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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hubkolbenpumpen zur Förderung von unterschiedlichen Fluiden finden Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen der Industrie. So werden Hubkolbenpumpen als Kraftstoffpumpen beispielsweise für den Betrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Weitere Anwendungen sind beispielsweise bekannt aus Lackierereien, wo es wesentlich ist, dass ein großer Volumenstrom eines Fluides über einen längeren Zeitraum konstant bleibt.
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Hubkolbenpumpen der gattungsgemäßen Art weisen im Wesentlichen ein Gehäuse auf, in dessen Inneren sich ein Kolben in einem Zylinder bewegt. Bei den überwiegenden Anwendungen derartiger Hubkolbenpumpen sind mehrere dieser Kolben mit jeweils einem Zylinder derart kombiniert, dass sie ihren Hub phasenverschoben durchführen. Durch die Phasenverschiebung der Hubbewegung der Kolben wird der vorbezeichnete konstante Volumenstrom erzielt.
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Zum Antrieb des Kolbens in dem Zylinder ist einem unteren freien Ende einer Kolbenstange ein Kontaktelement, beispielsweise eine Rolle, zugeordnet, die über eine Kurvenscheibe läuft. Als Verbindung zwischen dem unteren freien Ende der Kolbenstange und dem Kontaktelement ist ein Hebel vorgesehen. Die Kurvenscheibe wird durch einen Antrieb in Rotation versetzt. Durch eine Vorspannung des Kontaktelementes durch eine Feder wird die exzentrische Kreisbewegung der Kurvenscheibe in eine Hubbewegung des Kolbens überführt.
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Die Kolbenstange, die sowohl mit dem Kolben als auch mit dem Kontaktelement bewegungsgekoppelt ist, wird durch eine Führungsbuchse in dem Gehäuse der Hubkolbenpumpe geführt. Durch die Bewegung des Kontaktelementes auf der Kurvenscheibe wirken Querkräfte über das Kontaktelement und die Kolbenstange auf die Führungsbuchse. Diese Querkräfte wirken nicht nur bremsend auf die Hubbewegung des Kolbens, sondern führen auch zu einem erhöhten Verschleiß der Führungsbuchse, was einen regelmäßigen Wechsel der Buchse erforderlich macht. Dieser notwendige Wechsel der Führungsbuchse ist zeit- und kostenintensiv, da hierfür die Hubkolbenpumpe demontiert werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenpumpe zu schaffen, die wartungsärmer betreibbar ist.
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Eine Hubkolbenpumpe zur Lösung dieser Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass der Hebel mit einem Stützmittel verbunden ist, wobei das Stützmittel mit einem ersten Ende drehbar an dem Hebel und mit einem zweiten Ende drehbar an einer Welle angeordnet ist, zur Aufnahme von Querkräften, die während des Betriebes der Hubkolbenpumpe auf die Kolbenstange bzw. auf das Führungselement wirken. Die durch die Kurvenscheibe auf das Kontaktelement wirkenden Kräfte werden somit durch das Stützmittel absorbiert und an die Welle übertragen. Somit können die Querkräfte von der Kolbenstange abgeleitet und die mechanische Beanspruchung der Führungsbuchse vermieden werden. Dadurch, dass das Stützmittel mit dem ersten Ende drehbar an dem Hebel verbunden ist, und gleichzeitig drehbar an der Welle angeordnet ist, können sowohl die Hubbewegungen des Kolbens als auch die leichte sichelförmige Bewegung des Kontaktelementes von dem Stützmittel mit beschrieben werden. Die Bewegungsfreiheit der Kolbenstange in Hubrichtung wird hierdurch nicht eigeschränkt.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass es sich bei dem Stützmittel um ein Hebelgetriebe handelt. Dieses Hebelgetriebe weist zwei Achsen auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Besonders durch die einfache Bauart des Hebelgetriebes, bietet sich dessen Verwendung an.
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Bevorzugt kann es weiter vorgesehen sein, dass das Stützelement um zwei Achsen drehbar gelagert ist, die parallel zu der Achse des Hebels ausgerichtet sind. Durch diese parallele Ausrichtung der Achsen treten keinerlei Quer- oder Scherkräfte auf, welche die Bewegung des Stützelementes oder der Kolbenstange beeinflussen könnten.
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Insbesondere kann es die vorliegende Erfindung weiter vorsehen, dass die zweite Achse des Hebels Deckungsgleich ist mit der Drehachse des ersten Endes des Stützelementes. Durch diese Identität der Achsen überträgt sich die Bewegung des Hebels, insbesondere des Kontaktelementes, direkt auf die Bewegung des Stützelementes. Des Weiteren gestaltet sich die gemeinsame Verwendung einer Achse als besonders einfach.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass sich die zweite Achse des Hebels und/oder die Drehachse des ersten Endes der Stützelemente beim Betrieb der Hubkolbenpumpe auf einen Kreisabschnitt um die Achse des zweiten Endes des Stützelementes bewegt. Diese Kreisbewegung hat ihren Mittelpunkt in der Welle des Stützelementes. Dadurch, dass das Stützelement die kurzen sichelartigen Bewegungen der zweiten Achse des Hebels bzw. des Kontaktelementes entlang eines Kreisabschnittes mitgeht, können die Querkräfte aufgefangen werden, ohne die Bewegungsfreiheit der Kolbenstange in Hubrichtung einzuschränken. Diese Kompensation der Querkräfte erfolgt somit sehr reibungsarm.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass die zweite Achse des Hebels und/oder die Drehachse des ersten Endes des Stützelementes beim Betrieb der Hubkolbenpumpe um eine Mittellage der zweiten Achse des Hebels und/oder der Drehachse des ersten Endes des Stützelementes relativ zu der Längsachse des Kolbens oszilliert. Dabei ist die Auslenkung der Oszillationen der zweiten Achse des Hebels und/oder der Drehachse des ersten Endes des Stützelementes beim Betrieb der Hubkolbenpumpe in beide Richtungen relativ zu der Längsachse des Kolbens identisch. Die Größe der Oszillation bzw. der Auslenkung hängt vom Hubweg, den die Kolbenstange vollführt ab. Die Erfindung sieht es vor, dass die Oszillation bzw. die Auslenkungen der zweiten Achse des Hebels und/oder der Drehachse des ersten Endes des Stützelementes minimiert werden. Je kleiner diese Auslenkungen sind, desto geringer sind die Querkräfte auf die Führungsbuchse.
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Bevorzugt kann es die vorliegende Erfindung weiter vorsehen, dass an den Kolbenstangen eine Druckplatte befestigt ist und zwischen der Druckplatte und dem Führungselement eine Feder vorgespannt ist, die während des Betriebes der Hubkolbenpumpe periodisch stauch- und entspannbar ist. Durch diese Feder wird das Kontaktelement an dem Hebel stets gegen die Kurvenscheibe gedrückt, so dass das Kontaktelement stets der Exzentrizität der Kurvenscheibe folgt und der Kolben sich auf- und abbewegt.
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Des Weiteren kann es die vorliegende Erfindung vorsehen, dass die Druckplatte und das Kontaktelement derart in Verbindung stehen, dass das Kontaktelement immer, insbesondere wenigstens zeitweise, während des Betriebes der Hubkolbenpumpe gegen die Kurvenscheibe des Antriebelementes durch die Feder vorgespannt werden.
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Die vorliegende Erfindung kann es weiter vorsehen, dass die Hubkolbenpumpe zwei, insbesondere mehr Zylinder mit jeweils einem Kolben gemäß der vorbezeichneten Merkmale aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass jedem Kolben bzw. jeder Kolbenstange die zuvor beschriebenen Elemente, nämlich ein Hebel, ein Stützelement, ein Kontaktelement, eine Kurvenscheibe zugeordnet sind. Dabei kann es weiter vorgesehen sein, dass die Kurvenscheiben der Antriebselemente der mehreren Kolben auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Kolbenstangen aller Zylinder parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kolbenstangen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Dies kann je nach Anwendungsgebiet und Anforderungen variieren.
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Es ist außerdem denkbar, dass das Kontaktelement als Rolle ausgebildet ist, welche während des Betriebes der Hubkolbenpumpe über einen Umfang der Kurvenscheibe läuft. Durch die Verwendung einer Rolle als Kontaktelement, welche über den Anfang der Kurvenscheibe läuft, wird ein besonders gleichmäßiger Hub des Kolbens erreicht.
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Die Erfindung kann es weiter vorsehen, dass die Kurvenscheiben der Antriebselemente mindestens zweier Kolben derart ausgebildet, insbesondere derart untereinander ausgerichtet, vorzugsweise phasenverschoben, sind, dass die Summe der Volumenströme der Kolben bei einer konstanten Drehzahl der Antriebselemente während des Betriebes der Hubkolbenpumpe wenigstens nahezu gleich bleibt. Die Größe der Phasenverschiebungen hängt dabei im Wesentlichen von der Anzahl der verwendeten Kolben ab und ist durch die relativen Stellungen der Kurvenscheiben regelbar. Insbesondere für Anwendungen, wo ein konstanter Volumenstrom über einen längeren Zeitraum erforderlich ist, gestaltet sich dies als besonders vorteilhaft.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Hubkolbenpumpe in einer ersten Position,
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2 eine Hubkolbenpumpe gemäß der 1 in einer zweiten Stellung, und
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3 eine Hubkolbenpumpe gemäß der 1 in einer dritten Arbeitsstellung.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 10 dargestellt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Hubkolbenpumpe 10 mit nur einem Kolben 11. Erfindungsgemäß ist jedoch genauso vorgesehen, dass Hubkolbenpumpen 10 gemäß der hier beanspruchten Art mehrere bzw. zwei Kolben 11 mit den entsprechenden weiteren Komponenten aufweisen.
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Die in der 1 dargestellte Hubkolbenpumpe 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dessen Inneren der Kolben 11 in einem Zylinder 13 Auf- und Ab- bzw. Hubbewegungen durchführt. Der Kolben 11 ist über eine Kolbenstange 14 mit einem Hebel 15 verbunden. Dazu ist die Kolbenstange 14 durch eine Führungsbuchse 16 aus dem Gehäuse 12 herausgeführt.
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Die Kolbenstange 14 ist mit einem freien Ende 17 an einer ersten Achse 18 des Hebels 15 drehbar gelagert. Einer der ersten Achse 18 des Hebels 15 gegenüberliegenden zweiten Achse 19 ist ein Kontaktelement 20 drehbar zugeordnet. Bei diesem Kontaktelement 20 handelt es sich beispielsweise um eine Rolle oder Walze.
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Mit dem hier als Rolle dargestellten Kontaktelement 20 tritt die Kolbenstange 14 in Wirkung mit einer exzentrischen Kurvenscheibe 21. Diese Kurvenscheibe 21 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb über eine Antriebswelle 22 in Rotation versetzt. Bei einer Hubkolbenpumpe 10 mit einer Vielzahl von Kolben sind dieser Antriebswelle 22 entsprechend viele Kurvenscheiben 21 zugeordnet, die jeweils mit einer gewissen Phasenverschiebung zueinander angeordnet sind.
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Der Kolbenstange 14 ist zwischen der Führungsbuchse 16 und dem freien Ende 17 eine Druckplatte 23 zugeordnet, die mit einem Befestigungsmittel 24 an der Kolbenstange 14 fixiert ist. Zwischen der Führungsbuchse 16 und der Druckplatte 22 ist eine Feder 25 angeordnet. Diese Feder 25 spannt das Kontaktelement 20 gegen die Kurvenscheibe 21 bzw. gegen den äußeren Umfang 26 der Kurvenscheibe 21. Durch diese Vorspannung durch die Feder 25 wird das Kontaktelement 20 während einer gesamten Rotation der Kurvenscheibe 21 um die Antriebswelle 22 gegen den Umfang 26 der Kurvenscheibe 21 gespannt. Durch die Exzentrizität der Kurvenscheibe 21 und durch die Federspannung der Feder 25 bewegt sich der Kolben 11 in dem Zylinder 13 auf und ab.
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Während der Hubbewegung des Kolbens 11 wird das Fluid durch eine nicht dargestellte Einlassöffnung in den Zylinder eingeführt und nach der entsprechenden Hubbewegung des Kolbens 11 durch eine Auslassöffnung wieder ausgeführt. Dabei kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass der Hubkolbenpumpe 10 weitere Ventile zugeordnet sind.
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Damit beim Zusammenwirken zwischen dem rollenartigen Kontaktelement 20 und der Kurvenscheibe 21 keine Querkräfte über die Kolbenstange 14 auf die Führungsbuchse 16 übertragen werden, weist die Hubkolbenpumpe 10 erfindungsgemäß ein Stützmittel 27 auf. Dieses als Hebelgetriebe ausgebildete Stützmittel 27 ist mit einer Achse 28 drehbar an einer Welle 29 gelagert. Ein gegenüberliegendes Ende des Stützmittels 27 weist eine weitere Achse 30 auf, die mit der zweiten Achse 19 des Hebels 15 und des Kontaktelementes 20 identisch ist. Alle Achsen 18, 19, 30, 28 sowie die Wellen 22, 29 sind parallel zueinander ausgerichtet.
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Durch das Stützelement 27 wird eine Querbewegung des Hebels 15 während des Betriebes der Hubkolbenpumpe 10 nahezu unterdrückt. Die Querkräfte, die bei dem Zusammenwirken der Kurvenscheibe 21 und des Kontaktelementes 20 über den Hebel 15 und die Kolbenstange 14 auf die Führungsbuchse 16 übertragen wird, werden nahezu vollständig durch das Stützmittel 27 absorbiert. Durch das Stützelement 27 ist der Abstand zwischen der zweiten Achse 19 des Hebels 15 und der Achse 28 des Stützelementes 27 fest definiert. Durch die Bauart des Stützelementes 27 kann sich dieser Abstand auch während des Betriebes der Hubkolbenpumpe nicht ändern. Während des Betriebes der Kurvenscheibe 21 vollführt das Kontaktelement 20 bzw. die zweite Achse 19 bzw. Achse 30 sichelartige Bewegungen entlang eines Kreissegmentes, wobei der Mittelpunkt dieses Kreises durch die Achse 28 des Stützelementes 27 definiert wird. Diese sichelartige Bewegung bzw. die Auslenkung der zweiten Achse 19 um eine Mittelachse der Kolbenstange 14 ist so gering wie möglich zu halten, um die Querkräfte auf die Führungsbuchse 16 zu reduzieren.
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Die 2 zeigt die Hubkolbenpumpe 10 der 1 in einer fortgeführten Hubbewegung. Hier ist die Feder 25 aus einer komprimierten Stellung, so wie in 1 dargestellt, in eine mittlere Stauchung gebracht worden. Ansatzweise ist zu erkennen, dass die zweite Achse 19 geringfügig gegenüber der Mittelachse der Kolbenstange 14 ausgelenkt ist. Das Stützelement 27 ist dem exzentrischen Umfang 26 der Kurvenscheibe gefolgt und befindet sich jetzt relativ zu der in 1 dargestellten Position leicht geneigt.
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Bei der in 3 dargestellten Arbeitsphase der Hubkolbenpumpe 10 ist die Feder 25 maximal expandiert und der Kolben 11 befindet sich in seiner untersten Stellung. Beim Weiterdrehen der Kurvenscheibe 21 in Pfeilrichtung 31 wird der Kolben 11 entgegen der Federkraft der Feder 25 wieder in die in 1 dargestellte Stellung gebracht. Allen drei Figuren ist zu entnehmen, dass während eines Umlaufs der Kurvenscheibe 21 die zweite Achse 19 des Hebels 15 sich nur geringfügig um eine vertikale Achse bewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hubkolbenpumpe
- 11
- Kolben
- 12
- Gehäuse
- 13
- Zylinder
- 14
- Kolbenstange
- 15
- Hebel
- 16
- Führungsbuchse
- 17
- freies Ende
- 18
- erste Achse
- 19
- zweite Achse
- 20
- Kontaktelement
- 21
- Kurvenscheibe
- 22
- Antriebswelle
- 23
- Druckplatte
- 24
- Befestigungsmittel
- 25
- Feder
- 26
- Umfang
- 27
- Stützmittel
- 28
- Achse
- 29
- Welle
- 30
- Achse
- 31
- Pfeilrichtung
