DE3219378C2

DE3219378C2 -

Info

Publication number: DE3219378C2
Application number: DE19823219378
Authority: DE
Inventors: Ludwig 6000 Frankfurt De Budecker; G. 6230 Frankfurt De Obersteiner
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-24
Publication date: 1992-09-03
Also published as: DE3219378A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine mit zumindest einem Kugelkolben.

Eine Kugelkolbenmaschine der vorgenannten Bauart ist aus der 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 beeinträchtigten, insbesondere bei höheren Drücken und/oder geringen Viskositäten des Betriebsmediums.

Aus der US-PS 33 66 017 ist eine Radialkolbenmaschine, bei der die Kugel in einer Bohrung des Rotors gleitet, wobei gleichzeitig das radial innen liegende Ende der Kugel in einer Scheibe mit einer kreissektorförmigen Ausnehmung gelagert ist. Die Scheibe ist unter Federspannung an einem radial innen liegenden Absatz der Rotorbohrung über eine Feder abgestützt. Derartige Scheiben können vergleichsweise leicht verkanten und haben darüber hinaus noch eine vergleichsweise kleine Dichtfläche.

Die Erfindung geht daher aus von einer Radialkolbenmaschine der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Art und hat sich zur Aufgabe gestellt, bei einer derartigen Radialkolbenmaschine einen Wirkungsgrad selbst bei höheren Drücken und/oder geringen Viskositäten des Betriebsmediums zu erzielen, und zwar mit Hilfe baulich einfacher Mittel.

Die Aufgabe wird durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 sich ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, das Kolbenelement durch eine zylindrische Hülse mit hinreichend großer Mantelfläche zu machen, zur Verringerung der Reibung der Kugel die Stirnfläche des Kolbenelementes als an der Kugel tangential anliegenden Ringbereich auszuführen und schließlich eine zusätzliche Dichtung durch eine unter Druck aufweitbare Dichtlippe am dem Steuerzapfen zugewandten Ende der zylindrischen Hülse vorzusehen.

Aus der US-PS 34 35 774 ist zwar (siehe beispielsweise Fig. 1 mit zugehöriger Beschreibung) eine Pumpe bekannt, bei der eine Kugel mit einem Zylinder versehen ist. Dabei handelt es sich aber um eine Radialkolbenmaschine mit durch Federn voneinander im Abstand gehaltenen Doppelkolben, bei denen gemäß Fig. 2 dieser Entgegenhaltung zwar eine zusätzliche Dichtung, aber keine einfach auszuführende Dichtlippe vorgesehen ist.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß das radiale innere, dem Steuerzapfen zugewandte Ende des Kolbenelements eine Dichtlippe aufweist. Dadurch wird der Druck des Betriebsmediums ausgenutzt, um eine exakte Abdichtung zwischen Kugelkolben und Rotor herzustellen. Im Betrieb erweitert sich die elastische Dichtlippe in Radialrichtung des Kolbenelements, wobei der Spalt zwischen Kolbenelement und Rotor verringert oder gänzlich aufgehoben wird. Das Kolbenelement ermöglicht eine große Überdeckungslänge. Bei Anlage der Dichtlippe am Rotor im Betrieb wird eine Linienberührung geschaffen, die die Verschiebbarkeit des Kugelkolbens praktisch nicht beeinträchtigt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß Kolbenelement und Dichtlippe aus gleichem Material und einstückig ausgebildet sind. Damit ist eine einfache Fertigung möglich.

Es bietet Vorteile, daß die Dichtlippe an einem an dem Kolbenelement befestigten Bauteil ausgebildet ist, da so die Materialien des Kolbenelements und des Dichtlippen bauteils unabhängig voneinander gewählt werden können.

Insbesondere besitzt das Kolbenelement- und Dichtlippen material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der des Rotors. Dadurch wird bei höheren Betriebstemperaturen der Spalt zwischen Kolbenelement und Rotor weiter verringert, so daß der (volumetrische) Wirkungsgrad selbst dann verbessert wird, wenn das Betriebsmedium eine geringe Viskosität aufweist.

Zweckmäßigerweise hat die Stirnfläche des Kolbenelements einen an der Oberfläche der Kugel tangential anliegenden Ringbereich; die Kugel steht so im wesentlichen in einer Linienberührung mit dem Kolbenelement. Das Kolbenelement ist damit im wesentlichen in Verlängerung der zugeordneten Kugel gelegen, ohne diese zu umgreifen, wie dies bei spielsweise nach der DE-OS 29 08 096 der Fall ist. Damit kann die oszillierende Kugel-Kolbenelement-Baugruppe in der Masse weiter verringert werden, und es können beide Einzelteile nicht nur getrennt hergestellt, sondern auch nach einem Zusammenbau bei einem Defekt separat ausge wechselt werden.

Vorteilhafterweise weist die axialsymmetrische Hülse einen mittigen Axialdurchgang auf. Dadurch wird im Betrieb die Kugel direkt durch Hydraulikdruck beaufschlagt und die mechanische Berührung zwischen Kugel und Hülse entlastet, ohne die Dichtwirkung nennenswert zu beeinträchtigen. Weiter wird dadurch das Betriebsverhalten bei sich ändernder Viskosität des Hydraulikmediums verbessert. Bei niedrigen Temperaturen und entsprechend hoher Viskosität sorgt die Kugel überwiegend für die Förderung des Mediums; die Bewegung der Kugel kann dabei sogar unabhängig von der Bewegung der Hülse erfolgen. Bei hohen Temperaturen und entsprechend niedriger Viskosität des Mediums überwiegt wegen der in diesem Betriebszustand besseren Abdichtung der Förderanteil der Hülse.

Ist der zylindrische Außenmantel des Kolbenelements über die gesamte Axiallänge ausgebildet, so ist eine hohe Flächen- bzw. Spaltabdichtung zwischen Kolbenelement und Rotor sichergestellt.

Einfache Ausführungsformen der Erfindung sehen ein Kugel element 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 Kolben elements in vielen Anwendungsfällen nicht erforderlich ist. Bei einer besonderen Ausführungsform ist jedoch ein Paßsitz der Kugel in der Radialbohrung des Rotors vorge sehen, wobei der Außendurchmesser des Kolbenelements im wesentlichen gleich dem Kugeldurchmesser ist. In diesem Fall wird eine zusätzliche Abdichtung zwischen Kugel und Rotor geschaffen.

Besonders vorteilhaft ist die an der Kugel anliegende Fläche des Kolbenelements, eine Gleitfläche aus einem Material mit einem geringen Reibwert. Das Kolbenelement kann z. B. vollständig aus diesem Material gefertigt sein. Auf einfachste Weise wird so das Abrollen der Kugel auf dem Hubring sichergestellt, sofern das antreibende Moment (Reibung am Hubring) größer als das Bremsmoment (Reibung der Kugel an der Rotorbohrung und an der Anlagefläche des Kolbenelements) ist.

Zweckmäßigerweise ist das Kolbenelement aus einem geräuschdämmenden Material ausgebildet.

Eine einfache und sichere Befestigung des die Dichtlippe aufweisenden Bauteils an der Hülse kann mittels eines Hohlniets oder durch Einpressen verwirklicht werden.

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

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe,

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

Fig. 3 eine Einzelheit der Pumpe der Fig. 1 in einem größeren Maßstab bei schematischer Darstellung,

Fig. 4 und Fig. 5 weitere Einzelheiten der Pumpe der Fig. 1 im größeren Maßstab und schematischer Dar stellung.

Die Kugelkolbenpumpe umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes topfartiges Gehäuse 18 mit einem Saugan schluß 16 und einem Druckanschluß 17 auf dem Gehäuseumfang.

Im Inneren 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 er möglichen. 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 Einsatzstück 15 und Stator 4 findet keine metallische Berührung statt, da zwischengeordnet weitere elastische Stützkörper mit Abdichtwirkung vorgesehen sind.

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.

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 Anschlußwelle in koaxialer Verlängerung des Rotors 1 liegt.

Im Inneren des Rotors 1 ist eine durchgehende Radialbohrung ausgebildet, in der diametral entgegengesetzt radial verschiebliche Kugelkolben 11 angeordnet sind, deren äußere Kugeln 9 an einem exzentrischen Hubring 10 abrollen, der am äußeren Stator 4 verschiebbar gelagert ist.

Zwischen Rotor 1 und Hubring 10 ist ein Arbeitsraum 21 für eine Pumpvorstufe zur Erzeugung einer Aufladung des Hydraulikmediums ausgebildet, der durch die über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Kugelkolben 11 unterteilt ist.

Beim Betrieb der Kugelkolbenpumpe wird Hydraulikmedium bei einer Drehung des Rotors 1 durch den äußeren Sauganschluß 16 über die Saugseite 7 der Vorstufe der Pumpe angesaugt, längs des Umfangs des Arbeitsraumes 21 der Fig. 2 auf den Aufladedruck vorverdichtet und auf der Druckseite 6 der Vorstufenpumpe in eine Längsbohrung 23 des Stators 4 gefördert. Über eine Kammer 24 und den Zuflußkanal 12 wird das Hydraulikmedium 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 im Steuerzapfen 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 durch die Vorstufe erzeugten Aufladedruck in der Kammer 6 und der damit verbundenen ringförmigen Kammer 6a gegen die Federkupplung 2 der Anschlußwelle 22 gedrängt, wobei die Einheit in einer axialzentrierten, berührungsfreien Lage zum Gehäuse gehalten wird.

In der Radialbohrung des Rotors 1 ist ein Kugelkolben 11 angeordnet, der in größerem Maßstab in Fig. 3 schematisch gezeigt ist. Der Kugelkolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer inneren axialsymmetrischen Hülse 3 mit einem zentralen Axialdurchgang 14. Das radial äußere Ende der Hülse 3 nimmt pfannenartig die Kugel 9 mit Linienberührung längs eines mittleren Kugeldurchmessers D₄ auf.

Das radial innere Umfangsende der Hülse 3 begrenzt einen Teil des Hydraulikraums 25 und ist als einstückige Dichtlippe 20 mit vorgegebener Elastizität zur Radialbohrung des Rotors 1 ausgebildet. Der Durchmesser D₁ der Radialbohrung ist geringfügig größer als der Außendurchmesser D₃ der Hülse 3, so daß der Außenmantel der Hülse 3 außerhalb des Bereichs der Dichtlippe 20 eine Spaltabdichtung zum Rotor 1 schafft. Der Kugeldurchmesser D₂ entspricht etwa dem Außendurchmesser D₃ der Hülse.

Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Hydraulikraum 25 unter Hydraulikdruck. Bei geringen Drücken und/oder hohen Viskositäten (niedrige Temperaturen) genügt primär die Dichtwirkung zwischen Kugeldurchmesser D₂ und Durchmesser der Radialbohrung D₁. Bei höheren Drücken wird die Dichtlippe 20 des Kolbens, der vorzugsweise aus einem gefüllten PTFE gefertigt ist, in Umfangsrichtung erweitert, so daß der Spalt zwischen Hülse 3 und Radialbohrung verringert und dadurch eine zusätzliche Abdichtung geschaffen wird. Bei einer Anlage der Dichtlippe 20 an der Wandung der Radialbohrung und exakter Anlage der Kugel 9 an der Hülse 3 längs des Durchmessers D₄ wird die Dichtwirkung der Kugel 9 am Durchmesser D₂ aufgehoben. Die Hülse 3 wird mit einer Kraft, die sich aus dem Druck auf die Fläche F=(D₁-D₄)²·π/4 ergibt, in der Nähe des Durchmessers D₄ gegen die Kugel 9 gedrückt.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hülsenmaterials ist größer als der des umgebenden Rotors 1. Dadurch wird bei höheren Temperaturen der Spalt zwischen D₁ und D₃ verringert und der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe verbessert. Die Dichtung am Durchmesser D₄ ist auch dann wirksam, wenn die Hülse 3 einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat und die Pumpe höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt ist.

In den Fig. 4 und 5 ist die Dichtlippe 20 an einem an der zylindrischen Hülse 3 befestigten Bauteil 40 bzw. 40′ ausgebildet.

In Fig. 4 ist das Bauteil 40 unter Anlage seiner Stirnfläche an der Hülse 3 mit einem Hohlniet 41, der eine mittige Durchgangsbohrung 43 des Bauteils 40 durchsetzt, an dieser Hülse 3 befestigt. Der Hohlniet 41 ist in den Axialdurchgang 14 der Hülse 3 eingepreßt. Das im wesentlichen zylindrische Bauteil 40 weist einen leicht kegeligen Außenmantel auf, der mit seinem Ende größeren Durchmessers in der Dichtlippe 20 endet. Die im wesentlichen dem Axialdurchgang 14 der Hülse entsprechende mittige Durchgangsbohrung 43 endet in einer koaxialen Vertiefung 42 in der Stirnfläche des Bauteils 40, in der der Kopf des Hohlniets 41 angeordnet ist. Die Vertiefung 42 bildet gleichzeitig die radial innere Begrenzung der Dichtlippe 20.

In der Fig. 5 ist das ähnlich wie das Bauteil 40 ausgebildete Bauteil 40′ mit einem zylindrischen Absatz in den Axialdurchgang 14 der Hülse 3 eingepreßt und dadurch in dieser befestigt.

Claims

1. Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe, 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, wobei die Kugel mit ihrer Mantelfläche unmittelbar in der Radialbohrung geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement eine zylindrische Hülse (3) ist, an der ein Bauteil (40, 40′) befestigt ist, welches eine dem Steuerzapfen (8) zugewandte unter Druck aufweitbare Dichtlippe (20) aufweist, und daß die Stirnfläche des Kolbenelementes einen an der Oberfläche der Kugel tangential anliegenden Ringbereich aufweist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenelement (11) und das Bauteil (40, 40′) aus gleichem Material und einstückig ausgebildet sind.

3. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Kolbenelements und des die Dichtlippe (20) aufweisenden Bauteils (40, 40′) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der größer ist als der des Rotors.

4. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Außenmantel des Kolbenelements über die gesamte Axiallänge der Einheit aus Hülse und Bauteil ausgebildet ist.

5. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D₃) des Kolbenelements im wesentlichen dem Kugeldurchmesser (D₂) entspricht.

6. Radialkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kugel (9) anliegende Fläche des Kolbenelements eine Gleitfläche aus einem Material mit einem geringen Reibwert ist.

7. Radialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement aus geräuschdämmendem Material gebildet ist.

8. Radialkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dichtlippe (20) aufweisende Bauteil (40) mittels eines Hohlniets (41) an der Hülse (3) befestigt ist.

9. Radialkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dichtlippe (20) aufweisende Bauteil (40′) durch Einpressen in die Hülse (3) in dieser befestigt ist.