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Pumpenkombination mit Mengenreguliereinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Ölpumpe, bestehend aus mehreren Pumpenstufen
und einer Mengenregulierein richtung mit weitgehend konstantem Förderstrom, insbesondere
für den Mobilantrieb mit stark unterschiedlichen und wechselnden Drehzahlen.
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Der Erfindungsgegenstand dient der Druckmittelversorgung von hydraulischen
Anlagen und Systemen, insbesondere der Versorgung von hydraulischen Servo-Steuer-
und Regeleinrichtungen und der Schmierölversorzung.
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Bei Einrichtungen und Anlagen wird außer der Sicher-und Bereitstellung
eines gewissen Druckpotentials insbesondere auch diese Bereitstellung einer Mindest-Fördermenge
fiir die verschiedenen und vor allem niedrigen Betriebsdrehzahlen, gefordert, so
insbesondere bei Servoeinrichtungen wie z. B. Arbeit leistenden Druckzylinder. Bei
in ihrer Arbeitsweise und -giite häufig mengenabhängig reagierenden hydraulischen
Steuer- und Regeleinrichtungen ist ein gleichmäßiger Druckmittelstrom erforderlich
oder zumindest vorteilhaft. Beim Einsatz solchen Bedingungen gerecht werdenden Pumpen
tritt insbesondere bei Verwendung in Massen- bzw. Konsumgütern neben ihrer Wirtschaftlichkeit
auch der konstruktive und somit kostenmäßige Aufwand al ,n Kriterium in deren Vordergrund.
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Herkömmliche, üblicherweise eingesetzte einfache Verdrängerpumpen,
wie z. B. Zahnradpumpen, haben eine drehzahlproportionale Förderleistung, wodurch
keine optimale Pumpenauslegung möglich ist. Wird die Pumpengröße den Anforderungen
bei niedrigen Retri.ebsdrehzahlen gerecht, treten im oberen Drehzahlbereich unnötigerweise
hohe Förderströme verbunden mit hohen Verlusten auf. Ferner leidet die Arbeits-,
Steuer-und Regelgüte entsprechender Anlagen. Letztgenannte Nachteile können zwar
durch den Einsatz von bekannten Strömungsteilern begrenzt werden, was aber einen
selten zu vertretbaren Aufwand bedeutet. Auch wird d-adurch der Förderstrom der
Pumpe nicht eingeschränkt, so daß bei unveranderter Pumpenförderung unter vom Abnehmer
bestimmten unverändertem Betriebsdruck die Antriebsleistungen unverändert hoch bleiben.
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Der Einsatz mehrererPumpen, die auf mechanischem Wege zu- und abgeschaltet
werden können, bedingt einen relativ großen und teuren Aufwand und den Einsatz von
z. T verschleißunterliegenden oder auch störungsanfälligen Bauelementen und ist
für den Mobilantrieb ungünstig.
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Bekannte, in ihrer Fördermenge regelbare Pumpen, wie z. B. Flügelzellenpumpen
mit veränderbarer Exzentrizität oder Radialkolbenpumpen mit veränderbarem Taumelscheibenhub
scheiden aus Kostengründen in den meisten Anwendungsfällen - zumindest im Nobilantrieb
-als Alternativlösung aus.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist Schaffung einer Pumpe, die bei
stark unterschiedlichen Betriebszahlen eine weitgehend gleichmäßige Förder- und
Antriebsleistung aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einzelne Druckseiten
mehrerer Pumpenstufen sowie eine Saugseitenverbindung zu einer Steuereinrichtung
führt, ferner die gesamte, gemeinsame Förderleistung aller Pumpen durch oder mittels
einer Verbindung sl eitung zur Steuereinrichtung geführt ist und die Steuereinrichtung
hydraulische Schaltelemente, wie z. B. Steuerschieber, Ventile etc. aufweist, die
nach einer vorbestimmten Art und Weise die Drucks-eiten der einzelnen Pumpenstufen
entweder mit der gemeinsamen Förder- bzw. Abflußleitung oder mit der Saugleitung
verbinden, wobei bevorzugt die Schaltelemente auf einer Seite in der Bewegungsebene
krafterzeugende Einrichtungen oder Ausbildungen wie z. B, Drucldkolben aufweisen
oder mit solchen, wie auch Membranen kraftschliissig in Verbindung stehen, welche
mit der Druckseite einer oder mehre.-rer Pumpenstufen oder der gesamten Abflußleitung
in Verbindung stehen bzw. dessen Druckpotential ausgesetzt sind, während an der
anderen Seite des oder der Schaltelemente eine oder mehrere Federelemente oder bzw.
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und andere krafterzeugende, bevorzugt hydraulische Einrichtungen
angeordnet sind, deren Druckflächen mit einer druckmedienführenden Leitung in Verbindung
stehen.
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Ferner bestehen die Pumpenstufen bevorzugt aus Zahnradpumpen, wobei
die Zahnräder auf einer Ebene sitzen und nacheinander fortlaufend miteinander im
Eingriff stehen und seitlich dieser Eingriffspartien die Ssug-und Druckräume -angeordnet
sind, so daß die Anzahl der Pumpenstufen die der Purnpenräder abzüglich 1 beträgt
und die Zahnräder fliegend (einseitig gelagert) sind, wobei. sich die Lagerbasen
bevorzugt auf der dem Kolbengehäuse abgewandten Seite befinden. Erfindungage
mäß
kann das hydraulische Schaltelement als Steuerschieber ausgebildet sein mit einer
Steuerkantenausbildung und Kanalausführung im Steuerzylinder so, daß bei axialer
Verschiebung die Druckseiten einzelner Pumpenstufen nacheinander mit der Saugseite
verbunden werden, so daß diese von der Nutzförderung abgeschalteten Pumpenstufen
weitgehend drucklos und nahezu.
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leistungsfrei im Kreise fördern.
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Im Erfindungsgedanken einbezogen ist eine Ausbildung der hydraulischen
Schaltelemente bevorzugt in Form eines Steuerschiebers, der eine Längsbohrung mit
einer Drosselstelle aufweist, durch die der Nutzförderstrom einer, mehrerer oder
aller Pumpenstufen strömt und die beiden Enden des Steuerschiebers als Druckkolben
ausgebildet sind und an dem der Einströmrichtung entgegengesetzten Ende ein Federelement
angeordnet isto Vorteile Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin,
daß außer der für die Funktion und Arbeitsgüte von Servo -Steuer- und Regel einrichtungen
durch die weitgehend gleichmäßige Nengenförderung vorteilhafte und günstige Betriebsbedingungen
geschaffen werden, vor allem aber dadurch, daß die Rörderleistung der erfindungsgemäß
abgeschalteten, vom Betriebsdruck der zu versorgenden Anlage entbundenen Pumt enstufen
nahezu
Null beträgt, bei stark unterschiedlichen Retriebsdreh~ zahlen die Antriebsleistung
sich stark vermindert und ein relativ hoher Energiespareffekt erzielt werden kann
Gegenüber herkömmlichen festen bzw. immer aktiven Pumpenstufen kann z. B. bei einem
Betriebsdreh-zahlbereich von 1 : 6 bis max. ca. 80 % der sonst maximal erforderlichen
Antriebsenergie eingespart werden, bei herkommlicher
Voraussetzung,
dclP, eine solche herkömmliche Pumpe mengenmäßig für den untersten Drehzahlbereich
ausgelegt werden mull.
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Die erfindungsgemäße Kombination mehrerer, insbesondere relativ einfacher
Zahnradpumpenstufen -vor allem in der nebeneinander angeordneten Weise der mit ein
ander fortlaufend im Eingriff stehenden Zahnrädern -die eine Pumpenstufe mehr ermöglichen
als bei Einzelanordnung von Pumpenradpaaren - sowie die Einbeziehung des erfindungsgemäßen
selbststeuernden Schaltelementes stellt eine bezüglich des Fertigungsaufwandes vorteilhafte
Konzeption dar. Der Erfindungsgegenstand ermöglicht auf Grund seiner selbstregelnden
Fähigkeit einen einfachen Anbau und vielseitige Einsatzmöglichkeiten, da keine weiteren
externen Stell- oder Servoglieder -wie es bei den eingangs erwähnten bekannten regelbaren
Pumpen der Fa'l ist - erforderlich sind Dennoch können vorteilhafterweise wegen
der bekannten "eichtgängigkeit der verwendeten Steuerschieber als hydraulische Schaltelemente
relativ einfache, leichte Servoelemente wie z. t3. Rubmagnete zusätzlich angeordnet
werden, die auf die hydraulischen Schaltelemente einwirken, um deren Funktion in
Sonderfällen zu überspielen.
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Fertigungsgünstig ist das Steuergehäuse durch die in ihrer Funktion
"weiche" Steuerkantenausbildung; die Steuerkantenherstellung kann auf gießen beschränkt
bleiben.
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Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt im Schnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen
3-stufigen Zahnradpumpe mit Mengenreguliereinrichtung Fig. 2 zeigt die Draufsicht
der Pumpenradanordnung mit den Saug- und Druckkammern einer Pumpenkonzeption gemäß
Fig.
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Fig. 5 zeigt eine im Schnitt dargestellte, dem Auslegungskonzept der
Fig. 1 und 2 zugeordnete, erfindungsgemäße Variante einer Schalteinrichtung zuirt
hydraulischen Abschalten einzelner Pumpenstufen, wobei die Abschaltung förderungsabhängig
bewirkt wi.rd Fig. 4 zeigt eine im Schnitt dargestellte, dem Auslegungskonzept der
Fig. 1 und 2 angepaßte, erfindungsgemäße Variante einer Schalteinrichtung zum hydraulischen
Abschalten von einzelnen Pumpenstufen, wobei die Abschaltung druckabhängig erfolgt
u.nd zwar bei zunehmendem Gegendruck an der zu versorgenden Anlage Beschreibung
der Ausführungsbeispiele In Fig.. und 2 ist Position 1 das Grund- und Lagergehäuse,
2 eine Brillenplatte, 3 eine Zwischenplatte und 4 das Steuergehäuse. 1 trägt die
Lagerbasen der Zahnradwellen 5 - 8 der Zahnräder 9 -12 , in einer Nut einen dichtring
13 , je ein weiterer 14 und 15 sitzen in 3 und 4 ¢ Die Brillenplatte weist kreisrunde
Aussparungen 15 auf, in denen die Zahnräder 9 bis 12 sitzen, ferner die den Drehrichtungen
zugeordneten Saugräume 17 - 19
und Druckkammern 20 - 2l . Die Zahnräder
9 und 10 mit den Saugräumen 17 und 24 und dem Druckraum 20 bilden die erste Pumpenstufe;
Pos. 9 , 11 17 und 18 die zweite; 111120 17 , 19 und 22 die dritte. 1 weist eine
Bohrung 23 auf; diese dient als Saugleitung der gesamten Pumpe, durch Querbohrungen
24 und 25 werden die Saugräume 18 und 19 der Pumpenstufen I und III mit dieser verbunden.
Die das Pumpengehäuse bildenden Bauteile tbis 4 werden durch Schrauben 26 zusammengehalten.
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Das Steuergehäuse in Fig. 3 weist eine Zylinderbohrung 27 und mehrere
bis zur Zwischenplatte 3 durchgehende quer zu 27 angeordnete Kanäle 28 bis 31 auf
(s. auch Schnittdarstellung Fig. -1), die auch als Steuerkanten dienen und in Verdickungen
17 , 20 21 , 22, 24 , übergehen bzw. durchgehen, welche durch nicht dargestellte
Durchlässe in der Zwischenplatte 3 mit den darunterliegenden, in der Brillenplatte
2 angeordneten Saug- und Druckräumen gleicher Pos-Nr.
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verbunden sind. In der Zylinderbohrung sitzt axial verschiebbar der
Steuerkolben 32 . Dieser verbindet je nach axialer Position mittels Ringnut 33 und
der angrenzenden Steuerkante 34 , die zur Erzielung einer "weichen" Übergangsfunktion
noch Langkerben oder konische Anschliffe 35 aufweist. 32 ist mit einer axial durchgehenden
Verbindung 36 und der seitlichen erweiterten Zylinderbohrungen 37 und 38 versehen.
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Radial in 32 sind Verbindungsöffmmgen 39 angebracht, die einen Durchtritt
von 28 nach 37 gestatten. In 32 befindet sich eine Drosselblende 4o mit der Blendenbohrung
41 , die eine Verbindung zwischen 37 und 36 nach 38 herstellt. In 38 sitzt eine
Feder 42 , die sich an dem Ring 43 abstützt,
der wiederum von einer
Verschraubung- 44 gehalten wird, die gleichzeitig mit Innengewinde versehen die
Austrittbasis der genannten Pumpe mit Mengenreguliereinrichtung darstellt. Rechts
in der Darstellung wird der Zylinderraum 27 durch eine einseitig hohle Verschraubung
45 verschlossen Der Kanal 31 mit Qwerverbindung 22 führt über den Verbindungskanal
46 zu Ventilbohrungen 47 und 48 , in der sich eine Ventilkugel 49 dichtend befindet,
welche durch die Ventilfeder 50 angedrückt wird und bei Strömung von 46 eine Verbindung
zu 28 frei gibt. Die Verschraubung r:1 dient als Feder anlage bzw.-Führung und verschließt
den Ventilschacht 48 . Der Kanal 30 steht ebenfalls über einen gleich,cearteten
Verbindungskanal und Rückschlagventileinrichtung mit dem Kanal 28 in Verbindung
Die Funktion der dargestellten Elemente ist: Die miteinander im Eingriff stehenden
Zahnrader 9 bis 12 werden über die verlängerte Welle 5 angetrieben. Die Druck- und
Saugbasis 20 und 24 bilden die Pumpenstufe T , deren Druckseite bzw. Abfluß 20 direkt
in Kanal. 28 führt, durch den ihre Fördermenge über die Verbindungsöffnungen 49
in die Kolbenbohrung 37 zur Drosselblende 40 gelangt.
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Durch die Plendenbohrung errolgt der Abfluß durch 3E, 38 , 37 , 43
und 44 . In der Blende 40 wird ein Staudruck verursacht und somit eine Druckdifferenz
zu beiden Seiten der Drosselblende aufgebaut, die auch an den Kolbenenden und somit
auf die Projektionsflächen des Kolbens wirkt. Diese Druckdifferenz, deren Druckgefälle
bei vorteilhafter Ausbildung der Drosselstelle als klassische Blende weitgehend
unabhängig vom absoluten Druckpotential und der Viskosität des durch strömenden
Mediums ist, bewirkt eine unterschiedliche
durchströmmengenabhängige
Axialkraftbeaufschlagung auf den Kolben .32 . Das Kräftegleichgewicht wird durch
die am Kolben angreifende Feder 42 gehalten.
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Entsprechend der Differenzdruckcharakteristik von Blende 4o , der
wirksamen Kolbenflächen und der Kraftkennlinie der Feder 42 wird der Kolben 32 somit
axial positioniert. Die Abstimmung Blenden- -Federkraft - Steuerkantenanordnung
ist erfindungsgemäß so gewählt, daß bei geringem Fördervolumen, d. h.
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bei niedrigen Pumpendrehzahlen - auch mit der in Kanal 28 zuspeisenden
Pumpenstufen II und III der Kolben in Abb. 3 weitgehend rechts gehalten wird, so
daß keine Verbindung der druckseitenidentischen Kanäle 30 und .31 der Pumpenstufen
II und III mit dem saugseitenidentischen Kanal 29 besteht. Mit zunehmendem Fördervolumen
aller Pumpenstufen wird der Kolben 52 nach links ausgelenkt nacheinarder der Kanal
30 und 31 (die Druckseiten der Pumpenstufen II und III ) mit der Saugseite, den
Kanal 29 verbunden. Bei freier Verbindung dieser Pumpenbasen erfolgt die Förderung
dieser Pumpenstufen nahezu drucklos und somit sehr verlustarm im Kreise. Für diesen
Fall verhindert das aus 47 , 48 , 49 und 50 bestehende Rückschlagventil das Zurückströmen
des Förderstromes der noch aktiven Pumpenstufe zu den drucklosen, inaktiven. Die
axiale Zuordnung der Durchbrüche 39 in 32 werden vorteilhafterweise so ausgelegt,
daß sie auch als Steuerkanten dienen für den Betriebszustand höchster Drehzahlen
und Förderung, in dem sie einen Teil der Fördermenge der letzten aktiven Stufe I
gedrosselt in Kanal 29 entlassen.
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Zur Dämpfung der Steuerkolbenbewegung ist das dargestellt rects Zylinderende
und Hohlteil Verschraubung 45
als Kompressionsraum 53, ausgebildet
und steht ent weder über dem Ringspalt 54 mit einem beliebigen mediumgefüllten Raum,
im vorliegenden Fall mit AbSlußkanal 28 in Verbindung. Je nach praktischen, anwendungstechnischen
Erfordernissen kann es vorteilhaft sein, die Dämpfungseinrichtung kolbenbewegungsabhängig
unterschiedlich wirken zu lassen So z. B., wenn beim Drehzahlverändern, besonders
beim Uo,chfahren einer Anlage, denn von Servoeinrichtungen - so zum Anpassen an
neue geänderte Betriebsbedingungen - besonders viel Druckmedium gefordert wird.
Dafür i-st die Dämpfungsblende 55 als einseitig wirkendes Ventilplättchen ausgebildet,
in dem es durch die Ventilfeder 57 gegen einen Dichtring 58 gedrückt wird, der axial
durch den Sprengring 59 in 32 fixiert ist. Bei spontaner Drehzahländerung, die sich
als spontane Kolbenbewegung im dargestellten Bild nach links auswirkt, schließt
dieses Blendenplättchen außen ab, der Drossel- und 'Dämpfungseffekt erfolgt in einem
vorbestimmten JNaße durch den-Querschnitt von 56 . Bei Rechtsbewegung) bei Drehzahlreduktion
hebt dieses Blenden- und Ventilplättchen 55 vom Dichtring 58 ab und gibt durch die
außen daran angearbeiteten Durchlaßöffnungen 60 Durchstromquerschnitt frei, die
Dämpfungswirkung kann damit außer Betrieb gesetzt oder vermindert werden. Mit aktiver
Dämpfung wird quasi ein Verzögerungseffekt für die Kolbenbewegung bewirkt, was sich
regelungstechnisch fiir die Mengenregelung als D-Verhalten auswirkt In Fig. 4 sind
die Saug und Druckraumzuordnungen der einzelnen Stufen,die Kanale 20, 24,- 17 und
21: sowie die Rückschlagventilanordnungen, die Kolbenbohrung sowie die Steuerkantenausbildungen
und die Sammelabflußleitung
28 den Ausführungen gemäß Fig. 1 -
3 übernommen. Der Gemeinsame Abfluß erfolgt durch die Gewindebohrung 61 , der AbfluWdruck.
beauf schlagt den Steuerkolben 62 auf der Stirnseite 63 ie radialen Bohrungen 64
, axiale Bohrung 65 und 66 aufweist, die den saugraumverbundenen Kanal, 29 mit einem
Ko essionsraum im 27 verbindet. Eine in einer Verschlußsehraube 67 steckende. Feder
68 wirkt über einen Federring 69 auf 62 gegen denn Pumpendruck ein, deren folgiiche
Kolbenauslenkung durch Anschlag-,stift 70 begrenzt wird. Die Funktion der Abschaltung
einzelner Pumpenstufen vom aktiven Fördern und Verbinden ihrer Druckseiten mit den
Saugseiten 17 , 24 erfolgt dadurch, daß mit zunehmendem Druck des Fördermediums,dessen
Niveau von der zu versorgenden Anlage bestimmt wird, die axiale Kolbenposition verändert
wird. Die am Kolben 52 einwirkende hydraulische kraft einerseits, die Kraftkennlinie
der Feder 68' und eine auf dieser Kolbenseite einwir,kende hydr. Kraft andererseits
und die axialen Zuordnungen der Steuerkanten bestimmen die Schaltcharakteristik
Vorliegendes Steuerprinzip kann dort vorteilhaft eingesetztwerden, wo an einer zu
versorgenden Anlage ein gleichmäßiger Betriebsdruck herrscht bzw. angestrebt wird,
wie z. B. technische Anlagen mit Schaltkupplungen oder Arbeits- und Haltekolben.
Zwangsläufig treten beim Arbeiten solcher Einrichtungen Druckabfälle im gesamten
Hydrauliksystem auf, die zum "Schalten" vorliegender Pumpe ausgenützt werden können.
In Betriebsphasen der Beharzung an solchen Anlagen kann da'durch mit einem geringen
Teil der Pumpenantriebsleistung --und somit Antriebsenergie - gefahren werden.
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An vorliegender Ausführungsvariante können auch wieder, wie vorstehend
zu Bild 3 beschrieben, Dämpfungseinrichtungen für den Kolben 62 in Form der.Blende
70 ausgebildet sein.