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Einrichtung zum Regeln der Fördermenge einer Hydraulik-Schubkolbenpumpe
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Fördermenge einer Hydraulik-Schubkolbenpumpe
durch Axialverschieben des Kolbens und seines Kolbentriebs aus der Grenzstellung
für Größtförderung, in der -die Stirnfläche des mit konstantem Hub arbeitenden Kolbens
am Ende des Saughubes die Einiaßöffnung des Zylinders für eine zur Vollfüllung des
Arbeitsraums des Zylinders ausreichende Zeitspanne freigibt, in die Grenzstellung
für Nullförderung, wobei die Druckförderung stets bis zum Ende des Kolbenhubes andauert.
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Bekannte Hydraulikpumpen der obererwähnten Art haben meist mehrere
Kolben, die zur Erzielung einer stetigen Förderung ohne nennenswerte Druckschwankungen
ihre Druckhübe zeitlich gestaffelt nacheinander ausführen; die von den Kolben verdrängte
Flüssigkeit wird in einen gemeinsamen Druckraum der Pumpe gefördert. Die Regelung
der Fördermenge der Pumpe erfolgt in der Weise, daß zum Übergang von der Größtförderung
auf geringere Fördermengen die Kolben und ihre Kolbenantriebe in einer dem Druckhub
entgegengesetzten Richtung zurückgezogen werden, so daß die Einlaßöffnungen der
Zylinder bei Teilförderung noch während eines großen Teiles des Arbeitshubes der
Kolben offenbleiben und ein großer Anteil der in den Zylinder gelangten Flüssigkeit
wieder aus dem Zylinder herausgedrückt wird, ehe der Kolben mit seiner Stirnfläche
die Einlaßöffnung verschließt und die effektive Förderung im Druckhub einsetzt,
die bis zum Ende des Kolbenhubes andauert.
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Derartige Pumpen zeigen die Eigentümlichkeit, daß bei einer bestimmten
Regelstellung, also einer bestimmten Lage der Kolbenhubstrecke relativ zu der Einlaßöffnung
des Pumpenzylinders, die Fördermenge mit steigendem Gegendruck abnimmt, obgleich
der effektive Förderhub unverändert bleibt.
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Diese Druckabhängigkeit der Fördermenge, die insbesondere bei Einstellung
einer solchen Pumpe auf geringe Fördermengen so groß werden kann, daß dabei höhere
Drücke überhaupt nicht erzielt werden können, stellt bei den ständig wachsenden
Anforderungen an die Genauigkeit der Arbeitsweise hydraulischer Steuerungen und
Geräte einen erheblichen Nachteil dar.
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Es wurde gefunden, daß die unerwünschte Druckabhängigkeit der tatsächlichen
Pumpenfördermenge bei gleichbleibender Einstellung der Regeleinrichtung der Pumpe
nur zum Teil auf die an sich bekannte Auswirkung der Kompressibilität der unter
Druck gesetzten Flüssigkeit zurückzuführen ist; sie ist außerdem durch eine unvollkommene
Abdichtung des Zylinderdruckraumes durch den Kolben bedingt. Beim Beginn des effektiven
Druckhubes, der mit dem Abschluß der Einlaßöffnung durch die Kolbenstimfläche einsetzt,
ist die Abdichtungslänge des Kolbens im Zylinder klein; es treten bei höheren Gegendrücken
erhebliche Läs.sigkeitsverluste .auf, die sich besonders dann in nachteiliger Weise
auswirken, wenn die Regeleinrichtung auf geringe Fördermengen eingestellt ist .und
deshalb der Kolben nur ein kleines Stück in den Zylinderdruckraum eindringt.
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Die diesen Nachteil der Druckabhängigkeit der Fördermenge praktisch
völlig beseitigende Erfindung besteht darin, daß der Kolben in der Grenzstellung
für Nullförderung beim Beginn des Arbeitshubes die Einlaßöffnung des Zylinders vollständig
oder fast vollständig überdeckt und seine Abdichtungslänge im Zylinder am Ende des
Arbeitshubes etwa gleich dem Kolbenhub ist.
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Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Hydraulikpumpen, bei denen
der Kolben bei seinem Arbeitshub in einer Einstellung der Pumpe auf kleinere Fördermengen
zunächst einen großen Teil der Flüssigkeit aus der Einlaßöffnung des Zylinders wieder
herausdrückt,
ehe die eigentliche Druckförderung beginnt, und dabei
nur ein. Teil der in dem Zylinderdruckraum enthaltenen Flüssigkeit durch das Druckventil
gefördert wird, arbeitet bei der erfindungsgemäßen Hydraulikpumpe der Kolben - oder
jeder der Kolben; einer Mehrkolbenpumpe - in der Weise, daß er bei dem Saughub zunächst
noch die Einlaßöffnungdes Zylinders geschlossen hält, also in dem Zylinder einen
Unterdruck erzeugt, und dann erst gegen Schluß seines Saughubes die Einlaßöffnung
für eine Zeit öffnet, in. der nur eine geringe Menge der Flüssigkeit in den Zylinder
eintreten kann. Beim Arbeitshub wird zunächst die nur wenig geöffnete Einlaßöffnung
wieder verschlossen und beim weiteren Eindringen des Kolbens, in den Druckraum des
Zylinders der noch im Zylinder vorhandene Unterdruck ausgeglichen, bis die eigentliche
Druckförderung erst gegen Ende des Kolbenarbeitshubes. einsetzt.
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In diesem Augenblick ist der Kolben aber bereits mit einem großen
Teil seiner Länge in den Zylinderdruckraum eingedrungen, so daß eine sehr gute Abdichtung
gegenüber der unter Druck gesetzten Flüssigkeit :gegeben ist. Dadurch werden Lässigkeitsverluste
praktisch vollständig vermieden. Anderseits ist das unter Druck zu setzende Volumen
der Flüssigkeit im Zylinder relativ klein, so daß auch die Kompressibilitätsiverluste
mit abnehmender Förderleistung der Pumpe und demgemäß kleinerer Füllung absolut
genommen, ebenfalls abnehmen.
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Die Druckförderung hält - wie bei den bekannten Hydraulik-Kolbenpumpen
- bis zum Ende des Kolbenhubes an, wobei aber bei der erfindungsgemäß geregelten
Pumpe der Kolben in seiner Endstellung dicht vor dem Auslaßventil steht und nur
ein kleiner Teil d er Flüssigkeit in dem Druckraum des Zylinders zurückbleibt.
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Eingehende Versuche mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Axialkolbenpumpe
haben ergeben, daß die Pumpe bei einer beliebigen Einstellung der Regeleinrichtung
über den gesamten Druckbereich von 0 bis 400 atü fast genau konstant bleibende Fördermenge
liefert, auch bei Einstellung auf geringe Fördermengen.
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Es ist an sich von stoßweise arbeitenden Kraftstoffeinspritzpumpen
für Brennkraftmaschinen bekannt, den mit veränderlichem oder konstantem Hub arbeitenden
Kolben so zu steuern, daß seine Stirnfläche bei Einstellung auf mittlere und kleinere
Kraftstofffördermengen die Einlaßöffnung des Pumpenzylinders jeweils nur für kurze
Zeit freigibt, so daß keine volle Füllung des Zylinders möglich ist. Bei diesen
Pumpen dauert aber die Druckförderung nicht bis zum Ende des Kolbenhubes an; der
Fördervorgang wird vielmehr lange vor Beendigung des Kolbenarbeitshubes dadurch
unterbrochen, daß eine Steuerkante im rückwärtigen Kolbenteil die Zylindereinlaßöffnung
wieder öffnet und mit einer axialen Kolbenbohrung verbindet, die in den Zylinderdruckraum
mündet, so daß vor dem Ende des Kolbenarbeitshubes der Kraftstoff aus dem Druckraum
des Zylinders abfließen kann.
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Bei diesen bekannten Kraftstoffeinspritzpumpen erfolgt - wie bei den
obenerwähuten bekannten Hydraulik-Kolbenpumpen - die Förderung in einer Periode
des Kolbenhubes, bei der der Zylinderdruckraum ein größeres Volumen der zu fördernden
Flüssigkeit enthält, .also die Kompressibilität der Flüssigkeit sich stark auf die
effektive Fördermenge auswirkt; außerdem nimmt die Abdichtungslänge des Kolbens
an der Seite der Steuerkante gegen Ende des effektiven Förderhubes bis auf den Wert
Null ab, und die Abdichtung wird stetig schlechter. Es treten also beträchtliche,
mit größerem Gegendruck ansteigende Lässigkeitsverluste kurz vor Beendigung des
effektiven Förderhubes auf.
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Die dadurch bedingte Abhängigkeit der effektiven Fördermenge von dem
Gegendruck wirkt sich bei Kraftstoffeinspritzpumpen nicht störend aus, da bei diesen
Pumpen keine Konstanz des Fördervolumens bei stark veränderlichen Gegendrücken verlangt
oder benötigt wird. Erst die ganz anderen Anforderungen an die Mengenregelung, wie
sie an Hydraulikpumpen gestellt werden, konnten zur Stellung der Aufgabe führen,
die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt und deren Lösung die erfindungsgemäße
Regeleinrichtung bringt.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung veranschaulicht; es zeigt Fig. 1 eine wegen
ihrer absatzweisen Förderung nur in Sonderfällen als Hydraulikpumpe verwendbare,
aber als Regelungsprinzip besonders deutlich zeigende Einkolbenpumpe mit Exzenterantrieb
des Kolbens in axialem Längsschnitt, Fig. 2 ,eine Hydraulik-Axialkollbenpumpe mit
Taumelseheibenantrieb einer größeren Zahl von Kolben, die die Flüssigkeit in einen
gemeinsamen Druckraum fördern, ebenfalls in axialem Längsschnitt, Fig. 3 und 4 eine
vergleichsweise Gegenüberstel Jung der Bewegung eines Kolbens der Pumpe gemäß Fig.
2 einerseits bei der bekannten und anderseits bei der erfindungsgemäßen Einstellung
der Regeleinrichtung auf Kleinstförderung der Pumpe.
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Bei der Einkolbenpumpe gemäß Fig. 1 trägt das Pumpengehäuse 1 mittels
des daran festen Lagers 2 die Antriebswelle 3 der Pumpe. Auf dieser Welle 3 ist
das Zahnrad 4 befestigt, welches in ein zweites Zahnrad 5 eingreift, das mit der
Welle 6 fest verbunden ist. Die Welle 6 trägt den Antriebsexzenter 7, sie ist in
dem Hebel 8 drehbar .gelagert, der mit seinem rechten Ende lose drehbar auf der
Welle 3 abgestützt ist. Das linke Ende des Hebels 8 kann mittels des Handrades 9,
das auf dem Gewinde der bei 10a am Gehäuse 1 .angelenkten Spindel 10 sitzt, gegen
den Druck der Feder 11 .abwärts verstellt werden. Dabei wird die Exzenterwelle 6
ebenfalls nach unten verstellt, wenn .auch in geringerem Maße. Die Feder 12 drückt
den Pumpenkolben 13, der im Pumpenzylinder 13 a geführt ist, gegen den Exzenter
7. Die Arbeitsflüssigkeit wird aus dem Raum 14 durch die seitlichen Einlaßöffnungen
15 des Zylinders 13 a angesaugt und tritt durch das von der Feder 16 belastete Rückschlagventil
17 in die Druckleitung 18 über. Der durch die Exzentrizität des Exzenters 7 bestimmte
Kolbenhub bleibt stets gleich.
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Befindet sich der Hebel 8 in der gezeichneten Stellung, so wird bei
jedem Druckhub des Kolbens 13 eine Flüssigkeitsmenge gefördert, die zumindest angenähert
der Teilstrecke s1 des Kolbenhubs verhältnisgleich ist, sofern die Freigabe des
durch die Einlaßweite a1 bestimmten Teiles der Einlaßöffnung 15 durch die Kante
der Stirnfläche 19 des Kolbens 13 genügt, um den ventilseitigen Zylinderraum bis
zur Steuerkante 20 der Einlaßöffnung 15 zu füllen. Diese »Förderstrecke« s1 ist
gleich dem Weg der Stirnfläche 19 des Kolbens 13 von der Steuerkante 20 der Einlaßöffnung
15
bis zum Ende des Druckhubes. Wird nun die Exzenterwslle 6 mittels des Handrades
9 im Sinne des Druckhubes verstellt, d. h. etwas gesenkt, so wird die Einlaßweite
a1 der Einlaßöffnung 15 und damit die vom Kolben 13 eingelassene Menge kleiner,
so daß diz Fördermenge der Pumpe abnimmt. Dabei wind der Zylinderraum nur noch teilweise
gefüllt, und die Teilfüllun@gsmenge im Zylinder wird erst unter Druck gesetzt, wenn
die Stirnfläche 19 des Kolbens einen gewissen Weg von der Steuerkante 20 aus nach
abwärts zurückgelegt hat und die Abdichtungslänge des Kolbens im Zylinder relativ
groß ist. Wird die Exzenterwelle 6 so weit nach .unten verstellt, daß' die Kolbenstirnfläche
19 am Ende des Saughubes nur noch :bis an die Steuerkante 20 der Einlaßöffnung 15
herankommt, der Kolben 13 also die Einlaßöffnung vollständig überdeckt, so kann
überhaupt keine Flüssigkeit mehr in den Zylinder gelangen. Die Fördermenge wird
dann gleich Null (Leerlauf).
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Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Mehrkolben-Hydraulikpumpe
mit Taumelscheibenantrieb sind in dem äußeren Pumpengehäuse 21, das durch die beulen
Deckel 22 und 23 abgeschlossen ist, ein inneres Gehäuse 24 und der Zylinderblock
25 befestigt. In dem Zylinderblock 25 sind zwölf als Zylinder dienende Bohrungen
27 vorgesehen, in denen die Kolben 28 arbeiten. Diese Bohrungen 27 sind im Kreise
um die Achse der Antriebswelle 38 angeordnet und verlaufen parallel zu dieser. Die
Kolben 28 werden mittels der Federn 29 gegen die Schiefscheibe 30 .gedrückt und
berühren dieselbe längs einer Mantellinie des kegelförmigen Kolbenkopfes 31. In
die Bohrungen 27 münden seitliche Einlaßöffnungen 33, die diese Bohrungen. mit dem
Flüssigkeitsraum 21a innerhalb des äußeren Gehäuses 21 verbinden. Das rechte Ende
der Zylinderbohrungen 27 wird gegen den Förderraum 48 durch federbelastete, als
Rückschlagventile 34 dienende Kugeln geschlossen gehalten.
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Die Schiefscheibe 30 ist mittels Kugellagern 36 und 37 an dem mit
der Antriebswelle 38 drehfest, aber längsverschiebbar verbundenen Mitnehmer 39 in
schiefer Stellung gegenüber der Drehachse der Antriebswelle 38 drehbar gelagert.
Die Antriebswelle 38 ist im inneren Gehäuse 24 und im Zylinderblock 25 in den Kugellagern
40 und 41 gelagert. Der Mitnehmer 39 liegt mittels des Kugellagers 43 an der im
inneren Gehäuse 24 drehbar gelagerten und mittels des daran vorgesehenen Gewindes
44 in Axialrichtung verstellbaren Verstellhülse 45 an. Zur Verdrehung und damit
axialen Verstellung der Hülse 45 ist an deren Umfang eine Verzahnung 46 vorgesehen,
in welche das im inneren Gehäuse 24 drehbar gelagerte Schneckenrad 47 eingreift.
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Axialkolbenpumpen dieser Bauart sind bekannt. Bei ihnen wird jedoch
die Fördermenge anders geregelt als bei der erfindungsgemäßen Pumpe.
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Die Pumpe nach Fig. 2 arbeitet in der Weise, daß bei laufender Antriebswelle
38 die Kolben 28 eine in axialer Richtung hin- und hergehende Bewegung ausführen.
Bei jedem Arbeitsspiel (Hin- und Hergang) eines Kolbens 28 wird dabei die Einlaßöffnung
33 von dem Kolben bei Beginn des Saughubes freigegeben, so daß Flüssigkeit, z. B.
Öl, aus dem Flüssigkeitsraum 21 a in den Zylinder 27 eintreten kann. Nach Abschluß
der Einlaßöffnung 33 durch den Kolben wird die Flüssigkeit durch das dann sich öffnende
Auslaßventil 34 in den Förderraum 48 befördert, von wo aus sie durch die Druckleitung
49 irgendwelchem Arbeitszweck zugeführt wird. Die Einlaßöffnung 33 und die Einlaßweite
a2 zwischen der Kolbenstirnfläche 32 am Ende des Saughubes und der Steuerkante 35
der Einlaßöffnung 33 müssen so bemessen sein, daß bei der Einstellung auf Größtförderung,
wenn die Verstellhülse 45 in ihrer Zinkenendstellung steht, die Zeit, während der
die Einlaßöffnung 33 von dem Kolben 28 freigegeben wird, ausreicht, um den Zylinder
27 mit Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum 21a, der z. B. unter Atmosphärendruck
steht, zu füllen.
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Bei den bekannten Hydraulikpumpen, die in ihrer Bauweise der Pumpe
gemäß Fig. 2 im wesentlichen entsprechen, werden zur Einstellung auf kleinere Förderleistung
der Kolbentrieb und die Kolben aus der dargestellten Stellung für Größtförderung
nach links in Richtung des Saughubes verschoben, so daß bei jedem Arbeitsspiel die
Zylinder vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden und beim Arbeitshub die Kolben
zunächst einen Teil der Flüssigkeit durch die noch offenen Einlaßöffnungen verdrängen
müssen, ehe die Kolben diese Einlaßöffnungen verschließen und der Druckhub beginnt.
Dabei treten die bereits vorher erörterten Nachteile, wie Kompressibilitäts-und
Lässigkeitsverluste auf, die druckabhängig sind und infolgedessen zu einer relativ
starken Verminderung des Fördervolumens bei ansteigendem Gegendruck führen.
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Im Gegensatz hierzu werden diese Verluste und damit die Druckabhängigkeit
des Fördervolumens bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung dadurch vermieden,
daß die Kolben und ihre Antriebe aus der Größtförderungseinstellung in umgekehrter
Richtung, nämlich nach rechts in Richtung des Druckhubes verschoben werden, um die
Fördermenge zu verringern.
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Befindet sich die Verstellhülse 45 in der in Fig. 2 gezeichneten Stellung
für Größtförderung, so wird eine Flüssigkeitsmenge gefördert, die angenähert der
Teilstrecke Sz des Arbeitshubes verhältnisgleich ist bzw. dem Weg der Stirnfläche
32 des Kolbens 28 von der Steuerkante 35 der Einlaßöffnung 33 bis zum Hubende. Wird
die Verstellhülse 45 nach rechts in Richtung des Druckhubes der Kolben verschoben,
so wird die Einlaßweite a2 der Einlaßöffnung 33 verkleinert; es tritt die gleiche
Wirkung ein wie beim Senken der Welle 6 der Pumpe nach Fig. 1, so daß die Fördermenge
der Pumpe abnimmt. Sinngemäß kann auch die Fördermenge bis auf Null reduziert werden,
wenn die Verstellhülse 45 so weit nach rechts verschoben wird, daß die Kolbenstirnflächen
32 am Ende des Saughubes nur noch bis an die Steuerkanten 35 der Einlaßöffnungen
33 herankommen, die Kolben 28 also die Einlaßöffnungen 33 praktisch dauernd überdecken.
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Der Unterschied in der Wirkungsweise gegenüber den bekannten Hydraulikpumpen
ähnlicher Ausführung, bei denen die Verkleinerung der Fördermenge durch Zurückziehen
der Kolben und ihres Antriebes erfolgt, ergibt sich aus der Gegenüberstellung der
Fig. 3 und 4 der Zeichnung. Beide Figuren geben die Kolbenbewegung bei Einstellung
auf geringste Fördermenge wieder; die Fig. 3 gilt für die bekannte Mengenregelung,
die Fig. 4 für die erfindungsgemäße Regelung.
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Aus der Fig. 3 ergibt sich, daß der Kolben bereits bei Beginn seines
Saughubes s die Einlaßöffnung des
Zylinders freigibt und diese erst
ganz kurz vor Beendigung des Arbeitshubes wieder schließt. Der zwischen der Einlaßöffnung
und dem Kugelrückschlagventil liegende Zylinderdruckraum ist stets voll mit Flüssigkeit
gefüllt. Der nur um ein geringes Maß in diesen Druckraum eindringende Kolben dichtet
diesen Druckraum nur unvollkommen ab. Außerdem verringert die Kompressibilität des
großen Flüssigkeitsvolumens - gegebenenfalls in Verbindung mit einer elastischen
Umfangsdehnung des Zylinders - die Fördermenge bei hohen Gegendrücken.
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Demgegenüber zeigt die Fig. 4, daß bei der erfindungsgemäßen Regelung
der Kolben 28 bei seiner Bewegung über den Kolbenhub s des Arbeitshubes die Einlaßöffnung
33 nur am Ende des Saughubes um ein sehr geringes Maß öffnet, so daß in den Druckraum
des Zylinders nur eine kleine Flüssigkeitsmenge eintreten kann, die erst kurz vor
Beendigung des Arbeitshubes des Kolbens unter Druck gesetzt wird, wobei die Abdichtlänge
des Kolbens 28 in dem Zylinder bereits sehr groß und, da die Stirnfläche des Kolbens
am Schluß des Kolbenarbeitsbubes dicht vor dem Rückschlagventil liegt, die Flüssigkeitsmenge
in dem Druckraum des Zylinders relativ klein ist, was eine wesentliche Verringerung
der Kompressibilitätsverluste ergibt.
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Außer den bei kleinen Fördermengen kleineren Kompressibilitätsverlusten
bringt die Regeleinrichtung gemäß der Erfindung noch den Vorteil, daß während des
Druckhubes die Abdichtungslänge des Kolbens, gemessen von der Kolbenstirnfiäche
19 bzw. 32 bis zur Steuerkante 20 bzw. 35 der Einlaßöffnung 15 bzw. 33, um so größer
ist, je kleiner die zu fördernde Menge ist. Dies ist besonders günstig, wenn die
kleine Flüssigkeitsmenge gegen hohen Druck gefördert werden muß. Ferner erlaubt
die Erfindung, für die Veränderung der Fördermenge von der Größtförderung bis auf
Null mit einem kürzeren Verstellweg bzw. weniger Handradumdrehungen der Verstellorgane
9, 47 auszukommen als bei der relativ große Axialverschiebungen bedingenden Regelanordnung
der bekannten Hydraulikpumpen.