DE19633157A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Kolbenpumpen in Taumelscheiben-Bauart, bei denen ein oder mehrere Pumpenelemente mit jeweils einem verschiebbaren Kol­ ben feststehend in einem Gehäuse angeordnet sind und bei de­ nen das Antriebsmoment einer Antriebswelle mittels einer Tau­ melscheibe in eine die Kolben verschiebende Druckkraft umge­ setzt wird, gehören zum allgemeinen Stand der Technik (Umdruck zur Vorlesung "Grundlagen der Ölhydraulik", Prof. Dr. Ing. W. Back´, Institut für hydraulische und pneumatische Antriebe und Steuerungen, RWTH Aachen, 4. Auflage, 1979, Sei­ ten 120, 136-140). Bei derartigen Pumpen ist die schräg zur Antriebswelle stehende Taumelscheibe drehfest mit dieser ver­ bunden.

Neben den infolge der Unwucht der Taumelscheibe auftretenden Massenkräften ist es bei derartigen Pumpen nachteilig, daß an den Kolben bewegliche Gleitschuhe angebracht werden müssen, über die die Kolben an der Taumelscheibe anliegen. Beim Be­ trieb der Pumpe treten zwischen der Taumelscheibe und den an ihnen anliegenden Gleitschuhen große Kräfte auf, die in axia­ ler Richtung durch den Gleitschuhwerkstoff und in radialer Richtung durch die Wandung der Pumpenzylinder, in denen die Kolben angeordnet sind, aufgefangen werden müssen.

Die großen Kräfte, die sich auch durch den Einsatz von Wälz­ lagern nicht ausreichend verringen lassen, wenn derartige Pumpen Medien mit schlechter Schmierfähigkeit, wie z. B. Kraftstoff, fördern sollen, führen dabei zu einem erhöhten Verschleiß, wodurch die Pumpenleistung im Verlauf der Zeit abnimmt, und begünstigen ein Verklemmen der Kolben in den Zy­ lindern, was zu einem Pumpenausfall führt.

Bei Schrägscheibenpumpen (siehe z. B. "Grundlagen der Ölhy­ draulik", Prof. Dr. Ing. W. Back´, S. 137 f), bei denen eine die Kolben betätigende schräge Scheibe in einem Gehäuse fest­ steht, während eine die Kolben aufnehmende Kolbentrommel ro­ tiert, treten die gleichen Probleme auf.

Bei Kolbenpumpen der Schrägachsen-Bauart (siehe z. B. "Grund­ lagen der Ölhydraulik", Prof. Dr. Ing. W. Back´, S. 138 f) treten zwar keine wesentlichen Reibungskräfte zwischen den Kolben und dem Antriebsflansch auf, da Kolben, Kolbentrommel und Antriebsflansch gemeinsam rotieren, jedoch weisen derar­ tige Kolbenpumpen einen komplizierten Aufbau auf und benöti­ gen insbesondere aufwendige Anschlußkanäle für die Zu- oder Abführung eines zu fördernden Mediums, in denen hohe Strö­ mungsverluste auftreten.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Kolbenpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß zwischen der Tau­ melscheibe und dem oder den Kolben keine wesentliche Relativ­ bewegung auftritt, da sich die Taumelscheibe nicht dreht. Die Taumelscheibe führt vielmehr nur ihre Taumelbewegung, also eine sinusförmige Hub- und Kippbewegung aus, die die Ver­ schiebung des oder der Kolben in Arbeitsrichtung bewirkt. So­ mit treten auch keine wesentlichen Reibungskräfte zwischen dem oder den Kolben und der Arbeitsfläche der Taumelscheibe auf, so daß sich die erfindungsgemäße Kolbenpumpe auch ohne die Verwendung von Gleitschuhen zwischen Taumelscheibe und Kolben zur Förderung von Medien mit schlechter Schmierfähig­ keit, wie zum Beispiel Kraftstoff, einsetzen läßt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kolbenpumpe möglich.

Die zwischen der Taumelscheibe und der Antriebswelle entste­ henden Axial- und Radialkräfte lassen sich auf einfache und zuverlässige Weise mittels eines einfachen einfachen Lagers, vorzugsweise eines Gleitlagers, insbesondere mittels eines Bundgleitlagers abfangen, das aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten und schlagzähen Kunststoff, beispielsweise einem entsprechenden Thermoplasten, insbeson­ dere aus Polyimid oder einem PEEK-Werkstoff besteht. Ein Bundgleitlager ist ein Gleitlager mit einem Bund und kann so­ mit im Winkel von 90° zueinander wirkende Kräfte aufnehmen. Insbesondere kann ein Bundgleitlager sowohl Axial- als auch Radialkräfte aufnehmen.

Um in allen Drehzahlbereichen eine hydrodynamische Schmier­ wirkung zwischen den aufeinander gleitenden Flächen zu errei­ chen, sind vorteilhafterweise die Gleitlagerflächen mit Ril­ len versehen. Diese Rillen sind dabei so angeordnet, daß sie sich parallel und senkrecht zur Gleitbewegung oder schräg da­ zu erstrecken.

ZEICHNUNG

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Darstel­ lung einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe,

Fig. 2 einen Schnitt im wesentlichen nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines die Taumelschei­ be umfassenden Abschnitts der Kolbenpumpe nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Gleitlager für die Taumel­ scheibe der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe und

Fig. 5 einen Schnitt im wesentlichen nach Linie V-V in Fig. 4.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander ent­ sprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie Fig. 1 zeigt, ist in einem Gehäuse 10 einer Kolbenpumpe eine Antriebswelle 11 mittels eines abgedichteten Wälzlagers 12 drehbar gelagert. Das Wälzlager 12 dient zum Übertragen von Radial- und Axialkräften zwischen der Antriebswelle 11 und dem Gehäuse 10. Zum Antrieb der Antriebswelle 11 ist auf einem aus dem Gehäuse 10 herausragenden Wellenzapfen 13 eine Riemenscheibe 14 oder dergleichen drehfest aufgesteckt.

Um einen im Gehäuse 10 vorgesehenen Niederdruckbereich 15 auf der Lagerseite gegen den Austritt eines zu fördernden Medi­ ums, insbesondere Kraftstoff, abzudichten, ist zwischen dem sich in den Niederdruckbereich 15 erstreckenden Ende der An­ triebswelle 11 und dem Wälzlager 12 eine umlaufende Dichtung 16 vorgesehen. Um beim Betrieb der Kolbenpumpe in den Bereich zwischen. Der Dichtung 16 und dem Wälzlager 12 eindringendes Medium abzuführen, ist ein Leckstutzen 17 dicht in eine ent­ sprechende Öffnung 18 im Gehäuse 10 eingesetzt.

In dem sich in den Niederdruckbereich 15 erstreckenden Ende der Antriebswelle 11 ist von der Stirnseite 20 her eine La­ gerbohrung 19 vorgesehen, deren Achse L schräg zur Antriebs­ wellenachse A verläuft. Die Achse L und die Antriebswel­ lenachse A schneiden sich beispielsweise unter einem Winkel von 12,5° Dabei ist die Stirnfläche 20 der Antriebswelle 11 so abgeschrägt, daß sie sich senkrecht zur Achse L der Lager­ bohrung 19 erstreckt. Eine Lagerbuchse 21, die, wie insbeson­ dere Fig. 5 zeigt, einen zylindrischen Abschnitt 22 und ei­ nen radialen Bund oder Flansch 23 aufweist, ist als Gleitla­ ger so mit ihrem zylindrischen Abschnitt 22 in die Lagerboh­ rung 19 eingesetzt, insbesondere eingepreßt, daß ihr Flansch 23 an der Stirnfläche 20 der Antriebswelle 11 anliegt.

Die Lagerbuchse 21 besteht aus einem Lagerwerkstoff, insbe­ sondere aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem hochtempera­ turfesten und schlagzähen Kunststoff, beispielsweise einem entsprechenden Polymer oder Thermoplasten, insbesondere aus Polyimid oder einem PEEK.

Eine Taumelscheibe 24 ist mit einem von ihrer Arbeitsfläche 25 abgewandten Lagerzapfen 26 in der Lagerbuchse 21 gelagert, wobei die Taumelscheibe 24 mit ihrem flanschartigen Scheiben­ abschnitt 27 auf einer ebenen Lagerfläche 28 am Flansch 23 der Lagerbuchse 21 anliegt.

Die Gleitlagerung zwischen Taumelscheibe 24 und Antriebswelle 11 kann auch so ausgebildet sein, daß die Lagerbuchse 21 mit der Taumelscheibe 24 fest verbunden ist und sich relativ zur Antriebswelle 11 dreht. Daneben ist es bei geeigneter Auswahl der Werkstoffe für die Antriebswelle 11 und die Taumelscheibe 24 auch möglich, die Taumelscheibe 24 direkt in der Lagerboh­ rung 19 anzuordnen und auf die beispielhaft dargestellte La­ gerbuchse 21 zu verzichten.

Um zu verhindern, daß sich beim Betrieb der Pumpe die Taumel­ scheibe 24 gemeinsam mit der Antriebswelle 11 dreht, ist ein Haltebügel 29 vorgesehen, der mit seinem einen Ende mittels eines Stiftes oder Bolzens 30 an der Taumelscheibe 24 ange­ lenkt, insbesondere schwenkbar gehalten ist. Wie Fig. 2 und 3 zeigen, ist das andere Ende des Haltebügels 29, der sich vor­ zugsweise viertelkreisförmig um die Taumelscheibe 24 herum erstreckt, mittels eines Stiftes oder Bolzens 31 am Gehäuse 10 angelenkt, insbesondere schwenkbar gelagert.

Die Bolzen 30, 31 legen dabei eine erste und eine zweite Schwenkachse S₁, S₂ für den Haltebügel 29 fest, die vorzugs­ weise senkrecht aufeinanderstehen. Der Haltebügel 29 ist so­ mit kardanisch beweglich zwischen der Taumelscheibe 24 und dem Gehäuse 10 angeordnet.

Anstelle der beschriebenen kardanischen Halterung für die Taumelscheibe 24 kann auch jede andere geeignete Halterung vorgesehen sein, die einerseits eine Drehbewegung der Taumel­ scheibe 24 im Gehäuse 10 verhindert, andererseits aber die Taumelbewegung der Taumelscheibe 24 nicht stört. Z. B. ist es denkbar, an der Taumelscheibe 24 einen Führungszapfen vorzu­ sehen, der in einer sich im wesentlichen in Längsrichtung der Antriebswelle 11 erstreckenden Längsnut im Gehäuse 10 geführt ist. Auch dadurch kann verhindert werden, daß sich die Dre­ hung der Antriebswelle 11 auf die Taumelscheibe 24 überträgt.

An der Arbeitsfläche 25 der Taumelscheibe 24 liegen Kolben 32 an, die in Pumpenzylindern 33 verschiebbar geführt sind. Die Pumpenzylinder 33 sind dabei in nicht näher dargestellter Weise feststehend im Gehäuse 10 angeordnet. Von den Kolben 32 in den Pumpenzylindern 33 begrenzte Arbeitsräume (nicht dar­ gestellt) sind auslaßseitig über entsprechende Ventile mit einem Hochdruckanschluß 34 verbunden, während sie einlaßsei­ tig über eine axiale Zulaufbohrung (nicht dargestellt) und eine Zulauföffnung 35 mit dem Niederdruckbereich 15 der Kol­ benpumpe verbindbar sind. Dem Niederdruckbereich 15 ist dabei über einen Zulaufanschluß 36 zu förderndes Medium zuführbar.

Die beispielsweise drei Kolben 32 sind parallel zur Antriebs­ wellenachse A mit einem radialen Abstand zu dieser und in Um­ fangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Der Durchmes­ ser der Kolben 32 und ihr Kolbenhub sind so zu dimensionie­ ren, daß die Kolbenpumpe bei einer Drehung des Wellenzapfens 13 das gewünschte Fördervolumen liefert.

Der Kolbenhub wird bestimmt vom radialen Abstand der Kolben 32 zur Antriebswellenachse A sowie vom Winkel zwischen der Achse L der Lagerbohrung 19 und der Antriebswellenachse A. Dieser Winkel, der auch der Neigung der Stirnfläche 20 und der Arbeitsfläche 25 gegen die Senkrechte zur Antriebswel­ lenachse A entspricht, muß daher auf den für das gewünschte Fördervolumen erforderlichen Kolbenhub abgestimmt sein.

Relativbewegungen zwischen der Arbeitsfläche 25 und den an der Arbeitsfläche 25 anliegenden Stirnseiten der Kolben 32 führen zu unerwünschten Reibungskräften. Um derartige Rela­ tivbewegungen zu vermeiden, schneiden sich bei dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel die Antriebswellenachse A und die Achse L der Lagerbohrung 19 in der Ebene der Arbeitsfläche 25 der Taumelscheibe 24. Hierdurch läßt sich eine Revolutionsbe­ wegung der Taumelscheibe 24 um die Antriebswellenachse A, al­ so eine Umlaufbewegung ohne Rotation, vermeiden.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe dreht sich die Antriebswelle 11 in üblicher Weise, wobei sie die mittels der Lagerbuchse 21 in der Lagerbohrung 19 gleitend gelagerte Tau­ melscheibe 24 zu der für die Betätigung der Kolben 32 erfor­ derlichen Taumelbewegung, also zu einer sinusförmigen Hub- und Kippbewegung antreibt. Da die Taumelscheibe 24 von dem Haltebügel 29 drehfest im Gehäuse 10 gehalten wird, treten zwischen ihrer Arbeitsfläche 25 und den Kolben 32 keine um­ fangsmäßigen Gleitbewegungen auf. Infolgedessen brauchen auch die Führungen der Kolben 32 in den Pumpenzylindern 33 keine wesentlichen Radialkräfte aufzunehmen.

Somit treten bei der Umsetzung des Antriebsmoments der An­ triebswelle 11 in eine die Kolben 32 betätigende Druckkraft wesentliche Reibungskräfte nur zwischen der Lagerbuchse 21 und der Taumelscheibe 24 auf.

Um diese Gleitreibungskräfte möglichst gering zu halten, sind, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, in der Lagerfläche 28 am Flansch 23 und in der Innenumfangsfläche 37 des zylin­ drischen Abschnitts 22 der Lagerbuchse 21 eine Vielzahl von Rillen 38, 39 bzw. 40 vorgesehen, die es ermöglichen, daß ein zu förderndes Medium zwischen die aufeinander gleitenden Flä­ chen gelangt. Um dabei sicherzustellen, daß ein zu förderndes Medium sowohl vom Niederdruckbereich 15 her als auch aus der Lagerbohrung 19 in die Rillen 38, 39 bzw. 40 eindringen kann, weist die Taumelscheibe 24 eine sich axial durch den Lager­ zapfen 26 hindurch erstreckende Durchgangsbohrung 41 auf.

Die beispielsweise zwei Rillen 40 verlaufen dabei gleichsin­ nig schraubenförmig an der Innenumfangsfläche 37. Dadurch entsteht bei einer Drehung des Wellenzapfens 13 durch die Rillen 40 eine geringfügige, aber die Dauerhaltbarkeit gün­ stig beeinflussende Sogwirkung, die Kraftstoff aus dem Nie­ derdruckbereich 15 in das sacklochartige Ende der Lagerboh­ rung 19 und durch die Durchgangsbohrung 41 zurück in den Nie­ derdruckbereich 15 führt. Je nach Drehrichtung des Wellenzap­ fens 13 und der rechts- oder linksgängigen Ausbildung der Rillen 40 kann die Sogwirkung auch in umgekehrter Richtung erfolgen.

Die Rillen 39, 38 in der ebenen Arbeitsfläche 28 sind dabei zweckmäßigerweise in Radial- bzw. Umfangsrichtung angeordnet, während die Rillen 40 schraubenlinienförmig verlaufen. Das aufgrund dieser Rillen 38, 39, 40 zwischen die Gleitlagerflä­ chen eindringende zu fördernde Medium bewirkt eine hydrodyna­ mische Schmierwirkung zwischen den aufeinander gleitenden Flächen und vermindert somit die Gleitreibung.

Claims (12)

1. Kolbenpumpe mit wenigstens einem in einem Gehäuse ver­ schiebbar gelagerten Kolben, mit einer Antriebswelle und mit einer den Kolben beaufschlagenden Taumelscheibe, die von der Antriebswelle in eine Taumelbewegung versetzbar ist, um den Kolben anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (24) im Gehäuse (10) drehfest ge­ halten ist.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein mit seinem einen Ende am Gehäuse (10) an­ gelenkter Haltebügel (29) mit seinem anderen Ende im Au­ ßenumfangsbereich der Taumelscheibe (24) an dieser ange­ lenkt ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anlenkpunkte des Haltebügels (29) am Ge­ häuse (10) und an der Taumelscheibe (24) in Umfangsrich­ tung der Taumelscheibe (24) um 90° gegeneinander ver­ setzt sind.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Haltebügel (29) in seinen Anlenk­ punkten jeweils um eine vorgegebene Achse (S₁, S₂) schwenkbar gelagert ist.

5. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (24) drehbar an der Antriebswelle (11) gelagert ist.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Taumelscheibe (24) mit einem sich senk­ recht zu ihrer den Kolben (32) beaufschlagenden Arbeits­ fläche (25) erstreckenden Lagerzapfen (26) in einer schräg zur Antriebswellenachse (A) verlaufenden Lager­ bohrung (19) in einer dem Kolben (32) gegenüberliegenden Stirnfläche (20) der Antriebswelle (11) angeordnet ist.

7. Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Kolben (32) gegenüberliegende Stirn­ fläche (20) der Antriebswelle (11) senkrecht zur Achse (L) der Lagerbohrung (19) liegt.

8. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (24) mit­ tels eines Gleitlagers (21) insbesondere aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Poly­ mer, insbesondere aus Polyimid oder aus PEEK gelagert ist.

9. Kolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lagerbuchse (21) einen radialen Flansch (23) aufweist, über den die Taumelscheibe (24) an der Stirnfläche (25) der Antriebswelle (11) abgestützt ist.

10. Kolbenpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagerflächen (28, 37) des Gleit­ lagers (21) mit einer Mehrzahl von Rillen (38, 39, 40) versehen sind und/oder daß die Taumelscheibe (21) ei­ ne sich axial durch den Lagerzapfen (26) hindurch er­ streckende Durchgangsbohrung (41) aufweist.

11. Kolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rillen (38, 39 bzw. 40) in der ebenen bzw. zylindrischen Lagerfläche (28 bzw. 37) senk­ recht und parallel zur Gleitbewegung bzw. schräg dazu angeordnet sind.

12. Kolbenpumpe nach Anspruch 5 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebswellenachse (A) und die Achse (L) der relativen Drehbewegung zwischen Taumel­ scheibe (24) und Antriebswelle (11) sich in der Ebene der Arbeitsfläche (25) der Taumelscheibe (24) schneiden.