DE3139561C2 - - Google Patents

Description

Die Hauptanmeldung P 31 21 531 zur vorliegenden Anmeldung beschäftigt sich mit der Aufgabe, den aus Kugel und Zylinder gebildeten Kolben einer Radialkolbenmaschine im Sinne einer erhöhten Dichtung und verbesserten Führung zu verbessern, wobei Kugel und das als Zylinder ausgestaltete Kolbenelement in einer Radialbohrung eines auf einem feststehenden, mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors gleiten.

Die Erfindung betrifft daher eine Radialkolbenmaschine, insbesondere eine Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem Kugelkolben, dessen an einem äußeren Hubring oder Stator abrollbare Kugel mit einem Kolbenelement zusammenwirkt, das in einer Radialbohrung eines auf einem feststehenden, mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors gleitet gemäß der Hauptanmeldung P 31 21 531.

Eine Kugelkolbenmaschine der vorgenannten Bauart ist aus der DE-OS 29 08 096 bekannt. Die in einem Paßsitz zur Rotorradialbohrung stehende verschiebliche zylindrische Hülse mit innerem Axialdurchgang zur Kugel bewirkt eine Flächenabdichtung zwischen Rotor und Hülse und übergreift die Kugel in einer Weise, daß zwischen dieser und der Hülse eben­ falls eine Flächenabdichtung gebildet ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß nach einem Zusammenbau die Kugel fest mit der Hülse verbunden und demzufolge ein eventueller Austausch nur der Gesamteinheit möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Kugelkolben­ maschine einfachen Aufbaus mit gutem Wirkungsgrad.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführte Merkmalskombination. Gegenüber einer Kugelkolbenpumpe, bei der der Kolben aus nur einer einzigen Kugel besteht (DE-PS 87 32 07), erreicht man mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bei hohen Drücken und/oder geringen Viskositäten des Betriebsmediums durch eine größere Überdeckungslänge eine bessere Abdichtung und damit eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads und eine Erhöhung der Fördermenge; auch wird die äußere Kugel infolge der größeren Fliehkraft der Gesamtanordnung stärker gegen den Hubring gedrückt, wodurch das Abrollen der Kugel am Hubring sicherer wird.

Das Zwischenelement ist vorteilhaft als Hülse ausgebildet, deren den Kugeln zugewandte Enden gleich ausgebildet sind; da­ durch wird die Hülse gleichmäßiger beansprucht. Die Fertigung der Hülse ist durch die gleich ausgebildeten Endbereiche vereinfacht.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Hülse aus zwei gleichen Einzelelementen zusammensetzen, so daß ein Hülsen- Einzelelement als Zwischenelement auch bei nicht als Kugel ausgebildetem, zylindrischen Kolbenelement Verwendung finden kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die an den Kugeln anliegenden Flächen der Hülse geneigt. Dadurch kann man auf einfachste Weise die Verteilung der an der Kugelkolben­ anordnung angreifenden Kräfte beeinflussen.

Besonders vorteilhaft ist die an der Kugel anliegende Fläche der Hülse eine Gleitfläche aus einem Material mit einem ge­ ringen Reibwert. Die Hülse kann z. B. vollständig aus diesem Material gefertigt sein. Auf einfachste Weise wird so das Abrollen der radial äußeren Kugel auf dem Hubring sicher­ gestellt, sofern das antreibende Moment (Reibung am Hubring) größer als das Bremsmoment (Reibung der Kugel an der Rotorbohrung und an der kegeligen Mantelfläche der Hülse) ist. Die radial innere Kugel kann aufgrund der geringen Reibung etwa notwendige Ausgleichsbewegungen leicht aus­ führen.

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn die Gleitfläche durch einen ringförmigen Gleitkörper gebildet wird, der in das Ende der Hülse integriert eingesetzt ist.

Zweckmäßigerweise ist der Gleitkörper bzw. die Hülse aus einem geräuschdämmenden Material gebildet.

Eine einfache Fertigung bei guter Funktion einer Kugel­ kolbenmaschine ergibt sich, wenn der Querschnitt des Gleit­ körpers ein rechtwinkliges Dreieck ist, dessen Hypotenuse mit der Kugel in Eingriff steht. Die beiden Schenkel des rechtwinkligen Dreiecks können gleich lang ausgebildet sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Hülse aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungs- Koeffizienten auszubilden, der größer ist als der des die Hülse umschließenden Rotormaterials. Bei entsprechender Paß­ genauigkeit mit Ausdehnungsmöglichkeit der Hülse wird bei hoher Betriebstemperatur und entsprechend geringer Viskosität des Betriebsmediums größere Dichtheit in der Flächenab­ dichtung zwischen Hülse und Rotor sichergestellt und der Wirkungsgrad vergrößert.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der zylindrische Außenmantel der Hülse über die gesamte Axiallänge der Hülse vorgesehen. Damit wird die Flächen- oder Spaltabdichtung zwischen Hülse und Rotor weiter ge­ steigert.

Die Flächenabdichtung zwischen Hülse und Rotor wird ver­ bessert, wenn der Außendurchmesser der Hülse im wesentlichen gleich dem Kugeldurchmesser ist.

Durch die Anordnung des mittigen Axialdurchgangs und der Radialbohrung herrscht im Hülseninnenraum zwischen den Kugeln der Arbeitsdruck, der zwischen innerer und äußerer Kugel vor­ handen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Kugeln gleichen Durchmesser haben. Da die Kugeln paßgenau in der Radialbohrung sitzen, stellt sich an jeder Kugel ein im wesentlichen gleicher Druckverlust ein, so daß jede Kugel nur mit dem halben Arbeitsdruck belastet ist. Der Kugel­ kolben ist durch Verwendung von zwei standardisierten Kugeln einfach und preisgünstig aufgebaut. Zum Austausch braucht nur ein Bauteil, die Kugel, auf Lager gehalten zu werden.

Dadurch, daß die das Kolbenelement bildende Kugel mit kleinerem Spiel in der Rotorbohrung angeordnet ist als die radial äußere Kugel ergibt sich an der radial inneren Kugel ein größerer Druckabfall und damit eine größere Dichtwirkung im Vergleich zur äußeren Kugel. Dadurch wird erreicht, daß die radial innere Kugel im wesentlichen die Abdichtung be­ wirkt und die radial äußere Kugel durch das größere Spiel mit geringerer Reibung an der Rotorbohrung abrollt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Kugelkolbenpumpe,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Pumpe nach Fig. 1 im Bereich der Achse des Kugelkolbens,

Fig. 3 eine Einzelheit der Pumpe nach den Fig. 1 und 2 in einem größeren Maßstab und schematisch dargestellt.

Die Kugelkolbenpumpe nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes topfartiges Ge­ häuse 18 mit einem Sauganschluß 18 und einem Druckan­ schluß 17 auf dem Gehäuseumfang.

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 elastischen Stützkörpern 5 in einer drehfesten Lage bezüglich des Gehäuses 18 durch ein Einsatzstück 15 gehalten, das im Druckanschluß zwischen Gehäuse 18 und Stator 4 eingesetzt ist. Zwischen Einsatz­ stück 15 und Stator 4 findet dadurch, daß zwischengeordnet weitere elastische Stützkörper mit Abdichtwirkung vorhanden sind, keine metallische Berührung statt.

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 ein Abflußkanal 13 zum bzw. vom Rotorinneren besitzt.

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 ver­ bunden, wobei die Anschlußwelle in koaxialer Verlängerung des Rotors 1 liegt.

Im Inneren des Rotors 1 ist eine durchgehende Radialbohrung ausgebildet, in der diametral entgegengesetzte, radial­ verschiebliche Kugelkolben 11 angeordnet sind, deren äußere Kugeln 8 an einem exzentrischen Hubring 10 abrollen, der am äußeren Stator 4 axial verschiebbar gelagert ist.

Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe wird Hydraulikmedium bei einer Drehung des Rotors 1 durch den Sauganschluß 16 auf der Saugseite 7 der Pumpe angesaugt, längs des Umfangs­ raums 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 10 gedrängt. Im Betrieb der Anordnung wird der Rotor in Axialrichtung durch den erzeugten Pumpendruck in der Kammer 6, 6a gegen die Federkupplung 2 der Anschluß­ welle 22 gedrängt, wobei die Einheit in einer axial­ zentrierten berührungsfreien Lage zum Gehäuse gehalten wird.

In der Radialbohrung des Rotors 1 ist ein Kugelkolben 11 angeordnet, der im größeren Maßstab in Fig. 3 schematisch gezeigt ist.

Der Kugelkolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer axialsymmetrischen Hülse 3 mit einem zentralen Axialdurchgang 19 sowie einer inneren Kugel 40. Die Kugeln 9, 40 haben gleichen Durchmesser. Die Hülse 3 ist als Drehteil ausgebildet und weist einen zylindrischen Außenmantel auf, der sich nahezu über die gesamte Axial­ länge der Hülse erstreckt. Der zentrale axiale Durchgang 14 ist über eine Radialbohrung 41 mit dem Außenumfang verbunden. Die stirnseitigen Enden der Hülse 3 besitzen Aussparungen.

Im ausgesparten Bereich der stirnseitigen Enden der Hülse 3 sind integriert Gleitkörper 30 eingesetzt. Jeder Gleit­ körper 30 hat die Form eines Ringes, dessen Querschnitts­ fläche ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck ist. Der Gleitkörper 30 ist im Bereich seiner Katheten ab­ dichtend mit der Hülse 3 verbunden und besteht aus einem geräuschdämmenden Material mit einem geringen Reibwert, z. B. Polytetrafluoräthylen.

Im zusammengebauten Zustand der Anordnung berühren die Gleitkörper 30 die Kugeln 9, 48 im wesentlichen längs eines Teilkreises mit dem Durchmesser D₄, und zwar auf der Hypotenusenseite des Gleitkörpers 30.

Der Außendurchmesser D₃ der zylindrischen Hülse 3 läßt sich mit geringer Toleranz auf einfache Weise fertigen. Der Außendurchmesser D₃ ist so gewählt, daß in jedem Betriebsfall eine Axialverschiebung der Hülse 3 in der Rotorbohrung mit dem Innendurchmesser D₁ möglich ist.

Der Durchmesser D₂ der beiden Kugeln 9, 40 entspricht gemäß Ausführungsbeispiel im wesentlichen dem Außendurchmesser D₃ der Hülse. Da die Kugeln 9, 40 sich über ihren Großteil im Innern der Rotorbohrung befinden, werden Abdichtungen zwischen Rotor 1 und Kugeln 9, 40 längs eines Großkreises jeder Kugel 9, 40 geschaffen. Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Druckraum 25 unter Hydraulikdruck, der die Kugel 40, die Hülse 3 und die Kugel 8 radial nach außen gegen den äußeren Hubring 18 drängt. Da die Kugeln 9, 40 paßgenau in der Rotorbohrung sitzen, stellt sich an jeder Kugel ein im wesentlichen gleicher Druckverlust ein, so daß jede Kugel nur mit dem halben Arbeitsdruck belastet ist. Über einer Drehung des Rotors 1 unterstützt die Fliehkraft der Kugel 40 die Dichtkraft zwischen Gleitkörper 30 und Kugeln 9, 40. Hierbei rollte die äußere Kugel 9 auf dem Hub­ ring 10 ab, während sie in einem Gleiteingriff zum Gleit­ körper 30 steht. Die Reibungsverluste sind gering, da der Gleitkörper 30 aus einem reibungsarmen Material besteht.

Claims (15)

1. Radialkolbenmaschine mit zumindest einem Kugelkolben, insbesondere Kugelkolbenpumpe, deren an einem äußeren Hubring oder Stator abrollbare Kugeln mit zugeordneten Hülsen drehbar verbunden sind, die die Kugeln nicht übergreifen und in den zugeordneten Radialbohrungen eines auf einem feststehenden, mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors radial verschieblich sind, nach Patent 31 21 531, dadurch gekennzeichnet, daß radial zu beiden Seiten der Hülse jeweils eine Kugel (9, 40) angeordnet ist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Zwischenelement wirkende Hülse (3) an ihren den Kugeln (9, 40) zugewandten Enden gleich ausgebildet ist.

3. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) zweiteilig ist.

4. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (9, 40) gleichen Durchmesser aufweisen.

5. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kolbenelement bildende Kugel (40) mit kleinerem Spiel in der Rotorbohrung angeordnet ist als die radial äußere Kugel (9).

6. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kugeln (9, 40) anliegenden Flächen der Hülse (3) in bezug auf die Achse der Hülse (3) geneigt sind.

7. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer der Kugeln (9, 40) anliegende Fläche der Hülse (3) eine Gleitfläche aus einem Material mit einem geringen Reibwert ist.

8. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche durch einen ringförmigen Gleitkörper (30) gebildet ist, der in das Ende der Hülse (3) integriert eingesetzt ist.

9. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper (30) bzw. die Hülse (3) aus geräuschdämmendem Material gebildet sind.

10. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Gleitkörpers (30) ein rechtwinkliges Dreieck bildet, dessen Hypotenuse mit der Kugel (9, 40) in Eingriff steht.

11. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten besteht, der größer ist als der des die Hülse (3) umschließenden Rotors (1).

12. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Außenmantel der Hülse (3) über die gesamte Axiallänge der Hülse (3) ausgebildet ist.

13. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D₃) der Hülse (3) im wesentlichen dem Kugeldurchmesser (D₂) entspricht.

14. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axialsymmetrische Hülse (3) einen mittigen Axialdurchgang (14) aufweist.

15. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) eine durchgehende, mit dem Axialdurchgang (14) in Verbindung stehende Radialbohrung (41) aufweist.