DE19631956C2 - Zahnradpumpe mit einstellbarem Verdrängungsvolumen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnradpumpe mit einstellbarem Verdrängungsvolumen, bei der von einer koaxialen Bohrung des einen zweier in einem Gehäuse im Außeneingriff miteinander kämmender Zahnräder radiale Durchbrüche bis in die Zahnlücken durchgehen und in der Bohrung ein Drehschieber mit wenigstens einem Steg, der eine teilzylindrische Mantelfläche aufweist und eine axiale Ausnehmung im Drehschieber begrenzt, drehfest auf einer Welle gelagert ist, um die das eine Zahnrad drehbar gelagert ist, wobei der Steg mit seiner Mantel­ fläche abgedichtet an der Innenseite der Bohrung an­ liegt und die Ausnehmung mit der Niederdruckseite der Pumpe verbunden ist.

Bei einer bekannten Zahnradpumpe dieser Art (DE 23 39 872 A1) ist es bei einer durch Verdrehung des Dreh­ schiebers bewirkten Unterschreitung eines unteren nahe bei Null liegenden Grenzwerts des Verdrängungsvolumens der Pumpe nicht mehr möglich, einen Druck aufzubauen oder aufrechtzuerhalten, da dann ein Kurzschluß direkt zur Niederdruckseite vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnrad­ pumpe der eingangs genannten Art anzugeben, bei der sich ein niedrigeres Verdrängungsvolumen einstellen und aufrechterhalten läßt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die Bohrung des einen Zahnrads ein gehäusefestes Ventilsitzstück ragt, das eine teilzylindrische Außen­ fläche, die gegen die Bohrung abgedichtet ist, und eine seitliche axiale Ventilsitzfläche aufweist, die mit einer axialen Seitenfläche des Stegs zusammenwirkt, und daß der Drehwinkel des Drehschiebers in beiden Dreh­ richtungen so begrenzt ist, daß in jeder Drehwinkellage des Drehschiebers die Ausnehmung auf der Ausgangsseite der Pumpe liegt.

Bei dieser Lösung bilden das Ventilverschlußstück und der Drehschieber ein Ventil, dessen Öffnungsweite durch die Weite eines Spalts zwischen der Ventilsitzfläche und der axialen Seitenfläche des Stegs bestimmt ist. Im geöffneten Zustand dieses Ventils bei einer Spaltweite, die größer als die Breite der Durchbrüche zwischen den Zahnlücken in Umfangsrichtung ist, ergibt sich für die Dauer des Vorbeilaufs eines Durchbruchs am Spalt eine direkte Verbindung (Kurzschluß) zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite, während der ein Rückstromim­ puls auftritt. Die Maximalamplitude des Rückstromimpul­ ses ist konstant, wenn die Spaltweite größer als die Durchbruchweite in Umfangsrichtung ist. Sobald der Durchbruch die Spaltweite durchlaufen hat, ist die Ver­ bindung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite wieder unterbrochen, so daß die Zahnradpumpe ihr maximales Verdrängungsvolumen aufweist. Diese Unterbrechung dau­ ert so lange an, bis der nächste Durchbruch in den Be­ reich des Spaltes eintritt. Der Rückstrom unterliegt dabei einer Impulsdauermodulation und dementsprechend auch das Verdrängungsvolumen der Pumpe, dessen Mittel­ wert von der eingestellten Spaltweite abhängt. Der ma­ ximale Rückstrom bzw. das kleinste Verdrängungsvolumen der Pumpe hängt von der Größe der Weite der Durchbrüche in Umfangsrichtung ab. Je größer diese Weite ist, um so größer ist die Dauer der Rückstromimpulse im Verhältnis zur Unterbrechungsdauer des Rückstroms. Entsprechend der gewählten Öffnungsweite der Durchbrüche und der maximalen Öffnungsweite des Spalts des Drehschieberven­ tils läßt sich ein minimales mittleres Verdrängungsvo­ lumen der Zahnradpumpe einstellen.

Vorzugsweise ist der Drehschieber manuell mittels der Welle verstellbar. Das Verdrängungsvolumen kann daher auf einfache Weise von Hand eingestellt werden.

Alternativ ist es aber auch möglich, den Drehschieber durch Motorkraft zu verdrehen. Beispielsweise kann hierfür ein hydraulischer oder elektrischer Motor, ins­ besondere Schrittmotor, oder ein Elektromagnet verwen­ det werden.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Drehschieber eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Kammer aufweist, die durch einen gehäusefesten Kolben begrenzt ist und einen Anschluß für die Zuführung eines Drucks aufweist. Auf diese Weise läßt sich die Drehwinkellage des Drehschiebers in Abhängigkeit von dem Druck einer Druckquelle und damit das Verdrängungsvolumen der Zahn­ radpumpe einstellen.

Vorzugsweise ist der Druck der durch einen an der Zahn­ radpumpe angeschlossenen Verbraucher bewirkte Bela­ stungsdruck, so daß das Verdrängungsvolumen der Zahn­ radpumpe selbsttätig an den aktuellen Bedarf angepaßt werden kann.

Zusätzlich kann der Kolben eine zweite sich in Umfangs­ richtung erstreckende Kammer begrenzen, die mit der Hochdruckseite verbunden ist. Auf diese Weise ist eine Regelung des Verdrängungsvolumens in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck der Pumpe und dem Belastungsdruck mög­ lich.

Sodann kann die Zahnradpumpe ausgangsseitig ein Rück­ schlagventil aufweisen, das einen Rückfluß des auf der Verbraucherseite herrschenden Drucks über das geöffnete Drehschieberventil verhindert.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand einer schematischen Zeichnung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, die eine erfindungsgemäße Zahnradpumpe im Schnitt in Ver­ bindung mit einem Verbraucher darstellt.

In einem Gehäuse 1 einer Zahnradpumpe sind zwei im Au­ ßeneingriff miteinander kämmende Zahnräder 2 und 3 drehbar gelagert. Das Zahnrad 2 wird durch einen Motor über eine Welle 5 angetrieben und dreht dabei das Zahn­ rad 3 in Richtung des Drehrichtungspfeils 6 mit. Das Zahnrad 3 hat eine koaxiale Bohrung 7, von der aus ra­ diale Durchbrüche 8 bis in die Zahnlücken des Zahnrads 3 durchgehen. In der Bohrung 7 des Zahnrads 3 ist ein Drehschieber 9 drehfest auf einer (nicht dargestellten) Welle gelagert, um die das Zahnrad 3 drehbar gelagert ist. Der Drehschieber 9 hat einen ersten Steg 12 und einen zweiten Steg 13, die jeweils eine teilzylindri­ sche Mantelfläche aufweisen und eine erste axiale Aus­ nehmung 14 sowie eine zweite axiale Ausnehmung 15 im Drehschieber 9 begrenzen. Der erste Steg 12 ist mit seiner Mantelfläche gegen die Innenseite der Bohrung 7 abgedichtet, und die erste Ausnehmung 14 ist mit der Niederdruckseite der Pumpe durch einen Kanal 16 oder eine Leitung verbunden. In die Bohrung 7 des einen Zahnrads 3 ragt ferner ein gehäusefestes Ventilsitz­ stück 17, das eine teilzylindrische Außenfläche auf­ weist, die gegen die Bohrung 7 abgedichtet ist. Ferner hat das Ventilsitzstück 17 eine teilzylindrische Innen­ fläche, die gegen die teilzylindrische Mantelfläche des zweiten Stegs 13 abgedichtet ist, und eine seitliche axiale Ventilsitzfläche 18, die mit einer ersten axia­ len Seitenfläche 19 des ersten Stegs 12 als Drehschie­ berventil zusammenwirkt. Der Drehwinkel des Drehschie­ bers 9 ist in beiden Drehrichtungen durch das Ventil­ sitzstück 17 - zum einen durch Anlage der Seitenfläche 19 des Drehschiebers 9 an der Ventilsitzfläche 18 des Ventilsitzstücks 17 und zum anderen durch Anlage einer der ersten Seitenfläche 19 etwa diametral gegen­ überliegenden Seitenfläche 20 an einer weiteren axialen Seitenfläche 21 des Ventilsitzstücks 17 - so begrenzt, daß in jeder Drehwinkellage des Drehschiebers 9 die erste Ausnehmung 14 auf der Ausgangsseite und die zwei­ te Ausnehmung 15 auf der Eingangsseite des Gehäuses 1 der Pumpe liegt. Die Eingangs- oder Niederdruckseite der Pumpe ist über einen Eingangsanschluß 22 mit einem ein Fluid enthaltenden Behälter 23 und die Ausgangssei­ te der Pumpe über eine Ausgangsleitung 24 und ein fe­ derbelastetes Rückschlagventil 25 mit einem schematisch darstellten Verbraucher 26, der z. B. einen Hydraulik­ zylinder aufweist, verbunden. Das Rückschlagventil 25 öffnet zum Verbraucher 26.

Ferner hat der Drehschieber 9 eine sich in Umfangsrich­ tung erstreckende erste Kammer 27, die auf ihrer einen Seite durch einen gehäusefesten oder mit dem Ventil­ sitzstück 17 einstückig ausgebildeten Kolben 28 be­ grenzt ist und einen Anschluß 29 für die Zuführung ei­ nes äußeren Drucks aufweist. Bei diesem Druck kann es sich um den durch den an der Zahnradpumpe angeschlosse­ nen Verbraucher 26 bewirkten Belastungsdruck LS (Load­ sensing-Druck) handeln. Außerdem begrenzt der Kolben 28 eine zweite sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 30 auf ihrer einen Seite. Die Kammer 30 ist über einen Kanal 31 mit der Hochdruckseite bzw. der Ausgangslei­ tung 24 der Pumpe hinter dem Rückschlagventil 25 ver­ bunden. Die Kammer 27 enthält ferner eine Druckfeder 32, die sich in Umfangsrichtung am Ende der Kammer 27 und am Kolben 28 abstützt. Die Erstreckung der Kammern 27 und 30 in Umfangsrichtung ist jeweils gleich oder größer als der maximale Drehwinkel des Drehschiebers 9.

Während des Betriebs fördert die Zahnradpumpe das im Behälter 23 enthaltene Fluid über den Eingangsanschluß 22 in den jeweils durch das Gehäuse 1 geschlossenen Zahnlücken der beiden Zahnräder 2 und 3 zur Ausgangs­ seite und über die Ausgangsleitung 24 und das Rück­ schlagventil 25 zum Verbraucher 26, wobei bei geöffne­ tem Drehschieberventil ein Teil des verdrängten Volu­ mens über den jeweils mit dem Spalt zwischen den Sei­ tenflächen 18 und 19 fluchtenden Durchbruch 8, die Aus­ nehmung 14 und den Kanal 16 zur Niederdruckseite zu­ rückströmt. Die Rückstromstärke wird hierbei durch das Verhältnis der Öffnungsweite der Durchbrüche 8 zur Öff­ nungsweite bzw. Spaltweite des Drehschieberventils und den Winkelabstand der Durchbrüche 8 im Verhältnis zur Umfangsweite der Ausnehmung 14 bestimmt. Die Zeit vom Erreichen der Seitenfläche 19 durch die Vorderkante eines Durchbruchs 8 bis zum Erreichen der Ventilsitz­ fläche 18 durch die Hinterkante desselben Durchbruchs 8 bestimmt die Öffnungsdauer des Drehschieberventils, während die Zeit vom Erreichen der Ventilsitzfläche 18 durch die Hinterkante eines Durchbruchs 8 bis zum Er­ reichen der Seitenfläche 19 durch die Vorderkante des folgenden Durchbruchs 8 die Schließdauer des Drehschie­ berventils bestimmt. Der Mittelwert des auf diese Weise von der Hochdruckseite der Zahnradpumpe zur Nieder­ druckseite pulsierend zurückströmenden Druckfluidstroms bestimmt daher auch den Mittelwert des von der Zahnrad­ pumpe zum Verbraucher 26 geförderten Druckfluidstroms, der nur dann durch das Rückschlagventil 25 durchgelas­ sen wird, wenn der Ausgangsdruck der Zahnradpumpe höher als der durch die Feder des Rückschlagventils 25 und den Verbraucher 26 bewirkte Gegendruck ist. Die Ein­ stellung des Verdrängungsvolumens der Pumpe entspricht daher einer Pulsdauermodulation, deren Modulationsgrad von dem Drehwinkel des Drehschiebers 9 relativ zum Ven­ tilsitzstück 17 bzw. der Öffnungsweite des Drehschie­ berventils abhängt. Wenn die Flächen 18 und 19 anein­ ander anliegen, ist das Drehschieberventil geschlossen, so daß sich das maximale Verdrängungsvolumen der Zahn­ radpumpe einstellt. Je weiter das Drehschieberventil dagegen geöffnet wird, um so größer ist der Rückstrom von der Hochdruck- zur Niederdruckseite und mithin um so kleiner das Verdrängungsvolumen.

Die Verstellung des Drehschiebers 9 kann durch Verdre­ hung der den Drehschieber 9 tragenden Welle, die aus dem Gehäuse 1 abgedichtet herausgeführt ist, von Hand oder durch Motorkraft bewirkt werden. Bei Verstellung des Drehschiebers 9 von Hand oder mittels Motorkraft können die Kammern 27 und 30, der Kolben 28 und die Druckfeder 32 sowie die Kanäle 31 und 29 entfallen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, auf die Verstel­ lung der den Drehschieber 9 tragenden Welle von Hand oder mittels Motorkraft zu verzichten und statt dessen bei der dargestellten Ausbildung den Ausgangsdruck über den Kanal 31 in die Kammer 30 und den Belastungsdruck LS über den Anschluß 29 in die Kammer 27 zu leiten, um die Verstellung des Drehschiebers 9 und damit die Ein­ stellung des Verdrängungsvolumens der Zahnradpumpe au­ tomatisch an den Bedarf des Verbrauchers 26 anzupassen. Denn bei Erhöhung des Belastungsdrucks in der Kammer 27 wird sich der Drehschieber 9 relativ zum Ventilsitz­ stück 17 so verdrehen, daß sich das Drehschieberventil weiter schließt und mithin das Verdrängungsvolumen bzw.

der Ausgangsdruck der Zahnradpumpe erhöht. Der Aus­ gangsdruck wirkt wiederum in der Kammer 30 der Drehung des Drehschiebers 9 in Schließrichtung des Drehschie­ berventils entgegen, bis sich ein Gleichgewichtszustand der Drehwinkellage des Drehschiebers 9 entsprechend dem geforderten Belastungsdruck einstellt.

Der Drehwinkel des Drehschiebers 9 ist in Öffnungsrich­ tung des Drehschieberventils, d. h. bei einer Drehung des Drehschiebers 9 im Uhrzeigersinn, durch den An­ schlag der Seitenfläche 20 des Stegs 12 an der Seiten­ fläche 21 des Ventilsitzstücks 17 und in Schließrich­ tung durch den Anschlag der Seitenfläche 19 des Stegs 12 an der Ventilsitzfläche 18 des Ventilsitzstücks 17 begrenzt. Ferner bestimmt der Drehwinkelabstand der Seitenfläche 19 des Stegs 12 von der etwa radialen Sei­ tenfläche 33 des Stegs 13 und der maximale Drehwinkel­ abstand der Seitenflächen 20 und 21 in Verbindung mit der Öffnungsweite und dem Winkelabstand der Durchbrüche 8 den maximalen Durchfluß des Drehschieberventils von der Hochdruck- zur Niederdruckseite der Zahnradpumpe. Im vorliegenden Fall ist der maximale Winkelabstand zwischen den Seitenflächen 20 und 21 kleiner als der maximale Winkelabstand zwischen den Seitenflächen 18 und 19 und kleiner als der Winkelabstand der Durchbrü­ che 8, so daß jeweils nur ein Durchbruch 8 den Schlitz bzw. Spalt zwischen den Seitenflächen 18 und 19 bei geöffnetem Drehschieberventil auf einmal überquert. Es ist aber auch möglich, den maximalen Abstand zwischen den Seitenflächen 20 und 21 so groß zu wählen, daß bei Anlage der Seitenfläche 20 an der Seitenfläche 21 zwei Durchbrüche 8 gleichzeitig den Öffnungsspalt zwischen den Seitenflächen 18 und 19 überqueren. Gegebenenfalls ist der maximale Rückstrom größer.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Dreh­ schieber 9, wenn das Drehschieberventil, wie darge­ stellt, geöffnet ist, in radialer Richtung nicht durch einen nennenswerten Fluiddruck belastet, weil der Aus­ gangsdruck entsprechend der Öffnungsweite des Dreh­ schieberventils reduziert ist und nur die der Hoch­ druckseite zugekehrten bzw. mit der Hochdruckseite in Verbindung stehenden beiden Durchbrüche 8 den reduzier­ ten Ausgangsdruck auf die in der Zeichnung obere Seite des Drehschiebers 9 durchlassen und in den übrigen Durchbrüchen 8 praktisch Niederdruck herrscht. Bei ge­ schlossenem Drehschieberventil, d. h. wenn die Seiten­ flächen 18 und 19 aneinander anliegen, ist der Aus­ gangsdruck und mithin der über die beiden oberen Durch­ brüche auf den Drehschieber 9 wirkende Druck zwar etwas größer, jedoch wegen der relativ geringen Öffnungsweite der Durchbrüche 8 weiterhin verhältnismäßig gering, während über die anderen Durchbrüche 8 weiterhin Nie­ derdruck auf den Drehschieber 9 ausgeübt wird. Der Drehschieber 9 unterliegt daher nur einer verhältnis­ mäßig geringen radialen Druckbelastung.

Ansonsten ist die Funktion der Zahnradpumpe auch ohne den zweiten Steg 13 möglich, wobei dann die Seitenflä­ chen 19 und 20 des ersten Stegs 12 ineinander überge­ hen.

Claims (7)

1. Zahnradpumpe mit einstellbarem Verdrängungsvolumen, bei der von einer koaxialen Bohrung (7) des einen zweier in einem Gehäuse (1) im Außeneingriff mit­ einander kämmender Zahnräder (2, 3) radiale Durch­ brüche (8) bis in die Zahnlücken durchgehen und in der Bohrung (7) ein Drehschieber (9) mit wenigstens einem Steg (12), der eine teilzylindrische Mantel­ fläche aufweist und eine axiale Ausnehmung (14) im Drehschieber (9) begrenzt, drehfest auf einer Welle gelagert ist, um die das eine Zahnrad (3) drehbar gelagert ist, wobei der Steg (12) mit seiner Man­ telfläche abgedichtet an der Innenseite der Bohrung (7) anliegt und die Ausnehmung (14) mit der Nieder­ druckseite der Pumpe verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Bohrung (7) des einen Zahnrads (3) ein gehäusefestes Ventilsitzstück (17) ragt, das eine teilzylindrische Außenfläche, die gegen die Bohrung (7) abgedichtet ist, und eine seitliche axiale Ventilsitzfläche (18) aufweist, die mit ei­ ner axialen Seitenfläche (19) des Stegs (12) zusam­ menwirkt, und daß der Drehwinkel des Drehschiebers (9) in beiden Drehrichtungen so begrenzt ist, daß in jeder Drehwinkellage des Drehschiebers (9) die Ausnehmung (14) auf der Ausgangsseite der Pumpe liegt.

2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehschieber (9) manuell mittels der Welle verstellbar ist.

3. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehschieber (9) durch Motorkraft ver­ drehbar ist.

4. Zahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehschieber (9) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Kammer (27) auf­ weist, die durch einen gehäusefesten Kolben (28) begrenzt ist und einen Anschluß (29) für die Zufüh­ rung eines Drucks aufweist.

5. Zahnradpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druck der durch einen an der Zahnrad­ pumpe angeschlossenen Verbraucher (26) bewirkte Belastungsdruck (LS) ist.

6. Zahnradpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben (28) eine zweite sich in Um­ fangsrichtung erstreckende Kammer (30) begrenzt, die mit der Hochdruckseite verbunden ist.

7. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß sie ausgangsseitig ein Rückschlagventil (25) aufweist.