DE2946529A1 - Druckgeregelte mehrzylinder-kolbenpumpe - Google Patents

Description

Sie Erfindung bezieht sich auf eine druckgeregelte Mehrzylinder-Kolbenpumpe, deren Kolben von einem gemeinsamen Antriebselement angetrieben wird. Die Mehrzylinder-Kolbenpumpe kann dabei sowohl eine sogenannte Radialkolbenpumpe als auch eine Axialkolbenpumpe sein.

In vielen Fällen sind in Hydraulikkreisen sogenannte Konstantstrompumpen eingefügt, welche von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben werden_o Derartige Konstantstrompumpen sind zwar relativ billig, haben jedoch verschiedene Nachteile»

Diese Pumpen müssen für den geforderten maximalen Druck und die benötigte maximale Fördermenge ausgelegt sein. Bei vielen Vorgängen, wie zum Beispiel in der Servohydraulik, variiert jedoch die benötigte ölmenge schnell und in weitem MaSe bei konstantem Druck. Wegen der Maximalauslegung der Pumpe muß man daher bei Minderbelastung die überschüssige Ölmenge über ein Druckbegrenzungsventil ableiten. Mithin muß die Pumpe stets mit voller Leistung arbeiten. Dies bedeutet in der Folge einen schlechten Gesamtwirkungsgrad der Hydraulikölversorgung. Es wird durch die Pumpe aus der Antriebsquelle für den Pumpenmotor stets die maximale Energie entnommen« Dies ist jedoch im Zeichen der angestrebten Energieeinsparung sehr nachteilig.

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Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man auch sogenannte druckgeregelte Pumpen verwendet. Betrachtet man hier Axialkolbenpumpen, so haben sich als druckgeregelte Pumpen solche von Schrägscheiben- oder Schrägachsentyp eingeführt. Bei fiadialkolbenpumpen sind solche bekannt, welche mit zwei konzentrischen Exzentern als Antrieb für die Pumpenkolben ausgestattet sind, wobei die Exzenter durch winklige Verstellung gegeneinander bis auf Null-Hub der Pumpenkolben eingestellt werden können. Es sind auch innenbeaufschlagte Radialkolbenpumpen bekannt, bei denen der Außenring verschwenkbar ist. Zur Anpassung an schwankendem Ölbedarf im Förderkreis all dieser Pumpen ist es erforderlich, durch eine Eückführung einer förderdruckabhängigen Größe auf den verstellbaren Kolbenantrieb eine Regelung des Pumpenantriebes vorzunehmen.

Derartige druckgeregelte Verstellpumpen haben zwar den Vorteil, von ihrem Antrieb her nur die jeweils benötigte Energie zu verlangen. Sie sind jedoch mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Zunächst sind Verstellpumpen aufgrund der relativ aufwendigen Mechanik sehr teuer. Sodann sind die möglichen Anpassungs- oder Verstellzeiten infolge der durch die Mechanik bedingten großen Massen entsprechend groß. Dies bedeutet wiederum, daß in den meisten Fällen auf der Druckseite ein großer hydropneumatischer Uberbrückungsspeicher zugeschaltet sein muß mit all den bekannten Nachteilen, wie zum Beispiel Notwendigkeit einer behördlichen Abnahme.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine druckgeregelte Mehrzylinder-Kolbenpumpe der eingangs genannten Art anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und sich durch ein sehr schnelles Regelverhalten bei gleichwohl förderleistungsabhängigen Antriebsenergiebedarf sowie durch einen Aufbau aus relativ einfachen und billigen Teilen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Merkmale, wie sie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung des Anspruches 2 angegeben sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles einer Radialkolbenpumpe erläutert. Es zeigen}

Fig. 1 eine dreizylindrige Radialkolbenpumpe bisheriger und bekannter Art in einem Schnitt quer zur Antriebswelle,

Fig« 2 die zwischen den einzelnen Kolben und dem Antriebselement angeordnete vorgespannte hydropneumatische Feder einer Pumpe nach der Erfindung.

Das Pumpengehäuse ist mit 1 bezeichnet. Es wird nach hinten abgeschlossen durch eine Druckplatte 2, welche in hier nicht gezeichneter Weise ein Lager für die Antriebswelle 5 der Pumpe trägt. Zum Betrachter ist die Pumpe durch eine weitere, vordere

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Druckplatte 4 abgeschlossen, die ebenfalls ein Lager für die Antriebswelle 5 trägt.

Zwischen den genannten Druckplatten sind mittels durchgehender Spannbolzen 5 Pumpenzylinder 6 eingespannt. Die Pumpenzylinder haben hierzu rechteckigen Querschnitt.

Auf der Antriebsachse 3 ist in beliebiger Weise als Antriebselement der Exzenter 7 befestigte Dieser betätigt über das Kugellager 8 und die Kolbenköpfe 9 die Kolben 10 der einzelnen Zylinder. Zur Rückführung der Pumpenkolben dienen in bekannter Weise Rückholfedern 11. Mit 12 sind Ansaugventile der Pumpenzylinder angedeutet, deren besondere Darstellung sich erübrigt, da sie als solche nicht zum Gegenstand der Erfindung gehörenο

In Fig. 1 ist eine Radialkolbenpumpe bekannter Art dargestellt. Eine Radialkolbenpumpe nach der Erfindung ist, wie im Patentanspruch 1 angegeben, durch eine vorgespannte hydropneumatische Feder gekennzeichnet, deren Kolben-Zylindereinheiten zwischen dem Kugellager θ des Antriebsexzenters 7 und den Kolbenköpfen 9 angeordnet sind« Diese Stelle ist in Fig. 1 mit dem Pfeil 13 bezeichnet.

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Gemäß Fig« 2 bestehen die Kolben-ZyIindereinheiten aus dem zwischen die Druckplatten 2 und 4 mit eingespanntem Zylinder 14 mit rechteckigem Querschnitt und den Kolben 15 und 16. Der Zylinder 14 ist dabei durch Stifte 17 gesichert· Der Kolben 16 hat eine Kolbenstange 18 mit einer Durchgangsbohrung 19 und einen Endanschlag 20. Jeder Zylinder 14 hat einen Druckraum 21, welcher über den Kanal 19 mit einem Hohlraum 22 im Kolben 15 in Verbindung steht.

Die Druckräume 21 der Kolben-Zylindereinheiten 14 stehen über Kanäle 23 gemeinsam in Verbindung mit einem einzigen hydropneumatischen Speicher 24» einem einstell- oder justierbaren Druckbegrenzungsventil 25 und einer Hilfspumpe 26, die aus dem Vorratsbehälter 27 Hydrauliköl anzusaugen vermag. Mit 28 ist ein einfaches Rückschlagventil bezeichnet.

Nachstehend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Pumpe beschrieben!

Die Fig. 2 zeigt dabei den Normalzustand der Kolben-Zylindereinheit zwischen dem Pumpenexzenter 8 und dem Kopf 9 des Pumpenkolbens Wie ersichtlich, hat der Kolben 10 in bezug auf den Zylinder 6 seine ausgefahrene Stellung inne.

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Je nach Einstellung des Druckbegrenzungsventils 25 fördert die Pumpe 20 durch das sich öffnende Bückschlagventil 28 Hydrauliköl sowohl in den hydropneumatischen Speicher 24 als auch in den Druckraum 21, 22₀ Mithin wird der Druckraum 21, 22 sowie der hydropneumatische Speicher 24 mit einem Hydraulikdruck vorgespannt, der mit dem Ventil 25 einstellbar ist₀ Der Druckraum 21, 22 und der hydropneumatische Speicher 24 bilden somit eine vorgespannte, hydropneumatische Federe Es ist nun offensichtlich, daß die vom Antrieb 8 über die Kolben 15 und 16 auf den Pumpenkolben 10 ausgeübte Kraft um so größer ist, je höher der Druck in dem Saum 21, 22 ist.

Würde nun von außen her durch die Kolben 15 und 16 der Druck im Saum 21, 22 weiter erhöht, so würde der Gegendruck des hydropneumatisehen Speichers 24 überwunden, die beiden Kolben 15 und 16 wurden sich einander nähern und es würde Hydrauliköl aus dem Raum 21 durch die Anschlußöffnung 23 in den hydropneumati sehen Speicher 24 fließen«

Dieser Effekt ist die Grundlage für die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Pumpe in einem Hydraulikkreis. Es sei nun angenommen, die erfindungsgemäße Pumpe sei in einem Servokreis zur Ölversorgung der einzelnen Glieder dieses Servokreises eingefügt. Die Pumpe ist dabei in der üblichen Weise so zu bemessen, daß sie die maximale Fördermenge für diesen Servokreis zu liefern vermag. Nun ist das Ventil 25 auf einen Begrenzungswert von einer

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Höhe einzustellen, daß der Druck im Saum 21, 22 hoch genug ist, daß die Pumpenkolben 10 die benötigte maximale Fördermenge mit dem erforderlichen Hydraulikdruck, beispielsweise 500 bar zu liefern vermögen. Wird nun plötzlich durch einen Steuer- oder fiegelungsvorgang im Servokreis der Hydraulikbedarf mehr oder weniger schlagartig verringert, so würde sich das bei einer Konstantstrompumpe in einem solchen Servokreis in einem Anstieg des Förderdruckes auswirken, der durch ein Druckbegrenzungsventil abgebaut werden müßte. Bei der Erfindung hingegen würde durch den Druckanstieg im Förderkreis auch ein Instieg des Öldruckes in den Bäumen 21, 22 erfolgen. Da dieser aber über den Wert liegt, auf den die hydropneumatische Feder 21, 24 eingestellt ist, wird im Ergebnis bewirkt, daß sich die Kolben 13» 16 einander nähern und öl aus dem Baum 21 in die hydropneumatische Feder 24 drücken. Damit ist aber eine weitere Kraftübertragung von dem Exzenter θ auf den Kolben 10 unterbunden. Bei geringem Anstieg des Druckes auf der Förderseite würde dies nur mehr oder weniger nahe im Bereich des Hubendes der Kolben 10 erfolgen. Steigt der Druck auf der Förderseite der Pumpe hingegen plötzlich stärker an, beispielsweise weil mehrere Servoglieder schlagartig ausgeschaltet werden, so würden sich die Kolben 15 und 16 schon wesentlich früher während des Hubes des Exzenters 8 zusammenschieben und Öl in den hydropneumatischen Speicher 24 drücken. Im Extremfall, wenn der Ausgang der Radialkolbenpumpe schlagartig verschlossen würde, würde der Kolben 10 überhaupt keinen Hub mehr ausführen .und der ganze Hub des Antriebselementes 8 allein von den beiden Kolben 15 und 16 aufgenommen und dadurch eine entsprechende große Menge Hydrauliköl in den hydropneumatisehen Speicher 24 gedrückt werden.

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Eine Energierückgewinnung erfolgt bei jedem einzelnen Pumpenhub dadurch, daß beim Zurückgehen des Exzenters θ das in dem hydropneumatisehen Speicher 24 gespeicherte Öl infolge des Speicherdruckes die Kolben 15 und 16 auseinandergedrückt und damit einen Beschleunigungsimpuls auf den Exzenter 8 (vgl. Fig. 1) ausübt. Die Energierückgewinnung pro Exzenterhub ist, wie leicht ersichtlich, um so größer, je geringer die benötigte Fördermenge auf der Ausgangsseite der Pumpe ist und je mehr Hydrauliköl demgemäß bei dem Druckhub der Pumpe in den Speicher 24 gedrückt wird. Das Rückschlagventil 28 hat dabei die Aufgabe, sicherzustellen, daß das aus dem Saum 21 verdrängte Hydrauliköl tatsächlich in den hydropneumatischen Speicher 24 und nicht über das Ventil 25 in den Vorratsbehälter 27 fließt.

Betrachtet man hingegen einen Zustand, bei dem im Ausgangskreis der Radialkolbenpumpe nur wenige Verbraucher im Betrieb sind und plötzlich mehrere Verbraucher hinzugeschaltet werden, so ergibt sich folgendes Bild:

Vor dem Zuschalten drücken die beiden Kolben 15 und 16 bei jedem Hub des Kugellagers 8 eine bestimmte Menge Hydrauliköl in den hydropneumatischen Speicher 24t die dann beim Rückhub des Exzenters 8 wieder in die Räume 21, 22 rückgefördert wird. Beim plötzlichen Zuschalten von Verbrauchern auf der Ausgangsseite der Radialkolbenpumpe sinkt der Druck im Hydraulikkreis plötzlich

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ab und die Kolben 15 und 16 drücken beim Kolbenhub weniger Hydrauliköl in den hydro pneumatischen Speicher 24. Vie aus Fig. 2 ersichtlich, sind in der Kolben-Zylindereinheit 14 nur sehr geringe Hassen zu bewegen, nämlich die Kolben 15 und 16 und die Ölsäule in den Räumen 21, 22, 25 und dem hydropneumatischen Speicher 24· Demgemäß ist auch die Stellzeit der erfindungsgemäßen Pumpe von einem Zustand auf ihrer Ausgangsseite zu einem anderen außerordentlich klein·

Von der Hilfspumpe 26 ist nur eine äußerst geringe Menge Hydrauliköl zu fördern, nämlich die Menge, die zur Leckölergänzung in der Kolben-Zylindereinheit 14 erforderlich ist. Für diese Pumpe kann daher ein sehr kleiner und damit preisgünstiger Typ verwendet werden, beispielsweise eine billige Zahnradpumpe. Das gleiche trifft für den hydropneumatischen Speicher 24 zu, welcher ebenfalls nur die maximale ölmenge aufzunehmen hat, welche von den Kolben 15 und 16 im Extremfall hin- und hergeschoben wird. Außerdem haben, wie aus Fig. 2 entnehmbar, die Kolben 15 und 16 einen wesentlich größeren Querschnitt als der Kolben 10 des zugehörigen Pumpenzylinders· Mithin kann auch bei relativ hohem Förderdruck der Radialkolbenpumpe mit einem relativ geringen Druck im Saum 21, 22 und mithin im hydropneumatischen Speicher 24 gearbeitet werden. Im Ergebnis kann als Speicher 24 eine kleine Type verwendet werden, die keiner behördlichen Genehmigung bedarf und außerdem im Handel preisgünstig erhältlich ist. Ähnliche Gesichtspunkte treffen für

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das einstellbare Druckbegrenzungsventil 25 zu. Sa zudem die Bauteile in der Kolben-Zylindereinheit 14 aus relativ einfachen Teilen bestehen, die in Serienfertigung sehr preisgünstig herstellbar sind, ist der zusätzliche Aufwand im Vergleich zu einer Radialkolbenpumpe herkömmlicher Art durch die erfindungsgemäßen Mittel sehr gering. Dies insbesondere im Vergleich zu den großvolumigen und komplizierten mechanischen Anordnungen bei Verstellpumpen der verschiedensten Art. Gegenüber diesen Verstellpumpen hat die Erfindung noch den besonderen Vorteil, daß alle beweglichen Teile von Haus aus in Hydrauliköl laufen und dabei nur kleine, geradlinige Bewegungen ausführen. Schmierprobleme und dergleichen, wie sie den üblichen Verstellpumpen eigen sind, treten bei der Erfindung mithin von vornherein nicht auf. Wie aus Vorstehendem ersichtlich, ist auch auf der Pörderseite einer erfindungsgemäßen Pumpe dank der hohen Ansprechgeschwindigkeit kein großvolumiger Hochdruck-Überbrückungsspeicher erforderlich und es iet ein sonst aus Sicherheitsgründen vorzusehendes Druckbegrenzungsventil entbehrlich.

Da, wie weiter oben erläutert, mit dem Ventil 25 der Ausgangsdruck der Radialkolbenpumpe einstellbar ist, läßt sich mit den erfindungsgemäßen Mitteln ein bestimmter Pumpentyp ohne Änderung für unterschiedliche Ausgangsdrücke verwenden.

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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann als Hilfspumpe eine Einkolbenpumpe kleinster Abmessung in eine Mehrzylinderkolbenpumpe nach der Erfindung integriert werden und vom Exzenter 8 angetrieben werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders preisgünstige Lösung.

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L e e r s e i t e

Claims (2)

1. Frieseke & Hoepfner

   8520 Erlangen 15. Novem2e9 ^lψβ 2

   Druckgeregelte Mehrzylinder-Kolbenpumpe

   Patentansprüche

   "\ ,ι Druckgeregelte Mehrzylinder-Kolbenpumpe, deren Kolben von einem gemeinsamen Äntriebselement angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Kolben (10) und dem Antriebselement (7, 8) je eine vorgespannte hydropneumatische Feder eingefügt ist, bestehend aus den einzelnen Pumpenkolben vorgeschalteten Kolben-Zylindereinheiten (14), deren Druckräume (21) gemeinsam mit einem hydropneumatischen Speicher (24) und über ein in Sperrrichtung angeordnetes Rückschlagventil (28) mit einer Hilfspumpe (26) und einem einstellbaren Druckbegrenzungsventil (25) verbunden sind, welches der Hilfspumpe parallel geschaltet ist.
2. 2. Mehrzylinder-Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspumpe (26) eine von dem Antriebselement der Mehrzylinder-Kolbenpumpe angetriebene Kolbenpumpe ist, welche in der Mehrzylinder-Kolbenpumpe integriert ist.

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