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Radialkugelkolbenpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Radialkugelkolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse,
einem im Pumpengehäuse angeordneten Zylinderträger mit Radialbohrungen, in denen
Kugelkolben hin- und herbewegbar angeordnet sind, und mit einer im Pumpengehäuse
angeordneten Hublaufbahn, auf der sich die Kugelkolben abstützen, wobei der Zylinderträger
und die Hublaufbahn relativ zueinander drehbar sind.
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Wälzlagerkugeln als billig herstellbare Präzisionsteile sind seit
langem ein attraktives Bauelement für Pumpenkonstrukteure.
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Als Kolben, die auf einer Hublaufbahn abrollen und sich gleichzeitig
in den Radialbohrungen eines Zylinderträgers verschieben können, erfüllen diese
Kugeln gleichzeitig mehrere Aufgaben.
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Derartige Pumpen sind an sich seit langem bekannt, in der Praxis haben
sie sich jedoch bisher nicht durchsetzen können.
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Eine Radialkugelkolbenpumpe ist bereits aus der DE-PS 873 207 bekannt.
Bei dieser Radialkugelkolbenpumpe erfolgt bei Drehung des Zylinderträgers ein Saughub
durch Auswärtsbewegung des Kugelkolbens infolge Fliehkraft nach Maßgabe der Hublaufbahn
und ein Förderhub durch Einwärtsbewegung des Kugelkolbens gegen den Arbeitsdruck
durch von der Hublaufbahn ausgeübte mechanische Zwangskräfte. Dieser Mechanismus
hat Ähnlichkeit mit der Kinematik der Flügelbewegung von Flügelzellenpumpen, so
daß die gewonnenen Erfahrungen in etwa übertragbar sind.
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Es bestehen jedoch folgende Unterschiede:
Die Auswärtsbewegung
bei Flügelzellenpumpen erfolgt meist nicht durch Fliehkraft, sondern zusätzlich
durch den Förderdruck; in Druckrichtung weicht der Flügel aus. Die Einwärtsbewegung
erfolgt bei diesen Pumpen nicht gegen den Förderdruck, sondern druckausgeglichen
nur gegen die Fliehkraft. Die kritische Flächenpressung zwischen Flügelkopf und
Hubkurve wird durch Druckminderventile verringert. Bei Flügelzellenpumpen bestehen
Berührungslinien an den kritischen Stellen gegenüber Berührungspunkten bei Kugelkolbenpumpen.
Die Einwärtsbewegung gegen den Förderdruck ist bei der Kugelkolbenpumpe erfahrungsgemäß
prinzipiell ungünstig, da sie an allen Gleitstellen Bewegungen unter hohen Pressungen
ergibt. Hieraus läßt sich folgern, daß moderne Flügelzellenpumpen prinzipiell unter
günstigeren Verhältnissen arbeiten als Kugelkolbenpumpen.
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Die prinzipiellen Nachteile der Kugelkolbenpumpe sind solange nicht
kritisch, als die Kugelkolben auf der Hublaufbahn abrollen und an der Wand der Radialbohrungen
gleiten. Dieser Zustand ist prinzipiell unmöglich, wenn das antreibende Moment durch
Reibung zwischen Kugelkolben und Hublaufbahn gleich oder kleiner ist als das bremsende
Reibmoment zwischen Kugel und Bohrungswand. Dafür, daß in der Praxis solche Fälle
auftreten, spricht die aus der Wälzlagertechnik bekannte Tatsache, daß bei allen
Wälzlagerarten sogenannte "Verschleiß-Hochlagen" bekannt sind, bei welchen 80 und
mehr Prozent Schlupf zwischen den Wälzkörpern und Laufringen auftreten.
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Bei der bekannten Radialkugelkolbenpumpe, die eine im Querschnitt
ebene Lauffläche der Hublaufbahn aufweist, so daß die Berührung zwischen Kugelkolben
und Lauffläche in der durch die Bewegungsrichtungen der Kugelkolben festgelegten
Ebene
erfolgt, wird dieser nachteilige Reibungszustand relativ leicht
erreicht. Die Funktion der Pumpe ist dann aus zwei Gründen gefährdet. Zum einen
kann während des Saughubs die Fliehkraft kleiner sein als die durch Schmutz auftretende
Reibkraft zwischen Kugelkolben und Wandung der Radialbohrung. Die Kugel bleibt dann
nahe ihrer inneren Totpunktlage stecken, was zu einem Ausfall der Förderung führt.
Zum anderen kann eine Zerstörung von Kugel und Hublaufbahn die Folge sein. Wiederum
infolge von Schmutz kann der Kugelkolben nämlich kurzzeitig, vorzugsweise während
des Saughubes, nicht an der Lauffläche der Hublaufbahn anliegen, was einen Kugelstillstand
und Haftreibung zwischen Kugel und Wand sowie einen hydrodynamischen Schmierkeil
(keine metallische Berührung) zwischen Kugelkolben und Hublaufbahn im Bereich des
Saughubes zur Folge hat. In bestimmten Bereichen wird der Kugelkolben zusätzlich
zur Fliehkraft noch vom Systemdruck nach außen gedrückt, wodurch er sich aus der
Verklemmung lösen und gegen die Lauffläche der Hublaufbahn schlagen kann. Die Folge
sind Schlagspuren und Schlupf bis zur Erreichung der Solldrehzahl. Wenn die Verschmutzung
in der radial äußersten Kugellage auftritt, was wegen der Bewegungsrichtungsumkehr
der wahrscheinlichste Fall ist, muß während der folgenden Halbdrehung die Kugel
nicht nur gegen den Betriebsdruck und die Fliehkraft, sondern auch gegen die Reibkraft
infolge der Verschmutzung bewegt werden. Das führt mit großer Wahrscheinlichkeit
zur Beendigung der Kugeldrehbewegung und zur Gleitreibung am Hubring.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radialkugelkolbenpumpe
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein Stillstand des Kugelkolbens
vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lauffläche
der Hublaufbahn derart gestaltet ist, daß die Berührung
zwischen
den Kugelkolben und der Lauffläche beiderseits der Wirkungslinie der resultierenden
Druckkraft erfolgt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Normalkraft zwischen dem
Kugelkolben und der Lauffläche im Verhältnis 1/cosOt erhöht ( « = Winkel zwischen
der durch die Bewegunpsrichtungen der Kugelkolben vorgegebenen Ebene und der durch
den Mittelpunkt und den Berührungspunkt der Kugelkolben laufenden Geraden).
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Dadurch erhöht sich das antreibende Reibungsmoment entsprechend.
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Diese Erhöhung des Antriebsdrehmomentes auf den Kugelkolben führt
im Fall des Eindringens von Schmutz in den Spalt zwischen Kugelkolben und Radialbohrung
zum "Zerreiben" des Schmutzteilchens, so daß ein Stillstand des Kugelkolbens weitgehend
vermieden wird. Die Sicherheit gegen Förderausfall durch Steckenbleiben des Kugelkolbens
und Totalausfall infolge mechanischer Schäden wird dadurch wesentlich erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Lauffläche der Hublaufbahn im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist. Dadurch
ergibt sich eine symmetrische Anordnung, bei der die Berührungspunkte zwischen der
Oberfläche der Kugelkolben und der Lauffläche der Hublaufbahn in Abhängigkeit von
dem von den Schenkeln des V eingeschlossenen Winkels und dem Radius der Kugelkolben
mehr oder weniger weit neben der Ebene liegen, in der die Kugelkolben sich hin-
und herbewegen. Am Grund des V wird dabei eine Rinne gebildet, in der keine Berührung
zwischen dem Kugelkolben und der Lauffläche erfolgt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Seitenflanken
der Lauffläche im Querschnitt bogenförmig ausgebildet sein. Das führt zu einer Verringerung
der Hertzschen Pressung durch Konvex-Konkav-Paarung.
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Die Relativbewegung zwischen dem Zylinderträger und der Hublaufbahn
kann dadurch erreicht werden, daß die Hublaufbahn von einem exzentrisch zum Zylinder
angeordneten Ring oder von einem konzentrisch zum Zylinderträger angeordneten Ring
mit Hubkurven gebildet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Radialkugelkolbenpumpe im Querschnitt
mit einer exzentrisch angeordneten Hublaufbahn, Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch
eine Radialkugelkolbenpumpe mit einer im Querschnitt V-förmige exzentrisch angeordneten
Hublaufbahn, Fig. 3 eine Teillängsansicht durch eine Radialkugelkolbenpumpe mit
im Querschnitt bogenförmiger Hublaufbahn, Fig. 4 schematisch eine Radialkugelkolbenpumpe
im Querschnitt mit einer konzentrisch angeordneten, Hubkurven aufweisenden Hublaufbahn.
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Die in Fig. 3 im Querschnitt dargestellte Ra(llalkugelkolbenpumpe
1 weist ein topfförmiges Pumpengehäuse 2 auf, das mit einem nicht dargestellten
Abschlußdeckel verschließbar ist.
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Im Pumpengehäuse 2 ist eine ringförmige Hublaufbahn 3 angeordnet,
die eine Lauffläche für Kugelkolben 4 bildet. Die Kugelkolben 4 sind in Radialbohrungen
5 eines exzentrisch zur Hublaufbahn 3 angeordneten Zylinderträgers 6 angeordnet.
Die Kugelkolben 4
sind in die Radialbohrungen 5 mit kleinem Spiel
eingepaßt und radial hin- und herbewegbar. Der Zylinderträger 6 ist auf einem Steuerzapfen
7 gelagert, der mittels entsprechender Aussparungen bzw. Bohrungen die Radialbohrungen
5 huber gleichfalls radial verlaufende Kanäle 8 im Zylinderträger 6 mit einem Ansaugraum
im Pumpengehäuse 2 einerseits und mit einer konzentrisch durch den Steuerzapfen
7 hindurchgeführten Druckleitung 9 andererseits verbindet. In Fig. 1 ist im oberen
Teil ein Kugelkolben 4 in seiner inneren Totpunktlage dargestellt. Bei einer Drehung
des Zylinderträgers 6 im Uhrzeigersinn bewegt sich der Kugelkolben 4 radial nach
außen, wodurch aus dem, in Fig. 1 nicht sichtbaren, Ansaugraum Druckmedium angesaugt
wird. Der Ansaugvorgang setzt sich solange fort, wie die radiale Bewegung des Kugelkolbens
4 nach außen andauert, d.h. bis in die in Fig. 1 unten dargestellte Stellung, in
der der Kugelkolben 4 seine äußere Totpunktlage erreicht hat. In dieser Lage steuert
der Steuerzapfen 7 die Strömungsrichtung um und gibt die Druckleitung 9 frei, so
daß bei der nun nachfolgenden radialen Einwärtsbewegung des Kugelkolbens 4 das zu
fördernde Medium in die Druckleitung gedrückt wird, bis der Kugelkolben 4 wieder
seine innere Totpunktlage~erreicht.
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In den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Ausgestaltungen einer Hublaufbahn
näher dargestellt. In Fig. 2 ist in einem Schnitt senkrecht zur Laufrichtung eine
Hublaufbahn 11 gezeigt, deren Lauffläche im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist.
Die Schenkel 12, 13 der Lauffläche sind dabei geradlinig ausgeführt. Die Berührungspunkte
12a, 13a des Kugelkolbens 4 an den Laufflächen liegen symmetrisch neben der durch
die radiale Bewegung des Kugelkolbens 4 bestimmten Ebene. Der Winkel zwischen dieser
Ebene und der durch den Kugelkolbenmittelpunkt und einen Berührungspunkt bestimmten
Geraden ist mit g bezeichnet. Im unteren Teil der Hublaufbahn 5 entsteht bei dieser
Anordnung eine berührungsfreie Rinne 14.
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Eine andere Ausgestaltung einer Hublaufbahn 15 zeigt Fig.3.
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Die Lauffläche der Hublaufbahn 15 ist auch hier im wesentlichen V-förmig.
Die Schenkel 16, 17 der Lauffläche sind jedoch bogenförmig ausgebildet.
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Fig. 4 schließlich zeigt schematisch eine Teilansicht einer Radialkugelkolbenpumpe
19, bei der der Zylinderträger 20 konzentrisch zur Hublaufbahn 21 angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung ist die Hublaufbahn 21 nicht kreisförmig ausgebildet, sondern
weist Erhebungen 22 und Vertiefungen 23 auf, die eine Hubkurve bilden, durch die
der Kugelkolben 24 radial hin- und herbewegbar wird.
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Bezugszeichenliste: 1 Radialkugelkolbenpumpe 2 Pumpengehäuse 3 tfublaufbahn
4 Kugelkolben 5 Radialbohrungen 6 Zylinderträger 7 Steuerzapfen 8 Kanal 9 Druckleitung
10 11 Slublaufbahn 12 Schenkel 12a Berührungspunkt 13 Schenkel 13a Berührungspunkt
14 Rinne 15 Hub laufbahn 16 Schenkel 17 Schenkel 19 Radialkugelkolbenpumpe 20 Zylinderträger
21 Hublaufbahn 22 Erhebung 23 Vertiefung 24 Kugelkolben
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