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Die Erfindung betrifft eine Hydropumpe, insbesondere eine einstellbare Axialkolbenpumpe, sowie einen Kolben für eine solche Hydropumpe.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies ist insbesondere bei einer anschließenden Verschweißung des Deckels mit dem Kolbengehäuse von Vorteil.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenpumpe im Ausschnitt;
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2 einen Querschnitt des Kolbens;
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3 eine perspektivische Ansicht des Kolbens mit einem Deckel;
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4 ein Detail der 2, wobei das Herstellen der Elektronenstrahl-Schweißnaht gezeigt ist;
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5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens mit dem darin festgelegten Deckel; und
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6 bis 8 eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht des Deckels.
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Eine Hydropumpe 10 in Form einer Axialkolbenpumpe ist in einem Ausschnitt in der 1 im Querschnitt dargestellt. Auf einer drehbaren Welle 12 sind ortsfest Zylinder 14 als Teil des Pumpengehäuses 16 angeordnet, so dass die Zylinder 14 mit der Welle 12 rotieren. Es ist eine ungerade Anzahl von Zylindern 14 vorgesehen, die auf einem Teilkreis versetzt angeordnet sind. Die Längsachsen 18 der Zylinder 14 weisen alle den gleichen Radius RZ zur Längsachse 20 der Welle 12 auf. In den Zylindern 14 ist jeweils ein Kolben 22 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. An einem Anlenkkopf 24 des Kolbens 22 ist eine sphärische Oberfläche 26 vorgesehen, die in einem korrespondierenden Aufnahmeteil 28 eines Gleitschuhs 30 gehalten ist. Der Gleitschuh 30 ist mit einer Längsbohrung 32 zur Schmierung des Aufnahmeteils 28 versehen. Der Gleitschuh 30 ist unter Zwischenschaltung einer Schrägscheibe 36 gleitend an einem Verstellmechanismus gelagert.
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Über einen Fluideinlass 38 kann eine Flüssigkeit, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, in einem ersten Arbeitstakt in den Zylinder 14 hineingesogen werden. Über einen Fluidauslass 40 kann die Flüssigkeit anschließend in einem zweiten Arbeitstakt wieder aus dem Zylinder 14 herausgedrückt werden. In einer halben Umdrehung der Welle 12 wird ein Zylinder 14 somit vollgesogen, während er in der anderen halben Umdrehung der Welle 12 wieder leergedrückt wird. Auf diese Weise kann eine hohe und gleichmäßige Pumpenleistung erbracht werden.
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Der erfindungsgemäße Kolben 22 ist in den 2 bis 5 im Einzelnen gezeigt. Der Kolben 22 weist den Anlenkkopf 24 auf, der über einen Hals 42 in einen Kolbenkörper 44 übergeht. Der Anlenkkopf 24 weist die sphärische Oberfläche 26 auf. Durch den Kolben 22 erstreckt sich eine Durchgangsbohrung 46, die an einem Ende 48 angefast ist. Parallel zur Durchgangsbohrung 46 und damit zur Längsachse L des Kolbens 22 sind insgesamt fünf axiale Bohrungen 52 gleichen Durchmessers D vorgesehen. Diese erstrecken sich vom Kolbenboden 54 in Richtung des Anlenkkopfes 24 und enden in einem axialen Abstand A vom Anlenkkopf 24. Am Kolbenboden 54 ist eine Ringausnehmung 56 für einen Deckel 58 vorgesehen. Die Bohrungen 52 des Kolbens 22 bilden Hohlkammern 60 aus, die auf einem Teilkreis versetzt angeordnet sind. Mithin sind die Hohlkammern 60 in einem Kolbengehäuse 62 vorgesehen. Durch die Ringausnehmung 56 bleibt ein vorstehender Wandteil 64 der Durchgangsbohrung 46 bestehen. Dieser Wandteil 64 bildet ein Koppelteil 66 für den damit zu koppelnden Deckel 58 und zentriert diesen beim Einsetzen.
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Wie die 6 bis 8 genauer zeigen, ist der Deckel 58 ein scheibenförmiges Drehteil mit einer zentralen, dem Außendurchmesser des vorstehenden Wandteils 64 entsprechenden Bohrung 68. Auf der Außenumfangsfläche 70 des Deckels 58 ist eine umlaufende Spiralnut 72 als Teil einer Ausgleichseinrichtung 74 vorgesehen, welche die Hohlkammern 60 medienführend mit der Umgebung U verbindet. Bei in das Kolbengehäuse 62 eingesetztem Deckel 58 ist die Spiralnut 72 von dem Kolbengehäuse 62 bis auf eine Auslassstelle 76 überdeckt. Die Auslassstelle 76 stellt als Teil der Ausgleichseinrichtung 74 die medienführende Verbindung zwischen der Umgebung U und den Hohlkammern 60 im Kolben 22 über die Spiralnut 72 her. Die Auslassstelle 76 ist auf einer Rückseite 80 des Deckels 58 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Vorderseite 82 mündet die Spiralnut 72 an einer Einlassstelle 84 in eine Fase 86. Die Fase 86 verringert sich im Außendurchmesser in Richtung des Anlenkkopfes 24 bis zu einem Abschlussdurchmesser AD, wenn der Deckel 58 im eingesetzten Zustand EZ ist.
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Wie 4 näher zeigt, wird nach dem Einsetzen des Deckels 58 in das Kolbengehäuse 62 der Deckel 58 mit dem Kolbengehäuse 62 entlang des gesamten Umfangs seines Innendurchmessers DI und seines Außendurchmessers DA mit einem Elektronenstrahl-Schweißverfahren verschweißt. Damit ist auch die Auslassstelle 76 verschlossen. Der Elektronenstrahl 88 ist dabei parallel zur Längsachse L des Kolbens 22 gerichtet, um eine möglichst effiziente Verschweißung zu ermöglichen. Hierzu sollte der Deckel 58 zuvor spaltfrei in das Kolbengehäuse 62 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 Elektronenstrahl 88 parallel zur Längsachse L steht. Durch die Verschweißung sind die Hohlkammern 60 nach außen zur Umgebung U hin vollständig abgeschlossen. Nach dem Verschweißen wird der Kolben 22 endbearbeitet und wärmebehandelt.
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Der fertige Kolben 22 ist in einer perspektivischen Schnittdarstellung in 5 dargestellt. Er zeichnet sich mithin durch eine verringerte Masse aufgrund der Hohlkammern 60 aus, wobei der Deckel 58 verhindert, dass das Totvolumen im Zylinder 14 vergrößert wird. Auf diese Weise können durch die Hohlkammern 60 keine zusätzlichen Kompressionsverluste auftreten, wodurch der Wirkungsgrad der Hydropumpe 10 vorteilhaft erhöht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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