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Hochdruck-Axialkolbenpumpe mit umlaufender Zylindertrommel und verschwenkbarer
Schiefscheibe Hochdruck-Axialkolbenpumpen mit umlaufender Zylindertrommel und verschwenkbarer
Schiefscheibe, wie sie beispielsweise als Druckmittelquellen für Servosteuerungen
bei Werkzeugmaschinen, Luftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen verwendet werden, weisen
in betrieblicher Hinsicht gewisse Sonderheiten auf, welche ihre Ursache in der Zusammendrückbarkeit
der jeweils geförderten Flüssigkeit haben.
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Bei der Kommutierung, d. h. beim Übergang der Pumpenkolben vom Saughub
in den Verdrängerhub und umgekehrt, erfährt die in den Pumpenzylindern enthaltene
Flüssigkeit rasche Druckänderungen und plötzliche Beschleunigungen und Verzögerungen,
welche mechanische Rückwirkungen auf die Antriebsteile derPumpe haben und zu stoßartigenGeräuschen
führen, welche man selbst unter Inkaufnahme von Wirkungsgradverlusten zu vermeiden
sucht.
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Bei allen Versuchen, diese Stoßgeräusche zu vermeiden, muß also, wie
gesagt, die Zusammendrückbarkeit der von der betreffenden Pumpe geförderten Flüssigkeit
berücksichtigt werden. Demzufolge ist bei bereits bekannten Pumpen solcher Art schon
der Versuch gemacht worden, in das Pumpenarbeitsspiel besondere Vorkompressions-
und Vorexpansionsphasen einzuschalten, durch welche nach Möglichkeit vermieden werden
soll, daß die durch die Pumpe geförderte Flüssigkeit plötzliche Druckänderungen
erfährt, die, wie oben dargelegt, Anlaß zu den erwähnten unerwünschten Geräuschen
geben. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß derartigeVorkompressions-und Vorexpansionsbereiche
sich nur dann für einen bestimmten Pumpenhub festlegen lassen, wenn der für diesen
Pumpenhub gegebene schädliche Raum und der Förderdruck der Pumpe unverändert bleiben.
Ändert sich einer dieser Faktoren, so entspricht der Druck der kurzfristig vom Kreislauf
abgesperrten Flüssigkeit innerhalb der Pumpe nicht mehr dem zwischen Ansaugung und
Verdrängung vorgesehenen Kolbenweg, und die Kommutierung der Pumpe arbeitet wiederum
nicht mehr einwandfrei.
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Es sind auch schon Pumpen solcher Art bekannt, bei welchen besondere
Abströmbereiche vorgesehen sind, durch welche verhindert wird, daß die durch die
Pumpe geförderte Flüssigkeit plötzliche Druckänderungen erleidet, wodurch naturgemäß
die erwähnten, unerwünschten Stoßgeräusche vermindert werden. Derartige Abströmbereiche
sind jedoch sehr schwer zu steuern und geben Anlaß zu Wirkungsgradverschlechterungen,
die oft nicht in Kauf genommen werden können, und außerdem ist es durch die Anordnung
solcher Abströmbereiche nicht immer möglich, die unerwünschten Stoßgeräusche gänzlich
zu beseitigen.
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Alle diese bekannten Maßnahmen zur Beseitigung der genannten unerwünschten
Pumpengeräusche sind jedoch nur innerhalb eines ganz engen Pumpenbetriebsbereiches
anwendbar. Sie stellen keine befriedigende Lösung dar, wenn der Betrieb einer derartigen
Pumpe wesentliche Druckänderungen, merkliche Drehzahländerungen des Pumpenantriebs
oder wesentliche Änderungen des Pumpenhubraums erheischt, wie dies häufig der Fall
ist, wenn Druckmittelantriebe bestimmter Leistung unter sich stark ändernden Betriebsverhältnissen
Anwendung finden sollen.
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Es wäre theoretisch möglich, gleichzeitig die Neigung der Schiefscheibe
des Antriebs und die Einstellung des Phasenwinkels des Steuerspiegels zu ändern,
um eine sinngemäß richtige Pumpensteuerung zu erzielen. Eine derartige Maßnahme
würde jedoch zusätzliche Steuerorgane notwendig machen, welche den Pumpenaufbau
in nicht verantwortbarem Maße komplizieren würden.
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Das Ziel der Erfindung ist die Erreichung einer gleichzeitigen Änderung
zweier Faktoren, nämlich des Pumpenhubraums und des Phasenwinkels des Steuerspiegels
im Sinne einer Beibehaltung einer bestimmten Pumpenbetriebscharakteristik innerhalb
eines mittleren Betriebsbereiches, in welchem die genannten schädlichen Druckstöße
ein noch tragbares
Maß haben. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch
erreicht, daß die Schwenkachse der Schiefscheibe mit Bezug auf die den Steuerspiegel
des Pumpengehäuses schräg gestellt ist. Bei bekannten Pumpen liegt diese Schwenkachse
parallel zum Steuerspiegel und senkrecht zur Pumpenhauptachse.
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Bei. einer Pumpenanordnung, welche diesen Bedingungen entspricht,
d. h. bei welcher die Schwenkachse der Schiefscheibe mit Bezug auf die Pumpenachse
geneigt ist, hat eine Änderung des Neigungswinkels der Schiefscheibe um diese Schwenkachse
eine Änderung des Phasenwinkels - der Einlaß- und Verdrängerschlitze des Steuerspiegels
zur Folge, wobei sich gleichzeitig in an sich bekannter Weise der Pumpenhubraum
ändert.
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Bei einer derartigen Pumpenanordnung ist es in einer Vielzahl von
Fällen gar nicht nötig, den Steuerspiegel zu verschieben, wodurch sich der Vorteil
ergibt, daß dieser innerhalb der Pumpe festliegen kann.
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Durch Versuch und Berechnung ist es möglich, die Achsenneigung der
Schiefscheibenschwenkachse festzulegen und den Ausgangswert für den Phasenwinkel
des Steuerspiegels festzulegen, um sicherzustellen, daß die jeweils gewünschten
Betriebsgrenzen eingehalten werden.
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So genügt es beispielsweise, Kurven gleichen Kommutierungsdruckes
in Abhängigkeit vom jeweiligen prozentualen effektiven Pumpenhub aufzuzeichnen und
den jeweiligen Phasenwinkel der Pumpenzylinder mit Bezug auf die Ein- und. Austrittsschlitze
des Steuerspiegels festzulegen.
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Die auf diese Weise erhaltenen Kurvennetze gestatten, für den Betriebsbereich
der Pumpe einen mittleren Betriebspunkt und einen oder zwei Grenzpunkte festzulegen,
durch welche die Ausgangskonstanten für die Pumpenkonstruktion festgelegt sind.
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Durch eine derartige Wahl einer mittleren Betriebskurve ergibt sich
sehr genau der Mittelwert des Betriebsbereiches der Pumpe, für welchen eine optimale
Kommutierung bei gleichzeitiger optimaler Vermeidung der genannten unerwünschtenStoßgeräusche
erzielbar ist.
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Die Erfindung wird unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung
einer Schiefscheibe, deren Schwenkachse gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Steuerspiegelebene
geneigt ist, Fig.2 einen Längsschnitt durch eine Pumpe nach der Erfindung und Fig.
3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Pumpe längs der Linie 111-11I.
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Fig.l der Zeichnungen zeigt schematisch die Fläche einer Schiefscheibe
einer Axialkolbenkapselpumpe, bezogen auf eine kreiförmige ebene Fläche in zwei
Stellungen 1 und 2, in welchen diese Schiefscheibe mit Bezug auf die Steuerspiegelebene,
welche durch den Ansaugschlitz 3 und den Verdrängerschlitz 4 angedeutet ist, zwei
verschiedene Neigungen einnimmt. Die Schiefscheibe wird von zwei Schwenkzapfen 5
und 6 gehalten, durch welche eine Schwenkachse 7 bestimmt ist, die mit der Steuerspiegelebene
einen Winkel o) einschließt.
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Es sei nun angenommen, daß die Schiefscheibe sich in einer Stellung
befindet, in welcher ihre Linie größter Neigung in einer Axialebene liegt, welche
durch den Scheibenmittelpunkt O geht und sowohl die Pumpenhauptachse als
auch die Achse 7 einschließt, dann ergibt sich für den Zylindertrommelumlauf, daß
der obere Totpunkt A und der untere Totpunkt B für die Pumpenkolben phasenmäßig
an Punkten liegen, welche sich aus dem Schnitt der Spurlinie 7' der Orthogonalprojektion
der Achse 7 auf die Steuerspiegelebene mit dem Schlitzmittelkreis der Steuerschlitze
ergeben.
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Wird nun die Schiefebene aus dieser soeben dargelegten Ausgangsstellung
um die Achse 7 beispielsweise in eine Stellung verschwenkt, welche in Fig. 1 bei
1 in gestrichelten Linien angedeutet ist, so ergibt sich, daß nunmehr die
Linie stärkster Neigung eine Gerade 8' ist, deren Spurlinie auf die Steuerspielebene
eine Gerade 8' ist, durch welche in der Steuerspielebene Punkte C und D festgelegt
werden, welche nunmehr den oberen und den unteren Totpunkt bestimmen.
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Neigt man die Schiefebene weiter um die Schwenkachse 7 in die Stellung
2, so ergibt sich als Linie größter Neigung eine Gerade 9, deren Projektion 9' auf
die Steuerspiegelebene die Punkte E und F bestimmt, welche nunmehr den oberen und
den unteren Totpunkt bestimmen. Bei dieser Schiefscheibeneinstellung liegen folglich
die Totpunktmarkierungen E und F auf den Zwischenflächen zwischen den Steuerspiegelschlitzen
3 und 4.
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Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Schwenkachse 7 der Schiefscheibe
mit Bezug auf die Steuerspiegelebene geneigt ist, ergibt sich beim Verschwenken
der Sehiefebene um diese Schwenkachse nicht nur eine Änderung der Pumpenförderung
durch die an sich bekannte Änderung des Pumpenhubes und damit des Hubvolumens (welches
schematisch durch die jeweiligen Abstände zwischen der Steuerspiegelebene und der
Schiefscheibenebene bestimmt ist), sondern außerdem gleichzeitig eine Änderung des
Phasenwinkels der beiden Totpunkte mit Bezug auf die in der Steuerspiegelebene angeordneten
Einlaß-und Verdrängerschlitze; da die Vertikalprojektion der durch den Mittelpunkt
0 der Schiefebene gehenden Linie stärkster Neigung auf die Steuerspiegelebene diese
Ebene bestreicht, wenn die Schiefscheibe aus der Stellung ihrer geringsten Neigung
heraus verschwenkt wird. In der vertikalen Grenzstellung der Schiefscheibe schrumpft
die Vertikalprojektion der Linie größter Neigung auf den Punkt O' zusammen, in welchem
Fall der Hubraum der Pumpe unendlich groß würde. Es ist natürlich klar, daß für
praktische Anwendungen der Erfindung Grenzstellungen für die Neigungen der Schiefscheibe
festgelegt werden.
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Weiterhin ergibt sich, daß für die diejenige Schiefscheibenstellung,
in welcher die Totpunktmarkierungen A und B die beiden Steuerspiegelschlitze
in gleiche Hälften teilen, die Pumpenförderung gleich Null ist, da in diesem Fall
jeder Pumpenzylinder die gleiche Flüssigkeitsmenge ansaugt, welche aus einem jeweils
entsprechenden anderen Pumpenzylinder verdrängt wird. Im Gegensatz dazu ergibt sich
für die Totpunktmarkierungen E und F eine maximale Pumpenförderung.
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Die Fig.2 der Zeichnungen zeigt einen Längsschnitt durch eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe
nach der Erfindung. Die Pumpe weist ein feststehendes, zylindrisch gebohrtes Pumpengehäuse
10 auf, in dessen Innerem eine über eine Pumpenwelle 11 angetriebene Zylindertrommel
12 drehbar angeordnet ist, in deren Zylindern13 Pumpenkolben14 geführt sind, deren
obere Enden an der Schiefscheibe 15 anliegen.
Gemäß der Erfindung
ist die Schiefscheibe 15 mit einer Schwenkachse 16 versehen, welche mit Bezug auf
den Steuerspiegel 17 des Pumpengehäuses 10, in dessen Ebene Ansaug- und Verdrängerschlitze
18 und 19 angeordnet sind, um einen Winkel w geneigt ist. Die Darstellung in Fig.
2 ist so gewählt, daß sich die Stellung ergibt, in welcher die Linie größter Neigung
der Schiefscheibe 15 mit der Schwenkachse 16 zusammenfällt, was einer Stellung entspricht,
in welcher die Hübe der Kolben 14 einen Mindestwert haben.
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Die Fig. 3 der Zeichnungen zeigt einen Horizontalschnitt durch die
in Fig.2 schematisch dargestellte Hochdruck-Axialkolbenpumpe längs der Linie III-II1.
Dieser Querschnitt fällt also ungefähr in die Ebene des Steuerspiegels 17. Die Achse
X-X' in Fig. 3 stellt die Vertikalprojektion der Mittellinie der Schwenkachse 16
in dieser Ebene dar. Es zeigt sich, daß die Achse X-X' mit Bezug auf die Symmetrieachse
Y-Y' der beiden Steuerspiegelschlitze 18, 19 um einen Phasenwinkel ß versetzt ist,
dessen Größe durch die Grenzbedingungen für den Druck und den Hubraum bestimmt ist,
unter welchen die Pumpe betrieben werden soll.
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In Fig. 3 sind außerdem in gestrichelten Linien die Bereiche E und
F eingetragen, durch welche der obere und untere Totpunkt für die maximale Neigung
der Schiefscheibe 15 markiert werden. Diese Bereiche liegen derart unmittelbar neben
dem Einlaß- und dem Verdrängerschlitz des Steuerspiegels 17, daß die Pumpenzylinder
13 der Zylindertrommel 12, welche im Sinne des in der Figur eingetragenen Pfeiles
umläuft, unmittelbar nach Verlassen dieser Schlitze in die genannten Bereiche einlaufen.
Diese Bereiche lassen also in Drehrichtung noch einen Winkelbereich y frei, innerhalb
welchem, wenn die Pumpenzylinder über ihn hinwegstreichen, eine konstante Änderung
des Füllvolumens der Zylinder eintritt. Dieser Winkelbereich kann in Abhängigkeit
von der Größe des Winkels ß für den Saughub und den Verdrängerhub verschieden groß
sein.
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Die Winkel co, ß und y können infolgedessen so gewählt werden, daß
die einzelnen Pumpenzylinder beim Überstreichen des Saug- und Verdrängerschlitzes
so geführt werden, daß infolge der Zusammendrückbarkeit der geförderten Flüssigkeit
der Flüssigkeitsdruck vom Wert Null am Ansaugschlitz auf den Höchstwert am Verdrängerschlitz
nahezu stetig ansteigt.
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Diese besondere Druckeinstellung erfolgt in Abhängigkeit von den Winkeln
co und ß, welche die Augenblicksgeschwindigkeit der einzelnen Pumpenkolben bestimmen,
und vom Winkel y, durch welchen der Weg bestimmt wind, auf welchem die betreffende
Zylinderöffnung in derZylindertrommel zwischen den beiden Steuerspiegelschlitzen
abgeschlossen ist.
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Beim Übergang der betreffenden Pumpenzylinder vom Verdrängerschlitz
zum Saugschlitz spielt sich derselbe Vorgang im Sinne einer Druckabnahme ab, ohne
daß irgendwelche plötzliche Druckstöße erfolgen, indem der Druck in dem betreffenden
Zylinder von dem am Verdrängerschlitz herrschenden Höchstwert allmählich auf den
am Saugschlitz herrschenden Mindestwert abfällt.
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Die Kommutierung vollzieht sich also bei der Pumpe nach der Erfindung
unter Einhaltung eines Mittelwertes unter den jeweils günstigsten möglichen Bedingungen,
wobei dieEinstellung desPumpenhubes einzig und allein durch entsprechende Neigung
der Schiefscheibe erfolgt.
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Die Anordnung nach der Erfindung stellt eine einfache und sehr wirksame
Einrichtung zur Regelung der Fördermenge der Pumpe durch gleichzeitige Änderung
des Hubraumes der Pumpe und der Phasenbezeichnung des Steuerspiegels zur Zylindertrommel
dar, wobei stets die günstigsten Kommutierungsbedingungen sichergestellt sind.
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Die Einstellung der Schiefscheibe 15 im Sinne ihrer Verschwenkung
um ihre Schwenkachse 16 kann durch an sich bekannte Mittel entweder von Hand oder
selbsttätig erfolgen. Für diesen Zweck kann beispielsweise ein Hebel 20 vorgesehen
sein.