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Radialkolbenpumpe mit veränderbarer Fördermenge Die Erfindung betrifft
eine Radialkolbenpumpe mit veränderbarer Fördermenge, mit umlaufender Zylindertrommel,
deren Arbeitsräume der Rotationsachse zugewendet sind und deren Kolben über Kipphebel
von einer ortsfesten Kurvenscheibe betätigt werden, die auf die der Rotationsachse
abgewandten Enden der Kolben einwirken. Diese Pumpe ist insbesondere dazu bestimmt,
direkt in die Räder eines Kraftfahrzeuges eingebaute hydraulische Verbraucher zu
versorgen.
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Pumpen mit veränderbarer Fördermenge mit einer Gruppe sternförmig
radial angeordneter Zylinder, deren Kolben von einer Kurvenscheibe gesteuert werden,
die gegenüber der Zylindergruppe eine relative Bewegung ausführt, sind bekannt.
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Ferner sind Pumpen dieses allgemeinen Typs bekannt, bei denen eine
feststehende Kurvenscheibe mit veränderbarer Exzentrizität peripher eine Gruppe
umlaufender, sternförmig angeordneter Zylinder um-?ibt,wobei die Arbeitsräume der
Zylinder der Rotationsachse der Zylindergruppe zugewandt sind. Bei diesem Pumpenmodell
bildet der mit jedem Kolben in Berührung stehende Teil der Kurvenscheibe, der diesen
Kolben steuert, einen bestimmten Winkel zu der Achse dieses Kolbens, was eine erhöhte
Reibung ergibt.
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Ferner sind Pumpen des besagten allgemeinen Typs bekanntgeworden,
bei denen die sternförmige 7ylindergruppe feststeht, die Arbeitsräume der Zylinder
an den der Pumpenachse am weitesten entfernten Enden liegen und eine Mittelkurvenscheibe
uni diese Achse umläuft, die die Kolben unter Zwischenschaltung von Hebeln bewegt,
die schwenkbar auf sich gegenüber der Zylindergruppe verstellenden Achsen angeordnet
sind, was eine Veränderung der Bewegung der Kolben ermöglicht. Bei diesem Pumpenmodell
müssen die Zylinder und die Kolben in einer Entfernung von der Achse angeordnet
sein, die für die Unterbringung der Mittelkurvenscheibe und der Hebel ausreichend
ist. Daraus ergibt sich, daß diese Pumpen einen großen Durchmesser besitzen, sperrig
und schwer sind. Die zur Mitte hin gerichtete Rückbewegung der Kolben ist dort durch
Federn sichergestellt, die die Konstruktion noch mehr komplizieren und noch sperriger
gestalten. Auch kann mit diesen Pumpen die Fördermenge Null nur durch eine solche
Anordnung der zwischen die Kurvenscheibe und die Kolben geschalteten Hebel erreicht
werden, bei der sich die seitliche Rückwirkung der Kolben in ihren entsprechenden
Zylindern während der Rückbewegung immer in der gleichen Richtung auswirkt, was
eine schnelle Abnutzung zur Folge hat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Radialkolbenpumpe zu schaffen, deren Fördermenge veränderbar ist und die eine
umlaufende Zylindertrommel aufweist, deren Arbeitsräume der Rotationsachse zugewandt
sind und deren Kolben über Kipphebel von einer ortsfesten Kurvenscheibe betätigt
werden, die ihrerseits auf die der Rotationsachse abgewandten Enden der Kolben einwirkt.
Diese Pumpe soll wenig sperrig und von einfacher Konstruktion sein, wobei die von
jedem Hebel auf die Kolbenstange des entsprechenden Kolbens ausgeübte Rückwirkung
auf ein Minimum herabgesetzt ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kolben
durch die einen Enden von zweiarmigen Kipphebeln betätigt werden, deren andere Enden
an der äußeren Lauffläche einer feststehenden zentral liegenden Kurvenscheibe anliegen
und deren Drehachsen auf einem mit der Zylindertrommel umlaufenden, gegenüber der
Zylindertrommel verstellbaren Gehäuse angeordnet sind.
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Ferner bildet bei der erfindungsgemäßen Pumpe die Laufbahn jedes auf
eine von der Kolbenstange des entsprechenden Kolbens getragene Rolle einwirkenden
Kipphebels einen Teil eines Kreisbogens, dessen Mittelpunkt bei der von dem Kipphebel
im Laufe seiner Bewegung eingenommenen Mittelstellung mit der Rotationsachse der
Pumpe zusammenfällt, wobei der Radius der Rolle gleich dem Abstand des Schwenkzapfens
des Hebels von der Laufbahn
ist. Es ist zwar bekannt, gekrümmte
Hebel zu verwenden; demgegenüber sieht die Erfindung jedoch die Verwendung von Hebeln
vor, deren den entsprechenden Kolben steuernde Lauffläche mit ihrer konkaven Seite
der Rotationsachse zugewandt ist. Die erfindungsgemäße Anordnung, nämlich die Verwendung
einer zirkularen Lauffläche und die oben angeführte Wahl der beiden Radien der Lauffläche
bzw. der Rolle, ermöglichen es, die seitliche, durch die Kipphebel auf den Kolbenkopf
ausgeübte Rückwirkung vollkommen auszuschalten, wenn sich diese in ihrer Mittelstellung
befinden, in der auch die Kolben in ihrer Mittelstellung stehen. In den sich beiderseits
an diese Mittelstellung anschließenden Stellungen der Kipphebel und der Kolben tritt
eine praktisch vernachlässigbare Rückwirkung ein, deren Richtung sich jedoch in
Abhängigkeit von der Seite ändert.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt Fig. 1
einen Axialschnitt dieses Erzeugers, Fia. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II
der Fig. I , Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie 111-11l der Fig. 1, Fig. -.
einen Teilquerschnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 1 und die Einzelheiten der
Vorrichtung zur Veränderung der Kolbenhublänge; Fig. -l a zeigt eine schematische
Darstellung, die zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 4 dient,
und Fig.5 zeigt eine Teildarstellung im Schnitt, aus welcher die Einzelheiten der
Lagerung der Kipphebel ersichtlich sind.
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Die dargestellte Kolbenpumpe hat sechs sternförmig angeordnete Zylinder.
Diese Bauart soll nur als nicht beschränkendes Beispiel dienen, und man kann selbstverständlich
die Zahl der Anordnung der Zylinder beliebig wählen, ohne vom Wesen der Erfindung
abzuweichen.
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Gemäß Fig. 1 wird durch die Antriebswelle 1 das Schwungrad 2 in Drehung
versetzt, das in der üblichen Weise an der Welle befestigt ist. Durch Gewindebolzen
4 ist an diesem Schwungrad eine Scheibe 3 befestigt, und beide Teile bilden ein
drehbares Trommelgehäuse. Mehrere Kipphebel s (sechs im dargestellten Beispiel)
sind in gleichen Abständen um die Achse des Schwungrades verteilt und tragen seitliche
Schwenkzapfen 6 und 7, die im Schwungrad 2 und in der Scheibe 3 jeweils durch Wälzlager
gelagert sind. Der Schenkel 8 der Kipphebel 5 ist am freien Ende mit einem Lagerzapfen
9 versehen, auf dem durch ein Wälzlager 11 eine Rolle 10 gelagert ist. Der Lagerzapfen
9 kann sich in einem Schlitz 12 der Scheibe 3 bewegen. Die Rolle 10 läuft auf der
Umfangskante einer Kurvenscheibe 13, die am Gehäuse 14 durch Gewindebolzen 15 befestigt
ist. Diese Kurvenscheibe 13, deren Achse gegen die Drehachse des Schwungrades versetzt
ist, ist auf der Scheibe 3 durch ein Wälzlager 16 gelagert. Durch diese Anordnung
wird die einzige Rückwirkung nach außen hin auf ein Drehmoment beschränkt. und es
wird die radiale Krat vermieden, die auf die frei tragende Anordmandes Schwungrades
und der Kurvenscheibe einwirken würde. Der andere Schenkel 17 dieser Kipphebel trägt
eine Längslaufbahn 18, ?9 für zwei Roller" 20. 21, die auf der Achse 22 des Kolbens
23 iimi_aufen. Diese Laufbahn ist bogenförmig ausgebildet, und ihre konkave Fläche
ist der Rotationsachse der Gruppe der Zylinder-Kolben-Einheiten zugewandt.
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Der Radius der sich auf dieser Laufbahn abwälzenden Rollen ist gleich
dem Abstand der Schwenkachse jedes Kipphebels von der Zone der gebogenen Laufbahn,
die von der betrachteten Rolle dann berührt wird, wenn sich die Achse der besagten
Rolle in der radialen, die Achse des entsprechenden Kipphebels schneidenden Ebene
befindet.
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Die Kolben 23 gleiten in Zylindern 24, welche in die sternförmig gerichteten
Ansätze einer Nabe 25 gebohrt sind. Diese Nabe ist im Schwungrad 2 durch den zylindrischen
Ansatz 26 und in der Scheibe 3 durch den zylindrischen Ansatz 27 gehalten. Die Nabe
25 läßt sich um einen gewissen Winkel gegen das Gehäuse 2, 3 und die Kipphebel 5
verdrehen. Die Zylinder 24 stehen durch Kanäle 28 mit einer zylindrischen Bohrung
in Verbindung, die durch eine feststehende Querwand 29 in zwei Kanäle getrennt ist.
Der Kanal 30 dient zum Ansaugen der Flüssigkeit und der Kanal 31 zur
Förderung zu den Verbrauchern. Im zylindrischen Raum 32 zwischen der Nabe 25 und
der Scheibe 3 befinden sich sechs sektorartige Trennkörper. Drei Sektoren 33 (Fig.
4) sitzen fest an der Scheibe 3, während die drei anderen Sektoren 34 fest mit der
Nabe 25 zusammenhängen. Die zwischen den Sektoren gebildeten, mit Flüssigkeit gefüllten
Räume 35, 36 bewirken das Verdrehen der Nabe 25 durch die Scheibe 3. Ein Umschaltventil
oder ein sonstiges Mittel 37 (Fig. 4 a) ist vorgesehen, um die Räume 35 durch eine
gemeinsame Rohrleitung 35a mit einer Hochdruckleitung 38 zu verbinden und
um die Räume 36 durch eine gemeinsame Rohrleitung 36 a mit einer Niederdruckleitung
39 zu verbinden. Die Rohrleitungen 38 und 39 gehen von einer getrennten Druckflüssigkeitsquelle
40 aus. Bei der vorbeschriebenen Voraussetzung wird die Nabe in bezug auf das Trommelgehäuse
in Richtung des Pfeiles F verdreht. Wird umgeschaltet, d. h. werden die Räume 35
und 36 jeweils mit den Rohrleitungen 39 und 38 verbunden, so wird die Nabe auch
in der anderen Richtung verdreht.
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Es wird nun die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstromerzeugers
beschrieben. Bei normalem Betrieb, der im wesentlichen der in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Lage der Kolben entspricht, ist die Nabe in bezug auf die Kipphebel winklig derart
eingestellt, daß die auf den Kolben 23 gelagerten Rollen 20, 21 mit den äußeren
Enden der Laufbahnen 18, 19 in Berührung stehen. Während der Drehbewegung der Kipphebel
s um die Achse der Nabe laufen die Rollen 10 auf der feststehenden Kurvenscheibe
13 und erzeugen dadurch eine geringe Schwingungsbewegung der Kipphebel s um die
Schwenkzapfen 6. Diese Bewegung wird durch den Schenkel 17 und die Rollen 20, 21
auf die Zapfen 22 übertragen, die dadurch eine Hubbewegung ausführen, deren Amplitude
in der Lage gemäß den Fig. 2 und 3 die größte ist. Bei geringem Förderdruck saugen
also die Kolben 23 die größte Flüssigkeitsmenge an, wenn sie mit dem Saugkanal
30 in Verbindung stehen und in den Kanal 31 fördern.
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Wird die Belastung größer, d. h. wenn der Druck im Förderkanal
31 steigt, wird durch eine Zwangssteuerung 41 (Fig. 4 a) das Umschaltventil
37 betätigt, und die Nabe 25 sowie die Kipphebel 5 werden durch die Sektoren 33,
34 (Fig. 4) verdreht. Die Lage
der Rollen 20, 21 auf den Laufbahnen
18, 19 wird derart verändert, daß der Hebelarm verkürzt wird, so daß auch die Hublänge
der Kolben 23 verkürzt wird. Die Hublänge kann sogar auf Null herabgesetzt werden,
wenn die Achsen der Rollen 20, 21 mit der Schwenkachse 6, 7 der Kipphebel zusammenfallen.
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Die größte Verdrehung der Nabe 25 in bezug auf die Kipphebel 5 ist
im dargestellten Beispiel auf etwa 30° festgesetzt, jedoch kann sie auch auf einen
anderen Wert eingestellt werden. Die Laufbahnen 18, 19 sind kreisbogenförmig gekrümmt,
und der Krümmungsmittelpunkt stimmt mit der Achse des Schwungrades 2 überein, wenn
die Kipphebel auf die halbe Hublänge eingestellt sind. Es ergibt sich daraus, daß
der Winkel der Senkrechten im Berührungspunkt zwischen den Rollen 20, 21 und den
Laufbahnen 18, 19 gleich Null ist, wenn die Kolben 23 sich in der mittleren
Lage befinden. Die seitlichen Rückwirkungen werden dadurch vermindert.
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Die Berührung zwischen den Rollen 10 und der Kurvenscheibe 13 einerseits
und zwischen den Rollen 20, 21 und den Laufbahnen 18, 19 andererseits wird ausschließlich
durch die Fliehkraft hergestellt. Das Gewicht der Kipphebel und der Kolben, die
Verteilung des Gewichtes und der Hub der Kurvenscheibe werden zu diesem Zweck entsprechend
bestimmt.
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Durch eine entsprechend gewählte Winkellage der Kurvenscheibe 13 kann
man ferner das Fließen der Flüssigkeit durch die Schwerkraft erleichtern, wenn der
Saugkanal 30 über dem Druckkanal 31 angeordnet wird.
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Anstatt eine Kurvenscheibe 13 mit kreisförmiger Umfangskante gemäß
Fig. 2 zu wählen, durch welche nachteilige Förderimpulse insbesondere bei gerader
Zylinderzahl erzeugt werden, kann man auch eine andere Lösung dieser Aufgabe anwenden.
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Die gewählten Winkel können für die Beschleunigungen sehr vorteilhaft
sein, denn für jeden Kolbenhub steht eine halbe Umdrehung zur Verfügung.
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Es werden zweckmäßig etwa die folgenden Werte gewählt:
Totpunkt ....................... |
Beginn des Kolbenhubes .............. Beschleunigungswinkel
(in Verbindung |
mit dem Verzögerungswinkel eines |
anderen um 120° nach vorn versetzten |
Kolbens) ......................... 45° |
Winkel gleichbleibender Kolbengeschwin- |
digkeit ........................... 75° |
Verzögerungswinkel (in Verbindung mit |
dem Beschleunigungswinkel eines |
anderen um 120° nach hinten versetz- |
ten Kolbens) . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 45° |
Totwinkel zwischen dem Stillstand des |
Kolbens und dem Totpunkt . . . . . . . . 72 |
Summe .... 180° |
Der gleiche Vorgang wiederholt sich in der zweiten Hälfte von 180° für das Ansaugen.
Es ist daraus ersichtlich, daß bei Anwendung einer solchen Kurvenscheibe für zwei
Hübe je Umdrehung drei Zylinder für eine genau gleichmäßige Förderung ohne Stöße
genügen.
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Bei der dargestellten Lösung der Aufgabe gestatten die drei zusätzlichen
Zylinder die Erzielung einer zweifachen Leistung bei gleichem Raumbedarf, die Verminderung
der Flächendrücke und der auf die Lager und Wälzlager einwirkenden Kräfte.
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Es fördern also mindestens zwei Zylinder, gegebenenfalls drei in den
überlagerungsperioden. Die Förderung erfolgt aber stets gleichmäßig und ohne Stöße.
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Die Zwangssteuerung 41 kann auch den Steuerschieber 29 (Fig. 4 a)
antreiben, der in der Regel um den gleichen Winkel wie die Nabe versetzt sein muß,
wenn die Steueröffnungen 28 es nicht gestatten, eine einwandfreie Steuerung mit
einer Versetzung der Nabe 25 um 30° zu bewirken, was in der Regel der Fall ist.
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Der Erfindungsgegenstand ist vorstehend für die Anwendung als Radialkolbenpumpe
mit gleichbleibender Fördermenge je Umdrehung beschrieben worden, jedoch ist seine
Anwendung auch mit veränderlicher Fördermenge je Umdrehung möglich. Dieses vorteilhafte
Ergebnis ist der Tatsache zuzuschreiben, daß die Veränderung der Fördermenge ohne
Veränderung der Steuervorrichtung erzielt wird, weil der Hub der Kurvenscheibe stets
der gleiche bleibt und die Veränderung des Kolbenhubes durch proportionale Verstellung
der Kolbenhebel erfolgt.
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Ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, kann man die Zahl der Zylinder
beliebig wählen und auch eine Kurvenscheibe mit Doppelhub je Umdrehung anwenden,
wenn die Umlaufgeschwindigkeit es gestattet.
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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist die erfindungsgemäße
Pumpe nur wenig sperrig und von einfacher Konstruktion, und die bei ihrem Arbeiten
auftretenden seitlichen Rückwirkungen der Kipphebel auf die Kolbenstangen der entsprechenden
Kolben sind auf ein Minimum herabgesetzt.
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Die dicht an der Rotationsachse der Pumpe angeordneten Arbeitsräume
der Zylinder setzen den Außendurchmesser der Pumpe herab und vereinfachen - gegenüber
den bekannten Pumpen, deren Arbeitsräume am Umfang der Pumpe verteilt liegen - die
Zuführung der Druckflüssigkeit. Ferner erbringt diese Anordnung der Arbeitsräume
der Zylinder den weiteren Vorteil, daß die Rückführung der Kolben selbsttätig durch
die auf sie wirkende Zentrifugalkraft erfolgt, was die Anordnung von Rückholfedern
erübrigt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich ferner, daß in der Winkelstellung
der Kipphebel, in der deren Schwenkzapfen mit den Rollenachsen der von den Kolbenstangen
getragenen Rollen fluchten, die Kipphebel unter dem Einfluß der Kurvenscheibe frei
um die Rolle zu schwingen vermögen, ohne dabei einen Druck auf die Rolle und folglich
auf den Kolben auszuüben. Auf diese Weise wird genau die Fördermenge Null erreicht.
Schließlich bleibt die seitliche Komponente der Rückwirkung jedes Kipphebels über
die Rolle auf den Kolben - die, wie bereits gesagt, in der Mittelstellung des Kolbens
im Zylinder gleich Null ist - während der gesamten Bewegung des Kolbens in praktisch
vernachlässigbaren Grenzen.