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Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine mit zumindest einem
Kugelkolben, insbesondere Kugelkolbenpumpe, deren an einem äußeren Hubring oder
Stator abrollbare Kugeln mit einer zylindrischen Hülse drehbar verbunden sind, die
dicht in einer Radialbohrung eines auf einem feststehenden, mit Zu- und Abflußkanälen
versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors gleitet.
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Eine Kugelkolbenmaschine der vorgenannten Bauart ist aus DE-OS 29
08 096 bekannt. Die in einem Paßsitz zur Rotorradialbohrung stehende verschiebliche
zylindrische Hülse bewirkt eine Spaltabdichtung zwischen Rotor und Hülse, durch
die Verluste in der Dichtheit in Kauf genommen werden müssen, die den Wirkungsgrad
der Maschine beeinträchtigen, insbesondere bei höheren Drücken und/oder geringen
Viskositäten des Betriebsmediums.
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Aufgabe der Erfindung ist, die bekannte Kugelkolbenmaschine dahingehend
zu verbessern, daß ein guter Wirkungsgrad selbst bei höheren Drücken und/oder geringen
Viskositäten
des Betriebsmediums gegeben ist, und zwar mit Hilfe
baulich einfacher Mittel.
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Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß
das radial äußere mit der Kugel drehbar verbundene Ende der Hülse eine Umfangsdichtlippe
aufweist, die die Kugel pfannenartig aufnimmt. Im Betrieb steht das radial innere
Ende der Hülse mit der Druckseite der Maschine in Verbindung, wodurch eine radial
nach außen gerichtete Kraft auf die Hülse ausgeübt wird, die zusätzlich zur auftretenden
Fliehkraft die elastische Umfangsdichtlippe gegen die Kugel preßt und auseinander
spreizt - d. h. die Dichtkraft erhöht. Damit kann die zylindrische Hülse mit großer
Toleranz in ihrem Außendurchmesser hergestellt werden, ohne die Abdichtwirkung zu
beeinträchtigen. Die Abdichtwirkung erhöht sich mit zunehmendem Druck auf der Druckseite
der Maschine, weshalb die Erfindung besonders für hochdruckfähige Pumpen geeignet
ist. Bei Anlage der Dichtlippe am Rotor wird im Betrieb eine Linienberührung geschaffen,
die die Verschiebbarkeit des Kugelkolbenelements praktisch nicht beeinträchtigt.
Die Hülse ist zweckmäßigerweise aus Kunststoff gefertigt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß zwischen Hülse und Dichtlippe eine äußere Umfangseinkerbung vorgesehen ist.
Dadurch wird die Elastizität der Dichtlippe erhöht.
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Im nicht montierten Zustand der Anordnung ist der Dichtlippendurchmesser
zweckmäßigerweise
größer als der Außendurchmesser der zylindrischen Hülse, wobei nach einem Einbau
die Dichtlippe abdichtend an der radialen Rotorbohrung anliegt, selbst wenn kein
Druck auf der Druckseite der Maschine vorhanden ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, Hülse und
Dichtlippe aus gleichem Material und einstückig auszubilden. Damit ist eine einfache
Fertigung des Dicht-Kolben-Elements möglich.
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Insbesondere besitzt das Hülsen- und Dichtlippenmaterial einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der des Rotors. Dadurch wird bei höheren
Betriebstemperaturen der Spalt zwischen Hülse und Rotor verringert, so daß auch
dann der (volumetrische) Wirkungsgrad verbessert wird, wenn das Betriebsmedium eine
geringe Viskosität aufweist.
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Vorteilhafterweise weist die axialsymmetrische Hülse einen mittigen
Axialdurchgang auf. Dadurch wird im Betrieb die Kugel direkt durch Hydraulikdruck
beaufschlagt und an den äußeren Hubring bzw. Stator gepreßt. Dadurch werden die
Reibungsverluste zwischen Kugel und Dichtlippe verringert, die in einem Gleiteingriff
stehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird je nach Druckhöhe die Dichtlippe entsprechend
der gewählten Flächendifferenz (D12 Dq ) -1 D4 ) von der Kugel an die radiale Rotorbohrung
angedrückt, wenn D1 den Rotorbohrungsdurchmesser und D4 den wirksamen Dichtdurchmesser
(Berührungskreis zwischen Kugel und Dichtlippe) bezeichnen.
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Einfache Ausführungsformen der Erfindung sehen ein Kugelelement eines
Kolbens vor, das nicht in einem Paßsitz zur Radialbohrung des Rotors steht, weil
eine gut eingepaßte Kugel mit geringem Laufspiel infolge der Ausbildung des zwischengeordneten,
die Abdichtung übernehmenden Dicht-Hülsen-Elements in vielen Anwendungsfällen nicht
erforderlich ist. Bei einer besonderen Ausführungsform ist jedoch ein Paßsitz der
Kugel in der Radialbohrung des Rotors vorgesehen, wobei der Außendurchmesser der
Hülse im wesentlichen gleich dem Kugeldurchmesser ist.
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In diesem Fall wird eine zusätzliche Abdichtung zwischen Kugel und
Rotor geschaffen, wenn die Kugel in der Radialbohrung des Rotors aufgenommen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt: Fig. 1 einen Axialschnitt
einer Kugelkolbenpumpe mit der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch die Pumpe nach
Fig. 1 im Bereich der Achse des Kugelkolbens, und Fig. 3 eine Einzelheit der Pumpe
nach den Fig.
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1 und 2 in einem größeren Maßstab bei schematischer Darstellung.
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Die Kugelkolbenpumpe gemäß Zeichnung umfaßt ein auf der einen Stirnseite
geschlossenes topfartiges Gehäuse 18 mit einem Sauganschluß und einem Druckanschluß
17 auf dem Gehäuseumfang.
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Im Innern des Gehäuses 18 befindet sich eine Rotor-Stator-Einheit,
die über elastische abdichtende Stützkörper 5 in Form von O-Ringen am Gehäuse abgestützt
ist, um einen geräuscharmen Betrieb der Pumpe zu ermöglichen. Die Rotor-Stator-Einheit
wird neben den elastischenStützkörpern 5 in einer drehfesten Lage bezüglich des
Gehäuses 18 durch ein Einsatzstück 15 gehalten, das im Druckanschluß zwischen Gehäuse
und Stator 4 eingesetzt ist, wobei zwischen Einsatzstück 15 und Stator 4 keine metallische
Berührung stattfindet, vielmehr zwischengeordnete weitere elastische Stützkörper
mit Abdichtwirkung vorgesehen sind.
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Die Rotor-Stator-Einheit besteht im wesentlichen aus einem äußeren
Stator 4 und einem inneren Rotor 1, der drehbar auf dem einen (gemäß Fig. 1 rechten)
Ende eines zentralen Steuerzapfens 8 sitzt, welcher in einer Innenbohrung des Stators
4 aufgenommen ist und einen Zuflußkanal 12 sowie einen Abflußkanal 13 zum bzw. vom
Rotorinneren besitzt.
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Der Rotor 1 ist mit seiner einen Stirnwand über eine axial-und drehelastische
Federkupplung 2 mit dem einen Ende einer Anschlußwelle 22 eines Elektromotors 19
verbunden, wobei die Anschiußwelle in koaxialer Verlängerung des Rotors 1 liegt.
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Im Innern des Rotors 1 ist eine durchgehende Radialbohrung ausgebildet,
in der diametral entgegengesetzte, radialverschiebliche Kugelkolben 11 angeordnet
sind, deren äußere Kugeln 9 an einem exzentrischen Hubring 10 abrollen, der am äußeren
Stator 4 verschiebbar gelagert ist.
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Im Betrieb der Kugelkolhenpumpe wird Hydraulikmedium bei
einer
Drehung des Rotors 1 durch den Sauganschluß 16 auf der Saugseite 7 der Pumpe angesaugt,
längs des Umfangraums 21 der Fig. 2 verdichtet und auf der Druckseite 6 der Pumpe
über eine Längsbohrung 23 des Stators 4, eine Kammer 24, den Zuflußkanal 12 dem
Saugraum 25 auf der radial inneren Seite des Kugelkolbens 11 zugeführt und nach
einer weiteren Halbdrehung des Rotors 1 über den Druckraum 26, den Abflußkanal 13
des Steuerzapfens 8 und den Druckanschluß 17 der Pumpe abgeleitet. Hierbei werden
die Kugelkolben 11 durch Fliehkraft und den Arbeitsdruck nach außen an den Hubring
gedrängt. Im Betrieb der Anordnung wird der Rotor in Axialrichtung durch den erzeugten
Pumpendruck in der Kammer 6, 6a gegen die Federkupplung 2 der Anschlußwelle 22 gedrängt,
wobei die Einheit in einer axialzentrierten berührungsfreien Lage zum Gehäuse gehalten
wird.
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In der Radialbohrung des Rotors 1 ist ein Kugelkolben 11 angeordnet,
der in größerem Maßstab in Fig. 3 schematisch gezeigt ist.
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Der Kugelkolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer inneren
axialsymmetrischen Hülse 3 mit einem zentralen Axialdurchgang 14.
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Das radial äußere Ende der Hülse 3 nimmt pfannenartig die Kugel 9
längs eines mittleren Kugeldurchmessers D4 auf und ist als einstückige elastische
Dichtlippe 20 ausgebildet, während das radial innere Umfangsende der Hülse einen
Teil des Druckraums 25 begrenzt.
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Der Durchmesser D1 der Radialbohrung ist geringfügig größer als der
Außendurchmesser D3 der Hülse 3, so daß
der Außenmantel der Hülse
außerhalb des Bereichs der Dichtlippe 20 eine Spaltabdichtung zum Rotor 1 schafft
und dennoch der zylindrische Teil der Hülse mit großer Toleranz gefertigt werden
kann.
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Der Kugeldurchmesser D2 entspricht in etwa dem Außendurchmesser D3
der Hülse.
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Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Druckraum 25 unter Hydraulikdruck.
Bei geringen Drücken und/oder .hohen Viskositäten (niedrige Temperaturen) genügt
primär die Dichtwirkung zwischen der Dichtlippe 20 und der Kugelkolbenbohrung D1.
Bei höheren Drücken wird die elastische Dichtlippe 20 gegen die Kugel 9 gepreßt
und mit erhöhter Dichtkraft zur Rotorbohrung auseinandergespreizt. Die Spreizwirkung
wird bei schnell laufenden Rotoren durch die Fliehkraft unterstützt.