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Hydraulische Hochdruckpumpe mit veränderlicher Leitung.
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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Hochdruckpumpe mit veränderlicher
Leistung zur Speisung voneinander unabhäniger Kreislaufsysteme bzw. Rohrleitungen.
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Es ist bekannt, daß in verschiedenen Industriezweigen und besonders
zur Ausrüstung bestimmter Versorgungsanlagen selbständige Rohrleitungsanlagen
verwendet
werden müssen. Die bisher angewandten Lösungen sehen eine Pumpe für jeden Kreislauf
vor, was die Steuerung und Regelung kompliziert, da die von den Pumpen angeforderte
Gesamtleitung im wesentlichen konstant und der vom Antriebsmotor der Anlage gelieferten
Leistung gleich bleiben muß.
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Die Erfindung bezweckt die Lösung dieser Aufgabe aufgrund einer einzigen
hydromechanischen Anordnung bestehend aus zwei Stiefel- und Axialkolben-Pumpen mit
veränderlicher Leistung, wobei jed dieser Pumpen ein selbständiges Ölkreislaufsystem
speist. Da im übrigen diese beiden Pumpen mittels zweier eingebauter Ritzel ( Getrieberäder
) synchron angetrieben werden, läßt sich die Gesamtleistung der Anlage konstant
halten, auch wenn die Förderdrücke sich unabhängig voneinander in jedem der beiden
hydraulischen Kreislaufsysteme ändern.
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Eine gemäß der Erfindung konstruierte Pumpe ist hauptsächlich dadurch
gekennzeichnet, daß sie zwei sich drehende und nebeneinander in einem festen Geh
äuse angeordnete Pumpenstiefel ( Zylinder, Körper) umfaßt, wobei die Kolben dieser
Pumpenstiefel mit ihren Schuhen auf der ebenen Fläche ein und derselben schwingenden
Platte ruhen, während die Dreh -achsen der Stiefel ( Zylinder, Körper) durch zwei
miteinander kämmende
Ritzel synchronisiert und in einem festen Gehäuse
angeordnet sind, wo sie eine sogenannte " ebersättigungspumpe " ( pompe de gavage
) für die Ölzufuhr zur Hochdruckpumpe bilden. Nach einer bevorzugten Aus führungsform
der Erfindung weist die schwingende Platte einen zylindrischen Boden auf, der auf
einer Lagerung der festen Wiege ( berceau ) gleitet, während Öffnungen ( Spalte
) dieser Wiege mehr oder weniger durch auf der Zylinderfläche der Platte vorgeseltene
Umlaufnuten aufgedeckt ( freigelegt ) werden, sodaß die Übersättigungspumpe kurzgeschlossen
wird, deren Förderleistung beim yirdern auf die Dauer kaum über die Leistung liegt,
die zur Speisung von IIochdruckpumpen notwendig ist. Die Endeinstellung zwischen
diesen beiden Leistungen kann durch ein Ausiaßventil erfolgen, dessen geringe Abmessungen
ein sicheres und trägheitsloses Arbeiten gewährleisten.
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Schließlich kann man durch Versetzen der beiden Pumpenstiefel (Zylinder,
Körper ) in Schränklage gegen zueinander eine Arbeitsweise bei praktisch konstantem
Moment erreichen, wobei die Schwingungen, denen die schwingenden Platten der Pumpen
bekannter Bauart unterworfen sind, unterdrückt werden.
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Die beifol gende Zeichnung ermöglicht anhand eines Ausführungsbeispiels
ohne
Einschränkung ein besseres Verständnis der Erfindungsmerkmale, und zwar zeigt Fig.
1 im Schnitt nach Linie I-I (Fig. 2) eine Doppelpumpe nach der Erfindung Fig. 2
einen Axialschnitt nach Linie II- lt t Fig. 1) Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III
(Fig. 2), Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV"tV t Fig. 2), Fig. 5 ein Schaubild
der schwingenden Platte für sich gesehen und mit bloßen Rückzugbügeln für die Kolbenschuhe
versehen, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI (Fig. 1), Fig. 7 einen Schnitt nach
Linie VII-VII (Fig. 6), Fig. 8 ein Diagramm, das die ergänzende Wirkungsweise des
zwischen die Übersättigungspumpe und die Ho chdruckpumpen geschalteten Ventils veranschaulicht,
Fig.
9 einen Schnitt nach Linie IX-IX 6 Fig. 7.), und Fig. 10 einen Längsschnitt in der
Achse der Antriebswelle.
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Die Doppelpumpe nach der Erfindung umfaßt zwei Pumpengehäuse { Zylinder
1 und 2), die sich im innern eines festen Gehäuses 3 drehen.
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Diese beiden Pumpengehäuse sind sich untereinander gleich. Jeder weist
beispielsweise neun zylinde rische Bohrungen 4 auf, in den inbekannter Weise Kolben
5 gleiten. Jeder Kolben 5 läuft an seinem Ende in einen Gleitschuh 7 gelagerten
Kugelzapfen 6 aus. Die achtzehn Schuhe 7 der Anordnung der beiden Pumpengehäuse
1 und 2 stützen sich alle auf die obere ebene Fläche 8 einerschwingenden Platte
9 ( Fig. 2, 4 und 5) ab.
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Zwei Flanschen oder Bügel 10 halten auf der Fläche 8 die Schuhe 7
der Kolben 5 fest, die sich in Ansaugphase befinden.
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Eines der Hauptmerkmale der Erfindung besteht darin, daß zwei umlaufende
Gehäuse 1 und 2 nebeneinander angeordnet sind, wobei die Steuerung der veränderlichen
Pumpenleistung durch ein und dieselbe schwingende Platte 9 von länglicher Form (Fig.
5) bewirkt wird.
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Die Anordnung weist somit zwei Hochdruckpumpen mit Axialkolben und
veränderlicher
Leistung sowie mit gleicher Kinematik und demselben Zylinderinhalt auf. Das Gehäuse
1 (Hauptgehäuse) wird durch eine gerillte Antriebswelle 11 in Drehung versetzt,
die mit einem Ende über das feste Gehäuse 3 hinausragt. Demgegenüber wird das Gehäuse
2 oder Nebengehäuse durch eine Welle 12 angetrieben, die nicht außerhalb des Gehäuses
3 mündet. Die Synchronisierung wird durch zwei starke Getrieberäder 13 und 14 bewirkt,
die auf den Wellen 11 bzw. 12 verkeilt sind. Die Nebenpumpe 2 bis 12 wird also durch
die Hauptpumpe 1 - 11 angetrieben.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die beiden Verbindungs
ritzel 13 und 14 zwischen der schwingenden Platte 9 und der Angriffsstelle 15 der
Antriebswelle 11 angebracht; sie sind in einem festen Gehäuse 16 gelagert, mit dem
sie eine Niederdruck-Zahnradpumpe bilden deren Zylinderinhalt etwas größer ist als
der maximale Zylinderinhalt der Anordnung der beiden Hochdruckpumpen 2, 12 und 1,
11 mit veränderlichem Zylinde rinhalt.
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Diese Niederdruckpumpe 13, 14, 16 kann zusätzliche Funktionen erfüllen.
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Insbesondere kann man sich ihrer bedienen, um den Flüssigkeitskreislauf
zu einem Kühler zu regeln oder als Druckquelle für verschiedene Betriebs vorgänge
zu wirken oder auch eine" Übersättigungspumpe" zur Speisung
der
beiden Hochdruckpumpen 1, 11 und 2, 12 zu bilden. Da der von der Zahnradpumpe 13,
14, 16 zugeführte Zylinderinhalt konstant bleibt, stellt man ihn auf den von den
Hochdruckpumpen aufgenommenen Zylinder -inhalt mittels einer Vorrichtung ein, deren
Arbeitsweise in Fig. 8 darge -stellt ist. Diese Vorrichtung umfaßt einesteils die
Anordnung der Auslaßöffnungen in Fig. 4 und andernteils das in Fig. 9 dargestellte
Einstellventil.
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Wird der Druck in den Druckkreisläufen der Pumpen 1, 11 und 2, 12
hoch, geben diese Hochdruckpumpen geringe Leistung ab. Die Niederdruckpumpe 13,
14, 16 liefert also mehr Flüssigkeit als die Hochdruckpumpen aufnehmen können. Die
überschüssige Leistung muß dann abgeleitet werden. Hierzu dient die bekannte Anordnung
eines tarierten Ventils Jedoch miißte ein solches Ventil einen großen Raum einnehmen
und eine beträchtliche Öffnungsweite bedingen, die sich je nach der durchzulassenden
Fliissigkeitsmenge ändert. Dies hat den Nachteil, daß der Ansaugdruck der Hochdruckpumpen
stark geändert wird. Um diese Naditeile zu beheben, sieht die Erfindung den Ersatz
eines großen Ventils bekannter Bauart durch die in Fig. 4 und 9 dargestellten Vorrichtungen
vor.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß auf der zylindrischen Unterseite der
schwingenden Platte 9 Quernuten 17 (Fig. 2) vorgesehen sind, durch die
die
Spalte 18 und 19 in der Wiege 20, auf denen die Platte 9 ruht, freigelegt werden.
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Um die Durchflußmenge der llochdruckpumpen zu verändern, genügt es
bebanntlich, die Platte 9 auf ihrer festen Wiege 20 schwingen zu lassen.
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Hierbei schließen die Nuten 17 mehr oder weniger die Spalte 18 und
19 kurz, die die Druckleitung 21 der Niederdruckpumpe 14, 13, und 16 mit ihrer Saugleitung
22 in Verbindung setzen. Dieser Kunstgriff macht es möglich, einen Teil der Durchflußmenge
der Niederdruckpumpe kurz ausschließen. Dieser Teil wird durch die schraffierte
Fläche A auf dem Diagramm der Fig. 8 dargestellt, wo der Förderdruck in bar der
Hochdruckpumpen in Ahszissen und ihre Gesamtförderleistung, ausgedrückt in Litern
pro Minute, in Ordinaten aufgetragen ist.
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Die Förderleistung der " tbersättigungspumpe " 13, 14, 16 wird durch
die Kurve a dargestallt. Man erkennt, daß sie sehr wenig über der Menge liegt, die
zur Speisung der iiochdruckpumpen 1, 11 und 2, 12 erforderlich ist, wobei diese
benötigte Leistung durch die Kurve b dargestellt ist, Die Änderungen der von der
t~bersättigungspumpe gelieferten Leistung a folgen sehr genau den Änderungen der
geforderten Leistung b. Die über schtissige Leistung bleibt für die Dauer sehr gering
und wird durch die schraffierte Fläche B dargestellt. Man erkennt, daß zum Ablassen
dieser
Uberschußmange ein kleines Überdruckventil geneigt, das
bei niedrigen Gestehungskosten leicht unterzubringen ist.
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Dieses Ventil 23 (Fig. 7 und 9) ist in einen Zuführungsflansch 24
auf der Seite des festen Gehäuses 3 eingebaut. Die keinen Abmessungen dieses Ventils
23 unterdrücken jede wesentliche Veränderung des Zuflu. ruckes der Hochdruckpumpen.
Außerdem gestattet seine Anbringung an einem abnehmbaren Flansch 24 nur die Verwendung
eines einzigen Normalgehäusetyps 3 mit der Gruppierung der Nieder- und Hochdruckpumpen,
wobei der einfache Austausch des Flansches 24 die Anbrng von Ventilen 23 verschiedener
Größe je nach den für die Pumpe vorgesehenen Förderleistungen gestattet. Der Vorteil
macht sich besonders fühlbar, wenn es sich um Hochdruckpumpen mit hoher Gesamtleistung,
z. B. über zweihundert Liter pro Minute, handelt.
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Damit die Platte 9 trotz der hohen Drücke, denen sie unterworfen ist,
frei auf der Wiege 2p schwingen kann, sind auf dem zylindrischen Teil dieser Wiege
9, in dem Bereich, wo sich der Druckmittelpunkt der Kolben bemerkbar macht, Kammern
25 (Fig. 2 und 6) vorgesehen, die die unter Druck stehende, aus den hydraulischen
Kreisläufen durch die Kanäle 26 kommende Flüssigkeit aufnehmen.
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Jeder der beiden Pumpen 1, 11 und 2, 12 entspricht eine Kammer 25
die
sich wie eine Schraubenwinde verhält indem sie die Platte 9 von ihrer Wiege 20 wegzudrticken
versucht, was die Hertz schen Drücke zwischen diesen beiden Elementen verringert.
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Auf diese Weise wird das Kippen der Platte 9 erleichtert, umsomehr
als ein Ölfilm unter Druck zwischen die Kontaktflächen eingeftihrt wird, wodurch
eine Druckschmierung der Gleitflächen bewirkt wird. Dieses erleichterte Gleiten
bewirkt eine sehr elastische Arbeitsweise und eine sehr große Genauigkeit in der
Winkeleinstellung der Platte 9 ; hieraus ergibt sich eine sehr gute Abgrenzung der
Leistungsregelungskurve mit sehr kleiner Hysteresis.
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Dieser Ausgleich läßt sich genau abgrenzen, indem man den Querschnitt
der Kammern 25 zweckmäßig bemißt ; die entsprechende Rückwirkung stellt schließlich
einen bestimmten Prozentsatz des Betriebsdruckes des Kreislaufsystems dar. Ebenso
bleibt dieser Ausgleich streng proportional dem Betriebsdruck der Pumpe. Jed dieser
beiden Pumpen 1, 11 und 2, 12 wird so für sich besonders entsprechend ihrem Förderdruck
ausgeglichen.
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Das den beiden Hochdruckpumpen gemeinsame Regelsystem ist zwischen
beiden angeordnet, uvd zwar paralell zu ihren Drehachsen. Dieses Regelsystem von
der als " Leistungsregelung " bezeichneten Ausfahrung ermöglichst
eine
solche Einstellung der schwingenden Platte 9, daß die Summe der von den Pumpen 1,
11 und 2, 12 geförderten Mengen multipliziert mit der Summe der in jedem hydraulischen
Kreislauf vorherrschenden Drücke einer konstanten Leistung entspricht. Dies wird
durch die Beziehung 2 . Q ( P1 + P2 ) x ernst aus gedrückt.
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Fine solche Vorrichtung wird erhalten, indem man die Winkeleinstellung
der Platte 9 einem Regelsystem unterwirft, das folgendes umfaßt - Ein federndes
Element, dessen Flexibilität dur!i Übereinanderanordnung von drei Federn 27, 28,
29 oder mehr (Fig. 3) veränderlich gemacht wird - Eine Anordnung - von zwei Schraubenwinden
30 ( Fig. 3), deren Anbringung koaxial erfolgen kante, wobei jede von ihnen auf
den in einem der Kreisläufe vorherrschenden Druck anspricht.
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Dadurch wird eine Förderleistungskurve mit hyperbolischen Merkmalen
begrenzt,
wenn man den Förderdruck in bar in Abszissen und die Leistung in Litern pro Min;iten
in Ordinaten austrägt.
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Die Schwingachse 31 der Platte 9 (Fig. 3) liegt außerhalb der viton
den beiden Drehachsen der Pumpen begrenzten Ebene 32. Dies widerspricht den Beobachtungen
bei bekannten Pumpen. Es ist bekannt, daß die übliche Anordnung, die darin bestunde,
die Achse 31 in der Ebene 32 unterzubringen, Nachteile gegenüber den Pumpen aufweist,
deren Zylinder mit einer ungeraden Zahl Kolben ausgeriistet ist. Tatsächlich entspricht
die Zahl der Kolben unter Druck abwechselnd drei zu vier, wenn sieben vorhanden
sind, filnf zu vier, wenn bestehen usw.
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Infolgedessen verläuft der aus den Kolben auf der schwingende Platte
resultierende Druckmittelpunkt oberhalb oder unterhalb einer zur Totpunktlinie lotrechten
Linie, die den Drehpunkt enthält ( Achse 32 in Fig> 7).
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Bei Anwendung der üblichen Anordnung würde also die Platte 9 abwechselnd
vorwärts und rückwärts mit einer Frequenz schwingen, die eine Funktion der Zahl
der Kolben 5 und der Umlaufgeschwindigkeit der Pumpe ist. Die daraus entstehende
Schwingung würde die die Plattenneigung bewirkenden Organe anormal ermiiden und,
wie oft zu beobachten ist, örtliche Zerstörungen durch Verstemmen oder durch Bruch
hervorrufen.
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Demgegenüber gewährleistet das System nach der Erfindung, wo die Schwingachse
31 außerhalb der Ebene 32 liegt, eine Polarität, die im Kippt nennt immer dieselbe
bleibt. Man kann diesen Moment je nach dem erstrebten Zweck vollkommen positiv oder
negativ gestalten, wodurch gleichzeitig die oben erwähnten Wechselbewegungen unterdrückt
werden. Wird nun diese Achse 31 außerhalb des äußersten Lagepunktes der allgemeinen
resultierenden der Kolbengegendriicke gelegt, erhält man ein Kippmoment von veränderlicher
Intensität, dessen Richtung jedoch immer gleich bleibt. Die Platte 9 wird so stabilisiert
und die Regelungsfunktion dadurch verbessert.
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Die Verschiebungsamplitude 33 kann entsprechend den Anwendungszweck
gewählt werden.
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Damit die Doppelpumpe nach der Erfindung noch regelmäßiger arbeitet
und störende Knäfte bei der Schrägstellung der Platte 9 auszuschalten, xrden die
Kippmomente der beiden Hochdruckpumpen so zusammengesetzt, daß die beiden Gehäuse
1 und 2 in Schräglage zueinander verschoben werden, um den regelmäßigsten Wert des
resultierenden Moments zu finden. Die Phasen- Verschiebungsamplitude richtet sich
nach der Zahl der Kolben 5 und dem zuvor definierten Wert der Amptitude 33.
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Im Falle zweier Pumpen 1> 11 und 2, 12, deren Gehäuse 1 und 2 je
neun Kolben 5 aufweist, ergibt die Berechnung, daß der geeignestte Verschiebungswinkel
zwischen den Gehäusen 1 und 2 etwa 100 beträgt, um ein Moment von maximaler Regelmäßigkeit
zu gewährleisten. Dieser Verschiebungswinkel ist in Fig. I mit 34 bezeichnet. Er
erweist sich als vorteilhaft nicht nur hinsichtlich des Kippmoments der Platte 9,
sondern auch der Regulierung des Antriebsmoments der Welle 11. Die durch diese Hauptwelle
zu übertragenden Momentänderungen sind weniger bedeutend und erst mit der Zeit wahrnehmbar.
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Um dieses praktische Resultat zu erzielen, sind unter Beibehaltung
gleicher Organe an den beiden Hochdruckpumpen alle geometrischen Unterschiede auf
die einzige Nebenwelle 12 übertragen worden. Es geniiJt, daß auf dieser Welle 12
die Mitnehmerrillen 35 um den gewünschten Winkel zu den Rillen 36 der Hauptwelle
11 verschoben sind.
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Die schwingende Platte 9 wird auf ihrer Wiege 20 mittels eines Stößels
37 (Fig. 2 und 3) gehalten, dessen Druck durch eine tarierte Feder 38 reguliert
wird. Das Ende dieses Stößels 37 stützt sich auf die Platte 9 ab und sie weist ein
auf der theoretischen Achse 31 zentriertes, abgerundates Profil auf, sodaß die Platte
9 um das Ende des Stößels 37 herum abrollt, wenn sie schwingt. Dieser Stößel hält
die Platte 9 in ihrer Lage und hindert sie am Hochgehen unter der Wirkung der Kolben
5, die sich in
der Rücklaufperiode während der Ansaugphase befinden.
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Eine weitere Funktion dieses Stößels 37 besteht darin, beim Verstellen
die Lage der Platte 9 zu begrenzen, die sich einfach auf ihre Wiege 20 abstützt.
Zwei Hallflächein 3; a sind am Ende des Stößels 37 vorhanden und dienen als Anschläge
an den Seiten gegenwerden Flanschen 10 ( Fig; 3 und 5).
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Die Mitnehmerwelle der gemäß der Erfindung konstruierten Pumpe, d.
h. die Hauptwelle ll, wird mittels dreier Lager 39, 40 und 41 ebenso wie die Nebenwelle
12 ( Fig. 2) in ihrer Lage gehalten. Wie ersichtlich, sichert einzig das Lager 40
die Längseinstellung jeder Welle 11 und 12.
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Die sciiwingende Platte 9, die den einheitlichen Zylinderinhalt jeder
Hochdruckpumpe begrenzt, ist diesen beiden Elementen gemeinsam.
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Dadurch wird sichergestellt, daß die beiden Pumpen 1, 11 und 2, 12
immer gleiche Zylinderinhalte behalten, zumal ihre Bauteile unter sich ebenfalls
gleich sind. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn es sich darum handelt, genaue
Simultanbewegungen bei verschiedenen Drücken in jedem hydraulischen Förderkreislauf
zu bewirken. Andererseits ist es nützlich, daß eine beiten Pumpen gemeinsame schwingende
Platte 9 vorhanden ist, um
1. den Raumbedarf zu verringern, indem
alle Verbindungsmittel zwischen zwei Pumpenplatten weggelassen werden, die erforderlich
sind, wenn man darauf angewiesen wäre, im gleichen Gehäuse nebeneinander zwei Zylinderpumpen
gleicher Bauart zu montieren. Die fraglichen Verbindungsorgane werden mit der Zeit
nicht mehr spielfrei bleiben oder sonstwie aus dem rechten Gang kommen ; 2. eine
leichte Bearbeitung zu ermöglichen ; 3. eine Platte 9 mit erhäphter Festigkeit und
maximaler Auflagefläche auf der Wiege 20 zu haben, wodurch die Berührungsdrücke
verringert w erden; 4. auf der Zylinderfläche der Platte 9 Nuten oder Vertiefungen
17 anzuordnen, die Reglerfunktionen ffir die Förderleistung der Niederdruck pumpe
13> 14, 16 16 sowie der Ausgleichskammern 25 erfüllen; 5 ihrer ein einziges Leistungsreglungssystem
zu verfügen, das auf die Platte 9 direkt und symmetrisch zu jeder Pumpe 1, 11 und
2, 12 wirkt.
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Schließlich bietet die Pumpenkonstruktion nach der Erfindung folgende
Vorteile
- große Festigkeit (hohe Widerstandsfähigkeit ) - niedrigere
Kosten; - hohe Förderleistung; Jo.. glichkeit der Leistungsregelung; - leichte Regelung;
- leichte Wartung.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht sich lediglich auf ein Ausführungsbeispiel
ohne Einschränkung; der Erfindungsbereich wird nicht über schritten, wenn die beschriebenen
Ausführungseinzelheiten durch andere äquivalente Anordnungen ersetzt werden.
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Insbesondere greift es nicht über den Rahmen der Erfindung hinaus,
wenn auf der einzigen schwingenden Platte 9 nicht mehr nur eine einzige ebene Fläche
8, sondern zwei Druckflächen in bestimmten Schränkwinkeln zueinander vorgeseheqwerden,
sodaß jetzt eine Pumpe 1, 11 vorhanden ist, deren Zylinderinhalt größer ist als
derjenige der anderen Pumpe 2, 12, während das Regelungssystem der Lösung der hiermit
gestellten Aufgabe angepaßt wird.
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Patentansprüche.