DE19530507A1 - Pumpe variabler Förderung mit Überström-Steuerung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Pumpen mit variabler Förderung.

Es ist natürlich allgemein bekannt, unter Druck stehendes Hydraulikfluid mittels einer Pumpe zu fördern. Es ist auch allgemein bekannt, die Fördermenge der Pumpe derart zu variieren, daß sie den Betriebsbedingungen des Hydraulikkreises genügt, mit dem die Pumpe verbunden ist. Wenn die Pumpe eine feststehende Kapazität bzw. Leistung besitzt, läßt sich die Strömungsrate bzw. Fördermenge durch Verstellen der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe variieren, doch dies ist im allgemeinen in solchen Fällen mühsam, in denen der zum Betreiben der Pumpe verwendete Motor zur Ausführung einer Rotationsbewegung mit einer konstanten Drehzahl ausgelegt ist, wie dies z. B. bei einem Elektromotor der Fall ist. In Fällen, in denen eine variable hydraulische Strömungsrate bei einer Pumpe mit feststehender Kapazität benötigt wird, wird daher üblicherweise ein Hydraulikventil in dem Kreis zum Steuern der Strömungsrate verwendet. Dies bedeutet normalerweise jedoch, daß unter Druck stehendes Fluid über ein Druckfreisetzventil umgeleitet wird, wodurch eine beträchtliche Erwärmung des Hydraulikfluids sowie ein gesteigerter Energieverbrauch entstehen.

Hydraulikpumpen mit variabler Kapazität verwenden eine Veränderung bei der Hubbewegungsstrecke der Pumpe zum Variieren der Strömungsrate. Dies erfolgt typischerweise mittels einer einstellbaren Taumelplatte, die um eine quer zu der Rotationsachse verlaufende Achse einstellbar ist und auf die Kolben wirkt, um deren Hubbewegungsstrecke zu variieren. Es sind ähnliche Anordnungen vorhanden, bei denen die Kolben durch Universalgelenke mit einem rotierenden Kopf der Pumpe verbunden sind und bei denen sich die Ausrichtung des Kopfes relativ zu den Kolben verstellen läßt. Solche Pumpen werden zwar häufig verwendet, doch sind diese Pumpen hinsichtlich ihrer Einstellbarkeit mechanisch komplex sowie schwer einzustellen, wenn niedrige oder ganz geringfügige Strömungsraten erforderlich sind. Es besteht daher ein Bedarf für eine Hydraulikpumpe mit variabler Fördermenge, bei der sich die vorstehend genannten Nachteile vermeiden oder zumindest abschwächen lassen und die dennoch kostengünstig herstellbar sowie mechanisch einfach ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Hydraulikpumpe geschaffen, die wenigstens einen innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegbaren Kolben aufweist. Dem Inneren des Zylinders wird von einem Einlaß her Fluid zugeführt, und an dem Kolben ist eine Überströmöffnung vorgesehen. Eine verstellbare Hülse ist auf dem Zylinder angeordnet und läßt sich derart einstellen, daß sie die Überströmöffnung bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders bedeckt. Durch Variieren der Position, an der die Überströmöffnung bedeckt wird, läßt sich der Teil der Hubbewegung einstellen bzw. verstellen, während dessen unter hohem Druck stehendes Fluid von dem Zylinder abgegeben wird, wodurch eine einstellbare Abgabe von der Pumpe ermöglicht ist. Während desjenigen Teils der Hubbewegung, während dessen die Überströmöffnung unbedeckt ist, wird Fluid unter normalen, niedrigen Druckbedingungen aus dem Zylinder ausgetragen.

Vorzugsweise sind mehrere Kolben um eine Achse herum angeordnet, wobei die entsprechenden Hülsen gemeinsam durch einen Steuerkolben einstellbar sind, der auf die Gesamtheit der Hülsen wirkt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Pumpenanordnung; und

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Pumpenelemente.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, besitzt eine allgemein bei dem Bezugszeichen 10 dargestellte Pumpe einen Zylinderblock 12 und ein Antriebsgehäuse 13. Der Block 12 ist mit einer Anzahl von Zylindern 14 ausgebildet, die umfangsmäßig beabstandet um eine zentrale Achse herum angeordnet sind, die bei dem Bezugszeichen 16 dargestellt ist. Die Zylinder 14 sind durch innere Galerien 18 mit einem Auslaß 20 verbunden. Jeder der Zylinder 14 ist durch eine zylindrische Büchse 15 gebildet, die sich in einer Bohrung 17 in dem Block 12 befindet.

Ein Kolben 22 ist in jedem der Zylinder 14 gleitend verschiebbar aufgenommen, so daß er parallel zu der Achse 16 hin- und herbewegbar ist. Die Kolben 22 sind durch eine Trennwand 24 gleitend verschiebbar gehaltert und werden durch einen Antrieb 26 zur Ausführung einer Hin- und Herbewegung veranlaßt. Der Antrieb 26 beinhaltet eine Kurbelwelle 28 mit einer Antriebswelle 30, die mit einem nicht gezeigten Motor verbunden ist. Die Kurbelwelle 28 weist eine schräg angeordnete Antriebsfläche 32 auf, auf der ein Lagerring 34 gehaltert ist, der eine nicht rotierende Schrägplatte 36 trägt. Die Schrägplatte 36 befindet sich in Eingriff mit Stößeln 38, die von den Kolben 22 getragen werden, so daß bei Rotation der Antriebswelle 30 die Kolben 22 zur Ausführung einer Hin- und Herbewegung in den Zylindern veranlaßt werden.

Hydraulikfluid wird durch eine Öffnung 40 und innere Kanäle zu einer Galerie 42 befördert, die innerhalb des Gehäuses 13 nahe dem Zylinderblock 12 vorgesehen ist. Die Galerie 42 kommuniziert mit einer Querbohrung 44, die in dem Kolben 22 vorgesehen ist und mit einer Zuführgalerie 46 kommuniziert, die sich den Kolben 22 axial entlangerstreckt. Der Kolben 22 beinhaltet eine Senkbohrung 48, die durch eine innere Hülse 49 definiert ist, die sich zu der Zuführgalerie 46 erstreckt und an ihrem entfernten bzw. inneren Ende eine Rückschlagventilanordnung 50 aufweist. Die Rückschlagventilanordnung 50 beinhaltet einen ringförmigen Sitz 52 und ein Scheibenventilelement 54, das durch eine Feder 56 gegen den Ventilsitz 52 vorgespannt ist. Die Feder 56 ist durch einen Schnappring 58 festgehalten, so daß durch die Querbohrung 44 und die Zuführgalerie 46 eingeleitetes Fluid an dem Scheibenventilelement 54 vorbei in den Zylinder 14 hineinströmen kann. Die Strömung von dem Zylinder 14 zu dem Lieferkanal 18 wird durch ein Rückschlagventil 60 reguliert.

Der Kolben 22 ist mittels einer Feder 62, die zwischen der Trennwand 24 und einer Festhaltescheibe 64 wirkt, in Richtung von dem Kanal 18 weg vorgespannt. Die Scheibe 64 ist durch einen Spaltkragen 66 auf einer Antriebsstange 68 befestigt, die als Verlängerung des Kolbens 22 ausgebildet ist. Die Stange 68 drückt gegen eine Innenfläche 70 des Stößels 38. Der Stößel 38 ist an seiner radial äußeren Oberfläche 72 in einer Bohrung 74 des Gehäuses 13 gleitend verschiebbar gelagert. Der Kopf des Stößels 38 ist konisch, um eine Kontaktlinie mit der Schrägplatte 36 zu schaffen.

Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, beinhaltet der Kolben 22 radial verlaufende Kanäle 80, die einen Überströmweg für Hydraulikfluid von dem Zylinder 14 schaffen. Die Kanäle 80 sind umfangsmäßig um den Kolben 22 herum angeordnet. Eine ringförmige Hülse 82 ist auf jedem der Kolben 22 angebracht und besitzt auf ihrem Umfang einen nach außen gerichtete Rinne 84. Die Rinne 84 befindet sich in Eingriff mit einer Radialscheibe 86 an einem Hubbewegungs- Einstellelement, das allgemein bei dem Bezugszeichen 88 dargestellt ist und einen Steuerkolben 90 aufweist, der sich von der Scheibe 86 in einen Steuerzylinder 92 hineinerstreckt. Dem Steuerzylinder 92 wird Steuerdruck durch einen Steuerkanal 94 zugeführt, und das Einstellelement 88 ist mittels einer Feder 96 derart vorgespannt, daß das Volumen der Kammer 92 auf ein Minimum reduziert ist. Eine Anzeigestange 98 ragt von dem Steuerkolben 90 weg in eine Bohrung in dem Gehäuse 13. Die Stange 98 trägt einen Magneteinsatz 100, der mit einem Halleffekt-Sensor 102 zusammenarbeitet, um ein Positions-Rückkopplungssignal zu schaffen, das die Position des Elements 90 anzeigt. Der dem Steuerzylinder 92 zugeführte Druck wird durch ein Proportional-Drucksteuerventil 104 moduliert, das ein Steuersignal von einem elektronischen Steuermodul 106 erhält. Der Steuermodul 106 befindet sich in einem Gehäuse 108, das mit dem Zylinderblock 12 verbunden ist, und er erhält interne Steuersignale von dem Positionssensor 98 sowie externe Steuersignale über ein Kopplungseinrichtung 110. Außerdem liefert der Modul 106 ein Steuersignal an das Ventil 104.

Im Betrieb verursacht eine Rotationsbewegung der Antriebswelle 30 eine Hin- und Herbewegung der Kolben 22 innerhalb der Zylinder 14. Bei der Bewegung jedes Kolbens 22 zur Reduzierung des Volumens des zugehörigen Zylinders 14 wird Fluid durch den Überströmkanal 80 zum Sumpf ausgetrieben. Das Rückschlagventil 60 verhindert eine Strömung zu dem Lieferkanal 18, bis ein ausreichender Druck zur Verlagerung des Rückschlagventils in dem Zylinder 14 erzeugt wird.

Bei der teleskopartigen Bewegung des Kolbens 22 in seinen Zylinder 14 hinein verlagert sich der Übertrömkanal ins Innere der Hülse 82, um eine weitere Strömung durch den radialen Kanal 80 zu verhindern. Eine weiter nach innen gehende Bewegung des Kolbens 22 führt zu einem Druckanstieg in dem Zylinder 14 sowie zum Zuführen von Fluid zu dem Kanal 18. Bei umgekehrter Kolben-Hubbewegung verhindert das Rückschlagventil 60 ein Zurückströmen von dem Kanal 18, und das Rückschlagventil 50 öffnet sich, um eine Strömung von der Zuführgalerie 40 durch die Querbohrung 44 sowie den Zuführkanal 46 die Bohrung 48 zu ermöglichen. Es versteht sich, daß sich das Rückschlagventil 50 öffnen kann, sobald der Druck in dem Zylinder 14 unter den Druck in der Zuführgalerie absinkt, wobei dies unmittelbar bei Umkehr der Hubbewegung erfolgt. Dies schafft eine maximale Zeitdauer, in der das Fluid in dem Zylinder aufgefüllt wird, und es vermeidet einen negativen Druck bzw. Unterdruck auf den Zylinder 14. Das Fluid wird den Zylindern 14 von innerhalb des Gehäuses 13 her zugeführt, so daß eine ausreichende Zufuhr von Fluid zur Verfügung steht.

Der Punkt, an dem die Hülse 82 den Zuführkanal 80 schließt, wird durch die Position des Steuerelements 90 bestimmt. Der Einlaß von Fluiddruck durch den Steuerkanal 84 in die Kammer 92 hinein verursacht eine axiale Verlagerung des Einstellelements 90, wodurch die Hülse 82 den Kolben 22 axial entlang bewegt wird. Der Druck in dem Kanal 94 wird durch das Ventil 104 in Abhängigkeit von Steuersignalen gesteuert, die von dem Steuermodul 106 verarbeitet werden. Wenn die Hülse 82 entgegen der Wirkung der Feder 96 in Richtung auf den Zylinderblock 12 bewegt wird, wird der Überströmkanal 80 im Verlauf der Hubbewegung später geschlossen, wodurch ein reduziertes Fluidvolumen bei jeder Hubbewegung des Kolbens in den Lieferkanal 18 verdrängt wird. In der in Fig. 2 in durchgezogener Linie dargestellten Position befindet sich die Hülse 82 in einer maximalen Verlagerungsposition, während die minimale Verlagerung in gestrichelter Linie dargestellt ist.

Bei der dargestellten Anordnung erfolgt ein Überströmen des überschüssigen Fluids bei niedrigem Druck, wodurch eine übermäßige Erhitzung des Fluids sowie ein übermäßiger Energieverbrauch vermieden werden. Die durch die Kurbelwelle auf den Kolben ausgeübten Radialkräfte werden durch die bei dem Bezugszeichen 72 dargestellten Lager in dem Gehäuse 13 absorbiert, wodurch eine freie Gleitbewegung der Kolben 22 ermöglicht ist. Die Kapazität der Pumpe 10 wird durch den Positionssensor 100 angezeigt, um Flexibilität bei der Steuerung der Pumpe 10 zu schaffen. Eine Strömungssteuerung der Pumpe 10 läßt sich durch Überwachen des Signals von dem Sensor 102 sowie durch derartiges Einstellen der Hülse 82 erzielen, daß der Sensor 102 einen voreingestellten Wert beibehält.

Eine Drucksteuerung läßt sich erzielen durch Überwachen des dem Lieferbereich 20 zugeführten Drucks sowie Einstellen des Steuerdrucks in der Kammer 92 zur Aufrechterhaltung der maximalen Strömung ohne Überschreiten des Drucklimits.

Durch Kombinieren der beiden Steuerfunktionen läßt sich durch den Modul 106 eine Leistungssteuerung erzielen, bei der sich entweder der Druck oder die Strömung steuern läßt und sich der andere Parameter zum Begrenzen der aufgenommenen mechanischen Leistung variieren läßt.

In jedem Fall läßt sich die Hülse 82 derart einstellen, daß sie eine exakte Steuerung der Strömungsrate schafft, wobei eine überschüssige Strömung bei niedrigen Druckwerten abgegeben wird. Die Einstellung der Verlagerung erfolgt unabhängig von den auf den Antrieb wirkenden mechanischen Belastungen, um dadurch unter einer Vielzahl verschiedener Bedingungen eine exaktere Steuerung zu gestatten. Die Kolben 22 sind in dem Block 12 und der Trennwand 24 gelagert, wobei radiale Belastungen von der Bohrung 74 aufgenommen werden.

Das einen niedrigen Druck aufweisende Fluid zirkuliert durch das Pumpengehäuse und unterstützt dadurch das Kühlen der Pumpe.

Claims (9)

1. Hydraulikpumpe mit variabler Kapazität, mit einer Anzahl von Kolben (22), die innerhalb eines jeweiligen Zylinders (14) hin- und herbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder (14) einen Einlaß mit einem Rückschlagventil (50), das zwischen einem Fluidvorrat und dem Zylinder (14) angeordnet ist und zum Verhindern einer Fluidströmung von dem Zylinder (14) weg sowie zum Zuführen von Fluid zu dem Zylinder (14) betätigbar ist, sowie einen Auslaß zum Abgeben von Fluid von dem Zylinder (14) zu einem Verbraucher aufweist, daß eine Überströmöffnung (80) in jedem der Kolben (22) vorgesehen ist, die zum Entweichenlassen von Fluid von den jeweiligen Zylindern (14) während der Hin- und Herbewegung des Kolbens (22) betriebsfähig ist, und daß eine Hülse (82) auf jedem Kolben (22) gleitend verschiebbar angebracht ist und zum Zusammenwirken mit der Überströmöffnung (80) zum Steuern des Entweichens von Fluid von dem Zylinder (14) ausgelegt ist, wobei die Hülsen (82) relativ zu dem jeweiligen Zylinder (14) gemeinsam einstellbar sind, um den Teil der Hubbewegung des Kolbens (22) zu variieren, während dessen die Überströmöffnung (80) von der Hülse (82) bedeckt ist, sowie dadurch das Volumen des dem Auslaß zugeführten Fluids zu variieren.

2. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Kolben (22) und Zylinder (14) entlang paralleler Achsen hin- und herbewegbar sind.

3. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (82) durch Zusammenwirkung mit einem Einstellelement (88) verstellbar sind, das entlang einer Achse beweglich ist, die parallel zu der Achse der Hin- und Herbewegung des Kolbens (22) in dem Zylinder (14) ist.

4. Hydraulikpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einstellelement (88) ein Positionssensor (106) zugeordnet ist, der ein Signal schafft, das die Position des Einstellelements (88) relativ zu dem Zylinder (12) anzeigt.

5. Hydraulikpumpe nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (82) derart positioniert ist, daß sie die Überströmöffnung (80) geschlossen hält, wenn sich der Zylinder (14) auf minimaler Kapazität befindet, und jegliches Entweichen erfolgt, wenn sich der Zylinder auf maximaler Kapazität befindet.

6. Hydraulikpumpe nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Fluidvorrat innerhalb eines Gehäuses (13) befindet, das die Zylinder (14) enthält.

7. Hydraulikpumpe nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rückschlagventil innerhalb jedes Kolbens (22) befindet.

8. Hydraulikpumpe nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil in einem axialen Kanal in dem Zylinder (14) angeordnet ist und die Fluidzufuhr dahin durch radiale Öffnungen (44) in dem Kolben (22) erfolgt.

9. Hydraulikpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Öffnungen (44) mit dem Inneren des Gehäuses (12) kommunizieren.