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Axialkolbenpumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenpumpe,
deren einzelne konzentrisch zur Antriebswelle angeordnete Zylinderbuchsen an ihren
Enden kugelgelenkig und deren Kolben mit Kugelköpfen in mit der Antriebswelle umlaufenden
Scheiben gelagert sind.
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Bei dieser Pumpenbauart wird die Hubveränderung der Arbeitskolben
in der umlaufenden Zylindertrommel dadurch hervorgerufen, daß die Kolben über Kolbenschuhe
auf einer feststehenden Schrägfläche geführt werden.
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Bei anderen bekannten Pumpenbauarten ist die umlaufende Zylindertrommel
zur Hubveränderung relativ zur Triebscheibe der Antriebswelle beweglich. Eine gebräuchliche
Pumpe dieser Art erreicht diese Beweglichkeit durch Neigen der Zylindertrommel zur
Antriebswelle. Die Zylinder sind in einer zum Pumpengehäuse schwenkbaren Birne angeordnet,
und die Kolben sind durch Pleuel an der umlaufenden ungeneigten Triebscheibe gehalten.
Die Triebscheibe sitzt fest auf der Antriebswelle, und die Mitnahme der die Zylinder
enthaltenden Birne erfolgt durch das Anschlagen der Pleuel an der Kante der an einem
Ende offenen Kolben. Dadurch eilt die Birne den Kolbentotpunkten nach, was sich
ungünstig auf die Steuerung auswirkt.
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Bei einer anderen Pumpenbauart mit beweglicher Zylindertrommel ist
der nicht umlaufende Zylinderblock gegenüber der umlaufenden Triebscheibe längsverschiebbar.
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Ferner gilt für die bekannten Pumpen beider Gruppen, bei denen sich
die Zylinder auf einer Kreisbahn bewegen, daß, wie dies auch bei den anderen bekannten
Pumpenbauarten der Fall ist, die Charakteristik der Teilströme nach einer Sinuskurve
verläuft. Die Addition der Teilströme der einzelnen Kolben ergibt demnach zwangläufig
immer wieder eine Sinuskurve; dies bedeutet, daß der Gesamtförderstrom der Pumpe
Schwingungen aufweist.
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Bei der Erfindung sind die Zylinder parallel zur Längsachse der Antriebswelle
parallelogrammartig beweglich gelagert. Zwar ist eine Axialkolbenpumpe bekannt,
deren einzelne Zylinderbuchsen an ihren Enden kugelgelenkig und deren Kolben mit
Kugelköpfen in mit der Antriebswelle umlaufenden Scheiben gelagert sind, aber diese
Pumpe weist nicht den neuen obenerwähnten Erfindungsvorschlag auf. Erst durch die
Ausführung dieses Vorschlags ist es gelungen, gegenüber den bekannten Axialkolbenpumpen
einen pulsationsarmen Förderstrom zu erreichen. Ferner können mit Hilfe der neuen
Pumpenausführung Schwingungen der Antriebswelle, vor allem aber Regelschwingungen
vermieden werden; die Totpunktstellungen der Kolben werden während des Umlaufs derselben
exakt eingenommen.
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Es sind noch Pumpen bekanntgeworden, bei denen zwar eine parallele
Lage der Zylinder zwischen zwei Scheiben vorhanden, aber eine parallelogrammartige
Bewegung der Zylinder nicht vorgesehen ist. Bei derartigen Pumpen ist ein Fliehkraftregler
unbedingt erforderlich, insbesondere dann, wenn eine Antriebsmaschine mit Drehzahlschwankungen
vorhanden ist. Dies fällt bei der neuartigen Pumpe weg, da sie selbst als Fliehkraftregler
wirkt.
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Die neue Pumpe sieht eine Längsbewegung der Zylinder gegenüber den
nicht längsbeweglichen Kolben auf einer elliptischen Bahn vor. Bei gleichförmigem
Umlauf der Antriebswelle laufen hierbei die Zylinder zwar mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit,
aber mit ungleichförmiger Hubgeschwindigkeit um. Die Analyse dieser Kinematik ergibt
als Charakteristik der Hubgeschwindigkeit annähernd eine quadratische Sinuskurve.
Wenn die Zahl der Zylinder sich durch vier teilen läßt, so wird die Summe der Teilströme
annähernd eine Konstante, was einen praktisch gleichförmigen, d. h. schwingungsfreien
Förderstrom bedeutet.
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Außerdem wird bei der neuen Pumpe ein Gleichlauf der umlaufenden Zylinder
mit den Totpunktlagen der Kolben erreicht.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zylinder
an ihren geschlossenen Enden mit ihren Kugelköpfen in einer Antriebsscheibe und
an ihren offenen Enden ebenfalls mit Kugelköpfen in einer Führungsscheibe gelagert
sind, während die Kolben mit ihren Kugelköpfen drehbar in Kolbenschuhen gelagert
sind. Die Lagerscheiben
der Zylinder, die Antriebs- und die Führungsscheibe
sind auf der Antriebswelle schwenkbar gelagert.
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In besonderer Ausbildung der Erfindung ist es dadurch möglich geworden,
die Lagerung der Kolben und der Zylinder an beiden Enden, einmal der Zylinder in
der Antriebsscheibe und einmal der Kolben in seinen radial beweglichen Kolbenschuhen,
hydraulisch zu entlasten.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Kolbenschuhe zwischen
einer Stützplatte und einer mit dieser verbundenen, als Drehschieber wirkenden Steuerscheibe
schwimmend in einer zur Antriebswelle senkrechten Ebene gelagert. Um zu erreichen,
daß die Steuerplatte unter Druck gleichmäßig anliegt, ist vorgesehen, daß die Resultierende
der einen Hälfte der Abstützkräfte der Steuerplatte entweder mit der Resultierenden
der Längskräfte der entsprechenden Hälfte der Kolben zusammenfällt oder außerhalb
dieser liegt. Gleichzeitig muß aber zur klemmfreien Lagerung die Steuerplatte auf
Grund ihrer Lagerung auf der Stützplatte zusammen mit dieser in Kipprichtung einen
Freiheitsgrad aufweisen, was durch entsprechendes Lagerspiel erreicht wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenpumpe,
F i g. 2 einen Querschnitt durch die Pumpe nach der Linie II-11 der F i g. 1, F
i g. 3 einen Teillängsschnitt durch die Pumpe, der senkrecht zu dem Schnitt der
F i g. 1 liegt und der im Bereich der Kolbenschuhe und der Steuerscheibe geführt
ist, F i g. 4 einen weiteren Teilschnitt durch die Pumpe, der ebenfalls senkrecht
zum Schnitt der F i g. 1 und im Bereich der Antriebsscheibe geführt ist.
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Das Pumpengehäuse 1 ist durch die beiden Lagerdeckel 2 und 3 abgeschlossen,
in denen die Antriebswelle gelagert ist, welche sich aus dem mit einem Antriebsmotor
kuppelbaren Wellenzapfen 4 und der Hauptwelle 5 zusammensetzt. Der Wellenzapfen
4 ist durch das Pendellager 6 in dem Lagerdeckel 2 gelagert und nach außen
mittels des Dichtdeckels 7 abgedichtet. Das Pendellager 6 dient zur Aufnahme etwaiger
Nebenkräfte, beispielsweise der Kräfte aus einem Riemenzug, während zur Aufnahme
der Flüssigkeitskräfte, deren Resultierende die Reaktionskraft des Drehmomentes
ist, das Nadellager 8 dient. Die Hauptwelle 5 ist in dem Wellenzapfen 4 in zwei
Lagern 9 und 10 gelagert, deren Abstand eine gute Führung gewährt. Das Lager 10
bewirkt gleichzeitig die Übertragung des Drehmomentes von dem Wellenzapfen 4 auf
die Hauptwelle 5. Hierzu sind mehrere als Wellenkeile wirkende Axialkugelreihen
11 vorgesehen. Diese Übertragungsart gestattet eine axiale Verschiebung der beiden
Wellen gegeneinander, die wenig Kraft erfordert, da die Wälzkörper die aus dem Drehmoment
herrührende Reibung auf ein Mindestmaß herabsetzen. Die axiale Verschiebbarkeit
der Wellen wird durch die Sprengringe 12 begrenzt. Diese verhindern auch das Herausfallen
der Kugeln sowie das unbeabsichtigte Trennen der Wellen nach der Montage. Die Lagerstelle
9 ist ebenfalls mit einem Kugellager 13 ausgerüstet. Am anderen Ende ist die Hauptwelle
5 mittels des Nadellagers 14 in dem Lagerdeckel 3 gelagert.
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Die Hauptwelle 5 ist an dem dem Wellenzapfen 4
zugewandten
Ende mit zwei teilzylindrischen Flächen 15 versehen, die sich gegenüberliegen und
deren Krümmungsrnittelpunkt 16 mit der Wellenachse 17 zusammenfällt. Zwischen
den teilzylindrischen Flächen 15 und gegenüber diesen, um 90° verdreht, befinden
sich auf der Welle 5 zwei gegenüberliegende Teilkugelflächen 18 (F i g. 2), deren
Krümmungsmittelpunkt ebenfalls der Punkt 16 ist. Auf den teilzylindrischen
Flächen 15 sind vermittels der Wälzlager 19 die Gelenkschalen 20 gelagert, während
auf den Teilkugelflächen 18 die aus den beiden Teilen 21a und
21b zusammengesetzte Antriebsscheibe 21
mit entsprechenden Kugelpfannen
22 gleitet. Auf den Gelenkschalen 20 sind beidseitig die Drucklager 23 mit der kreisförmigen
Kugelreihe 24 angeordnet, deren Drehachse in der Ebene der Antriebsscheibe 21 liegt.
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Die beiden Teile 21 a und 21 b der Antriebsscheibe enthalten außerhalb
der kardanischen Lagerung der Scheibe die Lagerstellen für die Kugelköpfe 25 der
Arbeitszylinder 26. Die Kugelköpfe 25 sind in die Zylinder 26 eingeschraubt.
In den Arbeitszylindern 26 sind die Arbeitskolben 27 längsverschiebbar gelagert.
Die Lager der Kugelköpfe 25 der Zylinder 26 in den Kugelpfannen der Antriebsscheibe
21 sind hydraulisch entlastet, indem auf der Pfannenseite jedes Kugelkopfes
25 in der Teilscheibe 21a ein Druckraum 28 vorgesehen ist,
der über eine Bohrung 29 in jedem Kugelkopf 25 mit dem Hubraum 30 des zugehörigen
Zylinders 26 in Verbindung steht. Der druckwirksame Querschnitt dieses Druckraumes
28, der sich auf der Pfannenseite teilweise bis zu den Kugelkopfdichtungen 31 erstreckt,
ist etwa größer als der druckwirksame Querschnitt auf der anderen Seite des Kugelkopfes.
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An ihren offenen Enden sind die Zylinder 26 ebenfalls mit Kugelköpfen
32 versehen und in einer Führungsscheibe 33 gelagert. Diese ist auf den Kugelflächen
34 der Hauptwelle 5 kardanisch gelagert. Die Schwenkbewegung um die
zur Wellenachse und zur Zeichnungsebene der F i g. 1 senkrecht stehende Achse wird
dadurch erreicht, daß die Scheibe 33 auf den Kugelflächen 34 gleitet und
hierbei durch die in der Scheibe 33 sitzenden und in Axialnuten 35 der Hauptwelle
5 eingreifenden Stifte 36 geführt wird. Gleichzeitig kann die Scheibe 33 um die
durch die Stifte 36 gebildete Achse auf den Kugelflächen 34
geschwenkt werden.
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Die Kolben 27 sind an ihrem einen Ende ebenfalls mit Kugelköpfen 37
versehen, die einstellbar in Kolbenschuhen 38 gelagert sind. Die Kolbenschuhe 38
sind schwimmend zwischen der Stützplatte 39 und der umlaufenden Steuerscheibe
40 gelagert. Die Kolbenköpfe 37 können sich radial bewegen, während sie in
axialer Richtung festgelegt sind. Um die radiale Bewegung zu ermöglichen, ist die
Stützplatte 39, durch die die Schäfte der Kolben 27 hindurchragen, mit entsprechend
großen Bohrungen 41 versehen. Auch die Kugelköpfe 37 der Kolben 27 sind hydraulisch
entlastet, indem die wirksamen Druckflächen zwischen Kolbenschuh 38 und Steuerscheibe
40 größer sind als die auf der anderen Seite der Kolbenköpfe befindlichen Druckquerschnitte.
Die hohlen Kolben 27 stehen über Bohrungen 42 in den Kolbenschuhen 38 und einer
Bohrung 43 in der Steuerscheibe 40 mit in dieser angeordneten Steuerschlitzen
44 in Verbindung, die ihrerseits mit auf der Zeichnung nicht dargestellten Steuerschlitzen
im Steuerspiegel des Lagerdekkels 3 zusammenwirken. Die Stützplatte 39 ist mit
ihrer
Nabe 45 auf der Hauptwelle 5 unter Zwischenschaltung der Feder 46 in Längsrichtung
federnd gelagert.
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Auf der Nabe 45 sitzt kippbar die Steuerscheibe 40. Sie wird durch
in der Zeichnung nicht dargestellte Stifte zusammen mit der Stützplatte 39 von der
Hauptwelle 5 mitgenommen. Um zu erreichen, daß die Steuerscheibe 40 gleichmäßig
am Steuerspiegel des Lagerdeckels 3 anliegt und die Dichtung zwischen Steuerscheibe
40 und Kolbenschuhen 38 nicht gestört wird, sind die flüssigkeitsbeaufschlagten
Querschnitte so gewählt, daß die aus dieser Anlagefläche resultierenden Abstützkräfte
der einen Hälfte der Steuerscheibe mit der Resultierenden aus den Kolbenkräften
der entsprechenden Hälfte zusammenfallen oder außerhalb dieser Kräfte liegen.
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Zum Verändern des Kolbenhubs ist die Antriebsscheibe 21 an ihrem Umfang
in dem Wälzlager 47 eines Ringes 48 gelagert, der um eine senkrecht zur Hauptwellenachse
17 liegenden Schwenkachse 49 schwenkbar ist (Fig.2). Der Ring 48 ist zu diesem Zweck
an zwei gegenüberliegenden Stellen der Schwenkachse 49 (F i g. 2 und 4) mit
Zapfen 50
trapezförmigen Querschnitts versehen, über welche mit einer entsprechenden
Aussparung versehene Flansche 51 von Schwenkzapfen 52 greifen, die mittels der Kugellager
53 in der Seitenwand des Pumpengehäuses 1 gelagert sind. An dem nach außen ragenden
Ende des einen Schwenkzapfens 52 kann ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Schwenkgestänge
angreifen. Auf der gegenüberliegenden Seite ist, was in. der Zeichnung nicht besonders
dargestellt ist, der Schwenkzapfen 52 ein einfacher Lagerbolzen. Zwischen den Kugellagern
53 und den Flanschen 51 der Schwenkzapfen 52 sind Scheibenfedern 54 angeordnet.
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Die seitliche Abstützung der Antriebsscheibe 21 erfolgt über eine
Wiege 55 (F i g. 4), die schwenkbar in einem Wälzlager 56 des Lagerdeckels 2 gelagert
ist, wobei der Krümmungsmittelpunkt der Lauffläche 57 des Wälzlagers 56 mit dem
Krümmungsmittelpunkt 16 des Kardangelenks der Antriebsscheibe 21 zusammenfällt.
Die Wiege 55 liegt mit einer Ringfläche auf der einen Seite der Antriebsscheibe
21 an. Die Resultierende der Abstützkräfte der einen Hälfte der Wiege 55 fällt mit
der Resultierenden der Längskräfte der Kolben 27 zusammen, oder sie liegt außerhalb
dieser Resultierenden. Gleichzeitig ist vorgesehen, daß die Resultierende aus den
Abstützkräften der Wiege 55 im Bereich innerhalb der Abstützpunkte der Wiege an
der Lauffläche 57 des Wälzlagers 56 liegt.
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Bei geneigter Antriebsscheibe 21 und umlaufender Hauptwelle
5 führen die Zylinder 26 in axialer Richtung eine hin.- und hergehende Hubbewegung
aus. Ein Hub ist jeweils nach 180° Drehung beendet. Die Kolben 27 saugen während
eines Hubes an und stoßen anschließend beim Arbeitshub die angesaugte Flüssigkeit
aus. Hierbei ist die mathematische Charakteristik des Geschwindigkeitsverlaufs eines
Hubes identisch mit der eines Teilförderstromes. Die Charakteristik des gesamten
Förderstromes ist die Addition aller Charakteristiken der Hubgeschwindigkeiten der
einzelnen Kolben, die zusammenwirkend einen gleichförmigen Förderstrom ergibt.
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Das Wälzlager 47 hat am Umfang der Antriebsscheibe 21 Bewegungsfreiheit
in Längsrichtung. Ferner kann sich der Ring 48 im Bereich der Zapfen
50 in Richtung der Schwenkzapfen 52 verschieben. Eine weitere Bewegungsfreiheit
lassen die Scheibenfedern 54 entlang der Schwenkachse zu. Damit hat die Schwenkeinrichtung
der Antriebsscheibe 21 alle notwendigen Freiheitsgrade, um Kräfte auf die Antriebsscheibe
durch Fertigungstoleranzen zu verhindern und die Übertragung hydraulischer oder
mechanischer Kräfte auf die Schwenkeinrichtung, außer den relativ kleinen Steuerkräften
selbst, zu vermeiden. Hierdurch ist die Schwenkachse weitgehend entlastet und von
den üblichen Nachteilen befreit.
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Da die Förderflüssigkeit durch die Bohrung in den Kolben 27 und im
Kolbenschuh 38 zu- und abgeführt wird, ergibt sich eine gute Abdichtung infolge
der Längsdrücke der Kolben. Da die Drücke auf die Kolbenwände von außen nach innen
entlang der Kolbenführungen abnehmen, die Drücke auf die Wände der Kolbenbohrungen
jedoch erhalten bleiben, dehnen sich die Kolben infolge der Druckdifferenz proportional
zu deren Größe aus, was die Dichtwirkung verbessert. Die Kolbenbohrungen und der
Verlauf der Zylinderwände sind, wie es deutlich in der Zeichnung erkennbar ist,
so gestaltet, daß das Kolbenspiel mit steigendem Betriebsdruck verringert wird und
die Dichtwirkung zunimmt; die Kolben können sich jedoch hierbei nicht in ihrem gesamten
Fassungsspiel ausdehnen und sich so nicht feststecken.
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Da sich die Zylinder 26 beim Umlaufen auf einer elliptischen Bahn
bewegen, führen die Kolben 27 und die Kolbenschuhe 38 radiale Bewegungen aus zwischen
der Steuerscheibe 40 und der Stützplatte 39, und zwar mit der Differenz der
beiden Ellipsendurchmesser. Die Bohrungen 43 in der Steuerscheibe 40 sind dabei
so bemessen, daß sie die Kolbenschuhdichtungen 43 a nicht überschneiden (F i g.
1). Dies ist infolge der geringen Durchmesserdifferenz der Bahnellipse möglich,
ohne daß der Querschnitt der Bohrungen 43 zu stark gedrosselt werden muß. Die Kugelkopflagerung
der Kolben 27 in den Kolbenschuhen 38 läßt Fluchtungsfehler der Kolbenachse infolge
von Fertigungstoleranzen zu. Hierdurch wird das Anliegen der Kolbenschuhe 38 an
der Stützplatte 39 und an der Steuerscheibe 40 nicht beeinträchtigt.
Es entsteht keine unnötige Reibung durch Nebenkräfte, und die Abdichtung bleibt
im vollen Umfang erhalten.