DE19508561C2 - Schraubenspindelpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenspindelpumpe mit wenigstens einer am druckseitigen Ende einen Kolben aufwei­ senden Spindel, der in einer Ausgleichsbuchse verschieb­ blich lagert und dessen Stirnfläche im Innenraum der Aus­ gleichsbuchse deren Boden abstandsveränderlich gegenüber­ steht, wobei der Innenraum mit der Saugseite der Schrauben­ spindel verbunden ist sowie beim Anliegen der Stirnfläche des Kolbens am Boden der Ausgleichsbuchse der Druckraum mit dem Saugraum der Schraubenspindelpumpe über den Kolben ver­ bunden ist.

Bei Schraubenspindelpumpen herkömmlicher Bauart treten auf­ grund der Spindelgeometrie bzw. des tribologischen Systems freie axiale Kräfte auf, die mittels verschiedener Mecha­ nismen zu eliminieren sind. Die hydraulischen Kräfte werden durch Ausgleichskolben bzw. Ausgleichsflächen kompensiert. Die verbleibende Restkomponente, die sich aus der auftre­ tenden Reibung ergibt, wird an entsprechenden Anlaufflächen abgestützt. Diese Ausführung ist jedoch bei niederviskosen und schlechtschmierenden Medien kritisch, da Mischreibungs­ zustände auftreten können. Zudem ist dieses System nicht in der Lage, durch dynamische Druckwechselvorgänge oder Gas im Medium hervorgerufene Schwingungszustände abzudämpfen, was im ungünstigsten Falle zu kritischen Belastungen an den Bauteilen führt.

Eine Schraubenspindelpumpe der eingangs genannten Art ist der DE 15 28 939 A zu entnehmen, bei der die Schrauben in beschränktem Maße axial frei beweglich sind, wobei an einem Ende jeder dieser Schrauben eine Ausgleichskammer angeord­ net ist, die einerseits über eine mit einem Engpass versehenen Kanal mit der Hochdruckseite, andererseits über einen weiteren, ebenfalls mit einem Engpass versehenen Kanal mit der Niederdruckseite der hydraulischen Maschine derart ver­ bunden sind, dass sich in jeder der Ausgleichskammern selbsttätig ein Druck einstellt, der in seiner Größe zwischen dem Druck auf der Hochdruckseite und dem Druck auf der Niederdruckseite liegt. Jener Druck wirkt den auf die zugeordneten Schrauben einwirkenden Kräften so entgegen, dass diese im wesentlichen ausgeglichen werden; die zuge­ ordneten Schrauben schwimmen während des Betriebes der hydraulischen Maschine im Arbeitsmittel und kommen axial mit keiner festen Fläche in Berührung. Wenigstens ein diesen Ausgleichskammern zugeordneter Engpass ist so ausge­ bildet und angeordnet, dass dessen Wirkung durch die Axial­ bewegung der zugeordneten Schraube so beeinflusst wird, dass sich der Druck in der zugeordneten Ausgleichskammer auf den jeweils zum Kräfteausgleich erforderlichen Betrag selbsttätig einstellt.

Die DE 27 45 646 A1 beschreibt eine gattungsgemäße hydrau­ lische Maschine, in welcher der Kolben der Förderspindel von einer Hülse umschlossen ist, deren Innenraum über ein Bodenloch mit einem Kanalsystem der Saugseite kommuniziert. Somit zeigt diese Vorveröffentlichung einen Axialschubaus­ gleich für die Laufspindeln, bei welchem der für den Schubausgleich erforderliche Druck in der Ausgleichsbüchse durch einen sich selbständig einstellenden Axialspalt gere­ gelt wird. Die Steuerung über den zwangsweise engen Axialspalt führt allerdings dazu, daß die Laufspindel zu wenig Platz zum Einstellen hat und infolgedessen bei Laständerung oder sonstigen Schwingungen an der Ausgleichs­ buchse anläuft.

Zudem offenbart die DE 27 45 646 A1 eine saugseitige Anord­ nung der Ausgleichsbüchsen; bei dieser werden nachteiliger­ weise die Laufspindeln durch die axiale Druckkraft ge­ staucht, was zu einer Knickung der Spindel und zu Verän­ derungen an der Spindelsteigung führen kann.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, die oben erwähnte Restkomponente aus der auftretenden Reibung zu kompensieren und die dadurch entstehenden Bauteilbelastungen zu vermindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildun­ gen an.

Erfindungsgemäß enthält der Kolben eine Querbohrung, die einerseits mit einer die Wandung der Ausgleichsbuchse durchsetzenden Radialbohrung sowie andernends mit dem Saugraum verbunden ist.

Als günstig hat es sich erwiesen, in dem Kolben eine an die Querbohrung anschließende Sackbohrung vorzusehen, welche mit einem an sich bekannten Durchbruch im Boden der Ausgleichsbuchse fluchtet und mit ihr bei Anlage der Kolbenstirnfläche an den Boden einen Strömungsdurchgang erzeugt. Bei einer anderen Ausführung ist der Boden geschlossen und die Spindel mit einer Längsbohrung versehen, die den Innenraum der Ausgleichsbuchse gegebenenfalls mit dem Saugraum verbindet.

Solange sich der Kolben in Abstand zum Boden der Ausgleichsbuchse befindet, ist der Durchgang vom Druckraum zum Saugraum gesperrt und wird erst dann geöffnet, wenn sich - wie gesagt - die Kolbenstirnfläche an den Boden der Ausgleichsbuchse anschmiegt.

Zudem hat es sich als günstig erwiesen, den Abstand der Radialbohrung der Ausgleichsbuchse von deren Boden dem Abstand der Stirnfläche des Kolbens von dessen Querbohrung entsprechen zu lassen.

Ein anderes Merkmal ermöglicht den Anschluß der Querbohrung an die Radialbohrung auch dann, wenn der Kolben Bewegungen um die Längsachse ausgesetzt ist; dazu mündet die Querbohrung mit ihrem der Sackbohrung fernen Ende in eine Umfangsnut des Kolbens, welche in der beschriebenen Endstellung die Radialbohrung der Ausgleichsbuchse in jedem Falle erfaßt.

Dank der beschriebenen Maßgaben wird mittels hydraulischer Kraftkomponenten entsprechend den auftretenden axialen Kräfte ein Kräftegleichgewicht hergestellt und gleichzeitig gewährleistet, daß die Spindeln in jedem Betriebszustand frei von axialen Belastungen sind. Letzeres wirkt sich auch auf die Standdauer der Bauteile förderlich aus.

Als weiterer Effekt ist anzusehen, daß dieses System in der Lage ist, Axialschwingungen zu verhindern bzw. zu dämpfen, da es sich auf die jeweils herrschende Belastungssituation einstellt. Die Dämpfungsparameter können durch geeignete Wahl der Geometrie vorgegeben werden.

Beim Anmeldungsgegenstand wird der Druck in der Ausgleichsbuchse über eine Steuerkante geregelt. Die Laufspindel kann axial frei beweglich sein, weshalb die Gefahr des Anlaufens am Büchsenboden hintangehalten wird.

Dank der Anordnung der Lagerung an der Druckseite können keine nachteiligen Stauchkräfte auf die Laufspindel einwirken.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils schematisch in

Fig. 1 den einen Endbereich einer Laufspindel mit Ausgleichsbuchse im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Teil der Fig. 2 in anderer Darstellung;

Fig. 3 eine der Fig. 1 etwa entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform.

An das Ende einer Laufspindel 10 an der Austrittsseite einer nicht weiter dargestellten Schraubenspindelpumpe ist ein Kolben 12 des Durchmessers d angeformt, der mit Gleitpassung axial verschiebblich und drehbar im Innenraum 14 einer Buchse 16 lagert.

Der Innenraum 14 ist durch eine in der Längsachse A liegende Bohrung 18 im Boden 20 der Buchse 16 sowie einen anschließenden Kanal 22 mit der Niederdruckseite der Schraubenspindelpumpe verbunden. Die Zylinderwandung 17 der Buchse 16 wird in mittlerem Abstand a vom Boden 20 von einer Radialbohrung 24 durchsetzt, die in den Druckraum 26 der Schraubenspindelpumpe mündet.

Im mittleren Abstand b von der Stirnfläche 28 des Kolbens 12 ist in diesem eine Umfangsnut 30 der Tiefe e vorgesehen. Jener Abstand b entspricht dem Abstand a zwischen Buchsenboden 20 und Radialbohrung 24; befindet sich also der Kolben 12 am Buchsenboden 20, steht die Umfangsnut 30 an der Radialbohrung 24 und bildet mit ihr eine Steuerkante.

Vom Tiefsten der Umfangsnut 30 geht im Kolben 12 eine Querbohrung 32 aus, die in eine axiale Sackbohrung 34 mündet und durch diese mit der Stirnfläche 28 des Kolbens 12 bzw. dem Innenraum 14 der Buchse 16 verbunden ist. Auf diese Weise besteht eine Strömungsverbindung 24/32/34 zwischen dem Druckraum 26 und jenem Innenraum 14.

Die Laufspindel 10 wird im Betrieb durch die Kräfte
F_R (Reibleistungsschub);
F_I (Impulskraft oder Störkraft)
beaufschlagt. Die Impulskraft oder Störkraft F_I entsteht beispielsweise bei Druckstößen od. dgl. Diese Kräfte bewirken eine Verlagerung der Laufspindel 10 zur Druckseite hin, wodurch sich der geöffnete Querschnitt zwischen der Radialbohrung 24 und der Umfangsnut 30 vergrößert. Mit der Vergrößerung dieses Querschnitts erhöht sich der Volumenstrom Q_S infolge des Druckgefälles p_DRUCK im Druckraum 26 zu einem Staudruck p_S im Innenraum 14 der Buchse 16. Dieser Staudruck p_S führt zu einer den Kräften F_R und F_I entgegenwirkenden Rückstellkraft F_S, wodurch sich ein der jeweiligen Belastung entsprechendes Gleichgewicht einstellt. Die Rückstellkraft ist durch folgende Formel charakterisiert:

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Sackbohrung 34 parallel aus der Längsachse A verschoben, da in letzterer ein Längs- oder Axialkanal 36 die Kolbenstirnfläche 28 mit dem anderen Ende 38 der Laufspindel 10 _a verbindet. Hierdurch wird die Bohrung 18 im Boden 20 ebenso überflüssig wie der Kanal 22 in Fig. 1; der Innenraum 14 der Buchse 16 ist mit der Niederdruckseite durch diesen Längskanal 36 verbunden.

Claims (8)

1. Schraubenspindelpumpe mit wenigstens einer am druckseitigen Ende einen Kolben (12) aufweisenden Spindel (10), der in einer Ausgleichsbuchse (16) verschieblich lagert und dessen Stirnfläche (28) im Innenraum (14) der Ausgleichsbuchse deren Boden (20) abstandsveränderlich gegenübersteht, wobei der Innenraum mit der Saugseite der Schraubenspindel verbunden ist sowie beim Anliegen der Stirnfläche (28) des Kolbens am Boden der Ausgleichsbuchse der Druckraum (26) der Schraubenspindelpumpe mit ihrem Saugraum über den Kolben verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Querbohrung (32) des Kolbens (12) einerseits mit einer die Wandung (17) der Ausgleichsbuchse (16) durchsetzenden Radialbohrung (24) sowie anderseits mit dem Saugraum verbunden ist.

2. Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stirnfläche (28) des Kolbens (12) und dem Saugraum ein Kanal (36) innerhalb der Spindel (10 _a) verläuft.

3. Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (12) in Längsrichtung der Spindel (10 _a) eine Sackbohrung (34) verläuft, in welche dessen Querbohrung (32) mündet.

4. Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36) in der Längsachse (A) der Spindel (10 _a) vorgesehen ist und die Sackbohrung (34) etwa parallel dazu verläuft.

5. Schraubenspindelpumpe mit wenigstens einer an eine Saugraumleitung angeschlossenen Bohrung im Boden der Ausgleichsbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, dass mit der Bohrung (18) im Boden (20) der Ausgleichsbuchse (16) eine Sackbohrung (34) des Kolbens (12) fluchtet, in welche dessen Querbohrung (32) mündet.

6. Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der Radialbohrung (24) der Ausgleichsbuchse (16) von deren Boden (20) dem Abstand (b) der Stirnfläche (28) des Kolbens (12) von dessen Querbohrung (32) entspricht.

7. Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung (32) des Kolbens (12) mit ihrem der Sackbohrung (34) fernen Ende in eine Umfangsnut (30) des Kolbens mündet.

8. Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialbohrung (24) der Ausgleichsbuchse (16) mit der Querbohrung (32) des Kolbens (12) eine Steuerkante bildet.