DE2448469A1

DE2448469A1 - Stufenlos regelbare doppeltwirkende fluegelzellenpumpe u/o fluegelzellenmotor

Info

Publication number: DE2448469A1
Application number: DE19742448469
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE2448469C2

Description

1. Benennung: Stufenlos regelbare doppeitwirkende Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor 20 Kurze Beschreibung der Hauptmerkmale 2.1 Der Hubring H ist durch Hubringzähne HZ1, HZ2 an der Außenkontur u/o durch radiale Schlitze RSI,RS2 wo sich die Regelflügel RF1, RF2 bewegen, und durch radiale bzw. schräge Bohrungen RBI ,RB2, gekennzeichnet. (Bilder 3,2) 2.2 Das Gehäuse G oder ein mit dem Gehäuse festgehaltener Zwischenring XR ZR weist Regelungsaussparungen RAI,RA2 auf. Innerhalb dieser Aussparungen schwanken die Hubringzähne HZI,HZ2 bzw0 die Regelflügel RFi,RF2. Die Regelungsaussparungen sind mit dem Radiusgesetz~p(o)konstruiert. (Bilder 67) 2.3 Die Seitenplatten SW SP oder das Gehäuse G weisen Antikavitationsnuten AKN auf. Die AKIi stellen praktisch eine Verlängerung der Saugöffnung S-Ö dar, mit dem Unterschied daß,bei nicht verstelltem Hubring keine Verbindung zu den Flügelzellen entsteht. Die Saugöffnung S-Ö vergrößert sich während der Hubringverstellung um dem Maße des Verstellwinkels durch die Antikavitationsnuten. Die AKN dienen also zur Verbesserung des Saugverhaltensder Pumpe bei höherer Drehzahl. (Bilder 2z4,5,7) Zwei an dem Gehause G oder in den Seitenplatten SP befindliche Arbeitskanäle AK1, AK2 verbinden die Bohrungen B5, B6 des Ventiles VWV mit den Regelkammern RK1,RK2 welche links und rechts der Hubringzähne HZ1, HZ2 innerhalb der Regelungsaussparungen RAl, RA2 des Gehäuses G bzw. Zwischenringes ZR entstehen. (BIld1,5) 2ç4 Meßblende MB: Eine einfache geeichte Meßblende MB oder ein Bernoulli-profil ist an der Verbraucherleitung VDL im Gehäuse oder in der Seitenplatte SP angebracht. (Bilder 1,5) An der Meßblende bzw. Bernoulli-profil entsteht durch die fließende Verbrauchermenge ein Druckunterschied Die zwei Drücke p1,p2 (vor und unmittelbar nach der Meßblende MB) werden durch zwei Steuerungsleitungen SL zu den Außenkammern AKI, AK2 des Federzentrierten VWV Ventiles geführt. (Bilder 1,5) Das Ventil VWV ist am Gehäuse G oder an der Seitenplatte SP angebracht. (Bilder 1,5) 3. It Regelungsprinzip: Die Regelung der Fördermenge Q bzw. der Leistung L nach derdargestellten Zusammenstellung der verschiedenen Bestandteile erfolgt hydraulisch und in Abhängigkeit der Drehzahl U durch Verdrehung des Hubringes H. Geeignete Bohrungen RB1, RB2 sowie genau studierte Ein-bzwO Auslaßöffnungen an den Seitenplatten @@ SP mit Antikavitationsnuten AKN ermöglichen eine stufenlos Menge- bzw. Beistungsregelung. (Bilder 4,7) 3.1 Regelung der Fördermenge bzw. leistung in Abhängigkeit der Drehzahl und unabhängig vom Verbraucherdruck Bei eine bestimmten Drehzahl befindet sich der Hubring dort, wie im Bild 2 ersichtlich. Die Pumpe fördet die erwünschte Menge Q; der Druckabfall #p=Sollan der Meßblende ist noch klein, sodaß das Ventil ,fV (4/3-Wegeventil) in der Mittelstellung noch geschlossen bleibt. Steigt die Drehzahl auf U2U1, fördert momentan die Pumpe etwas mehr Flüssigkeit #Q; diese momentan erhöhte Fördermenge wandelt sich an der Meßblende MB in größere Druckunterschiede um. Dieser größerer Ap, geführt zu dem BfV Ventil , überwindet die entgegenwirkende Federkraft FK und somit öffnet sich das Ventil Durch die Bohrung B5 und die Arbeitskanäle AK1 fließt eine Regelmenge = = q in die Regelkammer RK1. Auf den Hubringzähne HZ bzw9 auf den Regelflügeln RF wirkt jetzt ein Kräftepaar (äußeres Drehmoment Ce), welches den Hubring H in die entgegengesetzte Richtung der Drehrichtung des Läufers d.h. in Richtung kleinere Fördermenge Q, verdreht. Durch die Verdrehung des Hubringes H verkleinert sich die Fördermenge @ Q, der Druckunterschied Apfällt auf den Soll-Wert und entsprechend kehrt der Steuerungskolben SK des #V Ventil es zurück Er schließt folglich die Bohrungen B5, Bs . Das Öl kann nicht mehr aus den Regelkammern RK1 zurückfließen, In der neuen Stelle ist jedoch der Abstand(Überdeckung) zwischen der letzten radialen Bohrung RB des Hubringes H und der Saugöffnung S-Ö der Seitenplatten SP wegen der Form der Antikavitationsnuten AKN unverändert konstant geblieben, während die Saugöffnung S-Ö um den Verstellwinkel « sich vergrößert und entsprechend das Saugverhalten der Pumpe sich verbessert hatO

2 EZ geschloßenem

Ventil ist das System stabil; dadurch ist der Hubring an der neuen Stelle gespannt bzw. gehalten.
Für die Stabilität sorgen auch das innere Kräftepaar und die viscose Reibung zwischen rotierenden Flügeln und Hubring.
Im entgegengesetzten Fall verhält es sich folgendermaßen: Fällt die Drehzahl von U3 auf U2 zurück, so verkleinert sich der tp an der Meßblende und an den Außenseiten des Steuerungskolbens SK. Die Federkraft FK2 schiebt den Steuerungskolben SK in die entgegengesetzte Richtung. Durch die Arbeitskanäle AK2 entsteht die Verbindung zwischen hohem Pumpendruck und Regelkammern RK2, während RK1 in Verbindung mit dem Tankdruck (Saugdruck) gesetzt wird. In diesem Falle entsteht also ein Drehmoment, welches in der Gegenrichtung der Uhrzeigerrichtung (bei linksdrehendem Läufer) wirkt und den Hubring H in Richtung größere Volumen dreht.
Erreicht die Fördermenge Q bei der neuen Drehzahl U2 die erwünschte Menge, so steigt der und schiebt den Steuerungskolben wiederum in seine Mittelstellung (geschlossen) zurück.
Dadurch kann von r Regelkammer RK1 weder Öl herausfließen, noch kann in die Regelkammern RK2 weiteres Öl einströmen. Somit ist wiederum der Hubring H in seiner Stellung stabil.
3.2 Zusammenfassend ist zu sagen: Jede Stellung des Hubringes entspricht einer bestimmten Drehzahl. DieVerstellung des Hubringes erfolgt hydraulisch und stufenlos innerhalb eines breiten Drehzahlbereiches.
4ç Erläuterung zur Punktion ir erz Regelflügel (Bild 3): Innerhalb der radialen Schlitze an der Außenkontur des Hubringes bewegen sich die Regelflügel RF. Bei der konstruktiven Alternativlösung (Hubring mit radialen Schlitzen und Regelflügeln ausgerüstet) sind die Regelaussparungen RA am Zwischenring bzw. am Gehäuse durch ein Radiusgesetz g-c(o) gekennzeichnete Das Radiusgesetz (oder Regelaussparungen dient ausschließlich zum Ausgleich des äußeren und inneren Kräftepaares.
5. Verbessertes SauYerhalten bei höherer Drehzahl Die geeigneten Antikavitationsnuten verhindern bei höherer Drehzahl bzw. verstelltem Hubring Kavitationserscheinungen und gleichzeitig durch den vergrößerten Saugwinkel wird das Saugverhalten der Pumpe verbessert(Bilder 4,5,7) 6. Druckausgeglichene Flügel Bekanntlich werden die nicht druckausgeglichenen Flügel so stark gegen die Laufbahn im Einlaßbereich gepreßt, daß sowohl Reibung, Verschleiß und Ermüdung der Oberfläche der Laufbahn als auch Geräuschentwicklung entstehen.
Kritisch wird es insbesondere, wenn auch der Hubring radial nicht druckausgeglichen ist. In solchem Falle heben sich wegen der radialen Schwingungen kurz die nicht druckausgeglichenen Flügel von der Laufbahn und nähern sich dieser wieder. Abhängig vom Druck, mit dem die Flügel am Rücken beaufschlagt sind, schlagen sie mehr oder weniger kräftig gegen die Laufbahn. Diese rhythmischen "Kammerschläge" zwischen Flügeln und Laufbahn sind bei höheren Verbraucherdrü; S n} 8) bei höherer Drehzahl wegen der hohen Preßkraft besonders schädlich. Man versucht also, die Preßkraft zu verkleinern, indem man entweder den Verbraucherdruck (VD) klein hält (was sich als unwirtschaftlich erweist), oder die von dem Verbraucherdruck beaufschlagte Rückenfläche des Flügels reduziert.
6.1 "l"-förmige Flügel Durch die 11T11-ähnliche Form der Flügel (TFL, Bild 8) wird die Rückenflügelfläche praktisch in zwei Deile geteilt.
Im Einlaßbereich wird nur ein Teil der Rückenfläche des Flügels mit Druck beaufschlagt (Bild 8); somit wird die Preßkraft geteilt bzw. verringert.
Im Auslaßbereich (Bild 8) wirkt dagegen der Verbraucherdruck (VD) auf die gesamte Rückenflügelfläche und somit wird der Flügel vollständig druckausgeglichen.
6.2 Läufer mit "f"-förmigen radialen Schlitzen In den herkömmlichen Flügelpumpen bbw. Motoren sind die radialen Schlitze des Läufers axial durchgehend. Die Flügel haben eine entsprechende rechteckige Form. In dem in Bild 8 dargestellten Läufer sieht man, daß die radialen Schlitze die "D"-Form haben (TSL), wo die "T"-förmigen Flügel (TFL) gleiten. Durch gepreßte Elemente (PP) innerhalb der radialen Schlitze des Läufers erhalten die letzteren die erwünschte "D"-Form.
6.3tai1 des Läufers mit "I"-förmigen radialen Schlitzen In den herkömmlichen Läufern sind die verschiedenen Läufersegmente üblicherweise gleich lang wie die Flügel. Diese Läufersegmente (einseitige eingespannte Balken) schwingen unter der instationären Druckbelastung. Die Schwingungsamplitude der Läufersegmente ist proportional der 4. Potenz der radialen Länge des Segmentes. Durch die neue "T"-Form der radialen Schlitze des Läufers verkleinert sich die Länge fast auf die Hälfte des vibrierenden Segmentes und entsprechend reduziert sich das Geräusch. Vor allem werden kleinere tangentiale Schwingungen am Flügel übertragen, was wiederum verbesserte Flügelkinematik und Wirkungsgrad als Folge hat.
7. Höherer Arbeitsdruck (Verbraucherdruck VD) durch radiale DruckausgleichunS des Läufers. Flügels und Hubringes Der Arbeitsdruck beansprucht dynamisch die verschiedenen inneren Teile (Flügel, Läufer, Hubring) der Flügelpumpe bzw. des Flügelmotors, so daß bei nicht druckausgeglichenen Teilen 200 bar fast die Grenze darstellen0 In der vorliegenden Eonstruktian resultieren sämtliche innere Teile (Läufer, Flügel und Hubring) druckausgeglichen.
Bedingt z. B. durch die Drucköffnungen D-Ö und durch die Regelaussparungen RA am Gehäuse G bzw. am Zwischenring ZR ist der Hubring H (Bilder2,6,7) radial größtenteils druckausgeglichen. Gleichzeitig sind die Verformungen des Hubringes minimalisiert und die kinematischen Eigenschaften der auf der Hubfläche gleitenden Flügel erheblich verbessert. Das aus den radialen Verformungen des Hubringes verursachte Geräusch wird damit reduziert. Weil der Hubring radial entlastet ist, kann ein Arbeitsdruck von 350 bar ohne Gefahr für den Hubring erreicht werden. Durch den Druckausgleich der Flügel werden gleichzeitig Preßkraft und Reibung im Einlaßbereich reduziert. Der höhere Druck von 350 bar wird also ohne Gefahr für die Flügel und ihre Laufeigenschaften bleiben.
8. Regelkreis der stufenlos regelbaren Flügelzellenpumpe Die regelbare Flügelzellenpumpe stellt einen in sich geschloßenen Regelkreis dar, wobei die Drehzahl U (U/min) bzw. die Winkelgeschwindigkeit w oder der Verstellwinkel X des Hubringes als Störgröße auftreten kann. Die kontrolierte Variabel ist die Fördermenge Q. Im Bild 9 ist der Regelkreis zusammenfassend dargestellto Der erste Summationspunkt ergibt sich aus den am Steuerungskolben entgegenwirkenden Federkraft Fx und Druckkraft Fp.
Die Differenz der o.g. Kräfte bewirkt eine x Verschiebung des Steuerungskolbens.
Bedingt durch die x Verschiebung fließt eine Regelmenge q zu den Regelkammern RK Am zweiten Summationspunkt werden das äußere (am Hubringzahn HZ wirkende) Ce und das innere Ci (am inneren Druckbereich des Hubringes wirkende) Drehmoment algebrisch addiert. Aus ihrer Differenz ergibt sich ein Verstellwinkel oC welcher sowohl das innere Ci Drehmoment als auch das Volumen Q der Förderzelle beeinflüsst.
Die Störgrößeçmal Zellenvolume (mal Zellenzahl) ergibt die Fördermenge Qo Die Meßblende MB stellt die Rückführung (Feedback) dar, wo' die Fördermenge Q (Eingangssignal) an einem Drukkunterschied (Ausgangssignal) umgewandelt wird. Der Druckunterschied wirkt auf die Stirnfläche des Steuerungskolbensund wandelt sich in Kraft Fwii; dme letztere addiert sich algebrisch mit der Federkraft Fx und somit ist der Regelkreis geschloßen.
Im Bild 9 ist in einem Diagramm die Fördermenge Q und die Leistung L in Funktion der Drehzahl U (U/min) dargestellt.
Sei noch hier kurz erwähnt,daß durch die geeignete hydraulische Regelung des Hubringes, die Fördermenge Q -bei konstanter Drehzahl- beliebig geregelt werden kann. Das Diagramm Q-Zeit im Bild 9 veranschaulicht einen von den vielen möglichen Regelungsfälle.

Claims

Patentanspruche
Q Plügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor, doppeltwirkend, regelbar, mit drehbarem Hubring, sind dadurch gekennzeichnet, daß durch Verdrehen des Hubringes - hydraulisch betätigt - ab der minimalen Drehzahl und in allen höheren Drehzahlbereichen die Fördermenge bzw. die Leistung geregelt werden0 2. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring H Zähne HT;u/o radiale Schlitze RS (Bild 3 ) in seiner Außenkontur aufweist.
3. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenplatten oder im Pumpengehäuse innerhalb der Druckleitung der gesamten (oder eines teiles) der Fördermenge eine viscositätsunempfindliche Meßblende oder Bernoulliprofil angebracht ist.

(Bild1,5)
4. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse oder ein mit dem Gehäuse festgehaltener Zwischenring ZR Regelaussparungen RA mit dem Radiusgesetzp (a)aufweist, wo die Regelflügel RF schwanken.

Insbesondere nimmt der Radius p(8)in Richtung der Läuferdrehrichtung zu.
5. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß an einer Seitenplatte oder im Gehäuse ein 4/3-Wegeventil angebracht ist und auf die Außenseiten des Steuerungskolbens der von der Meßblende oder Bernoulliprofil verursachte Druckunterschied eine Federkraft wirkt. (Bilder i> s)
6. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Steuerungs- bzw. Arbeitskanäle in der Seitenplatte bzw. im Gehäuse untergebracht sind und die Bohrungen für die Rückführung des Öles von den Regelkammern durch das 4/3-Wegeventil in die Antikavitationsnuten bzw. Saugöffnungen münden.
7. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenplatten Antikavitationsnuten aufweisenXAwd) Insbesondere zeigt der Pfeil der Antikavitationsnuten in die Gegenrichtung der Drehrichtung des Läufers. Beim Verstellwinkel « des Hubringes liegen die Antikavitationsnuten über dem kleinsten Spalt s, welcher von dem Läufer L und dem Hubring H gebildet wird.

Insbesondere entsteht in der oben erwähnten Stellung keine Verbindung zwischen den Antikavitationsnuten und dem kleinsten Spalt s. (Bilder 2,4,5,7)
8. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring im Druokbereich radiale bzw. schräge Boh- rungen#aufweist. insbesondere mündet die letzte oh- rung#dort, wo das Hubgesetz der Drucklaufbahn ein Hub = 0 hat 9, Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring ZR oder das Gehäuse G Drucköffnungen D-Ö aufweisen, wo die radialen bzw. schrägen Bohrungen des Hubringes schwanken. (Bilder 2, 6, 7) lo. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel eine "g"-ähnliche Form haben (siehe TFL, Bild 8). Sie gleiten mit Stiel immer in Richtung Läufermitte.

ii. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (L) "T"-ähnliche radiale Schlitze (TSL, Bild 8)' aufweist. Insbesondere werden diese "D"-ähnlichten radialen Schlitze durch geeignete Preßelemente (PF, Bild 8) gebildet und/oder am Läufer selbst, ohne Preßteile, maschinell erzeugt. Innerhalb der "X"-ähnlichen radialen Schlitze gleiten die "?"-ähnlichen Flügel (Bild 8).

12. Flügelzellenpumpe u/o Flügelzellenmotor nach Anspruch 1. sind dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (L Bohrungen (ABL, Bild 8)) aufweist, welche den Verbraucherdruck (VD)) unter die Elemente CPP) des Läufers bzw. unter den Stiel des "T"-ähnlichen Flügels (im Auslaßbereich) zuleiten.