DE3143367C2 - - Google Patents

Description

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 Hub­ laufbahn, auf der sich die Kugelkolben abstützen, wobei der Zylinderträger und die Hublaufbahn relativ zueinander drehbar sind.

Wälzlagerkugeln als billig herstellbare Präzisionsteile sind seit langem ein attraktives Bauelement für Pumpenkonstrukteure. Als Kolben, die auf einer Hublaufbahn abrollen und sich gleichzeitig in den Radialbohrungen eines Zylinderträgers verschieben können, erfüllen diese Kugeln gleichzeitig mehrere Aufgaben. Derartige Pumpen sind an sich seit langem bekannt, in der Praxis haben sie sich jedoch bisher nicht durchsetzen können.

Eine Radialkugelkolbenpumpe ist bereits aus der DE-PS 8 73 207 bekannt. Bei dieser Radialkugelkolbenpumpe erfolgt bei Drehung des Zylinderträgers ein Saughub durch Auswärtsbewegung des Kugel­ kolbens infolge Fliehkraft nach Maßgabe der Hublaufbahn und ein Förderhub durch Einwärtsbewegung des Kugelkolbens gegen den Ar­ beitsdruck durch von der Hublaufbahn ausgeübte mechanische Zwangs­ kräfte.

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 Bewegungs­ richtungen der Kugelkolben festgelegten Ebene erfolgt, wird rela­ tiv leicht ein nachteiliger Reibungszustand 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 Wan­ dung 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 Kugelstill­ stand und Haftreibung zwischen Kugel und Wand sowie einen hydro­ dynamischen Schmierkeil (keine metallische Berührung) zwischen Kugelkolben und Hublaufbahn im Bereich des Saughubes zur Folge hat. In bestimmten Bereichen wird der Kugelkolben zusätzlich zur Fliefkraft noch vom Systemdruck nach außen gedrückt, wodurch er sich aus der Verklemmung lösen und gegen die Lauffläche der Hub­ laufbahn schlagen kann. Die Folgen sind Schlagspuren und Schlupf bis zur Erreichung der Solldrehzahl. Wenn die Verschmutzung in der radial äußersten Kugellage auftritt, was wegen der Bewegungs­ richtungsumkehr der wahrscheinlichste Fall ist, muß während der folgenden Halbdrehung der Kugel nicht nur gegen den Betriebsdruck und die Fliehkraft, sondern auch gegen die Reibkraft infolge der Verschmutzung bewegt werden. Das führt mit großer Wahrscheinlich­ keit zur Beendigung der Kugeldrehbewegung und zur Gleitreibung am Hubring.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radialkugel­ kolbenpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein Stillstand des Kugelkolbens vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lauf­ fläche der Hublaufbahn im Querschnitt derart gestaltet ist, daß die Abstützung der Kugelkolben auf der Lauffläche beiderseits der Wirkungslinie der auf den Kugelkolben wirkenden resultierenden Druckkraft erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Normalkraft zwischen dem Kugelkolben und der Lauffläche im Verhältnis 1/cosα erhöht (α = Winkel zwischen der durch die Bewegungs­ richtungen der Kugelkolben vorgegebenen Ebene und der durch den Mittelpukt und den Berührungspunkt der Kugelkolben laufenden Geraden). Dadurch erhöht sich das antreibende Rei­ bungsmoment entsprechend. Diese Erhöhung des Antriebsmomentes 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 wesent­ lich erhöht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lauffläche der Hublaufbahn im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine symme­ trische Anordnung, bei der die Berührungspunkte zwischen der Oberfläche der Kugelkolben und der Lauffläche der Hublaufbahn in Abhängigkeit von dem von den Schenkeln des V eingeschlos­ senen 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 Lauf­ fläche erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Seitenflanken der Lauffläche im Querschnitt bogenförmig aus­ gebildet sein. Das führt zu einer Verringerung der Hertzschen Pressung durch Konvex-Konkav-Paarung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Radialkugelkolbenpumpe im Querschnitt mit einer exzentrisch angeordneten Hublaufbahn,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch eine Radialkugelkolben­ pumpe mit einer im Querschnitt V-förmigen, exzentrisch angeordneten Hublaufbahn,

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch eine Radialkugelkolbenpumpe mit im Querschnitt bogenförmiger Hublaufbahn,

Fig. 4 schematisch eine Radialkugelkolbenpumpe im Querschnitt mit einer konzentrisch angeordneten, Hubkurven aufweisen­ den Hublaufbahn.

Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Radialkugelkolben­ pumpe 1 weist ein topfförmiges Pumpengehäuse 2 auf, das mit einem nicht dargestellten Abschlußdeckel verschließbar ist. Im Pumpengehäuse 2 ist eine ringförmige Hublaufbahn 3 angeord­ net, die eine Lauffläche für Kugelkolben 4 bildet. Die Kugelkol­ ben 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 über 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.

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 12 a, 13 a 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 Berührungs­ punkt bestimmten Geraden ist mit α bezeichnet. Im unteren Teil der Hublaufbahn 5 entsteht bei dieser Anordnung eine berührungs­ freie Rinne 14.

Eine andere Ausgestaltung einer Hublaufbahn 15 zeigt Fig. 3. Die Lauffläche der Hublaufbahn 15 ist auch hier im wesentlichen V-förmig. Die Schenkel 16, 17 der Lauffläche sind jedoch bogen­ förmig ausgebildet.

Fig. 4 schließlich zeigt schematisch eine Teilansicht einer Radialkugelkolbenpumpe 19, bei der der Zylinderträger 20 kon­ zentrisch 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.

Claims (5)

1. 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 Hublauf­ bahn relativ zueinander drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche der Hublaufbahn (3, 11, 15, 23) im Querchnitt derart gestaltet ist, daß die Abstützung der Kugelkolben (4) auf der Lauffläche beiderseits der Wirkungslinie der auf den Kugel­ kolben (4) wirkenden resultierenden Druckkraft erfolgt.

2. Radialkugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hublaufbahn (11) im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist.

3. Radialkugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hublaufbahn (15) im Querschnitt bogenförmig ausge­ bildet ist.

4. Radialkugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (a) zwischen der durch die Bewegungsrichtungen der Kugelkolben (4) vorgegebenen Ebene und der durch den Mittelpunkt der Kugelkolben (4) und den Berüh­ rungspunkt der Kugelkolben (4) mit der Hublaufbahn laufenden Geraden zwischen 30° und 60° liegt.

5. Radialkugelkolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkel (α) zwischen der durch die Bewegungsrich­ tungen der Kugelkolben (4) vorgegebenen Ebene und der durch den Mittelpunkt der Kugelkolben (4) und den Berührungspunkt der Kugelkolben (4) mit der Hublaufbahn laufenden Geraden etwa 45° beträgt.