DE3319822A1

DE3319822A1 - Hydraulikpumpe mit vorkompressionsventil

Info

Publication number: DE3319822A1
Application number: DE19833319822
Authority: DE
Inventors: Hugh Ivo Lower Portland New South Wales Frazer
Original assignee: Ifield Engineering Pty Ltd
Current assignee: Ifield Engineering Pty Ltd
Priority date: 1982-06-03
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 1983-12-08
Anticipated expiration: 2003-06-02
Also published as: FR2528123A1; US4540345A; GB2123093B; SE8303092D0; ZA833808B; DE3319822C2; IT1170384B; IT8348414A0; SE8303092L; JPS58222985A; GB8314375D0; CA1208077A; GB2123093A; JPH0419388B2

Description

JÜRGEN WElSSEi- liifL^UHM.DJRTrRUDOLF WOLGAST

PATENTANWÄLTE · 1;lJR(Jl^TFAN PXTIiSi" ATTORNi-YS

HÖKKNHUSCH 41 ■ 1)5620 VIiLHHRT 11-LANGHNW^;RO Postfach 110386 · Telefon (02052)4019 · Telex: 8516 895

Patentanmeldung

Ifie-Td Engineering PTY. Limited, 45 Carters Road, Dural, New South Wales, Australien

Hydraulikpumpe mit Vorkompressionsventil

Di^e Erfindung betrifft eine hydraulische Pumpe für Flüssigkeiten aus einem Pumpenkörper, einem zylindrischen Rotor, einem äußeren Träger, der den Rotor umgibt und in dem dieser befestigt ist, einem Einlaß und einem Auslaß an einer Fläche des Pumpenkörpers für die zu fördernde Flüssigkeit, aus einer Mehrzahl von Zylindern in dem Rotor, die in gleichen Winkel abständen parallel oder radial zur Rotorachse verlaufen, aus in den Zylindern bei Drehung des Rotors hin- und herbewegbaren Kolben, einem Kurventrieb für den Rotor, durch den die Zylinder zum Ansaugen von Flüssigkeit nacheinander über die Fläche und an dem Einlaß vorbei und nacheinander an dem Auslaß vorbei bewegt werden, durch den die Flüssigkeit unter der Wirkung der Kolben an der Auslaßfläche ausgestoßen wird, aus einer Vorkompressionszone zwischen dem Einlaß und dem Auslaß, an der sich die Zylinder vorbei bewegen, wenn sie sich vom Einlaß zum Auslaß bewegen, und aus einer Öffnung in der Vorkompressionszone, die mit dem Auslaß in Verbindung steht.

Hydraulische Pumpen dieser Art neigen zu geräuschvollem Betrieb. Eine Ursache dieses Geräusches ist das plötzliche Einströmen von

Flüssigkeit unter hohem Druck aus einem Hochdruckauslaß in einen Zylinder, der gerade von einem Druckeinlaß weggedreht worden ist, wobei die plötzliche Einströmung durch die geringe Kompressibilität der Flüssigkeit erfolgt. In der Praxis werden allgemein Mittel vorgesehen, um die Zylinder zu dem Hochdruckauslaß relativ langsam zu öffnen; in einigen Anwendungsfällen ist das so erzielte Ergebnis unzureichend, obwohl auf diese Weise eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann. Es ist ebenfalls in der Praxis üblich, eine Vorkompressionszone vorzusehen, so daß der Kolben in jedem Zylinder unter Vorkompression der Flüssigkeit verstellt wird, bevor der Zylinder zum Hochdruckauslaß geöffnet wird. Die Verwendung einer Vorkompressionszone zusammen mit langsam arbeitenden Öffnungsmitteln ergibt gute Ergebnisse über einen begrenzten Bereich von Pumpenverdrängungen, Pumpengeschwindigkeiten und Drücken.

Um einen annehmbaren Betrieb in einigen Anwendungsfällen zu erreichen, die einen weiten Bereich von Pumpenverdrängungen, Pumpengeschwindigkeiten und Drücken erfordern, ist es notwendig, eine weit möglichst gefaßte Vorkompressionszone und ein automatisches Ventil vorzusehen, das sich zum Hochdruckauslaß hin öffnet, um eine die Vorkompression übersteiegnde Kompression in dem Zylinder zu verhindern. Ohne ein solches Vorkompressionsventil könnte der Zylinderdruck auf sehr hohe Werte ansteigen, aus denen sich Geräusche und Stoßbelastungen ergeben.

Bekannte Ausführungen von Vorkompressionsventilen sind allgemein

ohne Erfolg im Einsatz; sie sind entweder zu schwer für den Betrieb bei den geforderten hohen Frequenzen oder unzureichend robust, um den wiederkehrenden Öffnungs- und Schließvorgängen mit wechselndem nied-OQ rigen und hohen Druck standzuhalten.

Es gibt viele Versuche, ein ausreichendes Vorkompressionsventil zur Verfugung zu stellen. Dazu sind die folgenden Beispiele bekannt geworden:

1. Ein relativ schweres auf- und abbewegbares Ventil in Verbindung mit leichten Federn (US-PS 3 382 813). Wegen des Gewichtes dieser

Ventile würden sich diese bei höheren Pumpgeschwindigkeiten nicht voll öffnen; durch die Verbindung ihres Gewichtes mit leichten Federn wurden sie nach der Erfahrung der Anmelderin heftig und unter Störung bei vollem Ausgangsdruck geschlossen werden.

2. Gleitbewegliche Plunger (US-PS 3 199 461). Solche Ventile erscheinen als Flachventile aber bringen keine Öffnung zum Auslaß.

3. Federbelastete Kugelventile (US-PS 3 179 060). Danach kann jede bekannte Art von Einwegventilen eingesetzt werden. Nach der Erfahrung der Anmelderin sind federbelastete Kugelventile, obwohl sie billig und leicht herzustellen sind, zu schwer für höhere Pumpgeschwindigkeiten und werden unverändert heftig unter dem vollem Systemdruck geschlossen, da es unpraktisch ist, genügend starke Federn dafür vorzusehen. Dies st£ht der Ansicht entgegen, daß jede Art von Einwegventil dafür mit Erfolg eingesetzt werden kann.

4. "Ein sehr leichtes Ventil" (GB-PS 684 551), was mit der Erfahrung der Anmelderin übereinstimmt. Es muß jedoch angemerkt werden, daß die einzigen offenbarten Federn Schraubenfedern sind und keine Offenbarung darüber besteht, daß es erwünscht ist, starke Rückholfedern zu verwenden. Nach der Erfahrung der Anmelderin würden nach dieser Druckschrift aufgebaute Ventile durch die heftigen Schliessungen und bei höheren Pumpgeschwindigkeiten zerstört werden.

5. Eine Schraubenfeder bei "einem federbelasteten Kugel-Rückschlagventil" (US-PS 2 642 809). Die Druckschrift zeigt, daß die Anlage des Auslaßdrucks an die Kugel die Feder darin unterstützt, die Kugel in ihrer geschlossenen Stellung zu halten. Es wird ange-

QQ geben, daß daher eine relativ leichte Feder verwendet werden kann, die der Öffnungsbewegung des Ventils nur einen sehr geringen Widerstand bietet. Während "der geringe Widerstand" wünschenswert ist, zeigt die Erfahrung der Anmelderin, daß die Verwendung einer relativ leichten Schraubenfeder ohne Erfolg ist, weil das Ven-

g₅ ti! durch die heftige Schließung zerstört wird.

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6. Ein Kugelventil in Verbindung mit einer Feder (US-PS 2 529 309).

7. Federbelastete Kugelventile und federbelastete auf- und abbewegbare Ventile (GB-PS 506 684). Solche Ventile würden die vorerwähnten Nachteile besitzen.

8/ Ein Scheibenventil in Verbindung mit einer Schraubenfeder (GB-PS 442 450). Ein solches Ventil würde ebenfalls die vorerwähnten Nachteile aufweisen.
IO

Trotz der vielfachen Versuche zur Lösung des Problems, mit dem sich auch die vorliegende Anmeldung beschäftigt, wird nach dem besten Wissen und Glauben der Anmelderin kein Vorkompressionsventil für eine hydraulische Pumpe im Handel angeboten.

Zusätzlich zu den vorerwähnten Druckschriften, die in direkter Beziehung zu der erfindungsgemäßen Lösung stehen, gibt es andere Druckschriften, nach denen für jeden Zylinder ein Vorkompressions-Rückschlagventil vorgesehen wird (US-PS 2 781 775, 2 661 695, 2 553 655) Während eine solche Anordnung dem Ventil mehr Zeit für den Schließvorgang beläßt, ist sie gleichzeitig sehr kompliziert und kostenaufwendig in der Herstellung.

Eine weitere Gruppe von Druckschriften zeigt komplizierte Ventilanordnungen, mit denen die Notwendigkeit für den Einsatz eines schnell wirkenden Vorkompressions-Rückschlagventils vermieden werden soll (z.B. GB-PS 1 589 601, US-PS 3 956 969 und viele andere). Alle diese Druckschriften offenbaren jedoch relativ komplizierte und

QQ aufwendige Strukturen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Vorkompressionsventil zu schaffen, das höheren Wechsel drucken bei höheren Frequenzen widersteht als bekannte Ausführungen solcher Ventile, so daß die Kolbenpumpe bei kleineren Geräuschpegeln betrieben und in einem weiteren Bereich von Anwendungen eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Öffnung im Normalzustand durch ein flach ausgebildetes Federventil verschlossen ist, das so angeordnet ist, daß es öffnet, wenn der Flüssigkeitsdruck in einem Zylinder den Flüssigkeitsdruck am Auslaß überstei gt.

Ein solches flach ausgebildetes Federventil besteht aus einem flachen federnden Blechmaterial, typischerweise aus Stahl. Das Ventil muß nicht notwendigerweise vollständig flach sein, sondern kann auch leicht gewölbt oder gekrümmt sein. Es hat sich herausgestellt, daß ein solches Ventil so ausgebildet sein kann, daß es nach dem Durchgang eines Zylinders hinreichend rasch schließt und daß es im wesentlichen geschlossen ist, wenn der nachfolgende zylinder in Verbindung mit dem Vorkompressionsventil tritt. Wenn dies nicht eintritt, wird das immer noch offene Ventil plötzlich vom Auslaß her einem erheblichen Schließdruck ausgesetzt, der bewirkt, daß es heftig schließt, woraus sich die Möglichkeit zu einer Beschädigung ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungform der hydraulischen Pumpe nach der Erfindung besteht das Vorkompressionsventil aus einem flach ausgebildeten Federventil mit einem Mittelteil und zwei oder mehr damit aus einem Stück gebildeten Federfingern. Dieses Ventil befindet sich über einer ebenen Fläche, in der eine Öffnung in Form eines Loches ausgebildet ist, das den Zylinder beim Offnungsvorgang mit dem Hochdruckauslaß verbindet. Der das Ventil umgebende Zwischenraum ist mit dem Hochdruckauslaß verbunden. Das Ventil ist so ausgebildet, daß es unter seiner eigenen Federkraft über dem Loch gehalten ist und so eine Dichtung bildet, die den Eintritt von unter Hochdruck stehender Flüssigkeit in den Zylinder verhindert. In dem Maße, in dem der Kolben die Flüssigkeit in dem Zylinder unter Druck setzt, nimmt der Druck zu bis dieser dem Hochdruck am Auslaß gleicht; zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil automatisch geöffnet und läßt die Flüssigkeit aus dem Zylinder austreten. Der Zylinder wird kurz danach durch übliche Auslaßmittel zum Hochdruckauslaß hin geöffnet, so daß an dem

gg Ventil gleiche Drücke anliegen und das Ventil unter seiner eigenen Federkraft schließen oder wenigstens teilweise schließen kann, bevor das Loch mit dem nächsten Zylinder verbunden wird. Dies ge-

schieht noch unter niedrigem Druck, so daß das Ventil unter dem stromabwärts gerichteten Druck kraftvoll geschlossen und in dichtender Weise auf das Loch geklemmt wird.

Die Leichtigkeit und Federhärte des flach ausgebildeten Federventils in der hydraulischen Pumpe nach der Erfindung gestattet deren erfolgreiche Anwendung in einem weiten Bereich von Aufgaben.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann bei Kolbenpumpen Verwendung finden, deren Kolben parallel zur Rotorachse angeordnet sind; sie kann in gleicher Weise bei hydraulischen Pumpen verwendet werden, in denen sich die Zylinder radial von der Pumpenachse erstrecken.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Bezugszeichen im einzelnen erläutert und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen teilweisen Schnitt durch eine Axialkolbenpumpe, die erfindungsgemäß ausgebildet werden kann-,

Fig. 2 eine Ansicht der Schlitzfläche bei der hydraulischen

Pumpe nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Schlitzfläche der hydrau-Iisehen Pumpe nach Fig. 1; und

Fig. 4 und 5 Draufsichten auf verschiedene Ausführungen des flach ausgebildeten Federventils, das bei der hydraulischen Pumpe nach Fig. 1 als Vorkompressionsventil eingesetzt wird.

Γ Die in Fig. 1 dargestellte Axialkolbenpumpe hat eine rotierende Wellenanordnung 1 die einen zylindrischen Rotor 2 antreibt, welcher gegen eine in ihrer Neigung einstellbare Schrägflache 3 anlauft, wodurch eine Anzahl von Kolben 4 in Zylindern 5 hin- und herbewegt wird und Flüssigkeit durch Öffnungen (6 und 7 in Fig. 2) in der ' Schrägfläche 3 gefördert wird. Eine Verstellung des Öffnungsblocks entlang einer radialen Bahn 9 ändert den Neigungswinkel der Schrägfläche 3 und damit den Kolbenhub und die Pumpenleistung. Die Öffnungen 6 und 7 sind an Rohranschlüsse 10 angeschlossen, durch die Flüssigkeit in die Axialkolbenpumpe hinein und aus dieser wieder herausgeleitet werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Öffnungsblock aus zwei Teilen 8 und 8a. ,

Wenn der Rotor 2 gemäß Fig. 2 in Uhrzeigerrichtung umläuft, werden die Zylinder 5 nacheinander und ständig in dem Maße zu dem Niederdruck-Einlaß 6 geöffnet, in dem sich die*Kolben 4 zurückziehen und _; Flüssigkeit in den Zylinder 5 einsaugen. Anschließend werden sie mit dem Hochdrück-Auslaß 7 in dem Maße verbunden, wie die Kolben umkehren und Flüssigkeit aus den Zylindern 5 hinausfördern. Es ist eine Vorkompressionszone 11 vorgesehen, in der der Kolben 4 die Flüssigkeit vorkomprimieren kann, bevor sich der Zylinder 5 zum Auslaß 7 öffnet. Ein Loch 12 stellt eine Verbindung der Vorkompressionszone 11 zu einem in Fig. 3 dargestellten Vorkompressionsventil her. Das Vorkompressionsventil bildet ein flach ausgebildetes Federvenil 13, das vorzugsweise eine der in Fig. 4 und 5 dargestellten Formen annimmt. In jedem Fall werden die Außenenden der Arme 19 zwischen den Teilen 8 und 8a und dem Mittelteil der Ventilsitze an einer Dichtfläche 14, die um das Loch 12 herum ausgebildet ist, eingeklemmt. Das Federventil befindet sich in einer Kammer 16, die durch einen Kanal 15 mit dem Auslaß 7 verbunden ist. Die Verstellung des Federventils 13 wird durch einen Anschlag 17 begrenzt, und dadurch wird ein Schnell Schluß des Federventils 13 sichergestellt und seine Überbeanspruchung verhindert. Wenn das Druckmittel im Zylinder 5 den Auslaß 7 erreicht, tritt das Druckmittel nach

g₅ unten durch das Loch 12, drückt das Federventil von der Dichtfläche ab und durch den Kanal 15 hindurch aus der Kammer 16 zum Auslaß

Bei weiterer Verdrehung des Rotors 2 öffnet sich der Zylinder 5 direkt zum Hochdruck-Auslaß 7, so daß auf beiden Seiten des Federventils 13 gleiche Drücke herrschen und dieses unter seiner eigenen Federkraft schließen kann. Bei weiterer Verdrehung des Rotors 2 wird der nächste Zylinder 5 über das Loch 12 geführt und der gleiche Ablauf zyklisch wiederholt.

Fig. 4 und 5 zeigen Draufsichten auf bevorzugte Ausführungen des flach ausgebildeten Federventils 13, das aus einem abdichtenden Mittelteil 18 und Federfinger bildenden Armen 19 besteht. Das Federventil 13 kann eben oder auch gekrümmt ausgebildet sein, um eine zwangsläufige Vorspannung gegen die Dichtfläche 14 zu erhalten. Typischerweise ist das flach ausgebildete Federventil 13 aus Federstahl hergestellt und hat eine solche Federhärte, daß es im wesentliehen schließt, wenn daran kein Druckabfall besteht, d.h. bevor der Druckmitteldruck an der Hochdrucköffnung schließend darauf wirkt.

Die Federventile 13 nach Fig. 4 und 5 sind aus einem Material hergestellt, das für den besonderen Anwendungsfall geeignet ist. Für viele Anwendungen ist Federstahl geeignet, jedoch können in geeigneten Fällen auch andere Materialien wie rostfreier Stahl oder Beryllium-Kupfer verwendet werden.

Aus Feder-Blankstahl hergestellte Federventile 13 nach Fig. 4 haben eine Länge von 22 mm, eine Breite von 8 mm und eine Stärke 0,6 mm. Solche Federventile 13 sind von der Anmelderin ausführlich geprüft worden, und zwar während vieler Betriebsstunden in einer hoch aufgestellten Wasserpumpe für Kohlebergwerke und in einem hydrostatischen Getriebe für Motorfahrzeuge. Das Federventil 13 hat unter QQ einem weiten Bereich von Bedingungen zufriedenstellend gearbeitet, und es wurden keine Ausfälle beobachtet. Im Gegensatz dazu haben Experimentierarbeiten mit federbelasteten Kugelventilen unter Betriebsbedingungen Ausfälle ergeben.

Es kann auch ein flach ausgebildetes Federventil in Form eines Zungenventils verwendet werden, das ist ein flach ausgebildetes Federventil, das an einem Ende befestigt ist, jedoch wird eine solche

Ausführung als weniger wünschenswert angesehen als die in Fig. 4 und 5 dargestellte Form des Federventils 13. Die Ursache dafür liegt darin, daß in so einem Zungenventil infolge der Befestigungsmittel die stärkste Konzentration der Beanspruchung an dem Punkt erfolgt, an dem die höchste Biegebeanspruchung anliegt, wodurch die Möglichkeit zu einem Ausfall entsteht. Nach Art der Fig. 4 und 5 konstruierte Federventile 13 können leichter gemacht werden und arbeiten daher rascher als ein Zungenventil.

Claims

Patentansprüche

Θ.
Hydraulische Pumpe für Flüssigkeiten aus einem Pumpenkörper,

einem zylindrischen Rotor, einem äußeren Träger, der den Rotor umgibt und in dem dieser befestigt ist, einem Einlaß und einem Auslaß in einer Fläche des Pumpenkörpers für die zu fördernde Flüssigkeit, aus einer Mehrzahl von Zylindern in dem Rotor, die in gleichen Winkelabständen parallel oder radial zur Rotorachse verlaufen, aus in den Zylindern bei Drehung des Rotors hin- und herbewegbaren Kolben, einem Kurventrieb für den Rotor, durch den die Zylinder zum Ansaugen von Flüssigkeit nacheinander über die Fläche und an dem Einlaß vorbei und nacheinander an dem Auslaß vorbei bewegt werden, durch den die Flüssigkeit unter der Wirkung der Kolben an der Auslaßfläche ausgestoßen wird, aus einer Vorkompressionszone zwischen dem Einlaß und dem Auslaß, an der sich die Zylinder vorbei bewegen, wenn sie sich vom Einlaß zum Auslaß bewegen, und aus einer Öffnung in der Vorkompressionszone, die mit dem Auslaß in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (12) im Normalzustand durch ein flach ausgebildetes Federventil (13) verschlossen ist, das so angeordnet ist, daß es öffnet, wenn der Flüssigkeitsdruck in einem Zylinder (5) den Flüssigkeitsdruck am Auslaß (7) Übersteigt.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flach ausge-₃Q bildete Federventil (13) eine Härte hat, unter der es in Abwesenheit eines Druckabfalls an dem Ventil (13) schließt, nachdem ein Zylinder (5) die Öffnung (12) passiert hat und bevor der nachfolgende Zylinder (5) mit der Öffnung (12) in Verbindung steht.
1 3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flah ausgebildete Federventil (13) durch ein oder mehrere Endteile zwischen Flächen an Teilen (8,8a) der Pumpe gehaltert ist.
5 4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flach ausgebildete Federventil (13) ein Mittelteil (18) aufweist, von dem zwei oder drei Arme (19) radial verlaufen.
5. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung IO des flach ausgebildeten Federventils (13) durch einen daneben angeordneten Anschlag (17) begrenzt ist.