DE102013008677A1 - Hydropumpe und Kolben für eine solche Hydropumpe - Google Patents
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Abstract
Hydropumpe und Kolben für eine solche Hydropumpe Die Erfindung betrifft eine Hydropumpe, insbesondere einstellbare Axialkolbenpumpe, mit mindestens einem beim Betrieb der Hydropumpe innerhalb eines Pumpengehäuses in einer Längsrichtung hin und her bewegbaren Kolben (22), der einen Anlenkkopf (24) und einen dem Anlenkkopf (24) gegenüberliegenden Kolbenboden (54) sowie mindestens eine Hohlkammer (60) aufweist, die zumindest teilweise von einem Kolbengehäuse (62) umfasst ist, das die jeweilige Hohlkammer (60) nach außen hin im Wesentlichen oder vollständig abschließt. Die Erfindung betrifft ferner einen Kolben (22) für eine solche Hydropumpe.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Hydropumpe, insbesondere eine einstellbare Axialkolbenpumpe, sowie einen Kolben für eine solche Hydropumpe.
- Im Betrieb einer solchen Hydropumpe wird mechanische Energie in hydrostatische Energie umgewandelt, wobei die mechanische Energie beispielsweise durch einen Elektromotor bereitgestellt wird. In der Bauform einer Axialkolbenpumpe weisen derartige Hydropumpen in der Regel mehrere Zylinder auf, die an einer drehbaren Welle derart befestigt sind, dass sie sich in axialer Richtung erstrecken und auf einen Teilkreis versetzt in einem Radius zur Wellenachse angeordnet sind. In den Zylindern sind Kolben verschiebbar angeordnet. Die mit dem Zylinder rotierenden Kolben werden zum Beispiel durch eine verstellbare Schrägplatte bewegt. Hierzu ist zur Minimierung der Reibung eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung zwischen der Schrägplatte und den Kolben vorgesehen.
- Problematisch ist hierbei die Masse der in der Regel aus einem Stück gedrehten Kolben. Aufgrund der Masse erfordert es eine erhebliche Energie, um die Kolben zu beschleunigen und wieder abzubremsen, was mit einem erheblichen Verschleiß im Bereich der Kolben-Gleitschuh-Verbindung verbunden ist. Zur Reduzierung der Massenträgheitskräfte hat man deshalb in der Vergangenheit den Kolben vom Kolbenboden her mit einer Bohrung versehen, sodass der Kolben im Wesentlichen ausgehöhlt ist. Eine solche Kolbenbohrung hat aber den Nachteil, dass das Totvolumen im Zylinder vergrößert wird. Durch das Totvolumen treten Kompressionsverluste und erhöhte Volumenstrom- bzw. Druckpulsationen auf, die sich in einem niedrigeren Pumpenwirkungsgrad niederschlagen.
- Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Hydropumpe und einen Kolben für eine solche Hydropumpe aufzuzeigen, bei der beziehungsweise durch welchen der Wirkungsgrad der Hydropumpe erhöht ist oder wird.
- Der erste Teil der Aufgabe wird durch eine Hydropumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Hydropumpe gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 10 hervor. Der zweite Teil der Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Kolbens sind Gegenstand der Ansprüche 12 und 13.
- Erfindungsgemäß weist die Hydropumpe, insbesondere in der Form einer einstellbaren Axialkolbenpumpe, mindestens einen beim Betrieb der Hydropumpe innerhalb eines Pumpengehäuses in einer Längsrichtung hin und her bewegbaren Kolben auf. Der Kolben weist einen Anlenkkopf und einen dem Anlenkkopf gegenüberliegenden Kolbenboden sowie mindestens eine Hohlkammer auf. Die Hohlkammer ist zumindest teilweise von einem Kolbengehäuse umfasst. Das Kolbengehäuse schließt die jeweilige Hohlkammer nach außen hin im Wesentlichen oder vollständig ab.
- Sofern vorliegend und im nachfolgenden davon gesprochen wird, dass die Hohlkammer nach außen hin im Wesentlichen abgeschlossen sein soll, bedeutet dies, dass ausgehend von der Umgebung kein relevanter Medienübertritt, insbesondere in Form von Fluid, durch etwa vorhandene Öffnungen im Kolbengehäuse und/oder in dessen Abschlussteil, beispielsweise in Form eines Deckels in das Innere der jeweiligen Hohlkammer erfolgt. Eine solch wirksame Sperre lässt sich nach wie vor bei wesentlichem Abschluss der Hohlkammer erreichen, selbst wenn beispielsweise Öffnungen wie Kapillaröffnungen im Kolbengehäuse angebracht sein sollten. Im Wesentlichen abgeschlossen bedeutet also, dass selbst im Fall des Anbringens von durchgehenden Öffnungen in die Hohlkammer hinein diese jedenfalls im Sinne einer Drossel oder Blende den Durchfluss entsprechend in dämpfender Weise behindern oder im Sinne einer Kapillaröffnung nicht zulassen.
- Die erfindungsgemäße Hydropumpe zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorteil einer geringeren Masse des Kolbens nicht durch ein größeres Totvolumen durch einen dem Pumpengehäuse gegenüber offenen Hohlraum erkauft wird. Mithin sind die Massenträgheitskräfte vorteilhaft reduziert bei minimiertem Totvolumen im Zylinder. Mithin ist der Wirkungsgrad der Hydropumpe verbessert, weil weniger Energie aufgewendet werden muss, um die gleiche Menge an Fluid zu fördern. Darüber hinaus zeichnet sich eine derartige Hydropumpe durch einen geringeren Verschleiß im Bereich der Kolben-Gleitschuh-Verbindung aus.
- Besonders vorteilhaft verläuft die zumindest eine Hohlkammer in Richtung der Längsachse oder parallel zu der Längsachse des Kolbens im Kolbengehäuse und durchgreift den Kolben ausgehend von einem axialen Abstand von dem Anlenkkopf bis zum Kolbenboden. Eine solche Bohrung kann besonders einfach vom Kolbenboden aus in den Kolben eingebracht werden. Eine exzentrische Anordnung der zumindest einen Hohlkammer hat den Vorteil, dass neben der Hohlkammer eine konzentrische Durchgangsbohrung im Kolben vorgesehen werden kann, um den Anlenkkopf während des Betriebes der Hydropumpe entlasten und schmieren zu können.
- Vorteilhaft ist die zumindest eine Hohlkammer durch das Kolbengehäuse oder durch einen mit dem Kolbengehäuse verbindbaren Deckel geschlossen. Insbesondere durch die Deckellösung ergibt sich die Möglichkeit, die Hohlkammer in Form einer Bohrung im Kolben vorzusehen und die Hohlkammer anschließend mit dem Deckel zu verschließen. Der Deckel kann ebenfalls als Drehteil hergestellt und annähernd spaltfrei in das Kolbengehäuse eingesetzt werden. Dadurch werden Risse beim anschließenden Schweißen vermieden und es ist möglich, die Hohlkammer vollständig abzudichten.
- Der Deckel und/oder der Kolben kann eine Ausgleichseinrichtung aufweisen, welche die zumindest eine Hohlkammer medienführend mit der Umgebung verbindet. Durch die Ausgleichseinrichtung kann das Entstehen von Überdruck in der Hohlkammer vermieden werden, welcher zu Prozessinstabilitäten beim Fügen führen kann.
- Die Ausgleichseinrichtung kann eine Spiralnut entlang einer Außenumfangsfläche des Deckels umfassen, die bei in das Gehäuse eingesetztem Deckel von dem Kolbengehäuse bis auf eine Auslassstelle überdeckt ist, wobei die Auslassstelle als Teil der Ausgleichseinrichtung die medienführende Verbindung zwischen der Umgebung und der zumindest einen Hohlkammer im Kolben über die Spiralnut herstellt. Durch die Spiralnut ist es möglich, einen Überdruck während des gesamten Prozesses des Einsetzens des Deckels in das Kolbengehäuse abzubauen.
- Besonders vorteilhaft mündet die Spiralnut auf ihrer anderen, der Auslassstelle gegenüberliegenden Einlassstelle in eine Fase des Deckels oder grenzt an diese an, wobei sich der Außendurchmesser der Fase vorzugsweise stetig in Richtung des Anlenkkopfes bis zu einem Abschlussdurchmesser verringert. Durch diese Fase kann bei mehreren Hohlkammern deren gleichmäßige Entlüftung während des Fügens des Deckels gewährleistet werden.
- Das Kolbengehäuse kann vorteilhaft am Kolbenboden ein Koppelteil aufweisen, über das der Deckel mit dem Kolbenboden koppelbar, vorzugsweise verschweißbar oder lötbar, ist. Durch das Koppelteil wird eine Führungs- und/oder Befestigungsmöglichkeit für den Deckel am Kolbengehäuse geschaffen. Auf diese Weise ist die Ausrichtung des Deckels gewährleistet.
- Dies ist insbesondere bei einer anschließenden Verschweißung des Deckels mit dem Kolbengehäuse von Vorteil.
- Der Deckel kann mit dem Kolbengehäuse durch Löten oder ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren fest verbunden sein und der Kolben kann nach dem Verschweißen vorzugsweise wärmebehandelt sein. Vor dem Hartlöten werden das Kolbengehäuse und der Deckel vorgedreht, damit der Lötspalt zwischen dem Deckel und dem Kolbengehäuse, insbesondere den Wandteilen des Kolbengehäuses, 80 μm bis 120 μm beträgt, um eine optimale Kapillarwirkung zu erzielen, damit sich der Lötspalt zwischen Kolben und Deckel mit Lot füllt. Der Deckel sollte zusätzlich mit einer ausreichend großen Fase auf der den Bohrungen zugewandten Seite versehen werden, um eine Oxidation während des Lötens im Vakuum zu verhindern. Nach dem Drehen wird der Deckel in das Kolbengehäuse eingesetzt und beide werden im Vakuum mit Hilfe eines metallischen Zusatzwerkstoffes, eines Lots, bei 450°C bis 1200°C stoffschlüssig und unlösbar miteinander verbunden. Dieser Vorgang wird auch als Verbindungsloten bezeichnet. Auf diese Weise wird der durch die Bohrungen gebildete Hohlraum verschlossen. Mithin ist es auch im laufenden Betrieb nicht möglich, dass das Totvolumen des Kolbens durch eine undichte Stelle der Kolbengehäuse-Deckel-Verbindung vergrößert wird.
- Die Elektronenstrahl-Schweißnaht verschließt vorteilhaft zumindest die Auslassstelle der Spiralnut. Auf diese Weise ist der Eintritt von Fluid in die zumindest eine Hohlkammer des Kolbens erheblich erschwert.
- Vorzugsweise sind im Kolben mehrere Hohlkammern, bevorzugt gleichen Durchmessers, auf einem Teilkreis versetzt zueinander vorgesehen. Dies ermöglicht es, das Volumen der Hohlkammern zu maximieren und zugleich eine zentrale, in Richtung der Längsachse verlaufende Bohrung im Kolben vorzusehen, welche der Schmierung des Anlenkkopfes im laufenden Betrieb dienen kann.
- Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenpumpe im Ausschnitt; -
2 einen Querschnitt des Kolbens; -
3 eine perspektivische Ansicht des Kolbens mit einem Deckel; -
4 ein Detail der2 , wobei das Herstellen der Elektronenstrahl-Schweißnaht gezeigt ist; -
5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens mit dem darin festgelegten Deckel; und -
6 bis8 eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht des Deckels. - Eine Hydropumpe
10 in Form einer Axialkolbenpumpe ist in einem Ausschnitt in der1 im Querschnitt dargestellt. Auf einer drehbaren Welle12 sind ortsfest Zylinder14 als Teil des Pumpengehäuses16 angeordnet, so dass die Zylinder14 mit der Welle12 rotieren. Es ist eine ungerade Anzahl von Zylindern14 vorgesehen, die auf einem Teilkreis versetzt angeordnet sind. Die Längsachsen18 der Zylinder14 weisen alle den gleichen Radius RZ zur Längsachse20 der Welle12 auf. In den Zylindern14 ist jeweils ein Kolben22 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. An einem Anlenkkopf24 des Kolbens22 ist eine sphärische Oberfläche26 vorgesehen, die in einem korrespondierenden Aufnahmeteil28 eines Gleitschuhs30 gehalten ist. Der Gleitschuh30 ist mit einer Längsbohrung32 zur Schmierung des Aufnahmeteils28 versehen. Der Gleitschuh30 ist unter Zwischenschaltung einer Schrägscheibe36 gleitend an einem Verstellmechanismus gelagert. - Über einen Fluideinlass
38 kann eine Flüssigkeit, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, in einem ersten Arbeitstakt in den Zylinder14 hineingesogen werden. Über einen Fluidauslass40 kann die Flüssigkeit anschließend in einem zweiten Arbeitstakt wieder aus dem Zylinder14 herausgedrückt werden. In einer halben Umdrehung der Welle12 wird ein Zylinder14 somit vollgesogen, während er in der anderen halben Umdrehung der Welle12 wieder leergedrückt wird. Auf diese Weise kann eine hohe und gleichmäßige Pumpenleistung erbracht werden. - Der erfindungsgemäße Kolben
22 ist in den2 bis5 im Einzelnen gezeigt. Der Kolben22 weist den Anlenkkopf24 auf, der über einen Hals42 in einen Kolbenkörper44 übergeht. Der Anlenkkopf24 weist die sphärische Oberfläche26 auf. Durch den Kolben22 erstreckt sich eine Durchgangsbohrung46 , die an einem Ende48 angefast ist. Parallel zur Durchgangsbohrung46 und damit zur Längsachse L des Kolbens22 sind insgesamt fünf axiale Bohrungen52 gleichen Durchmessers D vorgesehen. Diese erstrecken sich vom Kolbenboden54 in Richtung des Anlenkkopfes24 und enden in einem axialen Abstand A vom Anlenkkopf24 . Am Kolbenboden54 ist eine Ringausnehmung56 für einen Deckel58 vorgesehen. Die Bohrungen52 des Kolbens22 bilden Hohlkammern60 aus, die auf einem Teilkreis versetzt angeordnet sind. Mithin sind die Hohlkammern60 in einem Kolbengehäuse62 vorgesehen. Durch die Ringausnehmung56 bleibt ein vorstehender Wandteil64 der Durchgangsbohrung46 bestehen. Dieser Wandteil64 bildet ein Koppelteil66 für den damit zu koppelnden Deckel58 und zentriert diesen beim Einsetzen. - Wie die
6 bis8 genauer zeigen, ist der Deckel58 ein scheibenförmiges Drehteil mit einer zentralen, dem Außendurchmesser des vorstehenden Wandteils64 entsprechenden Bohrung68 . Auf der Außenumfangsfläche70 des Deckels58 ist eine umlaufende Spiralnut72 als Teil einer Ausgleichseinrichtung74 vorgesehen, welche die Hohlkammern60 medienführend mit der Umgebung U verbindet. Bei in das Kolbengehäuse62 eingesetztem Deckel58 ist die Spiralnut72 von dem Kolbengehäuse62 bis auf eine Auslassstelle76 überdeckt. Die Auslassstelle76 stellt als Teil der Ausgleichseinrichtung74 die medienführende Verbindung zwischen der Umgebung U und den Hohlkammern60 im Kolben22 über die Spiralnut72 her. Die Auslassstelle76 ist auf einer Rückseite80 des Deckels58 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Vorderseite82 mündet die Spiralnut72 an einer Einlassstelle84 in eine Fase86 . Die Fase86 verringert sich im Außendurchmesser in Richtung des Anlenkkopfes24 bis zu einem Abschlussdurchmesser AD, wenn der Deckel58 im eingesetzten Zustand EZ ist. - Wie
4 näher zeigt, wird nach dem Einsetzen des Deckels58 in das Kolbengehäuse62 der Deckel58 mit dem Kolbengehäuse62 entlang des gesamten Umfangs seines Innendurchmessers DI und seines Außendurchmessers DA mit einem Elektronenstrahl-Schweißverfahren verschweißt. Damit ist auch die Auslassstelle76 verschlossen. Der Elektronenstrahl88 ist dabei parallel zur Längsachse L des Kolbens22 gerichtet, um eine möglichst effiziente Verschweißung zu ermöglichen. Hierzu sollte der Deckel58 zuvor spaltfrei in das Kolbengehäuse62 eingesetzt und ausgerichtet werden, um Risse beim Schweißen zu vermeiden. Die Elektronenstrahl-Schweißung wird nach DIN 4063 im Vakuum vorgenommen. Dabei handelt es sich um eine I-Axialnaht, bei welcher der Elektronenstrahl88 parallel zur Längsachse L steht. Durch die Verschweißung sind die Hohlkammern60 nach außen zur Umgebung U hin vollständig abgeschlossen. Nach dem Verschweißen wird der Kolben22 endbearbeitet und wärmebehandelt. - Der fertige Kolben
22 ist in einer perspektivischen Schnittdarstellung in5 dargestellt. Er zeichnet sich mithin durch eine verringerte Masse aufgrund der Hohlkammern60 aus, wobei der Deckel58 verhindert, dass das Totvolumen im Zylinder14 vergrößert wird. Auf diese Weise können durch die Hohlkammern60 keine zusätzlichen Kompressionsverluste auftreten, wodurch der Wirkungsgrad der Hydropumpe10 vorteilhaft erhöht wird. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN 4063 [0030]
Claims (13)
- Hydropumpe, insbesondere einstellbare Axialkolbenpumpe, mit mindestens einem beim Betrieb der Hydropumpe innerhalb eines Pumpengehäuses (
16 ) in einer Längsrichtung (18 ) hin und her bewegbaren Kolben (22 ), der einen Anlenkkopf (24 ) und einen dem Anlenkkopf (24 ) gegenüberliegenden Kolbenboden (54 ) sowie mindestens eine Hohlkammer (60 ) aufweist, die zumindest teilweise von einem Kolbengehäuse (62 ) umfasst ist, das die jeweilige Hohlkammer (60 ) nach außen hin im Wesentlichen oder vollständig abschließt. - Hydropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlkammer (
60 ) in Richtung der oder parallel zu der Längsachse (L) des Kolbens (22 ) im Kolbengehäuse (62 ) verläuft und den Kolben (22 ) ausgehend von einem axialen Abstand (A) vom Anlenkkopf (24 ) bis zum Kolbenboden (54 ) durchgreift. - Hydropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlkammer (
60 ) durch das Kolbengehäuse (62 ) oder durch einen Deckel (58 ) geschlossen ist, der mit dem Kolbengehäuse (62 ) verbindbar ist. - Hydropumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
58 ) und/oder der Kolben (22 ) eine Ausgleichseinrichtung (74 ) aufweist, welche die zumindest eine Hohlkammer (60 ) medienführend mit der Umgebung (U) verbindet. - Hydropumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinrichtung (
74 ) eine Spiralnut (72 ) entlang der Außenumfangsfläche (70 ) des Deckels (58 ) umfasst, die bei in das Kolbengehäuse (62 ) eingesetztem Deckel (58 ) von dem Kolbengehäuse (62 ) bis auf eine Auslassstelle (76 ) überdeckt ist, die als Teil der Ausgleichseinrichtung (74 ) die medienführende Verbindung zwischen der Umgebung (U) und der zumindest einen Hohlkammer (60 ) im Kolben (22 ) über die Spiralnut (72 ) herstellt. - Hydropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralnut (
72 ) auf ihrer anderen, der Auslassstelle (76 ) gegenüberliegenden Einlassstelle (84 ) in eine Fase (86 ) des Deckels (58 ) mündet oder an diese grenzt, wobei sich der Außendurchmesser der Fase (86 ) vorzugsweise stetig in Richtung des Anlenkkopfes (24 ) bis zu einem Abschlussdurchmesser (AD) verringert. - Hydropumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbengehäuse (
62 ) am Kolbenboden (54 ) ein Koppelteil (66 ) aufweist, über das der Deckel (58 ) mit dem Kolbenboden (54 ) koppelbar, vorzugsweise verschweißbar oder lötbar, ist. - Hydropumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
58 ) mit dem Kolbengehäuse (62 ) durch Löten oder ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren fest verbunden ist und dass der Kolben (22 ) nach dem Verschweißen vorzugsweise wärmebehandelt ist. - Hydropumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahl-Schweißnaht zumindest die Auslassstelle (
76 ) der Spiralnut (72 ) verschließt. - Hydropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbengehäuse (
62 ) mehrere Hohlkammern (60 ), vorzugsweise gleichen Durchmessers (D), auf einem Teilkreis versetzt zueinander vorgesehen sind. - Kolben für eine Hydropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Anlenkkopf (
24 ) und einem dem Anlenkkopf (24 ) gegenüberliegenden Kolbenboden (54 ) sowie mindestens eine Hohlkammer (60 ) aufweist, die zumindest teilweise von einem Kolbengehäuse (62 ) umfasst ist, das die jeweilige Hohlkammer (60 ) nach außen hin im Wesentlichen oder vollständig abschließt. - Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlkammer (
60 ) in Richtung der oder parallel zu der Längsachse (L) des Kolbens (22 ) im Kolbengehäuse (62 ) verläuft und den Kolben (22 ) ausgehend von einem axialen Abstand (A) vom Anlenkkopf (24 ) bis zum Kolbenboden (54 ) durchgreift. - Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlkammer (
60 ) durch das Kolbengehäuse (62 ) oder durch einen Deckel (58 ) geschlossen ist, der mit dem Kolbengehäuse (62 ) verbindbar ist.
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