DE2604455A1

DE2604455A1 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE2604455A1
Application number: DE19762604455
Authority: DE
Inventors: Ralph Anthony Matzelle
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-02-07
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1976-08-19
Also published as: JPS51103302A; US4019425A

Description

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, 111. 61629, U.S.A.

KoIbenpumpe

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine hydraulische Strömungsmitteldruckenergie-Übertragungsvorrichtung, und insbesondere auf eine Pumpe mit mehreren parallel angeordneten Kolben der Bauart zur Übertragung von hydraulischen Strömungsmitteln oder dgl.

Üblicherweise besitzen derartige Pumpen einen drehbaren Zylinderblock, der eine Vielzahl von parallelen, sich axial erstreckenden Kolben aufweist, die gleichwinklig um die Mittelachse des Zylinderblocks angeordnet sind. An einem Ende des Zylinderblocks ist eine Nockenplatte für den Eingriff mit an jedem der Kolben vorgesehenen Lagerschuhen sowie zur entsprechenden Hin- und Herbewegung jedes Kolbens bei der Zylinderblockverdrehung vorgesehen, um so Strömungsmittel in und aus jedem der einen Kolben

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aufweisenden Zylinder zu pumpen. Derartige Pumpen sind im allgemeinen mit einer Öffnungen (Kanäle) aufweisenden Platte ausgestattet, um für den Eintritt und Austritt von Strömungsmittel in und aus der Pumpe eine Ventilwirkung vorzusehen. Die Kanalplatte sieht ferner typischerweise eine Lagerfläche vor, von welcher der Axialschub des Zylinderblocks teilweise absorbiert werden kann; diese Lagerfläche wird mit einem Ölfilm an der Grenzschicht dieser Oberflächen geschmiert, was den Abrieb dieser Elemente und deren Zerstörung verhindert .

Obwohl es vom Standpunkt der Strömungsmittellecksteuerung und der Aufrechterhaltung einer angemessenen Schmierung außerordentlich erwünscht ist, daß die Kanalplatte und die damit zusammenpassende Oberfläche des Zylinderblocks ordnungsgemäß ausgerichtet sind, so ist es doch normalerweise schwierig, diese Ausrichtung während des Pumpenbetriebs aufrechtzuerhalten, und zwar wegen der bekannten dem Zylinderblock innewohnenden Kippneigung in Radialrichtung. Dieser Effekt wird hauptsächlich durch die Differenz in der Longitudinalanordnung der Radialkomponenten der Kraft hervorgerufen, die am Zylinderblock durch die Kolben während der Verdrehung angreift. Wenn sich der Zylinderblock infolge dieser Kräfte verkippt, so wird die mit der Lageroberfläche der Kanalplatte zusammenarbeitende Oberfläche des Zylinderblocks außer Eingriff und in eine geneigte Stellung gebracht, was ein unerwünschtes Strömungsmittelleck zur Folge hat und somit eine Zerstörung des Schmierölfilms.

Darüber hinaus hat bei üblichen Axialkolbenpümpen der Zylinderblock die Tendenz, sich in Axialrichtung gegen die Lageroberfläche der Kanalplatte während des Pumpenbetriebs infolge der Axialkomponenten der Kraft zu bewegen, die durch das unter Druck stehende Strömungsmittel in den Zylindern erzeugt wird. Diese den Zylinderblock gegen

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die Kanalplatte drückende,im allgemeinen als hydraulische Kleminkraft bezeichnete Nettokraft hat das Bestreben, den Abstand zwischen der Lageroberfläche der Kanalplatte und der damit zusammen arbeitenden Oberfläche des Zylinderblocks zu reduzieren, und arbeitet dem Vorsehen eines Ölfilms an dieser Grenzschicht entgegen, wodurch die Schmierung zwischen dem Zylinderblock und der Kanalplatte vermindert wird. Beispielsweise im Falle eines vorübergehenden Oberdrucks in den Zylindern kann die hydraulische Klemmkraft beträchtlich ansteigen, was eine damit einhergehende Abnahme des Schmierölfilms an dieser Grenzschicht zur Folge hat und somit den Abrieb sowie den gelegentlichen Ausfall dieser Elemente bewirkt.

Diese radialen und axialen Komponenten der auf den Zylinderblock einwirkenden Kraft sind häufig besonders stark bei Pumpen größerer Bauart. Erhöhte Drehgeschwindigkeiten sind erforderlich, um das Strömungsmittel vorzusehen, welches notwendig ist, um die zugehörigen Geräte in wirkungsvoller Weise zu betätigen. Wenn die Drehgeschwindigkeiten ansteigen, so steigen auch die eine axiale und radiale Versetzung des Zylinderblocks bewirkenden Kräfte an, was die Ausrichtung und den Abstand zwischen der Lagerfläche der Kanalplatte und der damit zusammenwirkenden Oberfläche des Zylinderblocks,oder den "Lagerabstand", stört, wodurch sich ein Strömungsmittelleck und/oder nicht ausreichende Schmierung an der Grenzschicht von Kanalplatte und Zylinderblock in der oben beschriebenen Weise ergeben kann.

Der im folgenden genannte Stand der Technik bringt keine vollständig zufriedenstellende Lösung der erwähnten Probleme. Es sei auf folgende U.S. Patente verwiesen: 3 183 846; 2 735 407; 3 267 871; 3 292 553; und 2 649 741,

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Beispielsweise'traten Schwierigkeiten bei der Lösung des Problems auf, einen zufriedenstellenden Lagerabstand aufrechtzuerhalten, und zwar bei veränderbaren Betriebsbedingungen in Pumpen mit starr angeordneten Zylinderblöcken, wo beträchtliche Änderungen hinsichtlich Temperatur, Druck, Drehzahl, Schwingungen und anderen Faktoren auftreten. Es ist außerordentlich erwünscht. Mittel vorzusehen, um in einfacher und wirkungsvoller Weise die Kräfte zu kompensieren, die in der Pumpe entwickelt werden, um so einen angemessenen Lagerabstand während des Pumpenbetriebs aufrechtzuerhalten, um ferner das Strömungsmittelleck, welches den Wirkungsgrad der Pumpe vermindert, zu kontrollieren, und um schließlich einen angemessenen Schmierölfilm zwischen der Kanalplatte/Zylinderblock-Grenzfläche vorzusehen, wodurch ein übermäßiger Abrieb und in extremen Fällen ein Ausfall dieser Elemente verhindert wird.

Die Erfindung sieht eine Mehrfachkolbenaxialpumpe für hydraulische Pumpen oder Motore vor, die einen axial und seitlich unter Zwang stehenden (unfreien) Zylinderblock aufweisen und wobei eine schwimmend angeordnete Kanalplatte auf hydrostatische Kräfte innerhalb der Pumpe anspricht. Ein optimaler Lagerabstand wird zwischen der Lageroberfläche der Kanalplatte und der damit zusammenarbeitenden Oberfläche des Zylinderblocks während des Pumpenbetriebs durch einen geeigneten Ausgleich dieser hydrostatischen Kräfte aufrechterhalten, wodurch das Strömungsmittelleck gesteuert und zufriedenstellende Schmierpegel an der Grenzschicht von Kanalplatte und Zylinderblock aufrechterhalten werden. Die zum Erhalt eines geeigneten Gleichgewichts der hydrostatischen Kräfte gegen die Kanalplatte zum Erhalt eines optimalen Lagerabstands wirkenden Ausgleichsmittel umfassen eine Vielzahl von hydrostatischen Kissen, welche Strömungsmittel enthaltende Ausnehmungsmittel innerhalb der Kanalplatte an der Platten/Zylinderblock-Grenzschicht aufweisen, und wobei ferner eine Vielzahl von Strömungssteuermitteln vorgesehen ist, um den Strömungsmittelfluß

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zu diesen Ausnehmungsmitteln hin zu regulieren. Die resultierenden, auf die Kanalplatte ausgeübten hydrostatischen Kräfte gleichen andere ebenfalls vorhandene und auf die Kanalplatte wirkende hydrostatische Kräfte aus und erzeugen einen optimalen Lagerabstand für eine zufriedenstellende Schmierung und Lecksteuerung.

Die Erfindung liefert somit eine mehrere Kolben aufweisende Axialpumpe, bei welcher Mittel einen optimalen Lagerabstand während des Pumpenbetriebs aufrechterhalten. Dabei sieht die Erfindung ferner eine mehrere Kolben aufweisende Axialpumpe vor, die einen unfreien Zylinderblock aufweist, wobei Mittel vorgesehen sind, um einen optimalen Lagerabstand während des Pumpenbetriebs aufrechtzuerhalten.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer mit einer Vielzahl von Kolben ausgestatteten Axialpumpe zusammen mit den Zylinderblockeinschränkungsmitteln (Zwangsmitteln), der schwimmenden Kanalplatte und den erfindungsgemäßen hydrostatischen Druckausgleichsmitteln;

Fig. 2 eine Ansicht der Lageroberfläche der erfindungsgemäßen schwimmenden Kanalplatte;

Fig. 3 einen Teilschnitt der Pumpe gemäß Fig. 1, wobei die erfindungsgemäße Kanalplatte und die erfindungsgemäßen hydrostatischen Druckausgleichsmittel im einzelnen dargestellt sind.

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In Fig. 1 ist eine mehrere Kolben aufweisende Axialpumpe dargestellt und mit 10 bezeichnet. Die Pumpe 10 besitzt ein Gehäuse 11, welches an einem Ende mit einer Kanalkappe 12 versehen ist, während am anderen Ende eine Basis 13 befestigt ist. Die Kanalkappe enthält einen Strömungsmittelauslaßkanal 14 und einen Strömungsmittelzuführungskanal 16, die beide zur Pumpe 10 führen, um die Abführung bzw. die Zuführung von Strömungsmittel zu ermöglichen. Innerhalb des Gehäuses 11 ist im ganzen koaxial eine Welle 17 angeordnet und steht antriebsmäßig mit (nicht gezeigten) Motormitteln für eine Drehung innerhalb des Gehäuses in Verbindung. Ein im ganzen zylindrischer drehbarer Zylinderblock 18 ist koaxial und starr um die Welle 17 herum angeordnet und steht mit dieser betriebsmäßig in Eingriff, so daß die Drehung der Welle 17 von einer Drehung des Zylinderblocks 18 begleitet ist. Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 18 und die Welle 17 gegenüber einer axialen und seitlichen Versetzung oder Kippung eingeschränkt (unter Zwang, unfrei), und zwar durch Lageranordnungsmittel (Zylinderblockeinschränkungsmittel) 19, die radial zwischen der Welle 17 und der Kanalkappe 12 angeordnet sind, wobei ähnliche Lageranordnungsmittel 20 radial zwischen der Welle 17 und dem unteren Teil des Gehäuses 11 vorgesehen sind.

Ringförmig um die Welle 17 und parallel zur Längsachse des Zylinderblocks ist eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 21 innerhalb des Zylinderblocks 18 angeordnet. Innerhalb der Bohrungen 21 sitzt gleitend eine Vielzahl von Kolben 22, die arbeitsmäßig durch (nicht gezeigte) übliche Mittel an ihren Kopfteilen mit einer Nocken- oder Schräg-Platte 23 verbunden sind, welche koaxial um die Welle 17 herum und mit Ringabstand demgegenüber angeordnet ist.

Eine nicht drehbare Kanalplatte 24 ist schwimmend zwischen der Kanalplatte 12 und der Oberfläche 26 an dem oberen Teil des Zylinderblocks 18 konzentrisch zur Welle 17 ange-

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ordnet. Die Platte 24 ist mit einer Vielzahl von Kanälen 25 ausgestattet, die sich in Ausrichtung mit Kanälen 14 und 16 befinden und mit Kanälen 27 der Bohrungen 21 verbindbar sind, so daß das Strömungsmittel während des Pumpenbetriebs den Bohrungen zugeführt und von diesen abgegeben werden kann.

Insbesondere in den Fig. 2 und 3 sind die erfindungsgemäßen hydrostatischen Druckausgleichsmittel dargestellt; diese Mittel umfassen eine hydrostatische Kissenzone, welche folgendes vorsieht: Ausnehmungsmittel 28 in der Lageroberfläche 29 der Kanalplatte 24, Strömungssteuermittel, wie beispielsweise eine Zumeßöffnung 31, zwischen der Ausnehmung 28 und einem ersten Kanalplattenkanal 32, und einen zweiten Kanalplattenkanal 33, der eine Verbindung zwischen dem ersten Kanal 32 und einem bogenförmigen Kanal 25 herstellt. Der bogenförmige Kanal 25 steht somit in Verbindung mit der Ausnehmung 28, und zwar über erste und zweite Kanäle 32 und 33, sowie Zumeßöffnung 31. Der Kanal 33 kann dadurch ausgebildet werden, daß man vom Aussenumfang der Kanalplatte 24 hineinbohrt, wobei die Bohrung auf der gewünschten Tiefe durch einen Stopfen 34 verschlossen wird.

Gemäß der Erfindung wird der gewünschte Lagerabstand zwischen der Lageroberfläche 29 der Kanalplatte 24 und der damit zusammenarbeitenden Oberfläche 26 des Zylinderblocks 18 für optimale Schmierung und Strömungsmittellecksteuerung während des Pumpenbetriebs in der folgenden Weise erreicht: Drei hydrostatische Kräfte F₁, F_ und F- - vergleiche insbesondere Fig. 3 - wirken auf die Kanalplatte 24 während des Pumpvorgangs ein. Die Kraft F- wird durch Strömungsmitteldruck erzeugt, der auf eine Horizontalfläche A₁ einwirkt; die Kraft F₃ wird durch auf die Fläche A₂ einer Dichtung 36 einwirkenden Strömungsmitteldruck erzeugt, welche zwischen der Kanalplatte 24 und der Kanalkappe 12 angeordnet ist.

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um ein Strömungsmittelleck an dieser Verbindung zu verhindern; die Kraft F₃ wird durch Strömungsmitteldruck erzeugt, der auf die Horizontalflächen A und A₄ wirkt. Wenn die Kraft F₂ gleich der Kraft F₁ + F₃ ist, so sind die Kräfte im Gleichgewicht und die Kanalplatte 24 ist richtig angeordnet, um optimalen Lagerabstand vorzusehen. Vereinfacht können diese Kräfte hinsichtlich der in Fig. 3 angedeuteten Komponenten wie folgt definiert werden:

₌ P_d(A₂) ₌ P (A₃)

—ς 3 R 4

Eine weitere im allgemeinen unbeachtliche Kraft F resultiert aus verschiedenen Wirkungen, wie beispielsweise dem hydrodynamischen Effekt,und kann als F = PA definiert werden und ebenfalls mit einbezogen werden, so daß die hydrostatischen Kräfte dann im Gleichgewicht sind, wenn folgendes gilt:

F = F +F +F
*2 *1 *3

Das Gleichgewicht tritt wie folgt ein: Für einen gegebenen Auslaßdruck P, ist F gleich dem Druck an der Horizontalfläche A₁ χ der Horizontalfläche A₁. Dieser Druck ändert sich von P, auf "0", oder atmosphärischen

Druck, über die Horizontale hinweg. Die Kraft F_ ist gleich dem Druck an der Horizontalfläche A χ die Fläche A_ der Dichtung 36 und ist stets größer als F₁. Die Hinzufügung von einer oder mehreren hydrostatischen Kissenzonen ist erforderlich, wobei die Anzahl von der Fläche abhängt, die erforderlich ist, um die Kraft zu erzeugen, welche notwendig ist, um die entgegengesetzten Kräfte und die Umdrehmomente auszugleichen. Wenn die nach unten gerichteten Kräfte F₂ größer sind als die nach oben gerichteten Kräfte (F₁ + F₃), so wird die Kanalplatte 24 am Zylinderblock 18 festgeklemmt, wodurch die Strömung über die Horizontal-

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fläche A₃ / Kanäle 32 und 33 und Zumeßöffnung 31 reduziert wird. Daher tritt ein kleinerer Druckabfall Δ.Ρ an der Zumeßöffnung 31 auf, so daß der Druck P_R auf eine Größe näher an, aber nicht größer als P_d ansteigt. Dies bewirkt, daß die Gesamtheit der nach oben gerichteten Kräfte größer wird als die Gesamtheit der nach unten gerichteten Kräfte,und die Kanalplatte 24 bewegt sich nach oben vom Zylinderblock 18 weg. Wenn dies geschieht, so entsteht eine größere Strömung an Öffnung 31, wodurch an dieser ein größeres A P entsteht. Da P gleich P, minus ΔΡ an den StrömungsSteuermitteln ist, wird P kleiner und F₃ nimmt ab. Die Bewegung der Kanalplatte 24 vom Zylinderblock 18 weg setzt sich fort, bis die Kräfte und Momente ausgeglichen sind, d.h. bis zu dem Zeitpunkt, wo die oberen Kräfte gleich den nach unten gerichteten Kräften sind. Zu diesem Zeitpunkt erhält man einen richtigen Lagerabstand zwischen Platte 24 und damit zusammenarbeitender Oberfläche 26 des Zylinderblocks 18. Wenn somit Faktoren, wie beispielsweise die Temperatur, Drehgeschwindigkeit und Druck, den Strömungsmittelfluß durch die Strömungssteuermittel beeinflussen, so spricht die Kanalplatte 24 durch Verschieben darauf an, bis ein Kräftegleichgewicht an der Platte erhalten wird.

Es ist wichtig, daß die Strömungssteuermittel so ausgebildet sind, daß das resultierende Gleichgewicht der hydrostatischen Kräfte den gewünschten Lagerabstand für die zu erwartenden Betriebsbedingungen liefert. Beispielsweise beeinflussen Veränderungen des Durchmessers der Zumeßöffnung 31 den hindurchgehenden Strömungsmittelfluß und somit das Gleichgewicht der auf die Kanalplatte 24 wirkenden hydrostatischen Kräfte, was Änderungen im Lagerabstand zur Folge hat.

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Claims

-1C-

ANSPRÜCHE

( 1.!Hydraulische mit Strömungsmitteldruck arbeitende Energieübertragungsvorrichtung mit einem Gehäuse, welches an einem Ende eine Kanalkappe und am anderen Ende eine Basis besitzt, und wobei auf einer Welle zur Drehung mit dieser koaxial ein drehbarer Zylinderblock befestigt ist, der eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Zylinderbohrungen parallel zur Längsachse des Zylinderblocks aufweist, in denen eine Vielzahl von hin- und herbewegbaren Kolben gleitend angeordnet sind,und an einer geneigten Schrägplatte gleitend anliegen, um sich innerhalb der Bohrungen hin- und herzubewegen, wenn der Zylinderblock relativ zur Schrägplatte verdreht wird, gekennzeichnet durch Zylinderblockeinschränkungsmittel (19) zur Einschränkung des Zylinderblocks (18) gegenüber axialer und seitlicher Versetzung während des Pumpenbetriebs, und durch eine Kanalplatte (24), die schwimmend zwischen dem Zylinderblock (18) und der Kanalkappe (12) angeordnet ist und auf innerhalb der Vorrichtung erzeugte hydrostatische Kräfte (Fw F₉, F) anspricht.
2. Kanalplatte für eine mit hydraulischem Strömungsmittel arbeitende Druckenergieübertragungsvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie schwimmend zwischen einem Zylinderblock (18) und einer Kanalkappe (12) der Vorrichtung angeordnet ist und hydrostatische Druckausgleichsmittel aufweist, um die hydrostatischen Drücke innerhalb der Vorrichtung (10) in Gleichgewicht zu bringen, um einen optimalen Lagerabstand zwischen der Kanalplatte (24) und dem Zylinderblock (18) zu erhalten.

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3. Platte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausgleichsmittel ferner eine Vielzahl von Strömungsmittel enthaltenden Ausnehmungen (28) innerhalb einer Lageroberfläche der Kanalplatte (24) und Strömungssteuermittel (31) aufweisen, um die Strömung in die Ausnehmungsmittel (28) zu regulieren.
4. Platte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuermittel einen Strömungsmittelflußkanal (31) aufweisen, der eine Verbindung zwischen einem Kanal (32) der Kanalplatte (24) und den Ausnehmungsmitteln (28) herstellt, und wobei die Strömungssteuermittel ferner Strömungsmitteleinschränkmittel zwischen dem Kanal (32) und den Ausnehmungsmitteln

(28) aufweisen, um den Druck innerhalb der Ausnehmungsmittel (28) zu regulieren.
5. Platte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteleinschränkungsmittel eine Öffnung

(31) aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalplatte (24) hydrostatische Druckausgleichsmittel aufweist, um die hydrostatischen Drücke (P_R# P,) innerhalb der Vorrichtung auszugleichen, um einen optimalen Lagerabstand zwischen der Kanalplatte (24) und dem Zylinderblock (18) zu erhalten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmittel eine Vielzahl von Strömungsmittel enthaltenden Ausnehmungen (28) aufweisen, um ein hydrostatisches Kissen zwischen der Kanalplatte (24) und dem Zylinderblock (18) zu bilden, und wobei ferner Strömungssteuermittel (31) vorgesehen sind, um den Strömungsmittelfluß in die Ausnehmungen (28) zu steuern.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuermittel einen Strömungsmittelflußkanal (31) aufweisen, der eine Verbindung zwischen einem Kanal (32) der Kanalplatte (24) und-den Ausnehmungen (28) für den Strömungsmittelfluß herstellt, und wobei die Strömungssteuermittel ferner Strömungsmitteleinschränkmittel (31) zwischen dem Kanal (32) und den Ausnehmungen (28) aufweisen, um den Druck innerhalb der Ausnehmungen zu regulieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderblockeinschränkmittel (19) eine erste Lageranordnung (19) radial zwischen der Welle (17) und der Kanalkappe (12) angeordnet sowie eine zweite Lageranordnung (20) aufweisen, weichletztere radial zwischen der Welle (17) und dem unteren Teil des Gehäuses (11) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Flächen (A₁ und A_) gebildet sind (Fig. 3).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche (A„) an einer Dichtung (36) ausgebildet ist, die zwischen der Kanalplatte (24) und der Kanalkappe (12) liegt.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine hydrostatische Kissenzone, welche Ausnehmungsmittel (28) in der Lageroberfläche (29) der Kanalplatte (24) sowie Strömungssteuermittel wie beispielsweise eine Öffnung (31) aufweist, die zwischen den Ausnehmungsmitteln (28) und einem ersten Kanalplattenkanal (32) liegt, und wobei ferner ein zweiter Kanalplattenkanal (33) vorgesehen ist, der die Verbindung zwischen dem ersten Kanal (32) und einem bogenförmigen Kanal (25) herstellt.

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