachkörper ist, dessen Schmalseiten 34 in radiale Richtung 12 und axiale Richtung 5 weisen. Die Flachseiten 35 weisen in eine Umfangsrichtung 36.
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Das Geberelement 33 ist in eine vorzugsweise nutförmige Ausnehmung bzw. Aufnahme 37 der Schrägscheibe 4 eingesetzt. Bei einer radialen Abtastung der Abtastfläche ist die Aufnahme 37 beispielsweise eine Axialnut, deren Grund 38 radial nach außen weist. Die Aufnahme 37 ist an wenigstens einem ihrer beiden in axialer Richtung gelegenen Enden 38 offen.
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Das wenigstens eine Geberelement 33 kann ferner im Bereich eines in radialer Richtung nach außen vorspringenden Horns 40 der Schrägscheibe 4 angeordnet sein.
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Die Abtastfläche 23 wird in der Aufnahme von Wandabschnitten 41 der Schrägscheibe 4 zum Außenumfang 21 hin überragt.
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Die lichte Weite 42 der Aufnahme 37 in Umfangsrichtung 36 ist größer als die Breite 43 des Abtastkopfes 27 in dieser Richtung. Der Abtastkopf 27 des Sensors 24 kann folglich in wenigstens einer Stellung der Schrägscheibe 4 in die Aufnahme 37 einfahren. Die Aufnahme 37 kann sich in radialer Richtung 12 nach außen weiten. Dadurch kann der Abtastkopf 27 besser aufgenommen werden.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kürze halber wird lediglich auf die Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel eingegangen. Für Elemente, deren Aufbau und/oder Funktion bereits beschriebenen Elementen entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Der Sensor 24 ist nach 4 in axialer Richtung 5 mit der Abtastfläche 23 überlappend angeordnet. Eine solche Ausgestaltung führt in radialer Richtung zu einem geringeren Raumbedarf, wie der Vergleich zwischen 1 und 4 unmittelbar zeigt.
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Der Abtastkopf 27 folgt bei dieser Ausgestaltung der Bewegung der Abtastfläche 23 in axialer Richtung. Im Übrigen kann der gleiche Sensor 24 wie in 1 verwendet werden. Die Abtastfläche 23 ist bei dieser Variante entsprechend so konturiert, dass der neigungsabhängige Abstand 30 nunmehr in axialer Richtung die Neigung 8 eindeutig wiedergibt. Die Abtastfläche 23 ist nunmehr in axialer Richtung frei zugänglich an der Schrägscheibe 4 gegenüber der Gehäusewand 18 angeordnet. Die Abtastfläche 23 befindet sich an einer in axialer Richtung 8 weisenden Stirnfläche 44 der Schrägscheibe
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Auch bei dieser Ausgestaltung kann das Geberelement 33 in eine Aufnahme 37 eingesetzt sein, die dann allerdings bevorzugt als eine Radialnut ausgestaltet ist, die an einem in radialer Richtung gelegenen Ende 38 offen sein kann. Das Geberelement kann auch hier im Bereich eines Horns 40 angeordnet und in der Schrägscheibe zumindest abschnittsweise versenkt sein.
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Weitere Abwandlungen des oben beschriebenen Aufbaus sind möglich. So kann die Abtastfläche 23 verkürzt werden, wenn der Abtastkopf 27 entsprechend verlängert wird. Dies kann soweit gehen, dass die schrägscheibenseitige Abtastfläche nahezu punktförmig ist und der Abtastkopf ähnlich den Abtastflächen 23 der 1 bis 4 ausgestaltet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpe
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Förderkolben
- 4
- Schrägscheibe
- 5
- axiale Richtung
- 6
- Zylinder
- 7
- Förderkammer
- 8
- Neigung
- 8’
- Achse
- 9
- Bezugsebene
- 10
- Verstellkolben
- 11
- Ausgleichsgelenke
- 12
- radiale Richtung
- 13
- erste Endposition der Neigungsverstellung
- 14
- zweite Endposition der Neigungsverstellung
- 15
- Anschlag
- 16
- Anschlag
- 17
- Kammer
- 18
- Umgebung
- 19
- Gehäusewand
- 20
- Gehäuse
- 21
- Außenumfang der Schrägscheibe
- 22
- Abtastsystem
- 23
- Abtastfläche
- 24
- Sensor
- 25
- Abtastbereich
- 26
- Neigungssignal
- 27
- Abtastkopf
- 28
- Anpresskraft
- 29
- Kraftgeber
- 30
- Abstand
- 31
- Abschnitt der Gehäusewand
- 32
- Steuerventil
- 33
- Geberelement
- 34
- Schmalseiten
- 35
- Flachseiten
- 36
- Umfangsrichtung
- 37
- Aufnahme
- 38
- Grund
- 39
- axiale Enden der Aufnahme
- 40
- Horn der Schrägscheibe
- 41
- Wandabschnitte
- 42
- lichte Weite der Aufnahme
- 43
- Breite des Abtastkopfes
- 44
- Stirnfläche der Schrägscheibe
